Brevet FR2889459A1 — publié le 20070209

La présente invention concerne les procédés de séparation dans une unité PSA d'au moins un mélange gazeux d'alimentation à une première pression PI avec production d'au moins un premier flux de mélange gazeux à une deuxième pression P2 inférieure à PI et d'au moins un deuxième flux de mélange gazeux à une troisième pression P3 inférieure à P2, typiquement significativement inférieure à pi, comprenant l'étape de comprimer, dans au moins deux compresseurs en parallèle, le deuxième flux à une quatrième pression P4 supérieure à P3. Les procédés de séparation par adsorption à variation de pression (PSA) sont largement utilisés pour la production d'au moins un constituant du mélange gazeux d'alimentation, par exemple la production d'oxygène à partir de l'air, l'extraction de 002 de gaz de combustion ou la production d'hydrogène ou la séparation de gaz de synthèse. Dans la suite de la description, la production d'hydrogène va être prise 15 comme exemple particulier, non limitatif. Dans les PSA hydrogène, on utilise des cycles relativement longs comportant plusieurs équilibrages en vue d'extraire le résiduaire à la plus basse pression possible. Pour des raisons de sécurité, on adopte généralement une pression de régénération du PSA à peine supérieure à la pression atmosphérique, de l'ordre de 1,5 à 1,25 bar abs. Le résiduaire ( off gas ) des PSA H2 est généralement exploité en étant réintroduit dans un réseau de gaz carburant ( fuel gas ) de la raffinerie produisant le mélange gazeux d'alimentation. Le réseau de gaz carburant est à une pression comprise généralement entre 3,5 et 8 bars abs, ce qui impose de recomprimer jusqu'à cette pression le résiduaire extrait du PSA. Pour des questions de fiabilité, la compression du résiduaire est effectuée dans au moins deux compresseurs en parallèle, chacun traitant, en fonctionnement nominal, 50% du débit du flux de résiduaire. En cas d'arrêt temporaire ou de maintenance d'un des compresseurs, le fonctionnement de l'unité doit être adapté pour tenir compte des performances du compresseur restant. Une solution classique consiste à réduire de 50% le débit du gaz d'alimentation et des gaz de production de l'unité PSA, au prix d'une diminution considérable des capacités de production. Il a été proposé, en variante, d'utiliser deux compresseurs capables chacun de comprimer environ 65% du débit nominal du résiduaire. En fonctionnement normal, au moins l'un des compresseurs est utilisé en marche réduite et, en cas d'arrêt d'un des compresseurs, le compresseur restant peut alors assurer 65% de la production nominale. Les deux solutions ci-dessus sont relativement onéreuses en perte de production et/ou en coûts d'investissement. La présente invention a pour objet d'améliorer la capacité de production de telles unités PSA lorsqu'un des moyens de compression du résiduaire (deuxième flux) est à l'arrêt, sans augmentation notable des coûts d'investissement. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, en cas d'arrêt temporaire d'un des compresseurs de deuxième flux, on modifie les paramètres opératoires de l'unité PSA pour augmenter à une cinquième pression P5 supérieure à la troisième pression P3 la pression du deuxième flux à la sortie de l'unité PSA. La présente invention permet de la sorte d'assurer un débit de production relativement proche du nominal, nettement supérieur à 50%, typiquement supérieur à 70%, moyennant seulement un léger surinvestissement par rapport à la solution la moins coûteuse en investissement, c'est à dire avec deux compresseurs ayant une capacité de 50% du débit du deuxième flux. Selon d'autres caractéristiques plus particulières de l'invention: - dans le mode opératoire modifié, le débit du mélange gazeux d'alimentation est réduit de moins de 50%, typiquement de moins de 20%, et le débit du premier flux est réduit de moins de 20%. - le mode opératoire modifié est préprogrammé dans le système de contrôle 25 de commande de l'unité PSA - le mélange gazeux d'alimentation contient au moins trois constituants parmi H2, CO, N2, CO2, CH4, le deuxième flux sortant étant un mélange appauvri en hydrogène - le mélange gazeux d'alimentation est un mélange riche en hydrogène, le premier flux sortant étant de l'hydrogène sensiblement pur et le deuxième flux sortant un résiduaire combustible