Brevet FR2700276A1 — publié le 19940713

La présente invention concerne les procédés de production d'un gaz par séparation par adsorption d'un mélange gazeux contenant ce gaz dans au moins une unité d'adsorption comprenant, en série, un premier lit d'adsorbant de rétention d'eau et un deuxième lit d'adsorbant de séparation, comprenant une étape de production du gaz dans laquelle le mélange gazeux passe successivement au travers des premier et deuxième lits. On sait que dans les procédés de ce type, dits "PSA" (Pressure Swing Adsorption), il se forme progressivement, en fonctionnement, un gradient de température dans le lit d'adsorbant de séparation, se traduisant notamment, au bout d'une dizaine d'heures de fonctionnement, par la création d'une zone particulièrement froide dans la partie amont du lit de séparation, qui affecte grandement le rendement de production en fonctionnement en cycle à vide ou sous pression, et ce d'autant plus que la pression de fonctionnement est élevée (supérieure à 5 x 105 Pa).Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé de chauffer le mélange gazeux à séparer, comme décrit dans le document US-A-3.973.931 ou de noyer dans la partie amont du lit d'adsorption une source de chaleur, comme décrit dans le document sus-mentionné ou, plus récemment, dans le document EP-A-502.627 qui décrit par ailleurs une unité d'adsorption du type défini dans le premier paragraphe. Le chauffage du mélange gazeux donne des résultats satisfaisants pour des très petites installations mais devient inopérant, et de plus prohibitif, pour des installations à capacités industrielles (supérieures à 0,5 tonne de gaz de production/jour). L'inclusion dans le lit d'adsorbant de moyens de chauffage efficaces obère considérablement les coûts de fabrication. La présente invention a pour objet de proposer un procédé permettant de façon simple, efficace, n'entraînant qu'un surcoût réduit de fabrication et de faibles coûts d'exploitation, d'éviter sensiblement la formation d'une zone froide, notamment dans des procédés de séparation pour la production d'oxygène sous une pression supérieure à 7 x 105 Pa. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le procédé comporte les étapes de ménager une portion de passage de gaz intermédiaire établissant la communication entre les premier et deuxième lits et d'apporter à cette portion de passage intermédiaire un flux de chaleur, avantageusement contrôlé et de puissance réduite, pour en remonter la température, typiquement à un niveau non inférieur à -20 C, avantageusement non inférieur à O"C. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la portion de passage intermédiaire est placée en relation d'échange thermique permanent avec une source chaude, par exemple un gaz et/ou un générateur thermique - le mélange gazeux est de l'air fourni à l'unité d'adsorption à une pression supérieure à 7 x 105 Pa, pour la production d'oxygène sous pression. La présente invention a également pour objet de proposer une unité d'adsorption pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, du type comprenant, en série dans un circuit de production du gaz à séparer, une entrée de mélange gazeux, un premier et un deuxième lits d'adsorbants et une sortie du gaz de production, caractérisé en ce qu'il comprend une portion de circuit intermédiaire reliant au moins une partie aval du premier lit à au moins une partie amont du deuxième lit et associée à des moyens d'apport d'un flux de chaleur, au moins au gaz passant, dans au moins un sens, dans la portion de circuit intermédiaire. Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention - la portion de passage intermédiaire est en relation d'échange thermique avec une source chaude, par exemple un gaz ou un générateur thermique - les premier et deuxième lits sont disposés respectivement dans des première et deuxième enveloppes superposées, par exemple annulaires, la portion de circuit intermédiaire étant, dans ce dernier cas, également annulaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une unité d'adsorption pour la production d'un gaz sous haute pression selon l'invention - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une unité d'adsorption à haute productivité et à basse pression selon l'invention ; et - la figure 3 est une variante de réalisation de l'unité d'adsorption de la figure 2. 