Techniques évoluées pour la génération d'ozone

La technologie actuelle ne permettant pas de stocker l’ozone dans des conditions fiables, il est nécessaire de réaliser sa synthèse sur le site même d’utilisation. De ce fait, une analyse des besoins des utilisateurs fait apparaître des demandes en ozone extrêmement variables que l’on peut chiffrer entre quelques grammes et quelques centaines de kilogrammes par heure.

Nous examinerons ci-après les solutions économiquement valables que nous avons dégagées pour produire de l’ozone dans une gamme aussi étendue, et cela à la suite des études que nous avons menées tant au niveau du réacteur de production qu’à celui de son environnement, le but recherché étant d’optimiser les frais de fonctionnement et l’investissement.

Les différentes filières possibles

Nature du gaz d’alimentation

En théorie, l’ozone étant généré par l’action d’un champ électrique sur de l’oxygène pur (ou non), deux filières sont actuellement développées industriellement :

• — la filière « Air »
• — la filière « Oxygène pur »

Dans les installations alimentées à l’air ambiant, deux techniques de mise en pression et de traitement de l’air sont proposées selon la taille des ozoneurs, pour des raisons de coûts ; ces techniques sont les suivantes :

• — système haute pression (environ 7 bars) pour des installations produisant jusqu’à 3-4 kg/h environ (figure 1) ;
• — système basse pression (environ 2 bars) pour les installations de taille supérieure et ceci sans limitation de production (figure 2).

Quelle que soit la technique de traitement utilisée, l’air entrant dans le réacteur de production d’ozone possède les caractéristiques suivantes :

— point de rosée : environ –60 à –70 °C — température : environ 15 °C — absence d’huile et de poussières.

La faible hygrométrie est nécessaire pour générer l’ozone avec un bon rendement et assurer un fonctionnement fiable des générateurs.

Dans les installations alimentées à l’oxygène, deux variantes sont possibles selon la taille des unités et la possibilité ou non de disposer d’oxygène sur le site de génération d’ozone. Ces deux variantes sont les suivantes :

— alimentation du générateur à l’oxygène et distribution à l'utilisateur d’un mélange O₂/O₃ ; — alimentation du générateur à l’oxygène suivie d’une étape de séparation O₂/O₃, avec récupération de l’oxygène non transformé en ozone (figure 3). La distribution d’ozone à l'utilisateur s’effectue alors avec un vecteur air (mélange air/O₃) ou un vecteur azote (mélange N₂/O₃). Cette technique récente, développée en commun avec Air Liquide, a permis de résoudre les problèmes liés au coût de fabrication de l’oxygène in situ qui étaient jusqu’à présent un handicap à la production d’ozone à partir d’oxygène pur.

Modes d’alimentation électrique

L’alimentation électrique des générateurs d’ozone peut s’effectuer selon deux modes principaux :

— à fréquence industrielle (50 – 60 Hz), essentiellement pour les petites installations fonctionnant à l'air ; — à moyenne fréquence (500 – 600 Hz) pour les moyennes et grosses installations fonctionnant à l’air et toutes les installations à l’oxygène.

Dans ces deux techniques, nous avons développé et mis au point des systèmes de commande, de contrôle et de sécurité souples et robustes, notamment dans le domaine de la moyenne fréquence en bénéficiant des progrès réalisés en électronique de puissance pour la conception des convertisseurs de fréquences à thyristors.

Les avantages principaux liés à l’utilisation de générateurs moyenne fréquence sont les suivants :

— augmentation de la puissance massique et réduction de la taille des équipements pour une production donnée ; — soutirage parfaitement équilibré sur un réseau triphasé avec un excellent facteur de puissance voisin de l’unité ; — fonctionnement des tubes diélectriques de l’ozoneur sous une tension inférieure à celle utilisée en 50 ou 60 Hz (environ 12 000 V au lieu de 20 000 V).

Mode de refroidissement des générateurs

La génération d’ozone n’utilisant qu’une partie de la puissance électrique transmise au réacteur, une grande part de cette puissance est dissipée sous forme de chaleur, laquelle doit être évacuée pour ne pas nuire au rendement de production.

Pour ce faire, deux types de circuit de refroidissement peuvent être envisagés :

— circuit de type ouvert alimenté par l’eau du réseau (θ ≈ 15 °C) ; — circuit de type fermé avec groupe frigorifique (θ = 3 à 6 °C).

L’utilisation d’un circuit fermé de refroidissement avec groupe froid permet plusieurs possibilités :

— travailler à basse température, et donc obtenir les rendements de production maximum ; — conserver les rendements optimum en s’affranchissant des conditions ambiantes ; — lutter contre la corrosion en utilisant de l’eau conditionnée dans le circuit.

Tableau des caractéristiques des différents types de générateurs d’ozone

Exemples d’installations

Singapour (4 × 718 tubes) Belgrade (3 × 370 tubes) Myrtle-Beach (3 × 280 tubes) Henrico-County (5 × 202 tubes)

Les différents types d’appareils

En fonction des besoins des utilisateurs, divers appareils ont été définis par adaptation du gaz vecteur, de l’alimentation électrique et du mode de refroidissement aux divers cas possibles ; de ce fait, il en existe une grande variété, aux performances diverses :

• — ozoneurs à basse fréquence (50-60 Hz) alimentés à l’air sans circuit fermé de refroidissement,
• — ozoneurs à moyenne fréquence (500-600 Hz), alimentés à l’air avec ou sans circuit fermé de refroidissement,
• — ozoneurs à moyenne fréquence (500-600 Hz), alimentés à l’oxygène pur avec circuit fermé de refroidissement,
• — ozoneurs à moyenne fréquence (500-600 Hz), alimentés à l’oxygène pur avec circuit fermé de refroidissement et possédant une boucle de recirculation de l’oxygène non transformé en ozone.

Un bref aperçu des caractéristiques de ces différents types de générateurs d’ozone est fourni dans le tableau.

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Conclusion

L’ozone, de par ses caractéristiques propres :

• — fort potentiel d’oxydation et de désinfection,
• — disparition quasi complète, après utilisation,

et de par son procédé de fabrication in situ au moyen exclusif de l’électricité, se présente d’ores et déjà comme un réactif privilégié dans de nombreux domaines. Ainsi, dans celui du traitement des eaux (potabilisation, épuration des eaux résiduaires), l’ozone joue actuellement un rôle majeur. De même, dans plusieurs secteurs de l’industrie (chimie organique, pharmacie, industrie alimentaire, textiles, papiers, traitement des gaz…), il ouvre, dès à présent, de nouvelles voies réactionnelles dans les différents procédés chimiques de transformation de la matière, moins polluantes, plus fiables, plus automatisées et donc plus souples d’emploi.

La connaissance approfondie des paramètres d’optimisation de fonctionnement des ozoneurs en fonction de l’application envisagée permet désormais de définir la technique adaptée à chaque type de traitement.