Brevet FR2633847A1 — publié le 19900112

i DESCRIPTION La présente invention est relative & un procédé de traitement d'un mélange gazeux par adsorption à variation de pression (PSA), du type mettant en oeuvre trois adsorbeurs avec, pour chaque adsorbeur, un cycle comprenant les phases opératoires successives suivantes, le cycle étant décalé d'une ligne à l'autre d'une durée T/3, o T désigne la durée du cycle (a) une phase d'adsorption sensiblement isobare A une pression haute du cycle, cette phase d'adsorption comportant l'admission du mélange dans l'adsorbeur par une première extrémité, dite extrémité d'entrée, de l'adsorbeur, avec circulation du mélange dans l'adsorbeur et soutirage simultané à l'autre extrémité, dite extrémité de sortie, de l'adsorbeur d'une fraction enrichie en l'un des constituants dont une partie forme un gaz de production, le sens de circulation dans l'adsorbeur au cours de cette phase d'adsorption étant appelé co-courant; (b) une phase de désorption commençant par une décompression a contre- courant jusqu'à une pression basse du cycle, cette phase comprenant une étape initiale (bl) d'équilibrage de pressions au cours de laquelle du gaz est soutiré à co-courant simultanément à la décompression à contre- courant et est transféré dans un autre adsorbeur en début de phase de remontée en pression (c) décrite ci-dessous; et (c) une phase de remontée en pression jusqu'au retour à la pression haute, cette phase comprenant une étape initiale (cl) d'équilirage de pressions au cours de laquelle l'adsorbeur reçoit du gaz provenant d'un autre adsorbeur en étape de désorption (bl). L'invention s'applique en particulier à la production d'air enrichi en oxygène jusqu'à une teneur en oxygène d'environ 95 %, notamment comprise entre 90 et 95 % environ, à partir d'air atmosphérique ou, plus généralement, d'un mélange gazeux essentiellement constitué d'oxygène, d'azote et d'argon. Un procédé de ce type est décrit dans le FR-A-2.579.484. L'invention a pour but de fournir un procédé permettant d'obtenir une teneur aussi élevée en oxygène avec un rendement d'extraction en oxygène amélioré. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage (cl) est elle-même divisée en deux sous-étapes, à savoir une première sous-étape (cll) pendant laquelle ledit gaz est introduit à contre-courant dans l'adsorbeur et une seconde sous-étape (c12) pendant laquelle ledit gaz est introduit à co-courant dans l'adsorbeur. Dans le présent mémoire, on entend par "'équilibrage" une opération consistant à relier deux adsorbeurs ayant des pressions différentes, en vue de réduire la différence de pressions; cette opération peut être soit poursuivie jusqu'a égalisation des pressions, soit interrompue avant d'obtenir cette égalisation. De préférence, la phase de désorption (b) comprend une étape finale d'élution (b2) à la pression basse du cycle au cours de laquelle du gaz prélevé a l'extrémité de sortie d'un autre adsorbeur en phase d'adsorption (a) est introduit à contre-courant dans l'adsorbeur tandis que du gaz est soutiré de l'extrémité d'entrée de cet adsorbeur. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexes, sur lesquels: - 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 fonctionnement de cette installation. L'installation représentée à la figure 1 est destinée a produire de l'air enrichi en oxygène à une teneur de préférence comprise entre et 95 % environ, à partir d'air atmosphérique non épuré. 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 pompe à vide 7, et une ligne 8 de production d'air enrichi. Chaque adsorbeur a une configuration cylindrique et comporte une entrée inférieure lA à 3A et une sortie supérieure lB à 3B. Les adsorbeurs sont emplis d'un adsorbant qui adsorbe préférentiellement l'azote par rapport à l'oxygène et à l'argon, notamment d'un tamis moléculaire de type 5A ou 13X. Eventuellement, chaque adsorbeur peut comporter à sa base une couche d'un autre adsorbant ayant une action de dessiccation, notamment d'alumine ou de gel de silice. La ligne 4 est reliée à l'entrée de chaque adsorbeur par l'intermédaire d'une vanne respective 9-1 à 9-3. De même, la ligne 6 est reliée à l'entrée de chaque adsorbeur par l'intermédiaire d'une vanne respective 10-1 & 10-3. La ligne 8 est reliée A la sortie de chaque adsorbeur par l'intermédiaire d'une' vanne respective 11-1 & 11-3. Une première ligne 12 de prélèvement d'air enrichi en oxygène, équipée d'un organe 13 de contrôle de débit, relie la ligne 8 a la sortie de chaque adsorbeur