Brevet FR2746668A1 — publié le 19971003

La présente invention est relative à un procédé de traitement d'un mélange de gaz par adsorption à variation de pression, du type dans lequel on effectue, dans le ou dans chaque adsorbeur, un cycle comprenant une phase de production et une phase de régénération, cette dernière comportant une phase de décompression et une phase de recompression, la phase de décompression comportant une étape de décompression à co-courant et la phase de recompression comportant une étape de recompres- sion à contre-courant, du gaz issu de l'étape de décom- pression à co-courant étant introduit à contre-courant au cours de la phase de régénération. L'invention s'applique en particulier à la production d'oxygène par traitement d'air atmosphérique. Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues. La plupart des cycles d'adsorption à varia- tion de pression destinés à séparer deux ou plusieurs gaz présentent, dans l'enchaînement de leurs étapes, une étape au moins de décompression ou dépressurisation à co- courant à laquelle correspond au moins une étape de recompression à contre-courant qui utilise du gaz issu de l'étape de décompression à co-courant. L'objet de ces étapes est d'améliorer les performances globales du cycle en récupérant en partie la fraction du (ou des) gaz le(s) moins adsorbable(s) qui, en fin d'étape de production, se trouve(nt) dans la zone frontale et dans les volumes libres de l'adsorbeur, et en utilisant ce fluide pour recomprimer partiellement au moins un adsorbeur auparavant régénéré. En l'absence de ce couple d'étapes, le gaz le moins adsorbable serait évacué au cours de l'étape de décompression ou purge à contre-courant qui suit l'étape de décompression à co-courant, en même temps que la fraction de(s) gaz la plus adsorbée. Ce gaz participerait alors à la régénération de l'adsorbeur en baissant la pression partielle des composés les plus facilement adsorbés, mais généralement de façon bien moins efficace que suivant le processus décrit auparavant. Il est également connu d'utiliser le gaz issu de la décompression à cocourant pour effectuer une élution à la basse pression du cycle, et d'utiliser du gaz de production pour effectuer la recompression à contre-courant. Il est à noter que, dans de nombreux cycles connus, les deux étapes précitées s'accompagnent d'opérations complémentaires. Par exemple, la décompres- sion à co-courant s'accompagne d'une décompression simultanée à contre-courant par pompage, et/ou la recompression à co-courant s'accompagne d'une recompres- sion à co-courant avec du mélange à traiter. La présente invention doit être comprise comme incluant de tels cas. Dans les cycles connus, qu'il s'agisse d'adsorbeurs que l'on relie directement entre eux (EP-A- 354 259 ou EP-A-654 439) ou d'un ou plusieurs adsor- beurs(s) associé(s) à une capacité-tampon dans laquelle le gaz issu de la décompression à co-courant est tempo- rairement stockée (US-A-5 370 728), la durée des deux étapes couplées est identique ou pratiquement identique. Or, de façon surprenante, la Demanderesse a constaté qu'un procédé du type précité dans lequel, suivant l'invention, la durée de l'étape de recompression à contre-courant est nettement inférieure à celle de l'étape de décompression à co-courant, permettait d'améliorer sensiblement les performances du cycle. Un tel procédé peut comporter une ou plu- sieurs des caractéristiques suivantes: - la durée de l'étape de recompression à contre-courant est inférieure à 0,8 fois celle de l'étape de décompression à co-courant; - la recompression à contre-courant est effectuée au moyen de gaz issu de l'étape de décompres- sion à co-courant; - l'étape de recompression à contre-courant est effectuée au moyen de gaz de production; - du gaz issu de l'étape de décompression à co-courant est introduit à contre-courant au cours d'une étape de purge/élution de la phase de régénération; - le gaz issu de l'étape de décompression à co-courant est stocké temporairement dans une capacité- tampon; - le procédé utilise un adsorbeur unique; - ledit mélange est de l'air atmosphérique et ledit traitement est une production d'oxygène. