Brevet FR2654009A1 — publié le 19910510

La présente invention concerne une installation d'adsorption à variation de pression pour épurer ou décomposer un courant gazeux à plusieurs composants, par utilisation de plusieurs colonnes d'adsorption remplies d'un tamis moléculaire, fonctionnant dans une alternance cyclique de phases de production et de phases de régénéra- tion, avec des soupapes d'entrée pour l'acheminement d'un courant de gaz d'utilisation, sous haute pression, dans les extrémités d'entrée des colonnes d'adsorption se trouvant en phase de production, avec des soupapes de purge d'air pour purger l'air des colonnes d'adsorption se trouvant en phase de régénération, avec au moins une soupape d'équi- libre de pression pour court-circuiter les extrémités de sortie des colonnes d'adsorption pendant une phase d'équilibre de pression et avec un conduit de gaz de production commun, raccordé, par les éléments de commande rétrécissant le parcours d'écoulement, à toutes les extrémités de sortie des colonnes d'adsorption, conduit auquel est raccordé un réservoir de gaz Les installations de ce type sont utilisées par exemple pour préparer de l'air enrichi en oxygène, à des fins médicales. Le fonctionnement d'une installation typique de ce type est le suivant: De l'air comprimé par un compresseur parvient, par une soupape d'entrée, dans l'extrémité d'entrée d'une première de deux colonnes d'adsorption, remplies d'un tamis moléculaire Cette colonne d'adsorption se trouve dans sa phase de production Le tamis moléculaire adsorbe l'azote plus fortement que l'oxygène et donc un courant d'air, enrichi en oxygène, c'est-à-dire le gaz de production, quitte la première colonne d'adsorption à son extrémité de sortie Par une soupape de non-retour, le gaz parvient, par un conduit de gaz de production commun aux deux colonnes d'adsorption, dans un réservoir de gaz et de là au récepteur. Une petite partie du gaz de production parvient, par une buse de lavage, de la sortie de la première colonne d'adsorption à la sortie de la deuxième colonne d'adsorption Cette deuxième colonne se trouve dans sa phase de régénération et est reliée, à son extrémité d'entrée, au milieu ambiant, par une soupape de purge d'air Du fait de la pression abaissée par rapport à la phase de production et du courant de lavage riche en oxygène, l'azote préalablement adsorbé est chassé, à partir de l'extrémité de sortie. La phase de production de la première colonne d'adsorption se prolonge jusqu'à ce que cette colonne soit saturée en azote Après une brève ouverture d'une soupape d'équilibre de pression qui court-circuite les deux extrémités de sortie des colonnes d'adsorption, on établit un équilibre de pression entre les colonnes d'adsorption. Par commutation des soupapes aux extrémités d'entrée des colonnes d'adsorption, la deuxième colonne est amenée en phase de production, tandis que la première colonne parvient dans sa phase de régénération Par l'utilisation de soupapes de non-retour entre les extrémités de sortie des colonnes d'adsorption et du conduit commun de gaz de production, on évite que le gaz provenant du réservoir de gaz ne reflue dans l'une des colonnes d'adsorption La pression régnant dans le réservoir de gaz augmente en même temps que la pression régnant dans la colonne d'adsorption se trouvant en phase de production et qui à la fin de cette phase, atteint une valeur maximale Au cours de la phase d'équilibre de pression qui suit, la pression baisse très rapidement dans la colonne d'adsorption et en conséquence la soupape de non-retour correspondante se ferme Mais de ce fait, la fourniture de gaz de production dans le réservoir de gaz est interrompue jusqu'à ce que la deuxième colonne d'adsorption établisse à son extrémité de sortie une pression qui est supérieure à celle régnant dans le réservoir de gaz A ce moment, la soupape de non-retour concernée s'ouvre et la fourniture de gaz de production reprend dans le réservoir de gaz. Du fait de l'interruption de la fourniture de gaz de production et de l'augmentation de la pression jusqu'à sa valeur maximale dans les colonnes de l'adsor- beur, il se produit