Brevet FR2359628A1 — publié le 19780224

La présente invention concerne la séparation des mélanges gazeux à l'aide d'un adsorbant, capable de fixer préférentiellement l'un au moins des constituants des mélanges et notamment mais non exclusi#ement, la séparation de mélanges transmis à des pressions variables à l'adsorbant. Lorsquton utilise des techniques dladsorption pour le retrait des impuretés d'un gaz dont la pression varie constamment, l'utilisation optimale de la matière adsorbante pose un problème, car les impuretés du courant effluent de l'adsorbant ne doivent pas traverser celui-ci. Les chambres de décompression des plongeurs,qui ont des atmosphères d'hélium, sont mises progressivement sous pression et ensuite sont très lentement mises hors pression pendant des périodes qui peuvent atteindre 7 jours, avant ou après descente des plongeurs sous les eaux à grande profondeur.L'hélium contaminé par des impuretés, par exemple l'anhydride carbonique, est retiré de la chambre et passe dans une colonne d'adsorption qui fixe préférentiellement les impuretés et purifie ainsi le gaz qui peut donc etre recyclé. Lorsqu'unie chambre de plongée fonctionnant à saturation est dépressurisée, la concentration d'oxygène est élevée afin que la pression partielle de celui-ci reste constante. Au cours de la réduction de la pression, le gaz est rassemblé et il est maintenu dans une réserve de gaz usé. Il est alors comprimé et purifié avant passage dans la réserve de gaz propre. Initialement, la réserve de gaz propre est partiellement vide et la pression de refoulement du compresseur et la pression de fonctionnement de l'installation dwad- sorption par mise alternée sous pression sont faibles. Lorsque la chambre de plongée ou de décompression est presque à la pression atmosphérique, la réserve de gaz propre est presque pleine et l'installation d'adsorption doit fonctionner à pression élevée.De manière analogue, lors de la décompression, la concentration initiale de lfoxygène est d'environ 0,5 % et elle atteint ensuite 21 %, La concentration d'oxygène de la réserve de gaz usé a donc une valeur comprise - entre ces deux chiffres. En conséquence, au cours de la compression et de la décompression de la chambre, la pression du gaz transmis à la colonne d'adsorption varie de façon continue. Jusqu'à présent, on a fixé le temps de l'étape d'adsorption empiriquement afin que cette opération soit arrêtée théoriquement toujours avant la percée des impuretés. Cependant, lorsque la pression varie, l'adsorbant ou bien n'est pas utilisé à sa capacité maximale, pour chaque étape d'adsorption, ou bien présente un danger réel de percée des impuretés, avec les conséquences désastreuses qui en découlent. L'invention concerne un procédé de séparation d'un mélange gazeux, comprenant la transmission du mélange à une zone d'adsorption contenant un adsorbant qui fixe préférentiellement l'un des constituants au moins du mélange, la détection du moment où un front du ou des constituants adsorbés, qui progresse lentement dans la zone au cours de l'adsorption, atteint une position prédétnInn#ée dans la zone et, lorsque le front atteint cette position prédéterminée, l'interruption de l'alimentation de dela zone en mélange gazeux, la transmission de ce mélange gazeux dans une zone analogue d'adsorption et la répétition du cycle précité dans cette zone. L'invention concerne aussi un appareil de séparation d'un mélange gazeux, comprenant au moins deux zones d'adsorption qui contiennent chacune un adsorbant destiné à fixer préférentiellement l'un au moins des constituants du mélange gazeux, un capteur placé à une position particulière de chaque zone afin qu'il détecte-la présence du ou des constituants à ladite position de la zone, et un dispositif destiné à interrompre l'alimentation de chaque zone en mélange gazeux lorsque le capteur de la zone correspondante détecte la présence du ou des constituants dans ladite position de la zone.Le cycle de chaque zone d'adsorption comprend avantageusement la circulation du gaz d'alimentation dans la zone jusqulà ce que le capteur de celle-ci indique que le front des constituants adsqr- bés a atteint une position prédéterminée dans cette zone. Celle-ci est alors reliée de préférence à une seconde