Brevet FR2661841A1 — publié le 19911115

i La présente invention est relative à un procédé de dessication-décarbonatation d'air atmosphé- rique par adsorption avant son entrée dans la boite froide d'une installation de distillation d'air, du type dans lequel l'air comprimé est refroidi puis épuré par adsorption par passage dans un premier sens à travers une masse d'adsorbant, puis un gaz résiduai- re de l'installation de distillation traverse cette masse en sens opposé pour la régénérer, après quoi la masse d'absorbant est remise en phase d'adsorption. Dans les installations actuelles de distil- lation d'air, l'air atmosphérique comprimé est, avant son entrée dans la boite froide, desséché et décarbo- naté (épuration en eau et en CO 2) par adsorption sé- lective, par passage à travers une masse d'adsorbant appropriée, par exemple à double lit (un lit d'alumine suivi d'un lit de tamis moléculaire). On utilise pour cela deux masses d'adsorbant en parallèle, dont l'une est active pendant que l'au- tre est régénérée à contre-courant, c'est-à-dire dans le sens inverse de la circulation de l'air pendant la phase d'adsorption. Pour effectuer la régénération, on utilise un gaz résiduaire de l'installation, qui est disponi- ble avec un débit de l'ordre de 30 à 70 % du débit d'air entrant Ce gaz résiduaire est de l'azote impur dans le cas des installations de production d'oxygène, et du liquide riche vaporisé (air enrichi en oxygène) pour les installations de production d'azote. Suivant la technique habituelle, dans une première étape de régénération, le gaz résiduaire est chauffé à température relativement haute, de l'ordre de 100 à 350 'C, et crée un front de chaleur qui tra- verse entièrement la masse d'adsorbant L'adsorbant ayant des propriétés d'adsorption très réduites à cette température, il est nécessaire de le refroidir avant de le remettre en phase d'adsorption, pour éviter l'envoi dans la boite froide d'un pic d'im- puretés (eau et CO 2) et d'une onde de chaleur. C'est pourquoi il est nécessaire que la phase de régénération comprenne une étape finale de refroidissement de l'adsorbant au cours de laquelle le gaz résiduaire non chauffé, et donc au voisinage de la température ambiante, circule à contre-courant à travers cet adsorbant. Cette technique, très largement adoptée à l'heure actuelle, présente de sérieux inconvénients. En particulier: on ne peut pas se passer de l'étape de refroidissement, ce qui complique l'installation et sa conduite, alors que cette étape n'a aucune utilité du point de vue de la régénération de l'adsorbant; il faut prévoir une puissance électrique installée qui n'est utilisée que pendant une partie du temps; la régénération à haute température pro- voque des pertes de chaleur près des parois des ad- sorbeurs; par suite, une isolation thermique est né- cessaire pour obtenir une régénération uniforme dans la masse de l'adsorbant, et également pour la protec- tion du personnel. L'invention a pour but d'éliminer ces in- convénients, notamment dans le cas de petits appareils de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que le gaz résiduaire utilisé pour la régénération est, pendant toute la régénération, à une température de régéné- ration sensiblement constante modérée, notamment com- prise entre la température de l'air entrant dans la masse d'adsorbant et une température supérieure de 'C environ, de préférence de 10 à 15 C environ, à cette température de l'air entrant. Suivant d'autres caractéristiques l'air épuré est réchauffé jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de régénération avant son entrée dans la boite froide; ledit réchauffage est réalisé par échange de chaleur avec l'air sortant du compresseur de l'installation, éventuellement pré-refroidi; ledit réchauffage est réalisé par surpres- sion, l'énergie de surpression étant notamment fournie par une turbine de production frigorifique de l'ins- tallation; après son refroidissement, l'air comprimé partiellement épuré de son eau par ce refroidissement est réchauffé, de préférence partiellement, avant