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: - la Figure 1 représente schématiquement une installation de mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention, à un adsorbeur unique; et - la Figure 2 est un diagramme qui illustre un cycle mis en oeuvre dans l'installation de la Figure 1. L'installation de la Figure 1 est destinée à produire de l'oxygène, ayant une pureté de l'ordre de 90%, à partir d'air atmosphérique. Elle comprend essen- tiellement un adsorbeur unique 1, un appareil réversible 2 formant compresseur et pompe à vide, un filtre-silen- cieux 3, un réfrigérant 4, une capacité de production 5 et une capacité-tampon 6. L'appareil 2 est relié d'une part, via une conduite 7, à l'atmosphère à travers le filtre-silencieux 3, et d'autre part, via une conduite 8 qui traverse le réfrigérant 4, à l'entrée de l'adsorbeur 1, qui est l'extrémité inférieure de celui-ci. La sortie (extrémité supérieure) de l'adsorbeur est reliée d'une part à la capacité 5 via une conduite 9 équipée d'une vanne de régulation 10, d'autre part à la capacité-tampon 6 via une conduite 11 équipée d'une vanne de régulation 12. On a indiqué en 13 la conduite de production de l'installation, qui part de la capacité 5. L'installation comporte par ailleurs des moyens, connus en soi et non représentés, de commande, de régulation et d'alimentation électrique et en fluide réfrigérant, adaptés pour effectuer le cycle illustré sur la Figure 2. Sur la Figure 2, o les temps t sont portés en abscisses et les pressions absolues P en ordonnées, les traits orientés par des flèches indiquent les mouvements et destinations des courants gazeux et, en outre, le sens de circulation dans l'adsorbeur: lors- qu'une flèche est dans le sens des ordonnées croissantes (vers le haut du diagramme), le courant est dit à co- courant, dans l'adsorbeur. Si la flèche dirigée vers le haut est située au-dessous du trait indiquant la pression dans l'adsorbeur, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur; si la flèche, dirigée vers le haut, est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant respectivement celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production isobare; lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme), le courant est dit à contre- courant, dans l'adsorbeur. Si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessous du trait indiquant la pression de l'adsorbeur, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur; si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant toujours celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production isobare. Le cycle de la Figure 2, dont la période T est, à titre d'exemple, 86,5 s, comprend les étapes successives suivantes: (1) De t = 0 à tl = 20 s, recompression finale à co-courant au moyen du gaz à traiter, d'une première pression intermédiaire PI1 jusqu'à la pression haute PM du cycle, qui est par exemple 1,5 bar. (2) De tl à t2 = 30 s, production sensible- ment isobare à la pression PM. La production est envoyée à la capacité 5, d'o un débit d'oxygène plus faible est soutiré en permanence via la conduite 13. (3) De t2 à t3 = 40,5 s, soit pendant une durée TD = 10,5 s, décompression à co-courant jusqu'à une seconde pression intermédiaire PI2. Le gaz issu de l'adsorbeur pendant cette étape est envoyé à la capacité- tampon 6. (4) De t3 à t4 = 83 s, décompression à contre-courant par pompage jusqu'à la pression basse Pm du cycle, qui est par exemple 0, 45 bar, puis purge/élution sensiblement isobare à la pression Pm par poursuite du pompage et, simultanément, introduction de gaz de production à contre-courant en provenance de la capacité 5. (5) De t4 à T, soit pendant une durée TR = 3,5 s, première recompression à contre-courant jusqu'à la première pression intermédiaire PI1, au moyen de gaz provenant de la capacité-tampon 6. (6) Comme on le voit, la durée TD de l'étape (3) de décompression à co-courant est nettement supé- rieure à la durée TR de l'étape (5) de première recom- pression à contre-courant au moyen de gaz issu de l'étape (3). De façon surprenante, il a été constaté que les performances d'un tel cycle sont sensiblement améliorées par rapport à celles d'un cycle analogue dans lequel chaque étape (3) et (5) aurait la même durée (10,5 + 3,5)/2 = 7 s. Ceci apparaît clairement dans le tableau ci-dessous, qui correspond à une installation telle que celle de la Figure 1, avec PM = 1,5 bar et Pm = 0,45 bar. i 2 3 4 Cycle N (art (invention) (invention) (contre- antérieur) exemple) Durée