Brevet FR2737975A1 — publié le 19970228

La présente invention concerne les appareils de séparation de gaz par adsorption, plus particulièrement du type PSA ou VSA (Pressure/ Vacuum Swing Adsorption), du type comprenant, dans une enveloppe, au moins un secteur vertical d'au moins un adsorbant, et des moyens de circulation de gaz pour amener, faire transiter sensiblement horizontalement à travers l'adsorbant et évacuer un flux gazeux dans et hors de l'enveloppe. Ce type d'appareils de séparation, traitant des forts débits de gaz avec des séquences de cycles rapides, posent des problèmes de circulation et de distribution des gaz, encore accrus dans les appareils avec un transit horizontal de flux gazeux au travers de l'adsorbant, comme c'est le cas ici. La présente invention a pour objet de proposer de nouveaux agencements d'appareils de séparation de gaz par adsorption permettant d'obtenir une distribution gazeuse améliorée dans un agencement global compact et de faibles coûts de fabrication, avec une consommation énergétique minimale. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, les moyens de circulation de gaz comprennent, sur au moins un côté vertical de l'adsorbant, un volume de distribution de gaz comprenant un premier sous- volume adjacent à l'adsorbant et un deuxième sous-volume séparé du premier sous-volume par au moins une paroi munie de passages de gaz ayant des sections et/ou une répartition sélectionnées pour minimiser les variations de débits locaux suivant la verticale dudit côté de l'adsorbant tout en créant un minimum de pertes de charges. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les premier et second sous-volumes ont sensiblement la même extension axiale; - le rapport du volume du premier sous-volume au volume au second sous- volume est inférieur à 4 et typiquement supérieur à 0,25; - le rapport de la surface totale des passages à la surface d'entrée/sortie du deuxième sous-volume est inférieur à 5, typiquement supérieur à 0,5; - les moyens de circulation comprennent des tronçons d'amenée et d'évacuation verticaux; I'adsorbant est annulaire; 2 2737975 -les tronçons d'amenée et d'évacuation se raccordent, d'un même côté axial de l'enveloppe, à des circuits de gaz. 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 en coupe verticale d'un appareil selon l'invention; et - la figure 2 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation particulier d'un appareil selon l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, dans une enveloppe à géométrie de révolution, généralement désignée par la référence 1, est disposé, sur un fond annulaire 2, un volume annulaire d'adsorbant 3 délimité intérieurement et extérieurement par des grilles concentriques. Le volume intérieur à l'adsorbant 3 est divisé, par une surface perforée 4, ici de géométrique conique formée avec un motif de perforations 40 angulairement et axialement réparties, en un premier sous- volume 5 adjacent à l'adsorbeur et un deuxième sous-volume 6 communiquant avec une tubulure centrale 7 destinée à introduire un mélange gazeux à séparer dans l'adsorbant 3. Dans le mode de réalisation de la figure 1, I'espace annulaire entre la virole périphérique de l'enveloppe 1 et la périphérie de l'adsorbant 3 est, de façon similaire, divisé par une surface perforée 8, ici également de forme conique en un premier sous- volume 9 adjacent à l'adsorbant et un deuxième sous-volume 10 communiquant, via un passage annulaire, entre la périphérie du fond 2 et la virole périphérique de l'enveloppe, avec une chambre inférieure formée dans cette dernière et communiquant avec une tubulure 11 d'échappement du gaz non retenu par l'adsorbant 3 et donc séparé du mélange gazeux introduit par la tubulure 7. Selon un aspect de l'invention, le rapport du volume 5 au volume 6 (ou du volume 9 au volume 10) est inférieur à 4, de préférence compris entre 0,4 et 1,5. Selon un autre aspect de l'invention, le rapport de la surface totale des perforations 40 à la section de la tubulure d'entrée 7 est inférieur 3 2737975 à 5, de préférence compris entre 1 et 2,5 (il en est de même pour le rapport des sections des perforations 40 de la paroi 8 à la section d'entrée annulaire du volume 10). Avec cet agencement, les perforations assurent avec une très faible perte de charge, donc sans perte énergétique, une distribution primaire de telle sorte que les écarts de débits locaux alimentant le sous- volume seront typiquement inférieurs à 30 %. Ces variations peuvent être réduites à 15 %, voire moins, en réalisant des perforations variables et/ou en optimisant la géométrie de la surface perforée et/ou en augmentant la perte de charge à travers au moins une partie de ces perforations au prix d'un léger surcoût énergétique. Le sous-volume aval (5 ou 9 selon les sens de circulations des gaz) assure alors le rééquilibrage final des débits locaux grâce à la perte de charge aval dans le lit d'adsorbant, ainsi que la diffusion des jets issus des perforations pour éviter des variations de pression locales dues à l'énergie cinétique des jets au niveau de la grille de contention d'adsorbant. Avec un tel agencement, le débit longitudinal, qui assure le rééquilibrage quasi-parfait des pressions dans le sens axial du système, est faible par rapport au débit d'alimentation, ce qui permet d'utiliser des couronnes de dimensions réduites et donc de réaliser un appareil de configuration compact. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on retrouve le distributeur central qui vient d'être décrit, constitué ici d'un tube droit perforé 4 prolongeant la tubulure d'amenée axiale 7. L'appareil représenté est, ici, dépourvu de distributeur extérieur, seule une mince chambre annulaire 12 étant ménagée entre la virole périphérique de l'enceinte 1 et la périphérie de l'adsorbant annulaire 3. Dans ce mode de réalisation, l'enveloppe 1 comprend des fonds bombés supérieur et inférieur, ce dernier délimitant, avec le fond 2, une chambre inférieure annulaire coaxiale aux tubes 7 et 4 comportant une cloison annulaire 13 pourvue d'ouvertures angulairement réparties pour homogénéiser l'écoulement de et vers la tubulure 11. Le dôme supérieur comprend une cheminée centrale permettant le chargement de l'adsorbant, ce dernier étant plaqué axialement par une membrane étanche 14 fixée entre la virole de l'enveloppe et un flasque central 15 d'obturation du tube 4 et plaquée sous pression, par exemple par 4 2737975 un gaz sous pression introduit dans le dôme supérieur, pour éviter tout risque de bi-passe de la masse d'adsorbant 3 entre les chambres 5 et 12. Dans le mode de réalisation représenté, pour assurer une meilleure diffusion des jets issus des perforations 40 du tube central 4 avant qu'il n'atteigne la masse d'adsorbant 3, on prévoira, entre cette dernière et le sous-volume 5, une couronne 16 d'éléments de garnissages métalliques, de billes céramique ou avantageusement, lorsque le mélange gazeux à séparer contient de la vapeur d'eau, des billes d'alumine qui participeront à la rétention de la vapeur d'eau. A titre de comparaison, un appareil selon le mode de réalisation de la figure 2, avec une hauteur d'adsorbant H de 5 m, un diamètre externe d'adsorbant de 1,54 m, un diamètre interne d'adsorbant de 40 cm, un tube perforé 4 de 30 cm de diamètre ayant un taux de perforations de 2,4 % soit une surface totale de perforations d'environ 1,6 fois la section du tube 4, on obtient, avec un rapport premier sous-volume (5)/deuxième sous-volume (6) de 0,78, la même qualité de distribution et les mêmes performances qu'avec un adsorbant annulaire de diamètre externe 1,74 et un simple passage d'amenée central de diamètre 90 cm, pour un même volume global d'adsorbant d'environ 8,65 m3. On notera la compacité et la réduction des volumes morts autorisées par l'agencement selon l'invention par opposition aux solutions, inacceptables pour des questions de dimensionnements et de coûts, qui viseraient à installer des volumes de distribution de grandes sections pour rendre négligeables les variations de pression dues aux pertes de charge par friction et aux variations de l'énergie cinétique des gaz ou créant des pertes de charge importantes, du type distributeur à matériaux poreux. 2737975 REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation de gaz par adsorption comprenant, dans une enveloppe (1), au moins un secteur vertical d'au moins un adsorbant (3), et des moyens de circulation de gaz pour amener, faire transiter horizontalement à travers l'adsorbant, et évacuer un flux gazeux, caractérisé en ce que les moyens de circulation comprennent, sur au moins un côté vertical de l'adsorbant (3), un volume de distribution de gaz comprenant un premier sous-volume (5; 9) adjacent à l'adsorbant et un deuxième sous-volume (6;10) séparé du premier sous-volume par une paroi (4; 8) munie de passages (40) ayant des sections et/ou une répartition sélectionnées pour réduire les variations de débits locaux suivant la verticale dudit côté de l'adsorbant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers (5 9) et seconds (6; 10) sous-volumes ont sensiblement la même extension axiale. 3. Appareil selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport du volume du premier sous-volume au volume du second sous-volume n'excède pas 4. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la section globale des passages (40) à la section d'entrée/sortie du deuxième sous-volume (6; 10) n'excède pas 5. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de circulation comprennent des tronçons d'amenée et d'évacuation verticaux. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'adsorbant (3) est annulaire. 7. Appareil selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que les tronçons d'amenée et d'évacuation se raccordent, d'un même côté axial de l'enveloppe, à des circuits de gaz (7; 11). 8. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la paroi munie de passages est constituée d'un tube (4) disposé coaxialement dans l'adsorbant (3) et muni de perforations (40) angulairement et axialement distribuées. 6 2737975 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une couche annulaire (16) de matériaux divisés disposés radialement à l'intérieur de l'adsorbant (3). 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les matériaux divisés (16) comprennent des billes d'alumine. 11. Appareil selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'enveloppe comprend une virole latérale et un fond et inclut une cloison transversale (2) supportant l'adsorbant (3) et définissant, avec le fond, une chambre inférieure communiquant avec un espace annulaire (12) entre la virole et la périphérie de l'adsorbant (3). 12. Appareil selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une membrane (14) pressée sur la partie supérieure de l'adsorbant (3). 13. Application d'un appareil selon l'une des revendications précédentes à la séparation de gaz de l'air.