zone qui est à une pression plus faible, c'est-à-dire qui se trouve après une étape de régénération, si bien que le gaz contaminé des espaces laissés entre les particules d'adsorbant de la pre mière zone est aspiré dans le second lit avant une adsorption ultérieure dans ce lit, les pressions dans les deux lits devenant pratiquement égales. Le premier lit est alors régénéré de préférence par réduction de la pression dans ce lit.Celui-ci est alors pret pour le traitement d'une nouvelle charge de gaz contaminé et pour la répétition du cycle précité. C'est l'extrémité de sortie de la première zone d'adsorption qui est reliée de préférence à l'extrémité d'entrée de la seconde zone d'adsorption, au cours de l'étape dans laquelle les pressions des deux zones sont rendues égales. Un tel procédé selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre avec plusieurs paires analogues de zones d'adsorption montées en parallèle, chaque zone et les cycles de chaque paire de zones étant tels que le courant de gaz produit peut sistre pratiquement continu. Il faut noter qu'on peut mettre en oeuvre le procédé et l'appareil selon l'invention pour la séparation de mélanges gazeux très divers autres que l'hélium contaminé, par exemple au cours de la séparation de l'oxygène ou de l'azote de l'air. D'autres caractéristiques et avantages de l1inven- tion ressortiront mieux de~la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé qui représente schématiquement un appareil de séparation d'un mélange gazeux, comprenant deux zones d'adsorption selon l'invention. Le dessin représente deux colonnes 10 et Il dtad- sorption contenant chacune un adsorbant qui fixe préférentiellement des impuretés telles que l'anhydride carbonique, dtun courant introduit d'hélium contaminé et retiré de l'atmosphère d'une cha*in dans laquelle les plongeurs subissent une compression et une décompression, avant et après descente à des profondeurs considérables dans la mer pour la réalisation d'un travail d'entretien. Le gaz contaminé introduit parvient à l'appareil par la canalisation i2 et l'hélium purifié produit est recyclé vers la réserve de gaz propre par la canalisation 13. La canalisation 12 d'alimentation est reliée aux extrémités d'entrée des colonnes 10 et Il par des canalisations 14 et 15 respectivement. Le courant dans ces canalisations est commandé par des vannes 16 et 17 montées dans celles-ci. Les extrémités de sortie des colonnes d'adsorption sont reliées à la canalisation 13 de transmission de produit par des canalisations 18 et 19. Le débit dans ces dernières est réglé par des vannes 20 et 21 convenablement disposées. En outre, l'extrémité de sortie de chaque colonne 10, Il est reliée à l'extrémité d'entrée de l'autre colonne par une canalisation 22, 23 comprenant une vanne 24, 25 respectivement. Une canalisation 26 de produit usé est reliée à une pompe 27 à vide qui retire les impuretés adsorbées dans les colonnes 10 et 11, comme décrit dans la suite. La canalisation 26 est reliée aux colonnes 10 et Il par des canalisations 28 et 29 respectivement. Les débits dans les canalisations 28 et 29 sont réglés par des vannes 30 et 31 convenablement placées dans celles-ci. Dans chaque colonne 10, 11, un capteur 32, 33 occupe une position proche de l'extrémité supérieure de sortie de la colonne correspondante. Les capteurs, par exemple des catharomètres, peuvent détecter la présence d'impuretés gazeuses quelconques dans le mélange transmis aux colonnes d'adsorption, au voisinage des capteurs.Ceux-ci sont reliés électriquement par des lignes 34 et 35 à des commandes électriques 36 et 37 qui reçoivent des impulsions des capteurs 32 et 33 lorsque ceux-ci détectent la présence des impuretés gazeuses précitées dans les colonnes d'adsorption au voisinage des capteurs. Lorsque la commande 36, 37 reçoit de telles impulsions, elle transmet à son tour des impulsions dans les lignes 38, 39 et provoque automatiquement la fermeture de la vanne correspondante 16, 17 qui arrtte la transmission du mélange gazeux contaminé à la colonne particulière d'adsorption. Des vannes 42 et 43 assurent une décharge préréglée qui permet la percolation d'une petite quantité de gaz pur dans le lit régénéré dont la purification est ainsi facilitée. Au cours d'un