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 une unité d'adsorption d'une installation de production d'oxygène haute pression du type PSA comprenant typiquement au moins deux telles unités d'adsorption mises en oeuvre séquentiellement, comme il est connu dans la technique. Chaque unité d'adsorption comporte, en série, en se référant à une phase de production d'oxygène, une entrée d'air sous pression 1, un premier lit d'adsorbant A contenant un matériau susceptible de retenir l'eau et le dioxyde de carbone se trouvant dans l'air, typiquement de l'alumine, un deuxième lit d'adsorbant B, susceptible de retenir l'azote de l'air en laissant passer l'oxygène, typiquement une zéolithe 5A, et une sortie d'oxygène de production 2. Conformément à l'invention, les lits d'adsorbants A et B sont physiquement séparés en étant disposés dans des enveloppes respectives distinctes 3 et 4 reliées par une portion de circuit intermédiaire 5 de diamètre inférieur à celui des enveloppes 3 et 4. La zone de formation du point froid entre les zones aval du premier lit A et amont du deuxième lit B est ainsi précisément localisée et, par échange de chaleur entre la portion de circuit intermédiaire 5 et l'atmosphère environnante, avantageusement favorisé par des ailettes 6, la température de la zone de formation du point froid est remontée de plusieurs dizaines de degrés C.Pour la production d'oxygène avec une pression d'air d'alimentation d'environ 10 x 105 Pa, avec des lits A et B adjacents dans une même enveloppe, la pureté de l'oxygène de production ne dépasse pas 85 %, en raison de la formation d'un point froid à une température inférieure à -70 C ; avec l'unité d'adsorption selon la figure 1, la température du point froid est ramenée aux alentours de 0 C, et la pureté de l'oxygène de production dépasse 90 % avec une productivité de l'ordre de 10 Nm3/heure/m3. Selon la température ambiante, la température de la zone "froide" peut être contrôlée et régulée dans une plage sélectionnée (typiquement entre 0 et 20 C) par des résistances chauffantes 7 disposées autour de la portion de circuit intermédiaire 5, l'ensemble de l'unité d'adsorption étant alors avantageusement calorifugé. On a représenté sur la figure 2 une unité de production d'oxygène à haute productivité fonctionnant en cycle dit "vide" (pression haute du cycle, entre 0,9 et 1,5 x 105 Pa, et pression basse du cycle notablement inférieure à la pression atmosphérique) et à lits d'adsorbant annulaires superposés, telle que décrite dans la demande de brevet français No 91.09718 du 31 juillet 1991, au nom de la Demanderesse. Dans ce mode de réalisation, chaque lit est confiné dans une enveloppe à parois tubulaires concentriques perforées et ils sont disposés, l'un au-dessus de l'autre, dans une virole périphérique 8 ménageant, autour des lits A et B, un passage de gaz annulaire 9A, 9B. L'air d'alimentation sous pression introduit dans la canalisation d'entrée 1 traverse le lit d'alumine inférieur A radialement vers l'extérieur jusque dans la partie de passage inférieure 9A d'où il passe dans la partie de passage supérieure 9B pour traverser radialement vers l'intérieur le lit supérieur de zéolithe B, l'oxygène rejoignant centralement la canalisation de sortie 2. Selon l'invention, dans la zone de raccordement entre les parties de passage 9A et 9B, au niveau de la séparation physique, par une cloison, entre l'extrémité supérieure du lit d'alumine A et l'extrémité inférieure du lit de zéolithe B, est disposée une résistance chauffante annulaire 10 pour éviter la formation d'un point très froid au niveau de cette zone d'interface. Avantageusement, un serpentin de chauffage 11, électrique ou à circulation de fluide chaud, est disposé autour de la zone aval du passage intermédiaire 9A pour réchauffer la virole 8, formant radiateur, et éviter également le refroidissement de la partie supérieure du lit d'alumine A. Selon une caractéristique plus particulière de l'invention, comme mentionné précédemment, la totalité des passages intermédiaires 9A et 9B et, partant, des lits A et B, est entourée d'une enveloppe annulaire de matériau isolant 12, par exemple en polystyrène expansé chargé de fibres de verre, rapportée sur la face externe de la virole 8. Le mode de réalisation de la figure 3 se distingue de celui de la figure 2 et de la demande de brevet français sus-mentionnée en ce sens que le circuit d'évacuation vers le bas de l'oxygène n'est pas ici central mais