son entrée dans la masse d'adsorbant; le gaz résiduaire est réchauffé, de préfé- rence par échange de chaleur avec l'air sortant du compresseur, avant son entrée dans la masse d'adsor- bant. L'invention a également pour objet un appa- reil de dessication-décarbonatation par adsorption destiné à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Suivant un premier mode de réalisation, cet appareil comprend un échangeur de chaleur mettant en relation d'échange thermique l'air épuré et l'air sor- tant du compresseur de l'installation de distillation d'air, éventuellement après pré-refroidissement de cet air. Suivant un deuxième mode de réalisation, l'appareil suivant l'invention comprend un échangeur de chaleur auxiliaire mettant en relation d'échange thermique l'air complètement refroidi et l'air com- primé non encore complètement refroidi. De façon avantageuse, ce dernier appareil comprend en série, en aval du compresseur, un premier échangeur de chaleur, ledit échangeur de chaleur auxi- liaire et un échangeur de chaleur final, et le premier échangeur de chaleur met en relation d'échange thermi- que l'air sortant du compresseur et le gaz résiduaire sortant de la boite froide de l'installation de dis- tillation d'air. Suivant un troisième mode de réalisation, l'appareil suivant l'invention comprend un surpresseur d'une partie au moins de l'air épuré, notamment en- traîné par une turbine de production frigorifique de l'installation. Des exemples de mise en oeuvre de l'inven- tion vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel les Fig 1 à 5 représentent schéma- tiquement cinq installations de distillation d'air comportant des appareils de dessication-décarbonata- tion conformes à l'invention. On voit sur chaque Figure une installation de distillation d'air comprenant un compresseur d'air 1 équipé à sa sortie de son réfrigérant final 1 a (ré- frigérant d'eau ou aéroréfrigérant), un appareil de dessicationdécarbonatation 2, et une boîte froide 3 comprenant une ligne d'échange thermique 4 et une colonne de distillation 5 Cette dernière délivre un produit (oxygène gazeux et/ou azote gazeux) via une conduite 5 a et un gaz de régénération, constitué par le gaz résiduaire de l'installation, à savoir de l'azote impur ou de l'air enrichi en oxygène, via une conduite 5 b. Dans chacun des exemples représentés, l'ap- pareil 2 comprend des moyens 6 de refroidissement de l'air comprimé, un séparateur de phases 7 destiné à éliminer l'eau de condensation de l'air complètement refroidi, et deux bouteilles d'adsorption 8 montées en parallèle, avec un jeu de vannes 9 appropriées Chaque bouteille 8 contient un lit 10 de tamis moléculaire de type 5 A ou 13 X, éventuellement précédé (vis-à-vis de l'adsorption) d'un lit d'alumine 11. A la Fig 1, les moyens de refroidissement 6 comprennent deux échangeurs de chaleur 12 et 13 dispo- sés en série L'air atmosphérique est comprimé par le compresseur 1 à une pression de l'ordre de 5 à 25 bars absolus, généralement de 5 à 12 bars, et sort de ce compresseur, après réfrigération en la, à une tempéra- ture de l'ordre de 45 C Cet air est pré-refroidi dans l'échangeur 12, puis refroidi à la température d'ad- sorption, comprise entre 5 et 20 C, dans l'échangeur 13, lequel est réfrigéré par exemple par un groupe frigorifique. L'eau condensée est éliminée dans le sépara- teur 7, et l'air pénètre par le bas dans la bouteille 8 qui est en phase d'adsorption (celle de gauche sur la Fig 1) Après épuration, l'air, dont la tempéra- ture s'est élevée de quelques C du fait de la chaleur d'adsorption des impuretés, essentiellement de l'eau, traverse à contre-courant l'échangeur 12 et s'y é- chauffe jusqu'à 40 C environ C'est cet air réchauffé qui pénètre dans la ligne d'échange thermique 4 de la boîte froide de l'installation. Lorsque le front d'adsorption est proche de la sortie de la bouteille 8, cette bouteille passe en phase de régénération par manoeuvre des vannes 9. La phase de régénération comprend une étape unique au cours de laquelle le gaz résiduaire de l'installation de distillation, réchauffé