Introduction au tamis moléculaire de carbone pour la production d'azote par PSA
Avec la vague de révolution industrielle des années 1950, l'application des matériaux à base de carbone s'est de plus en plus répandue, le domaine qui s'est développé le plus rapidement étant celui du charbon actif, qui est passé progressivement du filtrage des impuretés à la séparation de différents composants. Parallèlement, avec les progrès technologiques, les capacités de traitement de la matière par l'homme se sont renforcées, ce qui a donné naissance au tamis moléculaire de carbone. Dans les années 1960, les tamis moléculaires de carbone ont été fabriqués avec succès et rapidement promus aux États-Unis. Ils ont d'abord été utilisés comme adsorbants pour séparer l'oxygène de l'air, avant d'être progressivement appliqués à des dispositifs de production d'azote. À la fin des années 1970 et au début des années 1980, la demande mondiale d'azote a continué à augmenter, tandis que la technologie de l'adsorption par variation de pression pour la production d'azote a progressivement évolué, ce qui a favorisé le développement de la technologie de fabrication des tamis moléculaires de carbone.
En 1982, la production d'azote aux États-Unis et au Japon dépassait celle de l'oxygène. À cette époque, l'adsorption modulée en pression pour la production d'azote représentait environ 18% de la production totale d'azote. La part de marché de cette technologie ne cessant de croître, les principaux pays industriels du monde ont investi dans la recherche et le développement de tamis moléculaires de carbone pour l'adsorption modulée en pression, les États-Unis, le Japon et l'Allemagne occupant la première place sur le plan technologique. Aujourd'hui encore, les principaux producteurs de tamis moléculaires de carbone dans le monde sont principalement répartis dans ces pays.
Les matières premières du tamis moléculaire de carbone sont les coquilles de noix de coco, le charbon et les résines.
Tout d'abord, ils sont traités et réduits en poudre, puis mélangés au substrat, principalement pour augmenter la résistance et empêcher la fragmentation du matériau. La deuxième étape est l'activation et la formation de pores, qui implique l'injection d'un activateur à une température de 600-1000 ℃. Les activateurs couramment utilisés sont la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone, l'oxygène et leurs mélanges. Ils réagissent avec les atomes de carbone amorphe plus actifs pour générer chimiquement de la chaleur, élargissant progressivement la surface pour former des pores. L'activation et la formation des pores durent de 10 à 60 minutes. La troisième étape est la régulation de la structure des pores, en utilisant des vapeurs de substances chimiques telles que le benzène pour se déposer sur la paroi microporeuse du tamis moléculaire de carbone afin d'ajuster la taille des pores en fonction des besoins.
Les tamis moléculaires à base de carbone sont divisés en quatre étapes en fonction de leurs différences de performance.
Dans un premier temps, le tamis moléculaire de carbone présentait une distribution très inégale de la taille des pores en raison des limitations du processus de fabrication, et ne pouvait produire de l'azote qu'avec une pureté d'environ 97%-98%, avec un taux de récupération de seulement 26% à 34%, ce qui nécessitait une consommation d'énergie élevée.
Au cours de la deuxième étape, les tamis moléculaires au carbone ont amélioré leurs performances et peuvent produire de l'azote d'une pureté supérieure à 99,9%, mais la consommation d'énergie est très élevée et les conditions d'une application à grande échelle ne sont pas réunies. À ce stade, les tamis moléculaires pouvaient produire de l'azote d'une pureté de 97-98%, avec un taux de récupération de 37%-42%, et étaient déjà largement utilisés.
Au cours de la troisième phase, les performances des tamis moléculaires ont considérablement progressé grâce à l'amélioration de la technologie de traitement, et ils peuvent produire de l'azote d'une pureté supérieure à 99,991 TTP3 en une seule étape, avec un taux de récupération de 401 TTP3 lors de la production d'azote d'une pureté de 99,51 TTP3. Les tamis moléculaires de troisième génération sont les plus couramment utilisés et sont choisis par la plupart des fabricants.
Le tamis moléculaire de quatrième génération a été développé avec succès par une entreprise japonaise en 2001. Par rapport aux tamis moléculaires de troisième génération, ses performances se sont considérablement améliorées. Associé à la technologie d'adsorption modulée en pression non isobare de Ruiqi, il est capable de produire de l'azote d'une pureté supérieure à 99,9995% en une seule étape. Lors de la production d'azote d'une pureté de 99,99%, le taux de récupération de l'azote atteint le chiffre incroyable de 32%. Dans le contexte actuel de pénurie d'énergie, son importance est encore plus grande.
