Brevet FR2756752A1 — publié le 19980612

La présente invention est relative à un procédé de traitement d'un mélange gazeux par adsorption à variation de pression du type comprenant, pour le ou pour chaque adsorbeur, une succession cyclique d'étapes qui définissent, de façon successive et cyclique, une phase d'adsorption, une phase de régénération de l'adsorbant comprenant une étape de dépressurisation, et une phase de remontée en pression. L'invention s'applique en particulier à la production d'oxygène à partir d'air atmosphérique par un procédé d'adsorption à variation de pression avec mise sous vide. Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues, et les débits sont des débits molaires. L'invention a pour but de réduire la dépense d'énergie spécifique, ainsi que le coût unitaire de production, par une meilleure prise en compte des phénomènes de mise en mouvement des lits d'adsorbant et des phénomènes cinétiques. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on effectue au moins une commutation de vanne suivant une rampe progressive programmée. Le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - ladite commutation suivant une rampe progressive programmée est une ouverture de vanne; - la rampe d'ouverture programmée est choisie de manière que la quantité de gaz qui traverse la vanne pendant la première moitié de l'étape qu'elle commande soit au plus égale à 60% de celle qui traverse la vanne pendant la totalité de cette étape, ladite rampe étant de préférence progressive, notamment linéaire, sur toute la durée de l'étape; - ladite vanne est située du côté de la sortie de l'adsorbeur en phase d'adsorption; - on effectue ladite commutation de vanne suivant une rampe progressive programmée pour commander la mise de l'adsorbeur en communication avec un espace qui se trouve à une pression nettement différente; - on effectue ladite commutation de vanne suivant une rampe progressive programmée pour commander une étape de première décompression à co-courant de l'adsorbeur notamment par équilibrage de pressions, au moins partiel, avec un autre adsorbeur en phase de remontée en pression ou avec une capacité auxiliaire, et/ou pour commander une étape d'élution à contre-courant au voisinage de la basse pression du cycle au moyen de gaz de production. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant au moins un adsorbeur et des moyens pour effectuer dans cet adsorbeur une succession cyclique d'étapes qui définissent, de façon successive et cyclique, une phase d'adsorption, une phase de régénération de l'adsorbant comprenant une étape de dépressurisation, et une phase de remontée en pression, lesdits moyens comprenant au moins une vanne et des moyens de commutation de cette vanne entre des positions d'ouverture et de fermeture, est caractérisée en ce que les moyens de commutation comprennent des moyens de programmation d'une rampe progressive d'ouverture et/ou de fermeture. L'installation ainsi définie peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - lesdits moyens de programmation sont associés à une vanne située du côté de la sortie de l'adsorbeur en phase d'adsorption; - lesdits moyens de programmation sont associés à une vanne de commande de la mise d'un adsorbeur en communication avec un espace qui se trouve à une pression nettement différente; - lesdits moyens de programmation sont associés à une vanne de commande d'une étape de première décompression à co-courant de l'adsorbeur, notamment par équilibrage de pressions, au moins partiel, avec un autre adsorbeur en phase de remontée en pression ou avec une capacité auxiliaire, et/ou de commande d'une étape d'élution à contre-courant au voisinage de la basse pression du cycle au moyen de gaz de production. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel - la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène conforme à l'invention; - la Figure 2 est un diagramme qui illustre le cycle mis en oeuvre sur cette installation; et - la Figure 3 est un diagramme qui illustre d'une part deux modes différents d'ouverture de la vanne d'équilibrage, et d'autre par les variations correspondantes du débit qui la traverse en phase d'équilibrage. L'installation représentée à la Figure 1 est destinée à produire de l'air enrichi en oxygène, ou oxygène impur (appelé "oxygène" dans un but de simplici té), à une teneur de préférence comprise entre 90 et 95 environ, à partir d'air atmosphérique. L'installation comprend essentiellement deux adsorbeurs 1A et 1B, un compresseur 2, une pompe à vide 3 et un ensemble de conduites et de vannes, ainsi que des moyens de commande et de régulation non représentés, adaptés pour mettre en oeuvre le cycle illustré sur la Figure 2. On a schématisé sur la Figure 1 - une conduite 4 d'alimentation en air atmosphérique qui part du refoulement du compresseur 2 et qui se divise en deux branches 4A, 4B munies de vannes d'alimentation respectives 5A, 5B et reliées respectivement à l'entrée inférieure 6A, 6B des adsorbeurs; - une conduite 7 de purge/élution qui se divise en deux branches 7A, 7B munies de vannes de purge/élution 8A, 8B et partant respectivement des entrées 6A, 6B des adsorbeurs; - une conduite 9 de production qui se divise en deux branches 9A, 9B munies de vannes de production 10A, 10B et partant respectivement des sorties supérieures llA, llB des adsorbeurs; et - une conduite 12 d'équilibrage/élution qui relie directement