Brevet FR2667800A1 — publié le 19920417

La présente invention concerne un procédé de séparation par adsorption d'au moins un constituant d'un mélange gazeux, du genre o ledit mélange gazeux circule dans une masse d'adsorbant dans un adsorbeur qui subit des variations cycliques de pression En pratique, un tel procédé, notamment lorsqu'il est mis en oeuvre industriellement pour la production d'oxygène par séparation d'air, conduit à des cycles dont la durée ne descend pas actuellement en dessous de 2 x 45 S pour un système à deux adsorbeurs, avec les performances suivantes: rendement 40 à 60 % productivité environ de 15 \b 3/h/m 3 (WN 3/h 02 produit par m 3 adsorbant). Les adsorbeurs sont réalisés sous forme * généralement de cylindres verticaux avec circulation verticale de gaz, le cas échéant pour les grosses tailles, de cylindres horizontaux toujours avec circulation verticale de gaz. Ces dispositions sont les plus pratiques pour le remplissage des adsorbeurs et permettent de conserver un lit d'épaisseur homogène de tamis moléculaire adsorbant même lorsque celui-ci se tasse (le tassement est évalué à environ 5 % pour des particules sphériques). La section de passage est calculée pour que, lors de la circulation verticale ascendante, le gaz ne risque pas de "décoller" les grains d'adsorbant sous l'effet d'une vitesse excessive, ce qui conduirait en effet à réduire rapidement l'adsorbant en poussière sous l'action du phénomeène d'attrition, ou frottement mutuel des particules. Les adsorbeurs sont également étudiés pour avoir une distribution homogène de gaz Celle-ci est facilement réalisable dans un cylindre vertical à circulation verticale (ascendante et descendante), mais cette disposition ne convient qu'aux installations de faible capacité, du fait que la section de passage est alors technologiquement limitée. L'objectif de l'invention est de parvenir à un investissement plus faible en réduisant la durée de cycle pour augmenter la productivité Le volume d'adsorbant nécessaire est alors réduit, ainsi que la taille des adsorbeurs, ces deux parties constituant une part importante de l'investissement de l'installation. Cependant, la réduction de la durée de cycle en dessous de 2 x 45 S n'a pas à ce jour été réalisée dans des installations industrielles de capacité significative, telles par exenple une production d'oxygène supérieure à 5 tonnes/jour pour les raisons suivantes: risque de baisse des performances avec les adsorbants actuels, en particulier baisse du rendement et augmentation de la consoemation d'énergie L'adsorption est en effet limitée par des phénomènes cinétiques. vitesse de gaz trop importante et attrition de l'adsorbant dans les adsorbeurs actuels. pertes de charge inportantes également pour les épaisseurs de lits actuelles. Le but de la présente invention est d'apporter des solutions à ces différents problèmes et de parvenir à un procédé de séparation par adsorption à durée de cycle comprise entre 20 secondes ( 2 x 10) et 60 secondes ( 2 x 30) avec des performances (rendemrent/énergie) maintenues à un haut niveau soit: un rendement de 40 à 60 % une productivité qui s'accroit alors à environ 45 tin 3/h/m 3. L'obtention de telles performances permet de diminuer par un facteur trois environ (rapport de productivités) le volume d'adsorbant et des adsorbeurs, et de réaliser ainsi une économie importante ( 20 à %) sur l'investissement du matériel (qui comprend les adsorbeurs, vannes, tuyauteries et les machines nécessaires au fonctionnement du cycle). I 1 est à noter que la taille des vannes, tuyaux et machines reste la même à partir du moment o le rendement est conservé entre une installation à 15 N 3/h/m 3 de productivité et celle à 45 NM 3/h/m 3. Le gain d'investissement est donc réalisé sur la quantité d'adsorbant (divisée par trois) et le coût des adsorbeurs: faible volume, transport et montage facilités. Cet objectif de l'invention est atteint en ce qu'on fait circuler le mélange gazeux selon une direction, qui est horizontale dans une masse d'adsorbant de dimension verticale