de fortes variations de pression dans le réservoir de gaz Une installation d'adsorption à variation de pression, décrite dans le document EP O 176 393 tente de remédier à cet inconvénient Dans ce cas, les soupapes de non-retour sont remplacées par des soupapes d'étranglement Le rôle de la buse des gaz de lavage, montée habituellement séparément, est assurée aussi par ces soupapes d'étranglement Le fait de monter des soupapes d'étranglement a pour conséquence que la pression régnant dans le réservoir de gaz ne s'élève plus jusqu'à la valeur maximale des colonnes d'adsorption Ceci a encore pour conséquence que pendant la phase d'équilibre de pression aussi, la pression régnant dans le réservoir de gaz est encore inférieure à celle des colonnes d'adsorption et qu'en conséquence, du gaz de production s'écoule en permanence dans le réservoir de gaz La pression du réservoir de gaz oscille légèrement autour d'une valeur médiane. Etant donné que les deux colonnes d'adsorption fonctionnent en alternance en phase de production et en phase de régénération, les deux soupapes d'étranglement respectives doivent être également dimensionnées et leur taille doit être accordée au courant de gaz de production relativement élevé Mais ceci a pour inconvénient que la soupape d'étranglement relative à la colonne d'adsorption se trouvant en phase de régénération est traversée par un courant de gaz, servant de gaz de lavage, aussi important que celui qui parvient dans le réservoir de gaz, à travers le conduit de gaz de production Or pour laver la colonne d'adsorption il suffirait d'un courant de gaz de lavage très réduit Environ la moitié du courant de gaz de production est donc ainsi gaspillé De ce fait il faut que toute l'installation ait des dimensions plus grandes pour obtenir à la sortie du réservoir de gaz, un courant de gaz de production donné. La présente invention a pour but de mettre à profit l'avantage obtenu avec l'utilisation de soupapes d'étranglement, à savoir une fourniture continue de gaz de production et d'éviter en même temps l'inconvénient d'un gaspillage de gaz de production, dû à un courant de gaz de lavage trop important. Ce but est atteint en ce qu'au lieu des simples soupapes d'étranglement, on utilise des éléments de commande qui sont formés par des dispositifs d'étranglement qui présentent, dans le sens de passage, depuis l'extrémité de sortie de la colonne d'adsorption respective, en direction du conduit de gaz de production commun, une résistance à l'écoulement plus faible que dans le sens de passage opposé. L'avantage de l'invention réside dans le fait que tout en respectant les avantages obtenus par l'utili- sation de soupapes d'étranglement, il est possible de limiter le courant de gaz de lavage à la mesure nécessaire et donc d'économiser du gaz de production Il en résulte pour l'installation, un rendement nettement supérieur à l'état de la technique Le niveau de pression régnant dans le réservoir de gaz est dans l'ensemble plus élevé Pour une même capacité, l'installation peut avoir des dimensions plus petites. L'élément de commande cité peut en principe être constitué d'éléments connus Il peut être constitué d'un montage en série d'une soupape de nonretour et d'une première soupape d'étranglement et d'une deuxième soupape d'étranglement, montée en parallèle à ce montage en série, dimensionnée pour le courant de gaz de lavage Le courant de gaz de production qui s'écoule dans le sens d'ouverture de la soupape de non-retour, traverse le montage en parallèle de la première et de la deuxième soupape d'étranglement tandis que le courant de lavage s'écoulant dans le sens opposé, ne traverse que la deuxième soupape d'étranglement. Une variante avantageuse de l'élément de commande réside dans le fait que la deuxième soupape d'étranglement, dimensionnée pour le courant de gaz de lavage, est intégrée dans l'élément de fermeture de la soupape de non-retour Il peut s'agir, par exemple ici, d'une soupape de non-retour avec cône de fermeture percé de part en part Dans le sens de la fermeture, la soupape de non-retour ne se ferme pas hermétiquement, mais réduit le courant de gaz à la