Brevet FR2684023A1 — publié le 19930528

L'invention concerne un procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène par adsorption d'azote de l'air et plus particulièrement un procédé du genre où sur une pluralité "n" d'adsorbeurs, on assure successivement et cycliquement selon une période T, sur chacun desdits adsorbeurs, avec décalage dans le temps T/n, d'un adsorbeur au suivant a) une étape de production dudit gaz à teneur substantielle en oxygène par soutirage de gaz selon une direction dite à co-courant à pression haute, avec admission d'air b) une étape de dépressurisation incorporant une phase terminale de pompage à contre-courant sous pression sous-atmosphérique jusqu a la pression minimale du cycle, de l'ordre de 0,2 bar absolu c) une étape de repressurisation incorporant une repressurisation finale à contre-courant avec du gaz enrichi en oxygène d) le nombre d'adsorbeurs et les durées respectives desdites étapes étant tels qu'à tout moment au moins deux adsorbeurs se situent dans la phase de pompage de l'étape de dépressurisation, à des niveaux de pression différents. Dans ce procédé, pour assurer le pompage qui s'étend, au cours d'une dépressurisation de la pression atmosphérique, ou légèrement moins si un équilibrage est assuré entre un adsorbeur en fin de production et un adsorbeur en début de repressurisation, jusqu'à une pression aussi faible qu'environ 0,2 bar absolu, avec rejet d'un résiduaire à l'atmosphère, on utilise généralement des compresseurs volumétriques du type "Roots", qui, s'ils sont appropriés à traiter de forts débits, n'acceptent. à ces niveaux de pressions, que des différences de pression relativement faibles entre entrée et sortie, de l'ordre de 0,5 bar. Pour des taux de compression plus importants, le rendement du compresseur chute, ce qui fait qu'on doit utiliser, des compresseurs volumétriques bi-étagés, le second étage étant opératoire en série avec le premier étage lorsque la pression est descendue à l'aide du seul premier étage à une valeur de l'ordre de 0,5 bar absolu, et l'on utilise parfois, lorsque le débit pompé est important, un compresseur multi-étagé. Cette façon de faire est donc onéreuse notamment en consommation d'énergie et présente des difficultés de réalisation pour des unités de production à débits élevés. La présente invention vise certaines dispositions qui permettent de réaliser une telle dépressurisation sous vide de façon rapide, ce qui est indispensable dans ce genre d'applications, à moindre coût d'investissements et de consommations d'énergie, et cet objectif de l'invention est atteint; dans un procédé rappelé aux points a) à d) ci-dessus par la combinaison des mesures suivantes e) la phase de pompage est subdivisée en une pluralité de sous-étapes de pompage, toutes de même durée égale à T/n, ou à un sous-multiple de T/n, et chaque sousétape de pompage est associée à un moyen de pompage spécifique aux conditions de débit et de variation de pression de ladite sous-étape f) chaque moyen de pompage est immédiatement permuté d'un adsorbeur en fin de la sous-étape associée audit moyen vers un adsorbeur en début de ladite sous-étape et plus particulièrement on prévoit l'une ou l'autre des dispositions suivantes 1/ Un moyen de pompage est du type compresseur volumétrique pour des valeurs de pressions supérieures à une limite inférieure de l'ordre de 0,5 bar absolu, du type compresseur centrifuge pour des valeurs de pression comprises entre ladite limite supérieure et une limite inférieure de l'ordre de 0,2 bar absolu. Cette disposition permet d'allier la souplesse du compresseur volumétrique en ce qui concerne le niveau de pression d'admission et l'excellent rendement du compresseur centrifuge pour des taux de compression plus élevés. 