entre elles les sorties llA et llB et qui est munie d'une vanne d'équilibrage/élution 13. L'aspiration du compresseur 2 et le refoulement de la pompe à vide 3 sont en communication avec l'atmosphère environnante. Les adsorbeurs 1A à 1B contiennent chacun au moins un lit d'un adsorbant adapté pour adsorber sélectivement l'azote de l'air, qui est dans cet exemple un tamis moléculaire de type CaA. Au moyen de l'installation ainsi décrite, on met en oeuvre le cycle d'adsorption à variation de pression avec mise sous vide (Vacuum Swing Adsorption ou VSA) illustré sur la Figure 2. Sur cette Figure 2, où 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. Lorsque les flèches sont parallèles à l'axe des ordonnées, elles indiquent, en outre, le sens de circulation dans un adsorbeur : lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées croissantes (vers le haut du diagramme), le sens du courant dans l'adsorbeur est à co-courant. 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'absorbeur; 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 par l'adsorbeur considéré et du gaz soutiré de ce même adsorbeur en phase d'adsorption. Lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme), le sens du courant dans l'adsorbeur est à contre-courant. 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 audessus 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 d' adsorption. Dans l'exemple considéré, la pression haute PM du cycle est légèrement supérieure à la pression atmosphérique et choisie égale à 1,3 bar environ, tandis que la pression basse Pm du cycle est nettement inférieure à la pression atmosphérique et est choisie égale à 0,4 bar environ. Le cycle sera décrit ci-dessous pour un adsorbeur, à savoir l'adsorbeur 1A. L'autre adsorbeur 1B suit un cycle identique mais décalé dans le temps d'une demi-période T/2. Le cycle est constitué des étapes successives suivantes (a) Phase d'adsorstion (à Peu Drès isobare): (al) De t = 0 à tl, une première étape d'adsorption à co-courant, dans laquelle l'air à traiter est introduit via la conduite 4 à l'entrée de l'adsorbeur au voisinage de la pression PM et circule à co-courant à travers celui-ci. L'oxygène de production est soutiré à la sortie de l'adsorbeur et envoyé dans la conduite de production 9. (a2) De tl à t2, une seconde étape d'adsorption à co-courant, qui ne diffère de la précédente que par le fait qu'une fraction de l'oxygène produit est prélevée à la sortie de l'adsorbeur et est envoyée à contre-courant dans l'autre adsorbeur en phase de purge/élution (b3) décrite plus loin. (b) Phase de réaénération de l'adsorbant (bl) De t2 à t3, une étape de première décompression à co-courant par équilibrage de pressions avec l'autre adsorbeur en phase de première recompression à contre-courant (cl) décrite plus loin. Au cours de cette étape, la pression de l'adsorbeur tombe de PM à une valeur intermédiaire PE. (b2) De t3 à t4, une étape de purge à contrecourant avec mise sous vide. Au cours de cette étape, l'entrée de l'adsorbeur est reliée à la pompe à vide, qui amène la pression à la pression basse du cycle Pm. (b3) De t4 à t5, une phase de purge/élution au voisinage de la pression basse PM. Au cours de cette étape, l'entrée de l'adsorbeur est encore reliée à la pompe à vide, et, simultanément, sa sortie est reliée à celle de l'autre adsorbeur, qui se trouve en seconde étape d'adsorption (a2). (c) Phase de recomnression (cl) De t5 à t6, une étape de première recompression à contre-courant par équilibrage de pressions avec l'autre adsorbeur en cours d'étape (bl) de première décompression à co-courant. A l'instant t6, la pression est remontée à la valeur intermédiaire PE. (c2) De t6 à T, une étape de recompression finale à co-courant au moyen d'air provenant du compresseur. A l'instant T, la pression est revenue au voisinage de la valeur PM, et le cycle recommence. A titre d'exemple numérique, les durées des étapes décrites ci-dessus sont successivement 4 s, 10s, 7s, 20s, 10s, 7s et 16 s. La vanne d'équilibrage/élution 13 est une vanne à ouverture programmée suivant une rampe prédéterminée. Ainsi (Figure 3), la commande du début de l'étape d'équilibrage (bl), à partir de l'instant t2, s'effectue non pas en ouvrant quasi-instantanément la vanne 13 à son ouverture nominale, mais en suivant une rampe d'ouverture progressive qui s'étend sur une fraction substantielle de l'intervalle de temps t2, t3 correspondant à cette étape. On a illustré sur la Figure 3 deux rampes différentes qui ont été testées à l'échelle industrielle: - en trait mixte, une rampe R1 qui comporte une ouverture croissant linéairement de 0 à 74 & de la valeur nominale en 3 s, l'ouverture restant ensuite égale à 74% jusqu'à l'instant t3; et - en trait plein, une rampe R2 beaucoup plus progressive, qui comporte une ouverture croissant linéairement de 0 à 81% en 7 s. On a également illustré sur la Figure 3 la variation du débit D qui traverse la vanne 13 dans chacun des deux cas cités ci-dessus - En trait mixte, la courbe D1 = f(t) correspondant à la rampe R1 . Cette courbe a une allure hyperbolique, avec une première partie qui descend fortement et une seconde partie, plus longue, qui descend plus faiblement. Dans ce cas, la quantité de gaz qui traverse la vanne 13 pendant la première moitié de l'intervalle de temps t2, t3 est de l'ordre de 70% de celle qui traverse la vanne pendant la totalité de cet intervalle de