mesure nécessaire au courant de gaz de lavage Une soupape d'étranglement, dimensionnée pour le courant de gaz de production, est montée en série avec la soupape de non-retour. Dans une autre réalisation de l'élément de commande, on renonce totalement à utiliser une soupape de non-retour Le profil de section transversale d'un diaphragme annulaire ou en forme de fente, réalisé dans un matériau élastique, est tel que l'ouverture du diaphragme s'élargit dans un sens de passage, pour donner une ouverture relativement grande, tandis que dans le sens de passage opposé, elle se rétrécit pour donner une ouverture relativement petite Ceci peut se faire, par exemple, par le fait que le diaphragme présente la petite ouverture à l'état de repos et que ses bords ne sont recourbés, pour élargir l'ouverture, que dans un sens d'écoulement, sous l'effet des forces produites par le gaz traversant le diaphragme Dans le sens d'écoulement opposé, ce repliement des bords n'est pas possible, grâce à des renforts ou des éléments d'appui appropriés. Comme autre forme de réalisation de l'élément de commande, on peut imaginer une plaque fermant le parcours du courant de gaz, qui présente différentes ouvertures pour le passage du gaz et une membrane, partiellement fixée sur un côté L'une de ces ouvertures peut être traversée dans les deux sens de passage, elle constitue la soupape d'étranglement dimensionnée pour le courant de gaz de lavage Les autres ouvertures peuvent être traversées dans un sens d'écoulement et constituent, conjointement avec l'ouverture mentionnée ci-dessus, la soupape d'étranglement dimensionnée pour le courant de gaz de production Dans le sens d'écoulement opposé, la membrane, placée sur un côté de la plaque, ferme toutes les ouvertures, à l'exception d'une qui en principe laisse passer le courant. Il est possible en outre de conférer à l'élément de commande la caractéristique d'une résistance au passage fonction du sens, grâce à une forme de construc- tion particulière en matière de technique d'écoulement Un diaphragme se rétrécissant coniquement et qui s'élargit, après le point le plus étroit, par une paroi perpen- diculaire au sens d'écoulement, constitue une telle forme de construction Dans un sens de passage, le courant de gaz rencontre un tube se rétrécissant lentement et peut traverser celui-ci sans grande formation de tourbillons; la résistance à l'écoulement est relativement faible Dans le sens opposé, le courant de gaz rebondit sur la paroi du diaphragme, perpendiculaire au sens de l'écoulement Il en résulte une formation de forts tourbillons et donc une grande résistance à l'écoulement. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit Un mode de réalisation de l'invention est représenté à titre d'exemple non limitatif aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente de manière schématique la construction de l'installation d'adsorption à variation de pression, les figures 2 à 6 représentent différentes formes de réalisation de l'élément de commande. Dans cet exemple il s'agit d'une installation d'adsorption à variation de pression comportant deux colonnes d'adsorption destinées à enrichir l'air en oxygène, à des fins médicales L'invention peut s'appliquer tout aussi bien à des installations comportant plus de deux colonnes d'adsorption. Le fonctionnement est le suivant L'air est comprimé par un compresseur 1 et parvient, par une soupape d'entrée 2, dans l'extrémité d'entrée 3 d'une première colonne d'adsorption 4, se trouvant dans sa phase de production Les colonnes d'adsorption 4, 5 sont remplies d'un matériau servant de tamis moléculaire qui adsorbe l'azote plus fortement que l'oxygène A l'extrémité de sortie 6 de la première colonne d'adsorption 4, ressort un courant de gaz enrichi en oxygène que l'on désignera ci-après par gaz de production. Le gaz de production traverse un premier élément de commande 7 et un conduit de gaz de production 8, commun aux deux colonnes d'adsorption 4, 5, pour parvenir à un réservoir de gaz 9 et de là à un récepteur non représenté. Les deux éléments de commande 7, 10 ont pour caractéristique de présenter une résistance à