Brevet FR2689785A1 — publié le 19931015

La présente invention concerne les dispositifs rotatifs de séparation par adsorption d'au moins un constituant d'un mélange gazeux, du type comprenant un ensemble rotatif d'unités d'adsorption constituées chacune d'un secteur vertical renfermant une masse d'adsorbant s'étendant entre un collecteur vertical extérieur et un collecteur vertical intérieur sélectivement connectables, lors de la rotation de l'ensemble, à des moyens séquentiels d'alimentation et de soutirage de gaz. Un dispositif "PSA" (pour "Pressure Swing Adsorption device") de ce type est décrit dans le document EP-A-480.840 au nom de la Demanderesse. Ce document décrit un dispositif dans lequel la distribution de gaz vers et hors des unités d'adsorption s'effectue radialement, les moyens séquentiels d'alimentation et de soutirage de gaz étant confinés à l'intérieur de l'ensemble rotatif, dans un agencement volumineux, délicat à réaliser et de ce fait relativement onéreux. La présente invention a pour objet de proposer un dispositif PSA du type défini ci-dessus de conception simple et fiable, de faibles coûts de fabrication et permettant de couvrir une large gamme d'utilisations. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, les secteurs sont montés sur une première plaque annulaire plane comportant une première et une deuxième séries de passages de gaz communiquant avec les collecteurs internes intérieurs et extérieurs des secteurs respectifs et coopérant avec une deuxième plaque annulaire plane montée sur un boîtier stationnaire définissant un jeu de chambres sectorielles, la deuxième plaque ayant deux séries d'ouvertures communiquant avec des chambres correspondantes du jeu de chambres et respectivement réparties sur le trajet des première et deuxième séries de passages de gaz de la première plaque. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - chaque secteur comporte un fond monté sur la première plaque et comportant deux ouvertures radialement espacées en regard respectivement d'un passage de la première et de la deuxième séries de passages de la première plaque et communiquant respectivement avec le collecteur extérieur et le collecteur intérieur du secteur - la masse d'adsorbant de chaque secteur repose sur une base écartée verticalement du fond du secteur et reliée à ce dernier par une cloison séparant les deux ouvertures - le boîtier comprend un premier et un -second jeux de chambres concentriques communiquant sélectivement avec les collecteurs extérieur et intérieur des secteurs, respectivement - le premier jeu de chambres comporte une chambre d'alimentation, recevant le mélange gazeux sous pression, et, diamétralement opposée, au moins une chambre de dépressurisation, typiquement connectable à une pompe à vide pour les dispositifs où la pression basse du cycle est inférieure à la pression atmosphérique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'un mode 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 élévation, partiellement en coupe, d'un dispositif selon l'invention, et - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe suivant les plans de coupe II-II et III-III de la figure 1. Le dispositif qui va maintenant être décrit, en relation avec les dessins, est plus particulièrement adapté à un cycle de production comportant une étape de production avec palier à la pression haute du cycle et alimentation par le mélange gazeux suivie de deux étapes d'équilibrage avec le gaz de production de l'adsorbeur en phase de dépressurisation, suivies d'une phase de dépressurisation sous vide et d'une étape finale d'élution sous vide avec introduction à contre-courant de gaz de production avant repressurisation en trois étapes, dont une étape finale avec introduction à contre-courant du gaz de production. Le mélange gazeux à séparer est typiquement l'air et le gaz produit est typiquement de l'oxygène moyenne pureté, la pression haute de cycle n'excédant pas 1,8 x 105 Pa et la pression basse n'étant pas inférieure à 0,2 x 105 Pa. Comme on le voit sur les dessins, le dispositif selon l'invention comprend une pluralité d'unités d'adsorption constituées chacune d'un secteur prismatique vertical 1 à section trapézoidale formant un caisson délimité par une paroi externe 2, une paroi interne 3, des parois latérales radiales 4 et une plaque de fond 5 de forme trapézoidale. La plaque de fond comporte une ouverture radialement extérieure 6 et une ouverture radialement intérieure 7 entre lesquelles s'étend une cloison verticale 8 montée dans la plaque de fond 5 et sur laquelle est fixée une plaque de base horizontale 9 supportant une masse d'adsorbant 10 confinée radialement entre une grille intérieure 11 et une grille extérieure 12. En configuration assemblée, comme on le voit sur la figure 3, les différents secteurs 1 constituent une couronne circulaire obturée à sa partie supérieure par une série de plaques.trapézoidales 13 pourvues chacune d'un orifice de remplissage d'adsorbant 14. Chaque secteur 1 comporte avantageusement, à sa partie supérieure, un dispositif (mécanique ou pneumatique) 15 de compactage de la colonne d'adsorbant 10. Les plaques de base 5 des