à contre- courant de l'air dans la ligne d'échange 4, sort de celle-ci vers 35 C via une conduite 14, et est intro- duit à contre-courant, à cette température, dans la bouteille 8, puis est évacué via une conduite 15. Lorsque la régénération est terminée, la bouteille 8 est directement remise en phase d'adsorp- tion. Si le débit de gaz de régénération est suf- fisant, une température de régénération plus basse peut suffire, par exemple 25 à 30 C, ce qui est plus avantageux Dans ce cas, l'échangeur la est dimen- sionné afin d'amener l'air comprimé à une température supérieure de quelques C à cette température, soit 30 à 35 C, avant son entrée dans l'échangeur 12. On a pu ainsi traiter des deux manières sui- vantes 150 Nm 3 /h d'air à 9 bars absolus, saturé en eau et contenant environ 400 vpm (parties par million en phase vapeur) de C 02: Ta Dg/Da Tr t ___________________________________________ 'C 60 % 35 C 1 h C 30 % 35 C 2 h o Ta désigne la température d'adsorption, Dg/Da le rapport du débit de gaz de régénération au débit d'air, Tr la température de régénération et t la durée de chaque phase d'adsorption et de régénération. On retrouve les mêmes éléments 1 à 16 dans le schéma de la Fig 2, avec toutefois un agencement différent en ce qui concerne l'appareil d'épuration 2. On effet, l'air sortant du compresseur 1, pré-refroidi vers 30 'C dans l'échangeur 1 a, est re- froidi à une température intermédiaire de 15 'C environ dans l'échangeur 12, puis-refroidi jusqu'à 5 à 10 'C dans l'échangeur 13. Après élimination de l'eau de condensation dans le séparateur 7, l'air est réchauffé vers 25 C dans l'échangeur 12, puis est envoyé dans la bouteille 8 en phase d'adsorption. Ainsi, l'adsorption s'effectue vers 25 C, mais avec de l'air non saturé en eau, ayant un point de rosée de 5 à 10-C La chaleur d'adsorption n'est donc pas supérieure à ce qu'elle était dans le cas de la Fig 1, et l'air épuré pénètre dans la ligne d'échange 4 vers 30 'C Par suite, le gaz de régénéra- tion sort de celle-ci vers 25 C, et la régénération de l'adsorbant s'effectue à une température de 35 C, grâce à un réchauffeur 16 disposé sur la conduite 14. Ce réchauffement du gaz de régénération peut s'obtenir en mettant la conduite 14 en relation d'échange de chaleur avec l'air comprimé sortant du réfrigérant 1 a, comme représenté à la Fig 3, laquelle est, à part cette différence, identique à la Fig 2. Avec le schéma de la Fig 3, on a pu traiter Nm 3/h d'air comprimé à 9 bars absolus, destiné à une installation de production d'azote gazeux fournis- sant 80 Nm 3/h de gaz résiduaire (liquide riche vapo- risé), dans les conditions suivantes: phase d'adsorption point de rosée de l'air + 5 C, teneur en C 02 voisine de 400 vpm; tempé- rature d'adsorption: 15-C; phase de régénération: température 30 à C durée de chaque phase d'adsorption et de régénération: 1 h 30 mn. Les Fig 4 et 5 illustrent une autre manière d'amener le gaz de régénération à la température désirée. A la Fig 4, l'air comprimé en 1, prérefroi- di en 1 a, refroidi à la température d'adsorption en 13 et épuré de l'eau liquide condensée en 7, est épuré par adsorption en 8 Une partie de l'air épuré est surpressé par un compresseur 17 d'un groupe moto-com- presseur 18, puis traverse la ligne d'échange 4, laquelle comporte trois tronçons, chaud 4 a, intermé- diaire 4 b et froid 4 c Le reste de l'air épuré tra- verse seulement les tronçons 4 b et 4 c Entre les tronçons 4 b et 4 c, une fraction de l'air comprimé en 17 est prélevé et détendu dans la turbine 19 du groupe 18, puis est envoyé dans la colonne 5. Dans cet exemple, la turbine 19, qui sert à la production frigorifique de l'installation, entraine le compresseur 17, et ce dernier échauffe à une tem- pérature légèrement supérieure à la température de régénération la fraction d'air appropriée Ainsi, le gaz résiduaire de la colonne 5 est chauffé à la tem- pérature de régénération au bout chaud de la ligne d'échange. Comme indiqué sur la Fig 4, la conduite de production 5 a peut ne traverser que les tronçons 4 c et 4 b et sortir