injectable dans un réseau de gaz carburant - le mélange gazeux d'alimentation contient du CO2, le deuxième flux sortant étant un mélange riche en CO2 - le mélange gazeux d'alimentation et l'air, le premier flux sortant étant un mélange riche en oxygène et le deuxième flux sortant un mélange pauvre en oxygène D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec le dessin annexé, sur lequel: - la figure unique représente schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure 1 on reconnaît une unité de séparation PSA S recevant au moins un mélange gazeux d'alimentation à séparer 1 et produisant, en sortie, au moins un premier flux ou flux principal de production 2 et au moins un deuxième flux ou flux résiduaire 3. L'unité de séparation PSA S comprend plusieurs adsorbeurs mis en oeuvre de façon cyclique et comprenant chacun au moins un matériau adsorbant capable de retenir et restituer au moins l'un des constituants du mélange gazeux d'alimentation 1. Pour l'exploitation du deuxième flux résiduaire 3 la pression de ce dernier, en sortie de l'unité S, est augmentée par au moins deux compresseurs en parallèle CI, C2 pour fourniture, typiquement à une ligne d'un réseau de gaz carburant 4. En fonctionnement nominal, le débit A du mélange gazeux d'alimentation 1 est de 100%, le débit B du premier flux sortant de production 2 étant également de 100%, ainsi que le débit du deuxième flux 3 comprimé à 50% chacun par les compresseurs CI, C2 à la pression P4 du fluide combustible circulant dans la ligne 4. Pour la suite de la description, on se référera au cas particulier, non limitatif pour l'application du procédé de l'invention, d'une installation de production d'hydrogène avec une unité S comprenant typiquement six adsorbeurs pour traiter un débit A 100% de gaz d'alimentation 1 de 10.000 Nm3/h contenant 70 mol% d'hydrogène et des hydrocarbures, essentiellement du méthane. La pression PI et la température du mélange gazeux d'alimentation 1 admis dans l'unité sont typiquement de 30 bars abs et de 35 C respectivement. La pression P2 du flux d'hydrogène 2 est légèrement inférieure à PI. Pour obtenir un rendement élevé, chaque absorbeur de l'unité S est soumis à trois équilibrages successifs de pression jusqu'à une pression basse d'évacuation de résiduaire 3 d'environ 1,25 bar abs. Avec une telle installation, on peut obtenir un rendement effectif d'extraction en hydrogène supérieur à 88% pour une pureté dépassant 99, 99%, soit avec le débit d'alimentation A 100% de 10.000 Nm3/h un débit B 100% du flux d'hydrogène 2 de 6.160 Nm3/h et un débit de résiduaire 3 de 3.840 Nm3/h. Ce dernier est porté à la pression P4 dans la ligne 4 par les compresseurs CI, C2. Dans les procédés classiques, en cas d'indisponibilité d'un des deux compresseurs CI, C2, les paramètres opératoires sont modifiés pour traiter un débit A 50% du gaz d'alimentation 1 avec le même cycle de pression, mais avec un temps de phase doublé du fait de la réduction de l'alimentation, pour produire en sortie un débit B 50% du flux 2, soit 3. 080 Nm3/h d'hydrogène. Selon l'invention par contre, on modifie les paramètres opératoires de l'unité PSA pour augmenter la pression de régénération, à une valeur P5 supérieure à la pression nominale P3 de façon à accroître le débit molaire que peut comprimer le compresseur Ci restant en service. En augmentant la pression de régénération, on dégrade certes les performances potentielles du PSA en terme de rendement et de capacité, mais il existe des points de fonctionnement tels que le produit du débit de gaz d'alimentation que l'on peut traiter dans ces conditions par le rendement dégradé des conditions opératoires modifiées est supérieur aux 50% de production nominale obtenue par le procédé classique mentionné ci- dessus. En réduisant le temps de cycle, malgré l'arrêt d'un des compresseurs Ci, on va augmenter la pureté de l'hydrogène produit avec une baisse de la production d'hydrogène et une augmentation du résiduaire. Pour évacuer ce résiduaire 2 en excès, le compresseur C; restant en service, dont le débit volumique est constant, voit sa pression d'aspiration augmenter. D'autre part, du fait que la pureté de l'hydrogène produit est augmentée, on peut augmenter le débit A % du mélange gazeux d'alimentation 1. Il en résulte une augmentation de la production ainsi que du résiduaire, cette