différents secteurs sont fixées sur une première plaque plane annulaire 16 coopérant, à la façon d'un tiroir rotatif, avec une seconde plaque plane annulaire 17 montée sur une plaque support circulaire 18 sur la partie inférieure de laquelle est montée une structure formant boîtier 19 définissant un certain nombre de chambres de distribution de gaz, comme on le verra plus avant. Les plaques de base 5 sont réunies centralement par une bride 20 formant un palier 21 pour un axe vertical 22 s'étendant vers le haut à partir de la plaque support 18. Les plaques d'obturation supérieures 13 sont réunies par une plaque centrale 23, l'ensemble toroidal des secteurs 1 étant rigidifié par des cerclages 24 et comportant des moyens, tels que des tourillons 25 pour sa manutention et son transport. La première plaque 16 comporte deux séries concentriques de passages 60, 70 en regard des ouvertures 6 et 7 des plaques de fond 5 des secteurs 1. Comme on le voit sur la figure 2, la deuxième plaque 17 comporte deux séries, radialement espacées, d'ouvertures communiquant avec les chambres du boîtier 19 et respectivement réparties sur le trajet des passages de gaz 60, 70 de la première plaque 16. Sur cette même figure 2, on voit que le boîtier 19 comporte un premier jeu, intérieur, et un second jeu, extérieur, de chambres concentriques, à savoir, dans l'exemple représenté, à l'extérieur, une chambre 26 s'étendant sur presque 1800 et alimentée, par une tubulure 27, en mélange gazeux comprimé à séparer, en l'occurrence de l'air fourni par un compresseur 28, une chambre neutre 29, une première chambre de dépressurisation 30 reliée, via une conduite 31, à une première pompe à vide 32 et une seconde chambre de dépressurisation 33, d'ouverture angulaire plus large, reliée, par une tubulure 34, à une seconde pompe à vide 35. La couronne extérieure du boîtier 19 est complétée par une chambre neutre 36. Le jeu de chambres intérieur comporte une chambre de production 37, contiguë à la chambre d'alimentation 26 et ayant la même extension angulaire que cette dernière, bornée par deux chambres d'équilibrage sensiblement diamétralement opposées 38A et 38B, communiquant sélectivement l'une avec l'autre via une conduite 39 comportant une vanne 40 et, contiguë aux chambres 38A et 38B, une seconde paire de chambres d'équilibrage 41A, 41B communiquant sélectivement l'une avec l'autre par une conduite 42 comportant une vanne 43. L'extension angulaire des chambres 38A et 41A (38B, 41B) correspond à celle des chambres neutres 29 et 36). Contiguë aux chambres de dépressurisation 30 et 33, et ayant la même extension angulaire que cette dernière, une chambre d'élution 44, diamétralement opposée à la chambre de production 37, communique sélectivement avec cette dernière par une conduite 45 comportant une vanne 46. Le gaz de production disponible dans la chambre 26 est fourni à l'utilisateur par une tubulure 47. Comme on le voit également sur la figure 2, les chambres actives communiquent avec l'interface entre la première plaque 16 et la deuxième plaque 17 par des ouvertures formées dans la plaque support 18 et dans la deuxième plaque 17. Cette dernière comporte ainsi une ouverture allongée en arc de cercle 48 couvrant une partie de l'extension angulaire de la chambre d'alimentation 26, une ouverture 49 à l'aplomb de la première chambre de dépressurisation 30, une ouverture allongée 50 à l'aplomb de la deuxième chambre de dépressurisation 33 et couvrant une partie de l'extension angulaire de cette dernière, et à l'intérieur, une ouverture allongée 51 à l'aplomb de la chambre de production 37, couvrant la majeure partie de l'extension angulaire de cette dernière et une ouverture allongée 52 à l'aplomb de la chambre d'élution 44, couvrant sensiblement le même secteur angulaire que l'ouverture 50 de la chambre 33. Comme on le voit sur la figure 1, l'agencement de chaque secteur 1 définit, dans ce dernier, un collecteur vertical extérieur 53 en communication permanente avec l'ouverture 6 et le passage de gaz 60 et un collecteur vertical intérieur 54 communiquant en permanence avec l'ouverture 7 et le passage 70, toute circulation de gaz entre les passages 60 et 70 ne pouvant s'effectuer qu'en traversant la masse d'adsorbant 10 en raison de la plaque de fond 9 et de la cloison 8. Ainsi, comme représenté sur la partie gauche de la figure 1, en phase de production, l'air entrant dans la chambre de production 26 passe par l'ouverture 48 et le passage 6 dans le collecteur extérieur 53, traverse radialement la masse d'adsorbant 10, d'où ressort, dans le collecteur intérieur 54, l'oxygène, qui est transmis, par l'orifice 70 et le passage 51, dans la chambre de production 37 pour .