temps. - En trait plein, la courbe D2 = f(t) correspondant à la rampe R2. Cette courbe a une allure elliptique, avec une première partie croissante, une seconde partie à peu près constante et une troisième partie décroissante. Environ 50% de la quantité de gaz transférée pendant l'intervalle de temps t2, t3 l'est au cours de la première moitié de cet intervalle. Les calculs technico-économiques réalisés dans les deux cas ci-dessus, avec une hypothèse de production d'oxygène à 93% de pureté, montrent que la productivité de l'installation (quantité d'oxygène produit par unité de temps et par unité de volume d'adsorbant) est supérieure dans le cas de la rampe R2, et que, dans le même cas, la dépense d'énergie spécifique ainsi que le coût unitaire de l'oxygène produit sont réduits. Ainsi, une plus grande progressivité de la rampe d'ouverture de la vanne d'équilibrage/élution 13 améliore les performances de l'installation. Le gain de coût spécifique de l'oxygène, par rapport à l'utilisation d'une vanne 13 à ouverture brusque en tout ou rien, est de l'ordre de 5%. Il est à noter que, dans l'installation de la Figure 1, la vanne 13 est également la vanne d'élution. Par suite, l'étape de purge/élution peut également être commandée avec une rampe d'ouverture progressive, identique à R2 ou différente. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement d'un mélange gazeux par adsorption à variation de pression, notamment de production d'oxygène à partir d'air atmosphérique par un procédé d'adsorption à variation de pression avec mise sous vide, du type comprenant, pour le ou pour chaque adsorbeur (1A, 1B), une succession cyclique d'étapes qui définissent, de façon successive et cyclique, une phase d'adsorption (a), une phase de régénération de l'adsorbant (b) comprenant une étape de dépressurisation, et une phase de remontée en pression (c), le passage d'une étape à la suivante comprenant la commutation d'au moins une vanne (13) entre des positions d'ouverture et de fermeture, caractérisé en ce qu'on effectue au moins une commutation de vanne suivant une rampe progressive programmée (R1, R2). 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite commutation suivant une rampe progressive programmée est une ouverture de vanne. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la rampe d'ouverture programmée (R2) est choisie de manière que la quantité de gaz qui traverse la vanne (13) pendant la première moitié de l'étape qu'elle commande soit au plus égale à 60% de celle qui traverse la vanne pendant la totalité de cette étape (bl), ladite rampe étant de préférence progressive, notamment linéaire, sur toute la durée (t3 - t2) de l'étape. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite vanne (13) est située du côté de la sortie (9A, 9B) de l'adsorbeur (1A, 1B) en phase d'adsorption. 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue ladite commutation de vanne suivant une rampe progressive programmée pour commander la mise de l'adsorbeur (1A, 1B) en communication avec un espace (1A, 1B) qui se trouve à une pression nettement différente. 6 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'on effectue ladite commutation de vanne suivant une rampe progressive programmée pour commander une étape (bl) de première décompression à cocourant de l'adsorbeur (1A, 1B), notamment par équilibrage de pressions, au moins partiel, avec un autre adsorbeur (1B, 1A) en phase (c) de remontée en pression ou avec une capacité auxiliaire, et/ou pour commander une étape (b3) d'élution à contre-courant au voisinage de la basse pression (Pm) du cycle au moyen de gaz de production. 7 - Installation de traitement d'un mélange gazeux par adsorption à variation de pression, notamment de production d'oxygène à partir d'air atmosphérique par un procédé d'adsorption à variation de pression avec mise sous vide, du type comprenant au moins un adsorbeur (1A, 1B) et des moyens pour effectuer dans cet adsorbeur une succession cyclique d'étapes qui définissent, de façon successive et cyclique, une phase d'adsorption (a), une phase de régénération de l'adsorbant (b) comprenant une étape de dépressurisation, et une phase de remontée en pression (c), lesdits moyens comprenant au moins une vanne (13) et des moyens de commutation de cette vanne entre des positions d'ouverture et de fermeture, caractérisée en ce que les moyens de commutation comprennent des moyens de programmation d'une rampe progressive (R1, R2) d'ouverture et/ou de fermeture. 8 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de programmation sont associés à une vanne (13) située du côté de la sortie de l'adsorbeur (1A, 1B) en phase d'adsorption. 9 - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits moyens de programmation sont associés à une vanne (13) de commande de la mise d'un adsorbeur (1A, 1B) en communication avec un espace (1A, 1B) qui se trouve à une pression nettement différente. 10 - Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de programmation sont associés à une vanne (13) de commande d'une étape (bl) de première décompression à co-courant de l'adsorbeur (1A, 1B), notamment par équilibrage de pressions, au moins partiel, avec un autre adsorbeur (1B, 1A) en phase de remontée en pression (c) ou avec une capacité auxiliaire, et/ou de commande d'une étape (b3) d'élution à contre-courant au voisinage de la basse pression (Pm) du cycle au moyen de gaz de production.