l'écoulement plus réduite dans le sens de l'extrémité de sortie 6, il de la colonne d'adsorption 4, 5 respective, vers le conduit de gaz de production 8 commun, que dans le sens opposé De ce fait, une petite fraction de la quantité de gaz qui s'écoule à travers le premier élément de commande 7, traverse le deuxième élément de commande 10 pour parvenir dans l'extrémité de sortie 11 de la deuxième colonne d'adsorption 5 qu'elle traverse avant de s'échapper dans l'atmosphère, par une soupape de purge d'air 12 Ce courant de gaz est désigné par courant de lavage Il sert à éliminer de la colonne d'adsorption 5, l'azote désorbé, par abaissement de la pression, dans le matériau du tamis moléculaire de la deuxième colonne d'adsorption 5 Cette colonne d'adsorption 5 se trouve dans sa phase de régénéra- a tion Toutes les soupapes 13, 14, 15 non mentionnées jusqu'à présent sont fermées pendant cette phase, tandis que les autres 2, 12 sont ouvertes. Lorsque le matériau du tamis moléculaire de la première colonne d'adsorption 4 est saturé en azote, la phase de production de cette colonne 4 est terminée Vient ensuite une courte phase d'équilibre de pression dans laquelle il s'établit un équilibre de pression entre les deux colonnes d'adsorption 4, 5, par ouverture de la soupape d'équilibre de pression 15 Pendant cette phase, les soupapes 2, 12, 14 sont fermées, tandis que la soupape 13 est ouverte. A l'achèvement de la phase d'équilibre de pression, la première colonne d'adsorption 4 passe dans sa phase de régénération, la deuxième colonne 5 dans sa phase de production Les soupapes 13, 14 sont ouvertes, les soupapes 2, 12, 15 fermées Par le deuxième élément de commande 10, le courant de gaz de production s'écoule maintenant dans le réservoir de gaz 9, tandis que par le premier élément de commande 7, le courant de lavage s'écoule à travers la première colonne d'adsorption 4, vers 1 'atmosphère. Sous l'effet d'étranglement des éléments de commande 7, 10, la pression régnant dans le réservoir de gaz 9 n'atteint pas la valeur de pointe de la pression de la colonne d'adsorption 4, 5 se trouvant en phase de production Il s'ensuit que même pendant la phase d'équi- libre de pression pendant laquelle la pression maximale d'une colonne d'adsorption se réduit à une valeur moyenne, du gaz de production s'écoule encore dans le réservoir de gaz La fourniture de gaz de production n'est donc pas interrompue et les variations de la pression dans le réservoir de gaz restent faibles Grâce à la caractéristi- que particulière des éléments de commande 7, 10, à savoir une résistance à l'écoulement différente dans les deux sens de passage, le courant de lavage peut être limité à la mesure nécessaire et le flux de gaz de production se situe au niveau le plus haut possible. La figure 2 représente de manière schématique une forme de réalisation possible d'un élément de commande 7, 10. L'élément de commande est constitué d'une soupape de non-retour 16 et d'une soupape d'étranglement 17 montée en série avec la première Parallèlement à ces deux éléments de construction 16, 17, on a monté une autre soupape d'étranglement 18 Dans un sens de passage, indiqué par une flèche épaisse, la soupape de non-retour 16 est ouverte et le gaz peut s'écouler à travers les deux soupapes d'étranglement 17, 18 Dans le sens opposé qui est indiqué par une flèche mince, la soupape de non-retour 16 est fermée et le gaz ne peut s'écouler qu'à travers la soupape d'étranglement 18 La soupape d'étranglement 17 présentant une faible résistance au passage, tandis que la soupape d'étranglement 18 présente une forte résistance au passage, il en résulte un plus grand débit dans un sens que dans le sens opposé. Sur la figure 3, la soupape d'étranglement 18 de la figure 2, montée en parallèle, est remplacée par un alésage 19 pratiqué dans l'élément de fermeture 20 de la soupape de non-retour 21 Une soupape d'étranglement 22 est à nouveau montée en série avec cette soupape de non-retour 21 spéciale Dans un sens de passage, la soupape de non- retour 21 s'ouvre et un fort courant de gaz déterminé peut passer à travers la soupape d'étranglement 22 Dans le