supérieure à la dimension horizontale moyenne dudit adsorbant dans le sens de circulation du gaz, la masse d'adsorbant présentant au moins une partie située à l'aval par rapport au sens de cheminement des gaz en phase de production, qui est forméae de particules d'adsorbant fines, dont la dimension moyenne est inférieure à 2 mn, le tout de façon à réaliser un cycle de durée cromprise entre 20 secondes et 60 secondes tout en limitant à 200 nb la perte de charge entre entrée et sortie de la masse adsorbante lors de l'introduction du mélange gazeux à traiter. Selon le procédé rappelé ci-dessus, la finesse granulomnétrique de l'adsorbant permet d'accroître la cinétique de l'adsorption, alors que la vitesse des gaz est accrue De plus, la circulation horizontale des gaz permet de repousser l'apparition du phénomène d'attrition à des vitesses de cinq à sept fois supérieure X celles mises en oeuvre en circulation verticale ascendante La société déposante avait déjà développé des adsorbeurs de purification de l'air à cycles de longues durées avant sa distillation avec circulation du mélange gazeux selon des directions horizontales centripètes ou centrifuges dans des adsorbeurs dits à lits concentriques Cependant, ces adsorbeurs ont été développés pour des raisons totalement différentes, notamment en raison des grosses tailles nécessaires et présentent cependant l'inconvénient d'être relativement coûteux et de conporter des volumes morts importants préjudiciables au fonctionnement au type de procédé envisagé ici. L'invention prévoit diverses mises en oeuvre du procédé, séparément ou en combinaison: la granulométrie des particules fines d'adsorbant est comprise entre 0,4 2 n, et de préférence entre 0,8 1, 5 mn; de préférence, la durée de cycle est de l'ordre de 40 à 50 secondes; la perte de charge est limitée à une valeur de l'ordre de 100 mb, et de préférence de l'ordre de 50 rnb; on peut faire en sorte que la totalité de la masse adsorbante soit réalisée en particules fines de 0,4 2 mn et de préférence de 0,8 - 1,5 mn ou bien qu'une partie aval de la masse adsorbante soit réalisée en particules fines de 0,4 à 2 mm, et de préférence de 0,8 1,5 mm, alors qu'une partie amont, selon le sens de cheminement du mélange gazeux en phase de production, est réalisée en particules de granulomrtrie supérieure è 1,5 mn, par exemple de l'ordre de 2 mm Dans ce second cas, le pourcentage en poids de particules fines d'adsorbant par rapport au poids total de la masse d'adsorbant est conpris entre 30 % et 70 %. de préférence, la dimension verticale de la masse d'adsorbant représente de 1,5 fois à 3 fois la dimension moyenne de ladite masse d'adsorbant dans le sens de circulation du rmélange gazeux en phase de production. L'invention concerne également un adsorbeur qui se caractérise en ce que l'enceinte d'adsorbeur présente une dimension allongée selon une direction dite Iongitudinale, avec à l'intérieur de ladite enceinte deux panneaux perforés d'extension longitudinale écartés l'un de l'autre, définissant d'une part entre eux et une partie de la paroi d'enceinte une chambre emplie de particules adsorbantes, d'autre part entre eux et le reste de l'enceinte deux collecteurs longitudinaux d'admission/évacuation de gaz chacune avec un enbout tubulaire de traversée de la paroi d'enceinte pour l'admission/évacuation du gaz dans/hors ledit adsorbeur. Selon une forme préférentielle de réalisation les panneaux perforés d'extension longitudinale s'étendent, à une extrémité longitudinale de l'adsorbeur, à faible distance de la paroi de fond d'adsorbeur, pour se raccorder à une paroi transversale, s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la paroi longitudinale d'enceinte, avec mise en place d'une paroi déformable, par exenple réalisée en matériau élastique, définissant ainsi une chambre de fond d'adsorbeur étanche équipée d'un enbout de traversée de mise sous pression ou dépression gazeuse Grâce à cette disposition, on peut assurer d'une part un maintien substantiel en position des particules d'adsorbant sous l'effet de