2/ Les différents moyens de pompage sont tous du type compresseur volumétrique, le moyen de pompage correspondant à une sous-étape de pompage quelconque-sauf la sous-étape initiale-- comprenant un moyen élémentaire de pompage adjoint en série et en aval (selon le sens de circulation du gaz) au moyen de pompage d'une sous-étape de pompage qui la précède immédiatement, le nombre des moyens élémentaires de pompage correspondant à une sous-étape de pompage à dépression initiale donnée étant supérieur d'une unité au nombre de moyens élémentaires de pompage associés à la sous-étape de pompage qui la précède immédiatement, et plus particulièrement, dans une forme de réalisation on prévoit que le nombre de sous-étapes de pompage est de deux, avec deux moyens de pompage principaux et un seul moyen élémentaire de pompage couplé alternativement à chacun desdits moyens de pompage principaux au cours de la sousétape finale de pompage. Cette disposition, qui conduit pratiquement à l'utilisation exclusive de compresseurs volumétriques par exemple du type "robots", avec un compresseur principal auquel on adjoint de façon momentanée, à des pressions de 0,5 bar absolu ou plus basses, un ou plusieurs autres compresseurs -- ou un compresseur à un ou plusieurs étages -- ou un ou plusieurs étages d'un compresseur principal multi-étagé -- permet de réduire au strict minimum les coûts d'investissements en machines tournantes. 3/ Il y a autant de moyens de pompage élémentaires qu'il y a de sous-étapes de pompage, la sous-étape initiale de pompage mettant en oeuvre lesdits moyens de pompage élémentaires tous connectés en parallèle, le cas échéant en série-parallèle au cours de sous-étapes intermédiaires éventuelles, en série au cours de la sousétape finale de pompage et plus particulièrement, dans une forme de réalisation, où le nombre de sous-étapes est de deux, avec deux moyens de pompage élémentaires successivement agencés en paralleles, puis en série. Grâce à cette disposition, on utilise au mieux les possibilités du matériel mis en oeuvre en ce sens qu'on utilise par exemple deux pompes raccordées en parallèle lorsque le niveau de dépression reste modéré, ce qui permet d'accélérer considérablement le vidage, alors que les deux pompes sont branchées en série lorsque la dépressurisation descend en-dessous de 0,5 bar absolu, ce qui permet d'opérer à taux de compression élevé. Il faut noter, en ce qui concerne cette dernière disposition, que si l'on avait précédemment prévu deux pompes en vue d'atteindre une telle dépressurisation, l'une seulement était utilisée pour atteindre une dépression de l'ordre de 0,5 bar absolu, alors que la seconde pompe n'était conçue que pour être adjointe à la première pour des niveaux de dépressurisation élevés. La disposition conforme à l'invention permet un important gain de temps pour réaliser l'opération de vidage ou un gain sur la taille de la pompe à vide à installer. L'invention est maintenant décrite par trois variantes de réalisation illustrées de façon schématique aux figures 1 à 3 qui sont annexées. Selon la figure 1, une installation de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène par adsorption d'azote met en oeuvre une pluralité n = 5 d'adsorbeurs 1, 2, 3, 4 et 5, alimentés cycliquement en air comprimé via une conduite 6 connectée, par des vannes opérant cycliquement et non représentées, aux entrées 7 des adsorbeurs 1-5, alors que chaque sortie de production 8 est connectée alternativement et cycliquement par un jeu de vannes non représentées soit à une conduite d'équilibrage 9 entre un adsorbeur en fin de production et/ou en cours de dépressurisation initiale et un adsorbeur en début et/ou en cours de repressurisation. Les sorties 8 sont également connectées à une conduite de production d'oxygène 10. La régénération par dépressurisation --le cas échéant terminée par une purge-élution avec de l'oxygène de production-- est opérée à pression sous-atmosphérique et à cet effet on prévoit deux lignes de vidage à partir de chaque "entrée" 7 des adsorbeurs, l'une 11 aboutissant à un compresseur volumétrique 13, l'autre 12 aboutissant à un compresseur centrifuge 14. En fonctionnement de régénération chaque adsorbeur 1-5 est d'abord soumis à l'action d'un compresseur volumétrique 13 depuis la pression atmosphérique, ou celle plus basse de fin d'équilibrage, jusqu'à une pression de l'ordre de 0,5 bar absolu. Cette opération est assurée par un compresseur centrifuge 13 qui est, selon les débits à soutirer soit à un seul étage, soit à deux ou plusieurs étages. Dès que la pression de l'ordre de 0,5 bar est atteinte, l'adsorbeur concerné est commuté sur la conduite 12 à partir de laquelle opère le compresseur centrifuge 14 particulièrement apte à réduire la pression de 0,5 bar à 0,2 bar absolu. Dans une unité de production de ce type, le cycle est déterminé et notamment l'opération de pompage d'un adsorbeur de durée égale à T/n (T étant