sens opposé, la soupape de non-retour 21 se ferme Mais elle ne se ferme pas tout à fait hermétiquement, un petit courant de gaz s'écoule à travers l'alésage 19. La figure 4 a représente une autre forme de réalisation Le tube 23 guidant le gaz est fermé par un disque 25 élastique, à l'exception d'un petit alésage 24 central Le profil de section transversale du disque 25 est pourvu de renforts, de sorte que la section transversale réduite de l'alésage 24 est maintenue dans le sens de passage, représenté sur la figure 4 a Dans le sens de passage opposé, le disque 25 peut toutefois se déformer, ce qui fait que la section transversale de l'alésage 124 est élargie (figure 4 b). Sur la figure 5 a on a représenté une forme de réalisation particulièrement avantageuse d'un point de vue technologique Le tube 26 guidant le gaz est fermé par un disque 27 qui présente un alésage central 28 et plusieurs alésages 29 répartis sur sa surface Sur un côté du disque on a placé une membrane élastique 30 Le diamètre extérieur de la membrane 30 est légèrement inférieur au diamètre du disque 27 En son centre, la membrane 30 présente un alésage 31 qui est légèrement supérieur à l'alésage 28 central du disque 27 Sur le bord de cet alésage 31, la membrane 30 est assemblée au disque 27, par exemple par collage Dans un sens de passage, la membrane s'applique sur le disque et recouvre tous les alésages 29, à l'excep- tion de l'alésage 28 central (figure 5 a) Seul un petit débit de gaz est maintenant possible Dans le sens opposé, la membrane 30 se soulève du disque 27 et un débit de gaz plus important est possible, à travers tous les alésages 28, 29 (figure 5 b). La figure 6 représente enfin une forme de réalisation qui relève uniquement de la technique d'écoule- ment Dans le sens de passage, indiqué par une flèche épaisse, le gaz trouve sur son parcours, à travers le tube 32 guidant le gaz, une buse 33 dont la conception favorise l'écoulement et qui présente une résistance au passage relativement réduite. Le gaz peut traverser le point 35 le plus étroit de la buse 33, sans donner lieu à de fortes turbulences Mais dans le sens opposé (flèche mince), le gaz s'accumule dans l'espace mort 34 annulaire, autour de la buse 33 et ne peut dépasser le point 35 le plus étroit de la buse 33, qu'en formant de fortes turbulences, en il donnant lieu à une résistance élevée au passage et donc à un débit de gaz réduit. REVENDICATIONS 1 Installation d'adsorption à variation de pression pour épurer ou décomposer un courant gazeux à plusieurs composants, par utilisation de plusieurs colonnes d'adsorption remplies d'un tamis moléculaire, fonctionnant dans une alternance cyclique de phasesde production et de phases de régénération, avec des soupapes d'entrée pour l'acheminement d'un courant de gaz d'utilisation, sous haute pression, dans les extrémités d'entrée des colonnes d'adsorption se trouvant en phase de production, avec des soupapes de purge d'air pour purger l'air des colonnes d'adsorption se trouvant en phase de régénération, avec au moins une soupape d'équilibre de pression pour court- circuiter les extrémités de sortie des colonnes d'adsorp- tion pendant une phase d'équilibre de pression et avec un conduit de gaz de production commun, raccordé, par les éléments de commande rétrécissant le parcours d'écoulement, à toutes les extrémités de sortie des colonnes d'adsorp- tion, conduit auquel est raccordé un réservoir de gaz, caractérisé en ce que chacun des éléments de commande ( 7, ) est formé par un dispositif d'étranglement qui présente, dans le sens de passage, depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respec- tive, en direction du conduit de gaz de production ( 8) commun, une résistance à l'écoulement plus faible que dans le sens de passage opposé. 2 Installation d'adsorption à variation de pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, 10) est formé par la commande combinée d'une ouverture d'étranglement ( 17, 18; 22; 124; 28, 29; 35) libérant le parcours d'écoulement dans le sens du passage, depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective en direction du conduit de gaz de production ( 8) commun, présentant une faible résistance à l'écoulement et d'une ouverture de lavage ( 18, 19, 24, 28, 35) libérant le parcours d'écoulement, dans le sens du passage depuis le conduit de gaz de production ( 8) commun en direction de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective, présentant une résistance à l'écoulement supérieure. 