compression du diaphragme, dû à la mise en oeuvre d'une pression qui est au toins égale à la pression haute de cycle, d'autre part et surtout éviter tout passage préférentiel du gaz dans un volume libre en tête d'enceinte, qui ne manquerait pas de se créer à la suite d'un tassement ultérieur inévitable de l'adsorbant. L'invention concerne également à la fois un adsorbeur caractérisé par une série d'enbouts tubulaires obturables de traversée agencés longitudinalement en regard et au milieu longitudinal d'un panneau perforé, et s'étendant intérieurement jusqu'à traverser ledit panneau perforé et un procédé de remplissage de la chambre d'un tel adsorbeur, qui est caractérisé en ce que l'adsorbeur est positionné spatialement de façon à ce que sa dimension longitudinale soit horizontale, avec la série d'enbouts tubulaires en position haute selon une direction verticale, et en ce qu'on introduit l'adsorbant par les dits embouts tubulaires. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est une coupe selon un plan vertical d'un adsorbeur et la figure 2 une coupe horizontale. L'adsorbeur i comporte une enceinte 2 avec une paroi latérale 3 en fonrme de virole cylindrique à extension dite longitudinale ici verticale qui est supérieure à son diamètre et fermiée à ses extrémités par deux fonds bombés extérieurement 4 et 5 A l'intérieur de l'enceinte 2 sont agencés deux panneaux perforés 6 et 7, par exemple des grilles, qui s'étendent depuis le fond inférieur 5 jusqu'à une faible distance du fond supérieur 4, et sont alors raccordés à la paroi latérale 3 par des parois transversales 8 et 8 '; un diaphragme ou membrane élastique 10 est fixé sur toute sa périphérie à la fois le long du bord interne 9 des parois transversales 8 et 8 ' et pour le reste à la paroi de l'enceinte 3 de façon à définir ainsi d'une part une chambre d'adsorbant 11 délimitée entre une partie 5 a du fond 5, les panneaux perforés 6 et 7, une partie 3 a de la paroi latérale 3 et la menbrane 10, et d'autre part une chambre de compression étanche 12 de l'adsorbant 11 entre fond supérieur 4 et mentbrane 10 et à cet effet le fond 4 est équipé d'un embout tubulaire 13 pour mettre sous pression de service la chambre 12. Les panneaux perforés 6 et 7 définissent également deux collecteurs internes de distribution gazeuse 15 et 16 entre chaque panneau 6 ou 7 et la partie 3 b de paroi latérale 3, une partie 5 b du fond 5 et la paroi haute 8, et chaque collecteur 15-16 est équipé d'un large erbout tubulaire 17, 18 respectivement, pour l'adnission ou le soutirage de gaz. Dans la réalisation représentée, la chambre d'adsorbant 11 est emplie d'adsorbant de granulométries différentes qui s'étendent côte à côte en contact selon des faces de contact verticales 19 A gauche de la face 19 se situe l'adsorbant 20 le plus fin de granulométrie cmprise entre 0,8 et et 1,5 rn, alors qu'à droite de cette face 19 se situe un adsorbant 21 de g Tanulomnétrie habituelle crmprise entre 1,7 et 2,4 mun. La mise en place de ces deux masses d'adsorbant est maintenant décrite: L'adsorbeur est équipé selon une ligne verticale d'une pluralité de tronçons tubulaires 22 qui s'étendent radialement de l'extérieur de la paroi cylindrique 3 jusqu'à déboucher au travers du panneau perforé 6. Sur le site de construction, l'adsorbeur 1 est placé "à plat", c'est-àdire avec sa paroi cylindrique longitudinale selon une extension horizontale, avec les tronçons tubulaires 22, chacun selon une verticale et une position haute Cn peut alors introduire, c travers les tronçons 22, des conduits et appareils de rermplissage et dispersion de particules et on prend soin d'introduire d'abord les particules de plus forte granulomiétrie, puis les particules plus fines, pour constituer successivement la couche 21, puis la couche 20 Pendant cette opération, la charrbre 12 est mise sous dépression et la menbrane est amenée à être proche, voire en contact avec la face interne du fond barbé extérieurement 4 (position 10 ' à la figure 1), libérant ainsi le maximum d'espace pour les particules qui sont à