Brevet FR2679787A1 — publié le 19930205

La présente invention concerne les adsorbeurs pour la production ou l'épuration d'un gaz à partir d'un mélange gazeux, utilisables dans les procédés dits PSA (Pressure Swing Adsorption) ou TSA (Temperature Swing Adsorption) en mettant en oeuvre les propriétés d'adsorption préférentielle de certains adsorbants, et plus particulièrement un adsorbeur du type comprenant, superposés dans une enveloppe tubulaire verticale comprenant une entrée de mélange gazeux et une sortie de gaz, un lit annulaire inférieur d'adsorbant et un lit annulaire supérieur d'adsorbant séparant chacun radialement un passage interne d'un passage externe respectifs, les passages externes des deux lits communiquant librement l'un avec l'autre. Un adsorbeur de ce type est décrit dans le document US-A-4 544 384 Dans ce document, le lit inférieur et le lit supérieur sont partiellement séparés par une structure de séparation métallique de forme biconique augmentant la dimension verticale de l'adsorbeur et ne permettant pas d'éviter un passage préférentiel de gaz de lit à lit sans traverser radialement et successivement les deux lits Par ailleurs, l'agencement de ce document ne prévoit pas de moyens limitant la libre circulation de gaz entre les extrémités supérieures des passages externe et interne de part et d'autre du lit supérieur. La présente invention a pour objet de proposer un adsorbeur de configuration compacte, de faibles coûts de fabrication et de montage, optimisant les passages de gaz à travers des lits d'adsorbant et limitant les volumes morts de gaz et, partant, les pertes de charge en fonctionnement, et permettant donc une productivité notablement améliorée. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, l'adsorbeur comporte des moyens limitant la libre circulation de gaz entre les extrémités supérieures des passages externe et interne de part et d'autre du lit supérieur. Selon des aspects plus particuliers de l'invention, ces moyens de limitation de passages de gaz sont constitués par une extrémité conique supérieur de l'enveloppe formant avec l'horizontale un angle compris entre 35 et 450, ou par une paroi souple appliquée sous pression sur l'extrémité supérieure du lit supérieur. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'adsorbeur comprend une paroi annulaire souple étanche interposée entre les lits inférieur et supérieur, de façon à permettre un remplissage rapide de l'adsorbeur en évitant tout risque de passage préférentiel de gaz directement de lit à lit. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'entrée de mélange de gaz communique avec le passage interne du lit inférieur, ce passage interne étant annulaire et délimité intérieurement par une paroi cylindrique montée dans l'enveloppe, de façon à limiter les volumes morts de gaz du côté alimentation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'un adsorbeur selon l'invention; la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant le plan de coupe III-III de la figure 2; et la figure 4 est une vue partielle en coupe verticale de l'extrémité supérieure d'un adsorbeur selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés. On a représenté sur la figure 1 un adsorbeur, convenant notamment particulièrement pour la production d'oxygène à partir d'air dans un procédé PSA L'adsorbeur comprend une enveloppe tubulaire verticale 1 dans laquelle est disposée, concentriquement, une paroi perforée tubulaire 2, typiquement constituée d'un assemblage concentrique de deux grilles tubulaires ayant des passages traversants ou orifices de dimensions différentes, s'étendant sur la quasi- totalité de la hauteur de l'enveloppe 1, à faible distance radiale de cette dernière dont les extrémités sont fermées, dans ce mode de réalisation, par une coupole inférieure 3 et une coupole supérieure 4. Dans la partie inférieure de l'enveloppe 1 est disposée, s'étendant vers le haut à partir de la coupole inférieure 3, une paroi tubulaire perforée 5 dont l'extrémité supérieure est fermée par une cloison transversale intérieure en forme de coupole 6 et qui définit ainsi, avec l'extrémité inférieure de la paroi perforée 2, un espace annulaire inférieur Sur la cloison transversale 6 est montée verticale ment une paroi perforée intérieure tubulaire 7 fermée à son extrémité supérieure par une cloison transversale 8 sensiblement coplanaire avec l'extrémité supérieure de la paroi perforée tubulaire extérieure 2 et définissant ainsi, avec cette dernière, un espace annulaire supérieur Le volume intérieur défini par la paroi tubulaire perforée inférieure 5 est occupé par une calotte creuse 9 comprenant une paroi tubulaire latérale 10, dont l'extrémité supérieure est fixée à la cloison transversale 6, et un fond arrondi 11 s'étendant à faible distance de la coupole inférieure 3 Dans l'espace défini entre cette dernière et le fond 11 débouche une conduite d'alimentation en mélange