dernière conduisant, comme sus-mentionné, à une augmentation de la pression d'aspiration du compresseur. On peut alors par exemple revenir au temps de cycle nominal, ce qui va permettre à nouveau d'accroître le débit de charge tout en maintenant la pureté requise. On peut ainsi produire, selon l'invention, plus de 75% du débit nominal B d'hydrogène avec un seul compresseur C; fonctionnant entre 2,5 bars abs et 6,5 abs, en prévoyant simplement un moteur d'entraînement de compresseur légèrement surdimensionné (d'environ 15%) ainsi que des réfrigérants adaptés à la puissance maximale à évacuer. Avec un outil de simulation du fonctionnement de l'unité PSA S, selon un aspect de l'invention, on peut déterminer, dès la conception de base de l'unité, un point de fonctionnement en marche un seul compresseur en service en se fixant comme seules contraintes le volume des adsorbeurs et le débit réel du compresseur. Dans le cas de l'exemple ci-dessus, en conservant le temps de phase nominal, on trouve un point de fonctionnement en régime modifié permettant de produire 5.290 Nm3/h d'hydrogène soit environ 85% du nominal B % avec un débit de mélange gazeux d'alimentation de 9.000 Nm3/h (soit donc 90% du débit nominal A%) pour un débit de résiduaire de 3.710 Nm3/h évacué par le compresseur en service Ci sous une pression d'aspiration de 2,4 bars abs. Pour ce faire, la pression du dernier équilibrage dans les adsorbeurs a été augmentée d'environ 8 bars abs à 10 bars abs, ce qui revient en fait à diminuer le nombre d'équilibrages. Une telle modification permet de traiter un peu plus de mélange gazeux d'alimentation pour un dimensionnement donné d'adsorbeurs. Le cycle modifié ainsi choisi peut être pré-programmé dans le système de commande de l'unité PSA, comme enseigné dans le document WO- A-2004/000441 au nom de la Demanderesse. Ce second cycle peut être sensiblement différent du cycle de base, avec par exemple la suppression d'un équilibrage (passage de 3 à 2 équilibrages). Le choix du second cycle ne pose généralement pas de problème particulier compte tenu du grand nombre de possibilités qui se présentent à l'homme du métier et que l'on peut trouver dans la littérature. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisations particuliers, elle ne s'en trouve pas limité mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation, dans une unité PSA (S), d'au moins un mélange gazeux d'alimentation (1) à une première pression PI avec production d'au moins un premier flux de mélange gazeux (2) à une deuxième pression P2 inférieure à PI et d'au moins un deuxième flux de mélange gazeux (3) à une troisième pression P3 inférieure à P2, comprenant l'étape de comprimer, dans au moins deux compresseurs (CI, C2) en parallèle, le deuxième flux à une quatrième pression P4 supérieure à P3 caractérisé en ce qu'en cas d'arrêt temporaire d'un des compresseurs (CI, C2) de deuxième flux (3) on modifie les paramètres opératoires de l'unité PSA (S) pour augmenter à une cinquième pression P5 supérieure à P3 la pression du deuxième flux (3) à la sortie de l'unité (S). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le mode opératoire modifié, le débit du mélange gazeux d'alimentation (1) est réduit de moins de 50%. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans le mode opératoire modifié, le débit du premier flux (2) est réduit de moins de 20%. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mode opératoire modifié est pré-programmé dans le système de contrôle de commande de l'unité PSA (S). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux d'alimentation (1) contient au moins trois constituants choisis parmi H2, CO, N2, CO2, CH4, le deuxième flux (3) étant un mélange appauvri en hydrogène. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le mélange gazeux d'alimentation (1) est riche en hydrogène, le premier flux (2) est de l'hydrogène de production et le deuxième flux (3) un résiduaire combustible injectable dans un réseau de gaz carburant (4). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le 30 mélange gazeux d'alimentation (1) contient du CO2, le deuxième flux (3) étant riche en CO2. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélange gazeux d'alimentation (1) est l'air, le premier flux (2) est riche en oxygène et le deuxième flux (3) un mélange appauvri en oxygène.