Brevet FR2579484A1 — publié le 19861003

La présente invention est relative à la technique de séparation des mélanges gazeux dite PSA (Pressure Swing Adsorption), et plus précisément à un procédé d'adsorption mettant en oeuvre trois adsorbeurs avec, pour chaque adsorbeur, les phases opératoires suivantes production sensiblement isobare à une pression haute du cycle voisine de la pression atrrospnêrique, cette phase de production comportant l'admission du mélange dans l'adsorbeur par une premibre extrémité de l'adsorbeur, avec circulation du mélange dans l'adsorbeur et soutirage simultané à l'autre extrémité de l'adsorbeur d'une fraction enrichie en l'un des constituants, dite gaz de production, le sens de circulation dans 1 'adsorbeur au cours de cette phase de production étant appelé co-courant; pompage à contre-courant pour réaliser une mise en dépression jusqu'à une pression basse du cycle ; et remontée en pression à contre-courant jusqu'au retour à la pression haute. Elle s'applique en particulier à la production d'air enrichi en oxygine et notamment à la production d'air enrichi à une teneur en oxygène de 90 à 93 % environ, 1'adsorbant emplissant les adsorbeurs étant du type tamis moléculaire zéolitique. les cycles du type décrit ci-dessus, dits "cycles à vide", se déroulent généralement entre les pressions extrêmes 1 à 1,2 bar absolu d'une part et quelques dizaines ou centaines de millibar d'autre part. Deux machines sont nécessaires : une soufflante pour permettre la circulation d'air dans l'appareil, et une pompe à vide pour réaliser la mise en dépression des adsorbeurs à régénérer. Si l'oxygène impur produit doit être délivré sous pression, un compresseur d'oxygene cemplete 1' installation. Par rapport aux cycles dits "cycles pression" qui, appliqués au fractionnement de l'air, se déroulent le plus souvent entre les pressions extrêmes 3 à 6 bars absolus d'une part, et pression atmosphérique d'autre part, les cycles à vide nécessitent un plus grand nombre de machines mais sont avantageux du point de vue de la consommation d'énergie. L'invention a pour but d'améliorer encore le bilan énergétique des cycles à vide. A cet effet, elle a pour objet un procédé d'adsorption du type précité, caractérisé en ce qu'une premiere partie de la phase de pompage à contre-courant est accompagnée d'une dépressurisation à co-courant par équilibrage avec un autre adsorbeur en début de phase de remontée en pression, le reste de cette phase de remontée en pression s'effectuant par introduction de gaz de production dans l'adsorbeur. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est un schéma d'une installation destinée à la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention ; et - la figure 2 est un diagramme illustrant le fonctionnenent de cette installation. L'installation représentée à la figure 1 est destinée à produire de l'air enrichi en axygene à une teneur de préférence comprise entre 90 et 93 % environ, mais pouvant être inférieure à 90 % ou au contraire pouvant atteindre jusqu'à 95/96 %. Elle coMprend trois adsorbeurs 1 à 3, une ligne d'admission 4 équipée d'un ventilateur ou d'une soufflante 5, une ligne de pompage 6 équipée d'une po@pe à vide 7, une ligne 8 de production d'air enrichi, et une ligne 9 de prélêvement d'air enrichi équipée d'un organe 10 de contrôle de débit. La ligne 4 est reliée à l'entrée de chaque adsorbeur par l'interdédiaire d'une vanne respective 111, 112, 113. De même, la ligne 6 est reliée à l'entrée de chaque adsorbeur par l'intermEdiairc d'une vanne respective 121, 122, 123. la ligne 8 est reliée à la sortie de chaque adsorbeur par l'intermediaire d'une vanne respective 131, 132, 133. De mamie, la ligne 9 est reliée à la sortie de chaque adsorbeur par l'intermediaire d'une vanne respective 141, 142, 143. Par ailleurs, trois lignes d'équilibrage 151 3, 153,2 et 152 1 équipées de vannes respectives 161 3, 163,2 et 162,1, relient les sorties des adsorbeurs 1 et 3, 3 et 2, 2 et 1 respectivement. Au msyen de cette installation, on réalise pour chaque adsorbeur un cycle que l'on a illustré à la figure 2 en référence à l'assorbeur 1. Si T désigne la durée du cycle, le fonctionnement de l'adsorbeur 2 s'en déduit par décalage dans le temps de T/3 et celui de l'adsorbeur 3 par décalage dans le temps de 2T/3. Dans l'exemple illustré, on peut choisir par exemple une durée de cycle de 60 secondes ou de 90 secondes. Sur la figure 2, où les temps t sont portés en abscisses et les pressions absolues P en ordonnées, les traits orientés par des flèches indiquent les rraxvements et destinations des courants gazeux ; lorsque les flèches sont parallèles à l'axe des ordonnées, elles indiquent, en outre, le sens de circulation dans un adsorbeur : lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées croissantes (vers le haut du diagramme) le courant est dit à co-courant, dans l'adsorbeur ; si la flèche dirigée vers le haut est située au-dessous du trait indiquant la pression dans l'adsorbeur, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l1extrémité d'entrée de l'adsorbeur ; si la flèche, dirigée vers le haut, est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant respectivement celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production isobare ; lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme), le courant est dit à contre-courant, dans l'adsorbeur.Si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessous du trait indiquant la pression de l'adsorbeur, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur ; si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extremitE de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant toujours celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production isobare. D'autre part, on a indiqué en traits pleins les courants gazeux qui concernent exclusivement l'adsorbeur 1 et en traits pointillés les courants gazeux en provenance ou en direction d'autres adsorbeurs. Ainsi, pour l'adsorbeur 1, le cycle comporte les phases suivantes - de t = 0 jusqu'à un temps t de l'ordre de quelques secondes, par exemple de 5 secondes, entre d'air à traiter en provenance de la ligne 4 et production isobare d'air enrichi sur la ligne 8, sous une pression dite haute qui est légèrement superieure à la pression atmosphérique - de te à T/3, poursuite de cette production isobare, mais avec en outre dérivation d'une partie de la production par la ligne 9 vers l'adsorbeur 2, lequel se trouve en phase finale de remise à la pression haute - de T/3 à 2T/3, l'entrée de lladsorbeur 1 est reliée par la ligne 6 à la pompe à vide 7, laquelle fonctionne en permanence et amène l'adsorbeur 1, à t = 2T/3, à la pression basse du cycle Pb, par exemple de 200 mb; ; - de T/3 à T/3 + te, à ce pompage à contre-courant se superpose une dépressurisation à co-courant par mise en communication des sorties des adsorbeurs 1 et 3, via la ligne 151 3. Ainsi, pendant cette phase, l'adsorbeur 1 commence sa mise sous vide tandis que l'adsorbeur 3 canenoe à remonter en pression, ce jusqu'à équilibrage à une pression d'équilibrage Pe. Par contre, de T/3 + t à 2T/3, la mise sous vide de l'adsorbeur 1 est effectuée uniquement par l'action de la pompe 7 - de 2T/3 à 2T13 + te, l'adsorbeur 1 commence à remonter en pression, jusqu'à la valeur Pe, par equilibrage avec l'adsorbeur 2, via la ligne 152 ,1;; - de 2T/3 + te à T, phase finale de remit à la pression haute par prélèvement d'une partie de la production via la ligne 9. On peut donc résumer le fonctionnement de l'installation par le tableau figurant sur la page suivante, les numéros portés dans les cases indiquant les adsorbeurs concernés. Les essais effectués par la Demanderesse ont montré que le procédé suivant l'invention présente les avantages suivants par rapport aux procédés à vide classiques ne comportant pas de phase d'équilibrage au début de la phase de pompage - augeentation du rendement d'extraction en oxygène ; - diminution du dimensionnement de la pompe à vide et de la conscomation énergétique à production identique d'air enrichi. Dans une variante non représentée, l'sir peut être mis en circulation dans chaque adsorbeur, pendant la phase de production, non plus au moyen de la soufflante 5, mais par l'aspiration produite par un compresseur d'air enrichi équipant la conduite 8. Dans ce cas, la haute pression du cycle est légèrement inférieure à la pression atmosphérique. Temps 0 à te te à T/3 T/3 à t/# + te T/3 + te à 2T/3 2T/3 à 2T/3 + te 2t/3 + te à T Froduction 1 1 2 2 3 3 Pompage 3 3 1 1 2 2 Déàpressurisation 3 1 2 à co-courant Remontée en pression par 2 3 1 équilibrage Remise à la 2 3 1 pression haute REVENDICAUICNS 1. - Procécé dé d'adsorption mettant en oeuvre trois adsorbeurs (1, 2, 3) avec, pour chaque adsorbeur, les phases opératoires suivantes : production sensiblement isobare à une pression haute du cycle voisine de la pression atmosphérique, cette phase de production comportant l'admission du mélange dans l'adsorteur par une première extremité de l'adsorbeur, avec circulation du mélange dans l'adsorbeur et soutirage simultané à l'autre extrémité de l'adsorbeur d'une fraction enrichie en l'un des constituants, dite gaz de production, le sens de circulation dans l'adsorbeur au cours de cette phase de production étant appelé co-courant, pompage à contre-courant pour réaliser une mise en dépression jusqu'à une pression basse du cycle ; et remontée en pression à contre-courant jusqu'au retour à la pression haute, ce procédé étant caractérisé en ce qu'une première partie de la phase de pompage à contrecourant est accampagnée d'une dépressurisation à co-courant par équilibrage avec un autre adsorbeur en début de phase de remontée en pression, le reste de cette phase de remontée en pression s'effectuant par introduction de gaz de production dans l'adsorbeur. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase finale de remontée en pression s'effectue par prélèvement d'une partie du courant de production. 3. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite pression haute est légèrement supérieure à la pression atmosphérique, la circulation du mélange gazeux en phase de production s'effectuant par mise en communication de ladite première extrémité de l'adsorbeur (1, 2, 3) avec le refoulement d'une soufflante (5). 4. - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite pression haute est légèrement inférieure à la pression atmosphérique, la circulation du mélange gazeux en phase de production s'effectuant par mise en communication de ladite autre extrémité de l'adsorbeur (1, 2, 3) avec l'aspiration d'un ccmpresseur. 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange gazeux à traiter est de l'air et le gaz de production de l'air enrichi en oxygène. 6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'air enrichi produit est à une teneur à oxygène de l'ordre de 90 à 93 %.