3 Installation d'adsorption à variation de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, 10) se présente sous la forme d'un montage en série d'une soupape de non- retour ( 16) s'ouvrant dans le sens de passage depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective en direction du conduit de gaz de production ( 8) commun, avec une première ouverture d'étranglement ( 17) calibrée et avec une deuxième ouverture de lavage ( 18) calibrée, montée en parallèle au montage en série et présentant une résistance à l'écoulement supé- rieure à la première ouverture. 4 Installation d'adsorption à variation de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, 10) se présente sous la forme d'un montage en série d'une soupape de non- retour ( 21), s'ouvrant dans le sens de passage depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective en direction du conduit de gaz de produit ( 8) commun, avec une première ouverture d'étranglement ( 22) calibrée et une deuxième ouverture de lavage ( 19) calibrée, placée dans l'élément de fermeture ( 20) de la soupape de non-retour ( 21) et présentant une résistance à l'écoulement supérieure à la première ouverture. 5 Installation d'adsorption à variation de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, 10) est un diaphragme ( 25) annulaire ou en forme de fente, réalisé dans un matériau élastique, dont le profil de section transversale est tel que le diaphragme ( 25) s'élargit pour former une large ouverture d'étranglement ( 124), dans le sens de passage, depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective en direction du conduit de gaz de production ( 8) commun et se rétrécit, dans le sens de passage opposé, pour donner une ouverture de lavage ( 24) étroite. 6 Installation d'adsorption à variation de pression selon l'une des revendications 1, 2 ou 4, carac- térisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, 10) est une plaque ( 27) fermant le parcours du courant de gaz qui présente des ouvertures ( 28, 29) calibrées différentes en nombre et/ou section transversale d'ouverture, dont une partie laisse passer un courant de gaz dans les deux sens de passage, en tant qu'ouverture de lavage ( 28), tandis que les autres ouvertures calibrées, servant d'ouvertures d'étranglement ( 29) , laissent passer le courant de gaz dans le sens de passage depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective en direction du conduit du gaz de production ( 8) commun, mais sont fermées dans le sens de passage opposé, par une membrane ( 30) élastique, placée sur le côté de la plaque ( 27), tourné vers le conduit de gaz de production ( 8) commun, et partiellement reliée à celle-ci. 7 Installation d'adsorption à variation de pression selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, 10) présente un profil d'écoulement tel que la résistance à l'écoulement est plus faible dans le sens de passage depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective en direction du conduit de gaz de production ( 8) commun, que dans le sens de passage opposé. 8 Installation d'adsorption à variation de pression selon l'une des revendications 1, 2 ou 7, caractérisée en ce que chacun des éléments de commande ( 7, ) est une buse ( 33), disposée sur le parcours d'écoule- ment de gaz, dont la section transversale laissant passer le gaz se rétrécit dans le sens de passage, depuis l'extrémité de sortie ( 6, 11) de la colonne d'adsorption ( 4, 5) respective, en direction du conduit de gaz de production ( 8) commun et qui forme, sur sa face extérieure, entre elle-même et la paroi intérieure du tube ( 32) guidant le gaz, un volume mort ( 34) pour l'écoulement de gaz dans le sens de passage depuis le conduit de gaz de production ( 8) commun en direction de la colonne d'adsorption ( 4, 5).