Oxygène PSA vs air sec : quelles performances en ozonation ?
Lorsqu’il s’agit de concevoir une installation d’ozonation industrielle, le choix du gaz d’alimentation est un élément fondamental. Deux solutions sont principalement utilisées :
- L’air sec
- L’oxygène produit par PSA (Pressure Swing Adsorption)
Ce choix influence directement :
- La concentration d’ozone produite
- Le rendement énergétique
- La taille des équipements
- Le coût d’exploitation
- Les performances globales du procédé
Chez OXYTRADING, nous constatons régulièrement que le gaz d’alimentation a davantage d’impact sur les performances qu’un changement de marque ou de modèle de générateur.
Le principe de production de l’ozone
L’ozone est produit par décharge corona. L’oxygène (O₂) est dissocié puis recombiné sous forme d’ozone (O₃). La quantité d’ozone générée dépend principalement :
- de la qualité du gaz d’alimentation ;
- de son taux d’humidité ;
- de sa concentration en oxygène ;
- de la température ;
- de la technologie de la cellule d’ozonation.
Pour cette raison, un même générateur peut produire des quantités très différentes selon qu’il est alimenté par air sec ou par oxygène PSA.
L’air sec : la solution historique
Les premiers générateurs d’ozone industriels utilisaient principalement de l’air sec.
L’air atmosphérique contient :
- environ 21 % d’oxygène ;
- 78 % d’azote ;
- des traces de vapeur d’eau.
Avant d’être injecté dans l’ozonateur, l’air doit être :
- filtré ;
- comprimé ;
- séché.
Avantages
- Investissement initial réduit
- Pas de générateur PSA
- Installation simple pour les faibles puissances
Inconvénients
- Concentration d’ozone limitée
- Rendement énergétique plus faible
- Formation potentielle d’oxydes d’azote (NOx)
- Maintenance accrue des systèmes de séchage
L’oxygène PSA : la référence industrielle actuelle
Un PSA produit de l’oxygène à partir de l’air ambiant. La pureté obtenue est généralement comprise entre 90 et 95 % d’oxygène contre seulement 21 % dans l’air.
Cette augmentation de la concentration en oxygène améliore fortement la production d’ozone.
Concentration d’ozone obtenue
| Gaz d’alimentation | Concentration d’ozone |
|---|---|
| Air sec | 20 à 60 g/Nm³ |
| Oxygène PSA | 80 à 160 g/Nm³ |
| Oxygène liquide (LOX) | 120 à 200 g/Nm³ |
Selon les technologies utilisées, l’alimentation PSA permet souvent de multiplier par 2 à 4 la concentration d’ozone produite.
Impact sur le rendement énergétique
L’énergie consommée pour produire 1 kg d’ozone diminue fortement avec l’augmentation de la pureté en oxygène.
| Gaz d’alimentation | Consommation énergétique relative |
|---|---|
| Air sec | Élevée |
| PSA | Moyenne |
| LOX | Faible |
Un système PSA permet généralement :
- une réduction de la consommation électrique ;
- une meilleure stabilité de production ;
- une limitation des pertes thermiques.
Impact sur les équipements de transfert
L’ozonation ne dépend pas uniquement du générateur.
La dissolution de l’ozone dans l’eau est tout aussi importante.
Une concentration plus élevée permet :
- un meilleur transfert de masse ;
- des injecteurs Venturi plus performants ;
- des réacteurs plus compacts ;
- une réduction des pertes gazeuses.
C’est pourquoi deux installations produisant la même quantité d’ozone peuvent avoir des performances très différentes sur le terrain.
Réduction des NOx
L’un des principaux avantages du PSA concerne la limitation des oxydes d’azote.
Lorsque l’on travaille avec de l’air sec :
- l’azote présent dans l’air participe à certaines réactions ;
- des NOx peuvent être générés ;
- ces composés peuvent former de l’acide nitrique.
Avec un PSA :
- la quantité d’azote est fortement réduite ;
- les risques de formation de NOx deviennent très faibles ;
- la durée de vie des cellules d’ozonation est améliorée.
Dans quels cas choisir l’air sec ?
L’air sec reste pertinent pour :
- les petites productions d’ozone ;
- les applications de traitement d’air ;
- certains équipements mobiles ;
- les faibles budgets d’investissement.
Dans quels cas choisir un PSA ?
Le PSA est généralement recommandé pour :
- le traitement de l’eau industrielle ;
- les stations d’épuration ;
- l’aquaculture ;
- l’irrigation agricole ;
- les tours aéroréfrigérantes ;
- la REUT ;
- les procédés agroalimentaires.
Dès que la production dépasse quelques dizaines de grammes d’ozone par heure, le PSA devient souvent la solution la plus rentable.
Ce n’est pas seulement une question de générateur
Une erreur fréquente consiste à comparer uniquement :
- le prix du générateur ;
- le débit d’ozone annoncé.
En réalité, les performances finales dépendent également :
- du PSA ;
- du refroidissement ;
- du système d’injection ;
- du réacteur de contact ;
- de la régulation ;
- de la destruction des gaz résiduels.
Chez OXYTRADING, nous rappelons souvent que 80 % des performances d’une installation d’ozonation proviennent de l’ingénierie et du dimensionnement, et seulement 20 % du générateur lui-même.
Nos préconisations d’expert
Pour la majorité des applications industrielles de traitement de l’eau, l’oxygène PSA constitue aujourd’hui la meilleure solution technique et économique.
Par rapport à l’air sec, il permet :
- des concentrations d’ozone beaucoup plus élevées ;
- une meilleure efficacité énergétique ;
- moins de NOx ;
- des équipements plus compacts ;
- de meilleures performances de transfert.
L’air sec conserve néanmoins sa place sur les petites installations ou certaines applications spécifiques de traitement d’air.
Avant de choisir une technologie, une étude de faisabilité et un dimensionnement précis restent indispensables afin d’optimiser les performances et le retour sur investissement de l’installation.