périphérique, la zone centrale 13, à l'intérieur du lit B, communiquant par le haut avec un passage annulaire 14 débouchant vers le bas dans la sortie d'oxygène 2 et s'étendant axialement entre la virole 8 portant l'isolation 12 et une virole intermédiaire 15 délimitant extérieurement les parties de passage 9A, 9B. De cette façon, la totalité des parties de passages 9A, 9B, est sensiblement maintenue à la température de l'oxygène de production en sortie du lit supérieur B qui, via la virole 15, est par ailleurs abaissée. Eventuellement des résistances additionnelles telles que 10 et 11 peuvent être conservées, comme décrit en relation avec la figure 2. En variante, seule une portion, annulaire,-du circuit de gaz de production, peut être disposée autour de la zone de jonction entre les parties de passages 9A et 9B. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, 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. Elle peut s'appliquer à la production PSA d'autres gaz que l'oxygène à partir de mélanges gazeux contenant des composants différemment adsorbables par des lits d'adsorbants. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un gaz par séparation d'un mélange gazeux contenant ce gaz dans au moins une unité d'adsorption comprenant, en série, un premier lit (A) d'adsorbant de rétention d'eau et un deuxième lit (B) d'adsorbant de séparation, comprenant une étape de production du gaz dans laquelle le mélange gazeux passe successivement au travers des premier et deuxième lits, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - ménager une portion de passage de gaz intermédiaire (5 9A, 9B) établissant la communication entre les premier (A) et deuxième (B) lits ; et - apporter à la portion de passage intermédiaire un flux de chaleur pour en remonter la température. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de placer la portion de passage intermédiaire (5 9A, 9B) en relation d'échange thermique permanent avec une source chaude (6 ; 10 ; 11 ; 14). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source chaude est un gaz. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux est l'air et le gaz de production, l'oxygène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'air est fourni à l'unité d'adsorption à une pression supérieure à 7 x 105 Pa. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température de la portion de passage de gaz intermédiaire est maintenue à une valeur non inférieure à -20 C. 7. Unité d'adsorption pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant, en série dans un circuit de production dudit gaz, une entrée de mélange gazeux (1), un premier (A) et un deuxième (B) lits d'adsorbant et une sortie (2) dudit gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une portion de circuit intermédiaire (5 ; 9A, 9B) reliant au moins une partie aval du premier lit (A) à au moins une partie amont du deuxième lit (B) et associée à des moyens (6 ; 10 ; 11 ; 14) d'apport d'un flux de chaleur au moins au gaz passant dans la portion de circuit intermédiaire. 8. Unité selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'au moins une partie de la portion de circuit intermédiaire est en relation d'échange thermique avec une source chaude (10 ; 11 ; 14). 9. Unité selon la revendication 8, caractérisée en ce que la source chaude est un gaz (figure 1 ; figure 3). 10. Unité selon la revendication 8, caractérisée en ce que la source chaude est un générateur thermique (7 ; 10 ; 11). 11. Unité selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le premier (A) et le deuxième (B) lits sont disposés respectivement dans des première (3) et deuxième (4) enveloppes superposées. 12. Unité selon la revendication 11, caractérisée en ce que les deux enveloppes sont annulaires, la portion de circuit intermédiaire (9A, 9B) étant annulaire. 13. Unité selon la revendication 12, caractérisée en ce que les premier (A) et deuxième (B) lits sont périphériquement calorifugés (12). 14. Unité selon la revendication 8 et 1 l'une des revendications 12 et 13, caractérisée en ce que la portion de circuit intermédiaire (9A, 9B) est en relation d'échange thermique avec une portion (14) de circuit d'évacuation dudit gaz de production. 15. Unité selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que le générateur thermique comprend au moins une portion radiante (10) disposée dans la portion de circuit intermédiaire (9A, 9B).