Brevet FR2873594A1 — publié le 20060203

La présente invention concerne les installations de production on-site d'oxygène de haute pureté convenant en particulier pour des sites de consommation isolés ou difficilement approvisionnables en oxygène haute pureté conditionné. Les dispositifs de séparation de gaz par adsorption de type PSA permettant, en configuration monoétage, de produire de l'oxygène à une pureté n'excédant pas 95 %, il a été proposé, pour des installations sur site ou embarquées, des systèmes avec, en cascade, au moins un dispositif de séparation de gaz par adsorption de type PSA couplé à un autre PSA ou à un dispositif de séparation de gaz par perméation. Les dispositifs connus présentent des rendements énergétiques assez faibles et sont de mise en oeuvre délicate. La présente invention a pour objet de proposer une installation capable de fournir de l'oxygène à une pureté atteignant ou dépassant 99,5 %, de mise en oeuvre aisée, permettant de ce fait une intégration facilitée sur site, notamment une grande standardisation des sous-composants permettant de réduire les coûts, et présentant un rendement énergétique satisfaisant. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, l'installation comprend: - un premier dispositif de séparation de gaz par adsorption ayant une première entrée, typiquement connectable à une source d'air sous pression, et une deuxième sortie, et contenant au moins un adsorbant capable de retenir l'azote; - un deuxième dispositif de séparation de gaz par adsorption ayant une deuxième entrée reliée à la première sortie et une deuxième sortie, et contenant 25 au moins un adsorbant capable de retenir l'argon; et - dans une branche d'une boucle entre la première sortie et la deuxième entrée, un dispositif de séparation de gaz par perméation comportant au moins une membrane capable de séparer l'oxygène de l'argon et ayant une troisième entrée reliée à la deuxième entrée et une sortie d'oxygène reliée à la première sortie du premier dispositif de séparation. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'instal lation comprend un compresseur d'oxygène disposé dans la boucle, entre la première sortie et la deuxième entrée ou entre la sortie d'oxygène et la première sortie; - l'adsorbant du premier dispositif de séparation comprend au moins une zéolithe, typiquement une zéolithe X, avantageusement une zéolithe LiX, l'adsorbant du deuxième dispositif de séparation comprenant au moins un tamis carboné ; - l'installation est installée opérationnellement dans un conteneur de transport standardisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel: la figure unique représente schématiquement un mode de réalisation d'une installation selon l'invention intégré dans une enveloppe transportable. Sur la figure unique on reconnaît un premier dispositif de séparation de gaz par adsorption de type PSA AI à tamis zéolithique ayant une entrée 1 d'air comprimé fourni, à partir d'une entrée d'air atmosphérique 2, par un ensemble de compression basse pression/filtration et séchage 3 via, typiquement, un réservoir d'air tampon 4. Le dispositif de séparation AI comporte une sortie de mélange enrichi en oxygène 5 débitant dans une capacité d'oxygène tampon 6 reliée, via une ligne 7, à l'entrée 8 d'un deuxième dispositif de séparation de gaz par adsorption de type PSA A2 à tamis carboné comportant une sortie d'oxygène 10 connectable à un circuit utilisateur externe 11 via un compresseur d'oxygène 12, typiquement haute pression. Le premier dispositif de séparation de gaz AI comprend au moins un, typiquement au moins deux adsorbeurs comportant au moins un tamis zéolithique de type X, avantageusement une zéolithe au lithium LiX, pour fournir en sortie 5 un oxygène à une pureté entre 94 et 95 %. Le second dispositif de séparation de gaz par adsorption A2 comporte, pour sa part, au moins un, typiquement au moins deux adsorbeurs comportant chacun au moins un tamis carboné capable de séparer l'argon résiduaire de l'oxygène enrichi transmis par la ligne 7 pour fournir, en sortie 10, un oxygène à une pureté