par l'intermédiaire d'une vanne respective 14-1 a 14-3. De même, une seconde ligne 15 de prélèvement d'air enrichi en oxygène, équipée d'un organe 16 de contrôle de débit, relie- la ligne 8 à la sortie de chaque adsorbeur par l'intermédiaire d'une vanne respective 17-1 a 17-3. Par ailleurs, une ligne de décompression 18 peut être reliée A chaque sortie d'adsorbeur par l'intermédiaie d'une vanne respective 19-1 à 19-3; une ligne de recompression A contre-courant 20 peut être reliée a chaque sortie d'adsorbeur par l'intermédiaire d'une vanne respective 21-1 a 21-3 et est équipée d'un organe de réglage de débit 22; et une ligne de recompression a co-courant 23 peut être reliée à chaque entrée d'adsorbeur par l'interméia;gire d'une vanne respective 24-1 a 24-3 et est équipée d'un organe de réglage de débit 25. Au moyen de cette installation, on réalise pour chaque adsorbeur un cycle que l'on a illustré à la figure 2 en référence à l'adsorbeur 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 chnisir par exemple une durée de cycle de 1 minute a quelques minutes. Sur la figure 2, o les temps t sont portés en abscisses et les pressions absolues P en ordonnées, les traits orientés par des flèches indiquent les mouvements et destinations des courants gazeux lorsque les flèches sont parallèles a 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 sens du courant dans l'adsorbeur est A co-courant; 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 l'extrémité 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 par l'adsorbeur considéré et du gaz soutiré de ce même adsorbeur en phase d'adsorption; lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme), le sens du courant dans l'adsorbeur est à contre-courant. 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'extrémité de sortie de l'adscrbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant toujours celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase d'adsorption. D'autre part, on a indiqué en traits pleins les courants gazeux qui concernent exclusivement un adsorbeur et en traits pointillés les courants gazeux en provenance ou en direction d'autres adsorbeurs. Le cycle complet sera maintenant décrit pour un adsorbeur, par exemple l'adsorbeur 1, en référence aux figures 1 et 2. Dans l'exemple de la figure 2, le cycle évolue entre deux pressions extrêmes, à savoir une pression maximale PM comprise entre la pression atmosphérique et 1,2 bar absolu, et une pression minimale Pm comprise entre 100 et 400 mb, ce qui explique l'utilisation de la soufflante 5 et de la pompe à vide 7. Le cycle de la figure 2 comporte (a) de t = O à T/3, une phase d'adsorption isobare a la pression PM au cours de laquelle l'air atmosphérique a traiter est admis a l'entrée de l'adsorbeur et circule a co-courant dans celui-ci, tandis que du gaz (air enrichi en oxygène) est soutiré en sortie de l'adsorbeur. Cette phase se divise en trois étapes: (al) de t = 0 à tl, la totalité du gaz soutiré constitue du gaz de production, c'est-à-dire de l'air enrichi & 95 % d'oxygène (que l'on pourra désigner dans la suite par le simple mot "oxygène") (a2) de tl a t2, une partie du gaz soutiré constitue du gaz de production, et le reste est transféré à la sortie d'un autre adsorbeur en début de troisième étape de recompression (c2) décrite plus loin; (a3) dé t2 A T/3, une partie du gaz soutiré constitue du gaz de production, une autre partie de ce gaz est transférée & la sortie d'un autre adsorbeur en fin de troisième étape de recompression (c2) décrite plus loin, et le reste de ce gaz est transféré à la sortie du troisième adsorbeur en phase d'élution (b3) décrite plus loin. (b) de T/3 à 2T/3, une phase de désorption au cours de laquelle du gaz est soutiré à contre-courant par la pompe à vide 7 et qui est divisée en trois étapes - (bl) de T/3 à t3, du gaz est soutiré en sortie de l'adsorbeur, simultanément au pompage à contre-courant; cette étape se subdivise ellemême en deux sous-étapes (bll) de T/3 à t4 fermée, jusqu'à ce que la pression soit remontée à la valeur P12. (c2) de t6 à T, l'adsorbeur subit une recompression finale à contrecourant au moyen de gaz prélevé à la sortie d'un autre adsorbeur en étape d'adsorption (a2) puis (a3). En variante, le cycle peut être transposé dans d'autres domaines de pressions, par exemple entre une pression haute de 3 à 5 bars absolus et une pression basse voisine de la pression atmosphérique. Le cycle ainsi décrit apporte des avantages importants - le rendement d'extraction