l'état plus ou moins foisonnant Après remplissage couplet, une pression est appliquée dans la chambre de compression 12, de sorte que le diaphragme 10 reste appliqué contre la masse de particules en les comprimant (position 10 à la figure 1) Cette pression est maintenue définitivement. Sur le site de production, l'adsorbeur est monté vertical, c'est-à-dire que sa paroi latérale cylindrique 3 présente une extension axiale verticale, coame représenté à la figure 1 L'entrée du mélange à traiter s'effectue par l'enbout 18 et le collecteur 16 (sens dit co-courant) et le panneau perforé 7 formant fenêtre d'entrée, alors que s'effectuent par le collecteur 15 et l'embout 17 et le panneau 6 formant fenêtre de sortie pour différents soutirages (sens co-courant) et/ou admission (sens contre-courant) De même différents soutirages peuvent s'effectuer par le collecteur 16 et l'errbout 18 (sens contre- courant). Le procédé et l'adsorbeur décrit peuvent être utilisés dans de nombreuses applications de séparation gazeuse, notanrmrent pour obtenir de l'oxygène à partir d'air. REVENDICATICNS 1 Procédé de séparation par adsorption d'au moins un constituant d'un mélange gazeux, du genre o ledit mélange gazeux circule dans une masse d'adsorbant dans un adsorbeur qui subit des variations cycliques de pression, caractérisé en ce qu'on fait circuler le mélange gazeux selon une direction, qui est horizontale, dans une masse d'adsorbant ( 20-21) de dimension verticale supérieure à la dimension horizontale rmoyenne dudit adsorbant dans le sens de circulation du gaz, la masse d'adsorbant présentant au moins une partie ( 20) située à l'aval par rapport au sens de cheminement des gaz en phase de production, qui est fornée de particules d'adsorbant fines, dont la granulométrie est inférieure à 2 mn, le tout de façon à réaliser un cycle de durée comprise entre 20 secondes et 60 secondes, tout en limitant à 200 nb la perte de charge entre entrée et sortie de la masse adsorbante lors de l'introduction du mélange gazeux à traiter. 2 Procédé de séparation par adsolrption selon la revendication 1, caractérisé en ce que la granulcmétrie des particules fines d'adsorbant est couprise entre 0,4 2 mn et de préférence entre 0,8 - 1,5 mrm. 3 Procédé de séparation par adsorption selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de cycle est de l'ordre de 40 d 50 secondes. 4 Procédé de séparation par adsorption selon la revendication 1, caractérisé en ce que la perte de charge est limitée à une valeur de l'ordre de 100 nb, de préférence de l'ordre de 50 ab. 5 Procédé de séparation par adsorption selon la revendication 2, caractérisé en ce que la totalité de la masse adsorbante est réalisée en particules fines de granulométrie comprise entre 0,4 et 2 nm et de préférence 0,8 1,5 mn. 6 Procédé de séparation par adsorption selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie aval ( 20) de la masse adsorbante est réalisée en particules fines de granulomnétrie cocprise entre 0,4 et 2 rmm, et de préférence 0,8 1,5 mm, alors qu'une partie amont ( 21), selon le sens de cheminement du mélange gazeux en phase de production, est réalisée classiquement en particules de granulométrie supérieure à 1,5 mn, par exerrple de l'ordre de 2 nm. 7 Procédé de séparation par adsorption selon la revendication 2, caractérisé en ce que le pourcentage en poids de particules fines d'adsorbant par rapport au poids total de la masse d'adsorbant est compris entre 30 et 70 %. 8 Procédé de séparation par adsorption selon l'une quelconque des revendications i à 7, caractérisé en ce que la dimension verticale de la masse d'adsorbant représente de 1,5 fois à 3 fois la dimension moyenne de ladite masse d'adsorbant dans le sens de circulation du mélange gazeux en phase de production. 