évacuation vers la tubulure 47 et/ou, via la conduite 45, vers la chambre d'élution 44. Lors de la rotation de l'ensemble de secteurs, ces derniers passent successivement à l'aplomb des différentes chambres sus-mentionnées pour réaliser le cycle de production décrit plus haut. Lors d'un tel cycle, une partie de l'équipage tournant, située à l'aplomb de la chambre d'alimentation 26, se trouve sous pression, laquelle pression tend à écarter la première plaque 16 de la deuxième plaque 17. Pour limiter cette tendance à l'écartement, on dispose, sous les plaques de fond 5, une cornière circulaire 55 dont l'aile inférieure forme chemin de roulement inférieur pour au moins un galet 56 sollicité élastiquement vers le bas par un ressort 57. A l'opposé, dans un cycle PSA à vide, une partie de l'équipage tournant, située à l'aplomb des chambres de dépressurisation 30, 33, est placée sous vide, ce qui a tendance à plaquer fortement la première plaque 16 sur la deuxième plaque 17. Pour soulager cet appui, l'aile inférieure de la cornière 55 forme chemin de roulement supérieur pour au moins un galet 58 sollicité élastiquement vers le haut par un ressort 59. Les deux plaques 16 et 17 sont avantageusement réalisées en matériaux résistant à l'usure et ayant un bon coefficient de frottement l'un vis-à-vis de l'autre. Les deux faces en regard sont parfaitement dressées et coulissent l'une sur l'autre sans jeu. En variante, on prévoira un jeu très faible entre les deux plaques, évitant le frottement entre ces dernières, la plaque supérieure 16 étant par exemple solidaire d'une collerette périphérique reposant sur un chemin de roulement (non représenté) porté par la plaque support 18. Selon un aspect de l'invention, l'entraînement en rotation de l'ensemble des secteurs 1 est réalisé en munissant la périphérie des plaques de fond 5 d'une crémaillère 60 coopérant avec un pignon 61 entraîné par un moteur 62 porté par le boîtier support 19. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, elle ne s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Dispositif rotatif de séparation par adsorption d'au moins un constituant d'un mélange gazeux, comprenant un ensemble rotatif d'unités d'adsorption constituées chacune d'un secteur vertical (1) renfermant une masse d'adsorbant (10) s'étendant entre un collecteur vertical extérieur (53) et un collecteur vertical intérieur (54) sélectivement connectables, lors de la rotation de l'ensemble, à des moyens séquentiels d'alimentation et de soutirage de gaz, caractérisé en ce que les secteurs (1) sont montés sur une première plaque annulaire plane (16) comportant une première (60) et une deuxième (70) séries de passages de gaz communiquant avec les collecteurs extérieur (53) et intérieur (54) des secteurs respectifs et coopérant avec une deuxième plaque annulaire plane (17) montée sur un boîtier stationnaire (19) définissant un jeu de chambres sectorielles (26 30 ; 33 37 ; 38A ; 41A ; 44 41B ; 38B), la deuxième plaque ayant deux séries d'ouvertures (48, 49, 50 ; 51, 52) communiquant avec des chambres correspondantes du jeu de chambres et respectivement réparties sur le trajet des première (60) et seconde (70) séries de passages de gaz de la première plaque de manière à réaliser un cycle d'adsorption/désorption par variation de pression dans les masses d'adsorbant (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque secteur (1) comporte un fond (5) monté sur la première plaque (16) et comportant deux ouvertures radialement espacées (6, 7) en regard respectivement d'un passage de la première (60) et de la deuxième (70) séries de passages de la première plaque (16) et communiquant respectivement avec le collecteur extérieur (53) et le collecteur intérieur (54) dudit secteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse d'adsorbant (10) de chaque secteur (1) repose sur une base (9) écartée verticalement du fond (5) du secteur et reliée à ce dernier par une cloison (8) séparant les deux ouvertures (6, 7). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (19) comprend un premier (26, 30, 33) et un second (37, 38A, 41A, 44, 41B, 38B) jeux de chambres concentriques communiquant sélectivement avec les collecteurs extérieur (53) et intérieur (54) des secteurs (1), respectivement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier jeu de chambres comporte une chambre d'alimentation (26), recevant le mélange gazeux sous pression, et diamétralement opposée, au moins une chambre de dépressurisation (30 ; 33). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième jeu de chambres comporte une chambre de production (37) contiguë à la chambre d'alimentation (26) et au moins deux chambres d'équilibrage diamétralement opposées (38A, 38B ; 41A, 41B) sélectivement connectables entre elles (39 ; 42). 7. Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (56, 57) pour plaquer la première plaque (16) sur la deuxième plaque (17) au moins au droit de la chambre d'alimentation (26). 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la chambre de dépressurisation (30 ; 33) est destinée à être reliée à une pompe à vide (32 ; 35) et en ce qu'il comporte des moyens (58, 59) pour limiter l'appui de la première plaque (16) sur la deuxième plaque (17) au droit de la chambre de dépressurisation (30 ; 33). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fonds (5) des secteurs (1) sont reliés centralement par une structure annulaire (20) formant palier (21) pour un axe (22) porté par le boîtier (19). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour maintenir la première plaque (16) écarté de la seconde plaque (17) sans frottement entre elles.