d'oxygène, défini comme le rapport de la quantité d'oxygène produite a celle contenue dans l'air entrant, est élevé, grâce au recyclage intégral des deux fractions successives enrichies en oxygène, soutirées en décompression à co-courant après la phase d'adsorption, pendant l'étape (bl); - la qualité de la production d'oxygène est maintenue a un niveau élevé (jusqu'à 95 %) grâce à la réadmission dans des sens de circulation différents des fractions recyclées au cours des deux recompressions partielles (cil) et (c12), la première fraction, constituée d'un gaz très enrichi en oxygène, étant introduite par l'extrémité de sortie qui est celle de production d'oxygène de l'adsorbeur, et la seconde fraction, moins riche en oxygène que la précédente, comprenant tout ou partie du front d'adsorption d'azote, étant introduite par l'extrémité d'entrée qui est celle d'admission d'air de l'adsorbeur; - la consommation d'énergie de l'installation est optimisée grâce au maintien d'une extraction à contre-courant du gaz résiduaire sur chaque adsorbeur pendant une durée égale à 1/3 du temps du cycle, ce qui, dans le cas d'un fonctionnement avec régénération en dépression, assure une utilisation continue de la pompe à vide en service actif d'extraction de gaz sur les adsorbeurs. On note également que le cycle maintient un débit d'admission d'air pendant 1/3 du temps de cycle sur chaque adsorbeur, ce qui entraine une admission continue d'air à traiter sur l'installation et une optimisation de la machine correspondante (soufflante ou compresseur). En variante, pour réguler les débits d'air enrichi utilisés comme production et recyclés en étapes (b3) et (c2), on peut faire appel à un réservoir de stockage de l'air enrichi sortant des adsorbeurs en phase (a). REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un mélange gazeux par adsorption à variation de pression (PSA), du type mettant en oeuvre trois adsorbeurs (1 à 3) avec, pour chaque adsorbeur, un cycle comprenant les phases opératoires successives suivantes, le cycle étant décalé d'une ligne à l'autre d'une durée T/3, o T désigne la durée du cycle: (a) une phase d'adsorption sensiblement isobare 'à une pression haute (PM) du cycle, cette phase d'adsorption comportant l'admission du mélange dans l'adsorbeur par une première extrémité (lA à 3A), dite extrémité d'entrée, de l'adsorbeur, avec circulation du mélange dans l'adsorbeur et soutirage simultané à l'autre extrémité (lB à 3B), dite extrémité de sortie, de l'adsorbeur d'une fraction enrichie en l'un des constituants dont une partie forme un gaz de production, le sens de circulation dans l'adsorbeur au cours de cette phase d'adsorption étant appelé co-courant; (b) une phase de désorption commençant par une décompression à contre-courant jusqu'à une pression basse du cycle (Pm), cette phase comprenant une étape initiale (bl) d'équilihrage de pressions au cours de laquelle du gaz est soutiré à co-courant simultanément à la décompression à contre-courant et est transféré dans un autre adsorbeur en début de phase de remontée en pression (c) décrite ci-dessous; et (c) une phase de remontée en pression jusqu'au retour à la pression haute, cette phase comprenant une étape initiale (cl) d'équilihrage de pressions au cours de laquelle l'adsorbeur reçoit du gaz provenant d'un autre adsorbeur en étape de désorption (bl), - ce procédé étant caractérisé en ce que l'étape d'équilibrage (cl) est elle-méme divisée en deux sous-étapes, à savoir une première sous-étape (cll) pendant laquelle ledit gaz est introduit a contre-courant dans l'adsorbeur et une seconde sous-étape (c12) pendant laquelle ledit gaz est introduit à co-courant dans l'adsorbeur. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de désorption (b) comprend une étape finale d'élution (b2) à la pression basse du cycle au cours de laquelle du gaz prélevé à l'extrémité de sortie d'un adsorbeur en phase d'adsorption (a) est introduit à - contre- courant dans l'adsorbeur tandis que du gaz est soutiré de l'extrémité d'entrée de cet adsorbeur. 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la phase de remontée en pression (c) comprend une étape finale (c2) pendant laquelle l'adsorbeur est recomprimé & contrecourant jusqu'à la pression haute du cycle par du gaz prélevé à l'extrémité de sortie d'un adsorbeur en phase d'adsorption (a). 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux est essentiellement constitué d'oxygène, d'azote et d'argon, et ladite fraction enrichie contient 90 à % d'oxygène environ.