9 Adsorbeur pour la séparation de mélange gazeux, ccrprenant une enceinte ( 1) caractérisée en ce que ladite enceinte ( 1) présente une dimension allongée selon une direction dite longitudinale, avec à l'intérieur de ladite enceinte ( 1) deux panneaux perforés ( 6-7) d'extension longitudinale écartés l'un de l'autre, définissant d'une part entre eux et une partie de la paroi d'enceinte une chambre ( 11) enplie de particules adsorbantes, avec des moyens compensateurs de tassement d'adsorbant ( 10), d'autre part deux collecteurs longitudinaux ( 15-16) d'adnission/évacuation de gaz chacune avec un oembout tubulaire ( 17-18) de traversée de la paroi d'enceinte ( 3) pour l'adnission/évacuation du gaz dans/hors ledit adsorbeur ( 1). Adsorbeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les panneaux perforés d'extension longitudinale ( 6-7) s'étendent, à une extrémité longitudinale de l'adsorbeur, à faible distance de la paroi de fond d'adsorbeur ( 4), le moyen compensateur est une paroi déformnnable ( 10), par exenple réalisée en matériau élastique, définissant une chambre de fond étanche ( 12) équipée d'un embout de traversée ( 13) de mise sous pression ou dépression gazeuse. 11 Adsorbeur selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la dimension longitudinale de l'enceinte d'adsorbeur est de 1,5 fois à 3 fois la dimension transversale entre panneaux longitudinaux perforés ( 6 7). 12 Adsorbeur selon la revendication 9 ou 10 ou 11, caractérisé en ce que l'enceinte d'adsorbeur est de forme cylindrique allongée ( 3) avec des fonds d'extrémités bcrbés ( 4-5). 13 Adsorbeur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que l'adsorbant placé dans la chambre (il) ccuprend au moins une partie ( 20) des particules d'adsorbant ayant une granulométrie inférieure à 2 nm, de préférence comprise entre 0,8 mn et 1,5 mn en une couche parallèle et en contact avec l'un ( 6) des panneaux perforés ( 6-7). 14 Adsorbeur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la chamrbre ( 11) est totalement emplie de particules adsorbantes ayant une granulnométrie inférieure à 2 mn et de préférence comprise entre 0,8 mm et 1,5 mn. Adsorbeur selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche de particules à faible granulométrie ( 20) conprise entre 0,8 mnm et 2 nm a une épaisseur inférieure h l'écartement entre les deux panneaux perforés ( 6-7), la partie restante de la chambre étant emplie de particules de dimension de l'ordre de 1,7 à 2 mn et plus. 16 Adsorbeur selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé par une série d'embouts tubulaires obturables ( 22) de traversée agencés longitudinalement en regard et au milieu longitudinal d'un panneau perforé ( 6) et s'étendant intérieurement jusqu'à traverser ledit panneau perforé ( 6). 17 Procédé de remplissage de la chambre ( 11) d'un adsorbeur ( 1) selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'adsorbeur ( 1) est positionné spatialement de façon à ce que sa dimension longitudinale soit horizontale, avec la série d'enbouts tubulaires ( 22) en position haute selon une direction verticale, et en ce qu'on introduit l'adsorbant par les dits enbouts tubulaires ( 22). 18 Procédé selon les revendications 10 et 17, caractérisé en ce que, pendant la phase de mise en place de l'adsorbant ( 20-21), on met sous dépression la chambre de fond ( 12) de l'adsorbeur, et en ce qu'après le remplissage total de la chambre ( 12) avec l'adsorbant ( 20- 21), on met sous pression gazeuse la chambre de fond ( 12) de 1 'adsorbeur. 19 Procédé selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que la mise en place de l'adsorbant s'effectue d'abord, le cas échéant, avec les particules d'adsorbant de granulométrie habituelle comprise entre 1, 7 à 2 nm et plus, puis et finalement, avec les particules d'adsorbant de granulométrie comprise entre 0,4 et 2 mn et de préférence entre 0,8 1,5 mn. Adsorbeur selon l'une quelconque des revendications 9 16, caractérisé en ce qu'on le met en place sur le site d'utilisation, avec sa dimension longitudinale agencée verticalarent. 21 Adsorbeur selon les revendications 15 et 16, caractérisé en ce que le collecteur d'admission du mélange gazeux à traiter ( 16) est celui qui est situé près de la partie de la masse d'adsorbant ( 21) qui présente une g Tanulairmtrie supérieure de l'ordre de 1,7 à 2 m et plus.