la durée de cycle, n le nombre total d'adsorbeurs) subdivisée en deux sousétapes de durées égales (T/2n), de façon que lorsqu'une pompe 13 (ou 14) termine son opération sur un adsorbeur, elle soit amenée à débuter son opération sur un adsorbeur suivant, de sorte que les pompes 13 et 14 sont en permanence en charge. En se référant à la figure 2, une unité de production d'oxygène est identique à celle décrite à la figure 1, à ces différences près que la conduite 11 et la conduite 12 sont raccordées l'une et l'autre à une pompe principale 21, 22 du type compresseur volumétrique, débitant chacune dans des conduites à l'atmosphère 23 et 24 respectivement via des vannes 25, 26 respectivement. Entre une pompe 21 (22) et sa vanne associée 25 (26) est prévue une dérivation 27 (28) à vanne 29 (30) aboutissant toutes deux à l'admission d'un autre compresseur du type volumétrique 31 qui débite dans l'atmosphère via 32, et qui généralement est un second étage d'une machine pluriétagée, dont le premier étage est constitué par le compresseur 21, ou le compresseur 22. On peut faire en sorte d'ailleurs qu'une seule et même machine tournante incorpore trois étages dont les deux premiers identiques 21, 22 sont aptes à opérer chacun seul une dépressurisation jusqu'à 0,5 bar absolu, alors que le troisième étage 31 est apte à opérer avec l'un ou l'autre étage 21, 22, une dépressurisation jusqu'à 0,2 bar absolu. En fonctionnement on comprend que dans cette forme de réalisation, une conduite de vidage 11 est affectée à un adsorbeur, alors que l'autre conduite de vidage 12 est affectée à un autre adsorbeur --avec toujours déphasage de T/2n entre les opérations de vidage concernées--. Une conduite de vidage 11 est d'abord associée à un seul étage de pompage 21, alors que l'autre conduite de vidage 12 est associée aux deux étages de pompage 22 et 31 agencés en série (vannes 25 et 30 ouvertes, vannes 26 et 29 fermées). Après un laps de temps d'une durée égale à T/2n, au bout duquel la conduite 11 est à une pression de l'ordre de 0,5 bar absolu et la conduite 12 à une pression de l'ordre de 0,2 bar absolu, on permute les vannes (vannes 26 et 29 ouvertes, vannes 25 et 30 fermées), si bien que les opérations de pompage se poursuivent au niveau de la conduite 11 sur le même adsorbeur, alors qu'une opération de début de pompage est initiée sur l'adsorbeur suivant. En se référant à la figure 3, qui se limite à un seul circuit de pompage de résiduaires provenant d'une conduite 53, on dispose d'une pompe bi-étagée (premier étage 54, second étage 55) sur un arbre menant 34 entraîné par un moteur 35. Le premier étage 54 a son admission 36 directement raccordée à la conduite de résiduaires 53, alors que son refoulement 37 est raccordé d'une part via une conduite 38 à vanne 39 à un silencieux 40 de décharge à l'air en 41, d'autre part par une conduite 42 à vanne 43 à l'admission 44 du second étage 55, dont le refoulement 45 est directement raccordé par une conduite 46 au silencieux 40. La conduite de résiduaires 53 est d'autre part raccordée d'une part par une conduite 47 à vanne 48 à l'admission 44 du second étage 55 d'autre part par une conduite 49 à vanne 50 au silencieux 40. La conduite 42 est elle-même raccordée, entre vanne 43 et admission 44 du second étage 55, à une conduite 51 à vanne 52 débouchant à l'air libre. Le fonctionnement de cette installation de pompage est le suivant. Au début du pompage, et jusqu a une pression de l'ordre de 0,5 bar absolu dans la conduite de résiduaires 53, les vannes 39 et 48 sont ouvertes, les vannes 50, 43 et 52 sont fermées, de sorte que les deux étages 54 et 55 débitent en parallèle dans le séparateur silencieux 40, l'un (54) via la conduite 38, l'autre (55) étant alimenté par la conduite 47 et refoulant dans la conduite 46. Un débit maximal peut donc être pompé jusqu'à une dépression de l'ordre de 0,5 bar absolu. Lorsqu'une dépression de l'ordre de 0,5 bar absolu est atteinte, les vannes 39 et 48 se ferment, la vanne 50 restant fermée, tandis que les vannes 43 et 52 s'ouvrent. Les gaz résiduaires parviennent alors seulement au premier étage 54 qui les refoule via 38, 43, 42 à l'admission 44 du second étage 55 qui les refoule dans le silencieux de mise à l'air 40-41. Les premier et second étages 54, 55 fonctionnement alors en série et peuvent alors aisément atteindre la pression finale de 0,2 bar absolu. On note que le passage du branchement parallèle au branchement série des pompes 54 et 55 doit éviter la mise sous vide trop poussé de la conduite 56 directement à l'aspiration de la pompe 55. A cet effet, on peut par exemple retarder de quelques dizièmes de seconde l'ouverture de la vanne 43 par rapport à la fermeture des vannes 48 et 39, ou, le cas échéant, faire une légère entrée d'air via la conduite 51 et la vanne 52 ouverte pendant un laps de temps très court. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène par adsorption d'azote de l'air, du genre où, sur une pluralité "n" d'adsorbeurs 1-5, on assure successivement et cycliquement selon une période T sur chacun desdits adsorbeurs avec décalage dans le temps T/n, d'un adsorbeur au suivant a) une étape de production dudit gaz à teneur substantielle en oxygène par soutirage (via 10) de gaz selon une direction dite à co-courant à pression haute, avec admission d'air (en 6) b) une étape de dépressurisation incorporant une phase terminale de pompage (13)(21-22-31)(54-55) à contrecourant sous pression sous-atmosphérique jusqu a la pression minimale du cycle, de l'ordre de 0,2 bar absolu c) une étape de repressurisation incorporant une repressurisation finale à contre-courant avec du gaz enrichi en oxygène (via 10) d) le nombre d'adsorbeurs n et les durées respectives desdites étapes étant tels qu'à tout moment au moins deux adsorbeurs (1-2)(2-3)(3-4)(4-5)(5-1) se situent dans la phase de pompage de l'étape de dépressurisation b), à des niveaux de pression différents ; caractérisé en ce que: e) la phase de pompage est subdivisée en une pluralité de sous-étapes de pompage, toutes de même durée égale à T/n ou à un sous-multiple de T/n, et chaque sousétape de pompage est associée à un moyen de pompage (13 ou 14)(21, ou 21 et 31, ou 22 et 31)(54 et 55 en parallèle, ou 54 et 55 en série) spécifique aux conditions de débit et de variation de pression de ladite sous-étape f) chaque moyen de pompage est immédiatement permuté d'un adsorbeur en fin de la sous-étape (1 ou 2 ou 3 ou 4 ou 5) associée audit moyen vers un adsorbeur en début de ladite sous-étape (2 ou 3 ou 4 ou 5 ou 1 respectivement). 2. Procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un moyen de pompage est du type compresseur volumétrique (13) pour des valeurs de pressions supérieures à une limite inférieure de l'ordre de 0,5 bar absolu, du type compresseur centrifuge (14) pour des valeurs de pression comprises entre ladite limite supérieure et une limite inférieure de l'ordre de 0,2 bar absolu. 3. Procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce que les différents moyens de pompage sont tous du type compresseur volumétrique (21, 22, 31) le moyen de pompage correspondant à une sous-étape de pompage quelconque --sauf la sous-étape initiale-- comprenant un moyen élémentaire de pompage (21 ou 22) adjoint en série et en aval (selon le sens de circulation du gaz) au moyen de pompage d'une sous-étape de pompage qui la précède immédiatement (31), le nombre des moyens élémentaires de pompage correspondant à une sous-étape de pompage à dépression initiale donnée (tel 21 et 31) étant supérieur d'une unité au nombre de moyens élémentaires de pompage (tel 22) associés à la sous-étape de pompage qui la précède immédiatement. 4. Procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre de sous-étapes de pompage est de deux, avec deux moyens de pompage (21, 22) et un moyen de pompage (31) couplé alternativement à chacun desdits moyens de pompage principaux (21 ou 22) au cours de la sous-étape finale de pompage. 5. Procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il y a autant de moyens de pompage élémentaires (tels 54-55) qu'il y a de sous-étapes de pompage, en ce que la sous-étape initiale de pompage met en oeuvre lesdits moyens de pompage élémentaires (tels 54 et 55) tous connectés en parallèle, le cas échéant si leur nombre est d'autre moins quatre en série-parallèle au cours de sous-étapes intermédiaires éventuelles, en série au cours de la sous-étape finale de pompage. 6. Procédé de production d'un gaz à teneur substantielle en oxygène selon la revendication 5, caractérisée en ce que le nombre de sous-étapes est de deux, avec deux moyens de pompage élémentaires (54, 55) connectés d'abord en parallèle, puis en série.