gazeux 12 tandis que l'espace intérieur défini par la paroi perforée tubulaire intérieure supérieure 7 communique avec une conduite de décharge de gaz 13 débouchant à la base de l'adsorbeur à l'opposé de la conduite d'alimentation 12, via un conduit intérieur 14 traversant la calotte 9 et la coupole 3 La coupole supérieure 4 comporte un orifice central de chargement 15 obturable par un bouchon 16. Pour la mise en oeuvre de l'adsorbeur, on introduit tout d'abord, par l'orifice de chargement 15, un premier adsorbant, en l'occurrence, pour la production d'oxygène, des particules d'alumine, jusqu'à remplissage de l'espace annulaire inférieur entre la partie inférieure de la paroi perforée extérieure 2 et la paroi perforée adjacente 5, de façon à constituer ainsi un lit annulaire d'adsorbant inférieur A On dispose ensuite sur l'extrémité supérieure du lit d'adsorbant A une paroi souple et étanche 17, prenant appui intérieurement sur la cloison transversale 6 et constituée d'une nappe annulaire ou d'une pluralité de feuilles radiales partiellement superposées, par exemple en matériau élastomère tel que celui commercialisé sous l'appellation "HYPALON" On déverse ensuite par l'orifice de chargement 15 des particules d'un second adsorbant, en l'occurrence, pour la production d'oxygène, des zéolithes, jusqu'à remplir l'espace annulaire supérieur entre la paroi perforée extérieure 2 et la paroi perforée intérieure supérieure 7, de façon à constituer ainsi un lit annulaire d'adsorbant supérieur B de hauteur et d'épaisseur radiales nettement supérieures à celles du lit inférieur A Le chargement du lit supérieur B assure, via la paroi souple 17, un tassement serré du lit inférieur 8. Dans le mode de réalisation représenté, on dispose alors sur l'extrémité supérieure annulaire du lit supérieur B et sur la cloison d'extrémité centrale 8 une paroi souple 18 de dimensions transversales légèrement supérieures à celles de l'enveloppe 1. Dans le mode de réalisation de la figure 1, pour maintenir la partie supérieure du lit B et rattraper directement le tassage de l'adsorbant de ce lit B, une pression est appliquée sur la face supérieure de la paroi souple 18 pour que celle-ci exerce une pression vers le bas sur l'adsorbant B Dans ce mode de réalisation, la pression est exercée par une couche de sable 19, ou tout autre matériau pesant présentant une forte perte de charge, déversé par l'orifice de chargement 15 Dans ce cas, la paroi souple 18 peut être constituée d'une grille métallique non élastique à mailles fines. On comprendra aisément le fonctionnement de l'adsorbeur qui vient d'être décrit Le mélange gazeux contenant le gaz à produire est introduit par la conduite 12, se répartit sensiblement uniformément dans l'espace annulaire interne 20 A entre le lit inférieur A et la calotte 9, est contraint de passer radialement à travers le lit inférieur A dans l'espace annulaire externe 20 B entre le lit inférieur A et l'enveloppe 1, puis de là, vers le haut, directement dans l'espace annulaire externe 21 B autour du lit supérieur B, puis au travers de ce dernier dans le passage interne supérieur 20 B pour s'échapper, via le conduit 14, par la conduite d'évacuation 13 On comprendra qu'avec l'agencement selon l'invention, tout risque de passage direct de gaz entre les lits inférieur A et supérieur B et entre les extrémités supérieures des passages 21 B et 20 B est supprimé. Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 diffère de celui représenté sur la figure 1 par les points suivants: l'enveloppe 1 ne comporte pas de coupole de fermeture inférieure 3 mais se prolonge jusqu'à l'embase de l'adsorbeur et les moyens d'application de pression de confinement sur la paroi souple 18 sont ici du type pneumatique Dans ce mode de réalisation, le lit inférieur A et son passage externe 21 A sont délimités inférieurement par une cloison transversale annulaire 22 Le passage interne 20 A d'entrée du lit inférieur A est ici délimité intérieurement par une virole 23 s'étendant depuis la cloison transversale 6 jusqu'à la base de l'appareil Comme on le voit mieux sur la figure 3, la partie inférieure de l'enveloppe 1 présente un diamètre réduit et est désaxée par rapport à l'axe principal de l'appareil dans la direction vers le conduit d'alimentation 12 de façon à définir une chambre annulaire 24 d'alimentation du passage interne 20 A ayant une section diminuant progressivement depuis l'entrée 12 jusqu'à l'extrémité diamétralement opposée pour une distribution optimisée du mélange gazeux vers la face d'entrée interne du lit inférieur A A la partie supérieure de l'adsorbeur, la paroi souple 18, constituée ici d'une membrane étanche, par exemple également dans le matériau élastomère "HYPALON", est pincée par son bord périphérique relevé contre la face interne de l'enveloppe 1 par un anneau de bridage 25 et est plaquée sur l'extrémité supérieure du lit supérieur B par admission d'un gaz sous pression dans la calotte supérieure 4 par une entrée de gaz 26 et prélevé par exemple dans le système incorporant l'appareil La paroi souple 18 peut être également formée par un ballon gonflable occupant toute la partie haute de l'appareil. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la coupole supérieure 4 est remplacée par une extrémité d'enveloppe tronconique 27 dont l'angle avec l'horizontale correspond sensiblement à l'angle de talutage observé lors du remplissage d'un bidon par les particules de l'adsorbant B, typiquement, pour des billes de zéolithe, un angle compris entre 35 et 450 Dans ce mode de réalisation, la paroi perforée cylindrique externe perforée 2 se prolonge vers le haut en contact avec l'extrémité conique 27 et la paroi cylindrique perforée interne supérieure 7 se prolonge vers le haut jusqu'au voisinage de la zone centrale de l'extrémité tronconique 27 et est obturée par une paroi d'extrémité tronconique 80 sensiblement de même angle que l'extrémité tronconique 27 Ainsi, en chargeant au maximum l'espace annulaire supérieur constituant le lit d'adsorbant supérieur B, l'adsorbant occupera l'espace au-dessus de la paroi d'extrémité 80 en éliminant ainsi les risques de passage direct par le haut entre le passage externe 21 B et le passage interne 20 B Pour garantir un remplissage et un tassage adéquats, on prévoira avantageusement, dans l'extrémité tronconique supérieure 27, un puits latéral 28 rempli de l'adsorbant B et associé à un moyen mécanique 29 exerçant une pression sur l'adsorbant contenu dans le puits 28. Selon une caractéristique plus particulière de l'invention, comme représenté sur les dessins, pour optimiser l'écoulement dans le passage interne supérieur 20 B, celui-ci comporte avantageusement en 6 2679787 son centre un noyau a profil évolutif diminuant vers le bas 30 et se terminant dans la conduite interne 14, et définissant un passage interne de section croissant sensiblement linéairement vers le bas. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Adsorbeur pour la production ou l'épuration d'un gaz, comprenant, superposés dans une enveloppe tubulaire verticale ( 1) comprenant une entrée de mélange gazeux ( 12) et une sortie de gaz ( 13), un lit annulaire inférieur d'adsorbant (A) et un lit supérieur d'adsorbant (B) séparant chacun, radialement, un passage externe ( 21 A; 21 B) d'un passage interne ( 20 A; 20 B) respectifs, les passages externes ( 21 A; 21 B) communiquant librement l'un avec l'autre, caractérisé en ce qu'il comporte, à sa partie supérieure, des moyens ( 18; 27) limitant la libre circulation de gaz entre les extrémités supérieures des passages externe ( 21 B) et interne ( 20 B) de part et d'autre du lit supérieur (B). 2 Adsorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de limitation sont constitués par une extrémité conique supérieure ( 27) de l'enveloppe ( 1) formant avec l'horizontale un angle compris entre 35 et 45 . 3 Adsorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de limitation comprennent une paroi souple ( 18) appliquée sous pression sur l'extrémité supérieure du lit supérieur (B). 4 Adsorbeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression sur la paroi souple ( 18) est exercée par du gaz sous pression. Adsorbeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression est exercée sur la paroi souple ( 18) par un lit de particules pesantes ( 19). 6 Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi annulaire souple étanche ( 17) interposée entre les lits inférieur (A) et supérieur (B). 7 Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'entrée de mélange de gaz ( 12) communique avec le passage interne ( 20 A) du lit inférieur (A), ce passage interne étant annulaire et délimité intérieurement par une paroi cylindrique ( 10; 23) disposée dans l'enveloppe ( 1). 8 Adsorbeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi cylindrique ( 23) est désaxée par rapport à l'axe de l'adsorbeur dans la direction opposée à l'entrée du mélange de gaz ( 12). 9 Adsorbeur selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la sortie de gaz ( 13) est ménagée à la base de l'enveloppe ( 1) et communique avec le passage interne ( 20 B) du lit supérieur (B) dont l'extrémité supérieure est fermée ( 8; 80). 10 Adsorbeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le passage interne ( 20 B) du lit supérieur (B) présente une section croissant sensiblemnt linéairement vers le bas. 11 Adsorbeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le lit inférieur (A) a une épaisseur radiale inférieure à celle du lit supérieur (B). 12 Adsorbeur selon l'une des revendications 7 à 11, pour la production d'oxygène, caractérisé en ce que le lit inférieur (A) est constitué de particules d'alumine. 13 Adsorbeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 1) comprend, à son extrémité supérieure, un orifice central ( 15) de chargement des lits d'adsorbants (A, B).