d'environ 99,5 %. Selon l'invention, la ligne 7 est intégrée dans une boucle B comprenant une branche 13 s'étendant, en parallèle à la ligne 7, entre l'entrée 8 du deuxième dispositif de séparation 9 et la sortie 5 du premier dispositif de séparation 1, typiquement via un second raccordement à la capacité 6. Selon un aspect de l'invention, la branche 13 inclut un dispositif de séparation de gaz par perméation 14 comprenant au moins une membrane perméable 15 capable de séparer l'oxygène de l'argon, par exemple un faisceau de membranes polymériques commercialisé par la Société américaine MedAl sous la référence fibre type C ou D . Le dispositif de séparation membranaire 14 comporte une entrée 16 reliée, typiquement via une capacité tampon de gaz de purge 17, à l'entrée du deuxième dispositif de séparation 9, une sortie d'oxygène 18 et une sortie 19 de gaz de purge constitué majoritairement d'argon. Selon un aspect de l'invention, un compresseur d'oxygène Moyenne Pression 20 est disposé dans la boucle B, entre la sortie d'oxygène 18 du dispositif de perméation 14 et la capacité tampon 6, comme dans le mode de réalisation représenté, ou, en variantes, dans la ligne 7, entre l'entrée 8 du deuxième dispositif de séparation 9 et la capacité tampon 6, cette dernière étant, dans ce cas, reliée directement à la sortie d'oxygène 18 de dispositif de perméation 14. Dans un mode de réalisation concret, pour une pression d'air d'alimentation d'environ 6,5 bars à l'entrée 1 et un débit d'oxygène moyenne pression d'environ 20 Nm3lh à la sortie 5, le compresseur 20 est dimensionné pour fournir en sortie 10 un débit d'oxygène haute pureté d'environ 6 Nm3lh à une pression de service d'environ 3,5 bars. Selon un aspect de l'invention, les principaux constituants 3, 1, 9, 12, 14, 20 sont réalisés sous la forme de structures individuelles autoporteuses comportant des entrées/sorties de fluide standardisées et disposées, comme les capacités 4, 6 et 17 dans une enveloppe à rigidité de forme transportable 21, typiquement un conteneur maritime ISO 40 pieds, pour standardiser l'assemblage et faciliter l'acheminement et la mise en place sur site de l'installation. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'oxygène de haute pureté comprenant: - un premier dispositif de séparation de gaz par adsorption (AI) ayant une première entrée (1) et une première sortie (5) et contenant au moins un adsorbant capable de retenir l'azote; - un second dispositif de séparation de gaz par adsorption (A2) ayant une deuxième entrée (8) reliée à la première sortie (5), et une deuxième sortie (10) et contenant au moins un adsorbant capable de retenir l'argon; et - dans une branche d'une boucle (B) entre la première sortie (5) et la deuxième entrée (8), un dispositif de séparation de gaz par perméation (14) comportant au moins une membrane (15) capable de séparer l'oxygène de l'argon, ayant une troisième entrée (16) reliée à la deuxième entrée (8) et une sortie d'oxygène (18) reliée à la première sortie (5). 2. Installation selon la revendication 1, comprenant un compresseur 15 d'oxygène (20) disposé dans la boucle (B). 3. Installation selon la revendication 2, où le compresseur d'oxygène (20) est disposé entre la première sortie (5) et la deuxième entrée (8). 4. Installation selon la revendication 2, où le compresseur d'oxygène (20) est disposé entre la sortie d'oxygène (18) et la première sortie (5). 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant un ensemble compresseur d'air basse pression (3) relié à la première entrée (1). 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un compresseur d'oxygène (12) en aval de la deuxième sortie (10). 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'adsorbant du premier dispositif de séparation (AI) comprend au moins une zéolithe. 8. Installation selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'adsorbant du deuxième dispositif de séparation (A2) comprend au moins un tamis carboné. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est installée opérationnellement dans un conteneur de transport (21).