ainsi de la ligne d'échange au voisinage de la température ambiante. A titre d'exemple numérique, on peut avoir pression d'adsorption: 6 bars absolus température d'adsorption: + 15 'C température de l'air épuré: + 20 C température de l'air surpressé: + 35 C pression de l'air surpressé: 7 bars pression de l'air détendu: 1 bar température de régénération: + 30 'C La Fig 5 correspond au cas limite o la totalité de l'air épuré est surpressé en 17 A tous autres égards, elle est identique à la Fig 4. REVENDICATIONS 1 Procédé de dessication-décarbonatation d'air atmosphérique par adsorption avant son entrée dans la boite froide ( 3) d'une installation de dis- tillation d'air, du type dans lequel l'air comprimé est refroidi puis épuré par adsorption par passage dans un premier sens à travers une masse d'adsorbant ( 8), puis un gaz résiduaire de l'installation de dis- tillation traverse cette masse en sens opposé pour la régénérer, après quoi la masse d'adsorbant est remise en phase d'adsorption, caractérisé en ce que le gaz résiduaire utilisé pour la régénération est, pendant toute la régénération, à une température de régéné- ration sensiblement constante modérée, notamment com- prise entre la température de l'air entrant dans la masse d'adsorbant et une température supérieure de 'C environ, de préférence de 10 à 15 'C environ, à cette température de l'air entrant. 2 Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'air épuré est réchauffé jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de régénération avant son entrée dans la boîte froide (Fig 1). 3 Procédé suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que ledit réchauffage est réalisé par échange de chaleur avec l'air sortant du compresseur ( 1) de l'installation, éventuellement pré-refroidi (en 16). 4 Procédé suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que ledit réchauffage est réalisé par surpression, l'énergie de surpression étant notamment fournie par une turbine de production frigorifique ( 19) de l'installation. 1 1 Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que, après son refroidissement, l'air comprimé, partiellement épuré de son eau par ce re- froidissement, est réchauffé, de préférence partiel- lement, avant son entrée dans la masse d'adsorbant ( 8) (Fig 2 et 3). 6 Procédé suivant la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le gaz résiduaire est réchauffé, de préférence par échange de chaleur avec l'air sor- tant du compresseur ( 1), avant son entrée dans la masse d'adsorbant ( 8). 7 Appareil de dessication-décarbonatation par adsorption, pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur ( 12, Fig 1) mettant en relation d'échange thermique l'air épuré et l'air sortant du compresseur ( 1) de l'installation de dis- tillation d'air, éventuellement après pré-refroidis- sement de cet air (en 16). 8 Appareil de dessication-décarbonatation par adsorption, pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur auxiliaire ( 12, Fig 2) mettant en relation d'échange thermique l'air complètement refroidi et l'air comprimé non encore complètement refroidi. 9 Appareil suivant la revendication 8, ca- ractérisé en ce qu'il comprend en série, en aval du compresseur ( 1), un premier échangeur de chaleur ( 16), ledit échangeur de chaleur auxiliaire ( 12) et un échangeur de chaleur final ( 13), le premier échangeur de chaleur ( 16) mettant en relation d'échange ther- mique l'air sortant du compresseur ( 1) et prérefroidi (en 1 a) et le gaz résiduaire sortant de la boîte froide ( 3) de l'installation de distillation d'air. Appareil de dessication-décarbonatation par adsorption, pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un surpresseur ( 17) d'une partie au moins de l'air épuré, notamment entrainé par une turbine ( 19) de production frigorifique de l'installation. 11 Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la masse d'adsorbant ( 8) comprend un double lit, à savoir, en considérant le sens de circulation de l'air à épurer, un lit d'alumine ( 10) suivi d'un lit de tamis molécu- laire ( 11).