cycle de fonctionnement, le gaz introduit parvient par la canalisation 12 et pénètre dans la colonne 10 alors que la vanne 16 est ouverte. A ce moment, la seconde colonne Il est mise sous vide par la pompe 27 reliée par l'intermédiaire de la vanne 31 qui est ouverte si bien que l'adsorbant de la colonne Il peut titre régénéré. Lorsque le gaz introduit passe dans la colonne 10, ce gaz étant sous pression puisque la chambre de plongée dont provient le gaz est toujours à une pression supérieure à la pression atmosphérique, les impuretés gazeuses sont adsorbées par l'adsorbant contenu dans la colonne. Au début, les impuretés sont adsorbées dans la région proche de lten- trée de la colonne 10 mais, lorsque celle-ci se sature, les impuretés sont adsorbées dans la partie voisine non saturée de l'adsorbant. En conséquence, lorsque l'adsorption se pour suit, le front des constituants adsorbés dans la colonne 10 remonte progressivement dans la colonne. L'hélium purifié quitte la colonne par la canalisation 18 et la vanne ouverte 20 et pénètre dans la canalisation 13 de produit afin d'entre recyclé.Lorsque le front des constituants adsorbés atteint finalement le capteur 32, une impulsion électrique parvient à la commande 36 qui transmet alors un signal de fermeture de la vanne 16 et interrompt ainsi l'étape d'adsorption. Au cours de cette dernière, la colonne Il a été complètement régénérée. Lors de l'étape suivante du cycle, les vannes 20 et 21 sont fermées et la vanne 24 est ouverte afin que l'hélium restant dans les cavités de l'adsorbant. de la colonne 10 et qui est contaminé par une certaine quantité de constituants adsorbés,soit alors aspiré hors de la colonne 10 et dans la colonne Il car celle-ci est alors à une pression bien inférieure. Cette étape est poursuivie jusqutà ce que les pressions dans les colonnes 10 et Il soient pratiquement égales, et la vanne 24~est alors fermée, la vanne 30 étant ouverte en vue de la régénération de l'adsorbant de la colonne 10. La vanne 17 qui commande entrée de la colonne Il et la vanne 21 reliée à la sortie de cette meme colonne sont aussi ouvertes afin que le gaz introduit puisse parvenir à la colonne Il en vue d'une étape d'adsorption réalisée dans cette colonne. Les constituants adsorbés, restant dans la colonne 10, sont alors retirés par la canalisation 26 sous l'action de la pompe à vide 27 qui abaisse encore la pression dans cette colonne et régénère ainsi l'adsolffant de celle-ci. Au cours de cette étape, la vanne 42 est ouverte et permet la décharge de l'hélium produit à travers la colonne, si bien que la régénération de l'adsorbant est facilitée. A à la fin de l'étape de régénération de la colonne 10 et de l'étape d'adsorption réalisée simultanément dans la colonne 11, comme décrit précédemment pour l'adsorption dans la colonne 10, ltextrémité de sortie de la colonne Il est reliée à l'entrée de la colonne 10 par ouverture de la vanne 25, toutes les autres vannes étant fermées si bien que les pressions dans les deux colonnes s'égalisent. Les cycles décrits pour les colonnes se répètent alors constamment si bien que de l'hélium purifié est recyclé par la canalisation 13 vers la chambre de plongée. Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, deux paires au moins de colonnes d'adsorption sont utilisées et les étapes d'adsorption, d'égalisation des pressions et de régénération sont déphasées afin qu'ut courant pratiquement continu d'hélium purifié puisse etre transmis. Il faut noter que, dans chaque étape d'adsorption réalisée dans les colonnes 10 et 11, on utilise l'adsorbant de manière optimale, dans la colonne, quelle que soit la pression du gaz provenant de la chambre de plongée au moment considéré, puisque l'adsorption est poursuivie jusqu'à ce que le front des impuretés gazeuses adsorbées dans les colonnes ait atteint une position prédéterminée dans la colonne. En outre, la percée des impuretés dans la canalisation de produit est pratiquement impossible gracie à l'action des capteurs 32, 33, et on ne doit pas se rapporter à des cycles fixés empiriquement pour la détermination de la fin de l'étape d'adsorption, comme dans la technique antérieure qui ou bien provoque une utilisation non optimale de l'adsorption ou bien crée un risque de percée des impuretés. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'un mélange gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission du mélange à une zone d'adsorption qui contient un adsorbant qui fixe préférentiellement un constituant au moins du mélange, la détection du moment où un front du ou des constituants adsorbés, qui progresse dans la zone au cours de l'adsorption, atteint une position prédéterminée dans cette zone, puis, lorsque ce front atteint cette position prédéterminée, l'interruption de la transmission du mélange gazeux dans la zone, la transmission du mélange gazeux à une zone analogue d'adsorption, et la répétition du cycle précité dans cette seconde zone. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après adsorption dans une zone, celle-ci est reliée à une seconde zone analogue d'adsorption qui a une pression plus faible, si bien qu'une partie au moins du gaz contaminé contenu dans les espaces de l'adsorbant de la première zone est aspirée dans la seconde zone, et l'adsorbant de la première zone est ensuite régénéré, alors que le mélange gazeux parvient dans la seconde zone. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux zones sont reliées comme indiqué jusqu'à ce que les pressions y soient pratiquement égales. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'extrémité de sortie de la première zone est reliée à l'extrémité d'entrée de la seconde zone. 5. Procédé selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des zones est régénérée par réduction de la pression dans celle-ci. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, au cours de la régénération de chaque zone, un courant de gaz produit circule dans la zone et facilite la régénération de l'adsorbant de cette zone. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 et la revendication 2 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend la mise en oeuvre d'au moins deux paires de zones analogues d'adsorption fonctionnant suivant des cycles analogues, les cycles des paires de zones étant tels que cel les-ci transmettent un courant pratiquement continu de gaz produit. 8. Appareil de séparation d'un mélange gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux zones d'adsorption contenant chacune un adsorbant fixant préférentiellement un constituant au moins d'un mélange gazeux, des capteurs occupant dans chaque zone une position permettant la détection de la présence du ou des constituants dans ladite position dans la zone considérée, et un dispositif d'interruption de l'introduction du mélange gazeux dans chaque zone lorsque le capteur de la zone détecte la présence du ou des constituants à ladite position de la zone. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les zones d'adsorption sont reliées par une canalisation au moins, commandée par une vanne, si bien que les zones peuvent etre reliées l'une à l'autre en cours d'utilisation, afin que les pressions des zones puissent titre égalisées. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les zones sont reliées par deux canalisations séparées commandées par des vannes, chaque canalisation étant montée entre l'extrémité de sortie d'une zone et l'extrémité d'entrée autre. 11. Appareil selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'un dispositif d'aspiration est relié aux zones par des canalisations commandées par des vannes et destinées à régénérer la matière adsorbante des zones. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que des canalisations commandées par des vannes sont montées entre une réserve d'un mélange gazeux qui est enrichi par le ou les constituants facilement adsorbés du mélange gazeux original qui doit etre séparé, afin que, en cours de fonctionnement, ce mélange gazeux enrichi puisse circuler dans une zone régénérée, par réduction de la pression qui facilite cette régénération. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 et la revendication 9 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux paires de zones d'adsorption et un dispositif de commande de l'appareil afin que, en cours d'utilisation, l'adsorption, la désorption et l'égalisation des pressions dans les paires de zones soient telles que l'appareil transmet un courant continu de gaz produit.