du cycle 86,5 86,5 83 83 T(s) Durée décompression co- courant 7 10,5 7 3,5 TD(s) Durée recompres- sion contre-cou- 7 3,5 3,5 7 rant TR (s) Productivité 35,8 37,1 37,3 35,6 (Nm'O2/m3xh) Rendement (%) 57,3 59,5 57,2 54,9 Productivité intrinsèque 0,86 0,89 0,86 0,82 (Nm302/m3 x cycle) Energie spécifique 0,30 0,29 0, 30 0,31 (kWn/Nm30.) De façon habituelle, la productivité est la production horaire de l'installation pour 1 m3 d'adsorbant; la productivité intrinsèque est la produc- tion par cycle pour 1 m3 d'adsorbant; l'énergie spéci- fique est l'énergie nécessaire pour produire 1 Nm3 d'oxygène; et le rendement est le rapport de la quantité d'oxygène produite à la quantité d'oxygène contenue dans l'air traité. Dans le tableau ci-dessus: - Le cycle n 1 est un cycle classique, dans lequel les durées TD et TR sont égales. - Le cycle n0 2 correspond au cycle suivant l'invention de la Figure 2, avec TD = 10,5 s et TR = 3,5 s. On constate une amélioration de tous les paramètres. En particulier, la productivité est augmentée, tandis que l'énergie spécifique est réduite. Le rendement est lui aussi augmenté, bien qu'il ne s'agisse pas, en soi, d'un paramètre important dans le cas du traitement d'air atmosphérique, qui est gratuit. - Le cycle n 3 est également un cycle suivant l'invention, qui diffère toutefois du précédent par le fait que la durée TD est la même (7 s) que dans le cycle classique n 1. On constate que, par rapport à ce dernier, l'énergie spécifique est augmentée, mais que la productivité intrinsèque reste inchangée; par conséquent, puisque le cycle est plus court, la productivité est accrue. Un tel cycle peut donc être intéressant dans des régions o l'énergie est bon marché. Dans le cycle n0 4, à titre de contre- exemple, contrairement aux enseignements de l'invention, c'est la durée TD qui est réduite. On constate une dégradation de tous les paramètres (productivité, rendement, énergie spécifique, productivité intrinsèque). En particulier, la chute de la productivité intrinsèque est supérieure au gain que l'on pourrait attendre de la réduction de la durée du cycle, de sorte que la producti- vité est réduite. L'invention s'applique également à un cycle qui diffère de celui de la Figure 2 par le fait que le gaz de la capacité 6 est introduit à contre-courant au cours de l'étape de purge/élution, tandis que, au cours de l'étape (5) de recompression à contre-courant, on introduit dans l'adsorbeur du gaz de production provenant de la capacité 5. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement d'un mélange de gaz par adsorption à variation de pression, dans lequel on effectue, dans le ou dans chaque adsorbeur (1), un cycle comprenant une phase de production et une phase de régénération, cette dernière comportant une phase de décompression et une phase de recompression, la phase de décompression comportant une étape de décompression à co- courant et la phase de recompression comportant une étape de recompression à contre-courant, du gaz issu de l'étape de décompression à co-courant étant introduit à contre- courant au cours de la phase de régénération, caractérisé en ce que la durée (TR) de l'étape de recompression à contre-courant est nettement inférieure à celle (TD) de l'étape de décompression à co-courant. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la durée (TR) de l'étape de recompression à contre-courant est inférieure à 0,8 fois celle (TD) de l'étape de décompression à co-courant. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la recompression à contre-courant est effectuée au moyen de gaz issu de l'étape de décom- pression à co-courant. 4 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de recompression à contre- courant est effectuée au moyen de gaz de production. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que du gaz issu de l'étape de décompression à co-courant est introduit à contre- courant au cours d'une étape de purge/élution de la phase de régénération. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz issu de l'étape de décompression à co-courant est stocké temporairement dans une capacité-tampon (6). 7 - Procédé suivant la revendication 6, utilisant un adsorbeur unique (1). 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit mélange est de l'air atmosphérique et ledit traitement est une production d'oxygène.