Générateur d'oxygène à usage industrielLe processus de régénération par adsorption couramment utilisé est l'adsorption modulée en pression (PSA). Le processus PSA modifie généralement la pression pendant le processus d'adsorption pour obtenir l'adsorption et la désorption. Le processus de base du PSA est l’adsorption sous pression et la désorption sous basse pression ou pression atmosphérique. L'adsorption modulée en pression sous vide (VPSA) est un processus d'adsorption modulée en pression qui adsorbe sous pression et désorbe sous basse pression (vide). Il s'agit également d'un type de procédé PSA et est actuellement largement utilisé dans la production d'oxygène dans le domaine de la séparation des gaz.
Principe du processus de production d'oxygène par adsorption modulée en pression
Selon le mécanisme de séparation des composants gazeux par adsorption modulée en pression, les adsorbants peuvent être divisés en adsorbants sélectifs cinétiques et adsorbants sélectifs d’équilibre. Le premier est séparé en fonction de la différence de vitesse de diffusion des molécules d'adsorbat dans les micropores de l'adsorbant, tandis que le second est séparé en fonction de la taille de la force des molécules d'adsorbat dans les pores de l'adsorbant. L'adsorbant pour la production d'oxygène par adsorption modulée en pression est un tamis moléculaire de zéolite. Le tamis moléculaire de zéolite utilisé pour la production d'oxygène comprend principalement un tamis moléculaire de zéolite de type X (tel que LiX, NaX, CaX) et un tamis moléculaire de zéolite de type A (tel que CaA).
Le tamis moléculaire zéolite est un cristal de silicate poreux dont la taille des pores est de l'ordre de grandeur de la taille moléculaire. Il est polaire et appartient à un adsorbant sélectif équilibré. Il est principalement composé de trous ioniques et de squelettes chargés en silicium-aluminium. Le rôle principal des cations dans les tamis moléculaires zéolitiques est de compléter le manque de charge positive des tétraèdres d’oxyde d’aluminium qui constituent le squelette du tamis moléculaire. Le cation est partagé par un autre tétraèdre d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de silicium, étendant l'espace tridimensionnel du réseau pour former une structure de cage tridimensionnelle. Les cations dans le réseau ont l’effet de points locaux fortement positifs du réseau, qui attirent électrostatiquement les molécules polaires. Les molécules non polaires d'oxygène et d'azote produisent des moments dipolaires sous polarisation, et les dipôles induits produits ont des effets d'adsorption avec les dipôles inhérents à l'adsorbant. Dans des conditions isothermes, la force d’induction de l’azote est supérieure à celle de l’oxygène. La capacité d'adsorption de l'azote par le tamis moléculaire zéolitique est supérieure à celle de l'oxygène. Lorsque l'oxygène et l'azote traversent simultanément le lit de tamis moléculaire de zéolite, les molécules d'azote sont principalement adsorbées et les molécules d'oxygène sont moins adsorbées. Ainsi, l'oxygène et l'azote sont séparés et l'oxygène non adsorbé est enrichi et produit sous forme d'oxygène.
Le tamis moléculaire zéolite de type X appartient au système cristallin isométrique et possède une structure zéolitique octaédrique cubique (FAU). Son squelette silicium-oxygène et sa structure aluminium-oxygène sont les mêmes que ceux de la zéolite faujasite naturelle[28]. La structure du squelette FAU du tamis moléculaire zéolite de type X contient deux structures de cavité tridimensionnelles. La structure à grande cavité est constituée de supercages avec un diamètre de pores d'environ 13 Å, et la structure à petite cavité est constituée de cages (sodalite ou cages) avec un diamètre de pores d'environ 8 Å.
Généralement, les tamis moléculaires synthétiques à structure faujasite (FAU) sont divisés en tamis moléculaires de type Y (n(SiO2)/n(Al2O3)＞3.0) et tamis moléculaires de type X (2.{{8 }} Inférieur ou égal à n(SiO2)/n(Al2O3) Inférieur ou égal à 3.0) selon les différents rapports molaires silicium-aluminium du cadre [n(SiO2)/n(Al2O3)] . Le rapport molaire silicium-aluminium de la structure des tamis moléculaires de type X (LSX) à faible rapport silicium-aluminium est compris entre 2.0-2.2. En raison de son faible rapport silicium-aluminium, il a plus de charges négatives, donc sa capacité d'échange de cations est grande, la densité de charge est élevée et la capacité d'adsorption est forte ; en même temps, il a une structure topologique FAU, et a le grand volume et la taille des pores du tamis moléculaire de zéolite de type X lui-même, et a une grande capacité d'adsorption. Par conséquent, les tamis moléculaires de type LSX ont d’excellentes performances d’adsorption [30]. L’ion lithium (Li+) est l’ion métallique ayant le plus petit rayon, une densité de charge très élevée et une polarisabilité élevée.
Une fois que le tamis moléculaire 13X (NaX) est modifié par échange Li+ pour devenir un tamis moléculaire Li-LSX à échange élevé, le coefficient de séparation azote-oxygène et la capacité d'adsorption de l'azote sont améliorés et les performances d'adsorption sélective sont meilleures. Par conséquent, le tamis moléculaire Li-LSX est devenu le meilleur adsorbant actuellement reconnu dans la production d’oxygène par adsorption modulée en pression, et est également l’adsorbant le plus largement utilisé dans la production industrielle réelle.
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