Brevet FR2909570A1 — publié le 20080613

La présente invention concerne un procédé de production d'hydrogène à partir d'un gaz de charge riche en hydrogène. Il est connu d'utiliser des unités de purification d'hydrogène répondant au double objectif de purification d'un flux gazeux riche en hydrogène présentant une pression élevée et de récupération additionnelle d'hydrogène dans un ou plusieurs flux à basse pression. Ces unités peuvent mettre en oeuvre des membranes ou des procédés d'adsorption modulés en pression ("pressure swing adsorption" en anglais ou PSA). Un de ces procédés a notamment été décrit dans la demande W003/070358 : il consiste en un cycle d'adsorption dans lequel on réalise, durant l'étape de dépressurisation, un équilibrage partiel de pressions entre au moins un adsorbeur en début de dépressurisation à co-courant et au moins un adsorbeur en étape de repressurisation, jusqu'à amener la pression dudit adsorbeur en début de dépressurisation à co-courant à une pression d'équilibrage partiel strictement inférieure à la pression haute du cycle. Or, il a été observé que dans le cas de pression d'adsorption très élevée, l'équilibrage partiel peut s'avérer insuffisant pour atteindre les performances (rendement en hydrogène, capacité d'adsorption, coût de compression) optimales. Le but de la présente invention est de proposer un moyen de déterminer les conditions de l'étape d'équilibrage du procédé d'adsorption en fonction des pressions hautes et basses du cycle de manière à répondre au problème précédent, notamment un moyen d'évaluer les nombre d'équilibrages optimal du procédé d'adsorption en fonction desdites pressions. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de production d'hydrogène à partir d'un mélange d'alimentation principal riche en hydrogène, dans lequel on utilise N adsorbeurs, avec N supérieur ou égal à un, qui suivent chacun en décalage un cycle où se succèdent : - une phase d'adsorption sensiblement à une haute pression du cycle produisant un flux de production, - une phase de régénération, laquelle phase de régénération comprend une sous-étape de dépressurisation jusqu'à une pression basse du cycle comportant une sous-étape de dépressurisation à co-courant, - une étape d'élution à la pression basse du cycle et - une étape de repressurisation jusqu'à la pression haute du cycle, dans lequel on réalise, durant l'étape de dépressurisation : 2909570 2 - au moins une sous-étape d'équilibrage partiel de pressions entre au moins un adsorbeur en étape de dépressurisation à co-courant et au moins un adsorbeur en étape de repressurisation, jusqu'à amener la pression dudit adsorbeur en dépressurisation à co-courant à une pression d'équilibrage partiel strictement 5 inférieure à la pression haute du cycle, et - au moins une sous-étape dans laquelle on envoie le ou les flux sortant du ou des adsorbeurs en dépressurisation à co-courant à l'adsorbeur ou aux adsorbeurs en étape d'élution, et dans lequel on recycle au moins une partie du ou des flux sortant du ou des 10 adsorbeurs en phase de régénération, en comprimant ladite partie recyclée jusqu'à la haute pression du cycle et en alimentant au moins un des adsorbeurs en phase d'adsorption par ladite partie recyclée, caractérisé en ce que le ratio d'équilibrage Neq est compris entre 1,81nPHP - 3,5 et 0,61nPHP -1,8, PHP représentant la valeur de la pression haute du cycle, exprimée en bar, 15 et Neq étant défini par la formule : L Qi dans laquelle N représente le nombre de Qi max sous-étapes d'équilibrages partiels mises en oeuvre dans le procédé, Qi représente la quantité de gaz effectivement échangée entre l'adsorbeur en dépressurisation à cocourant et l'adsorbeur en étape de repressurisation au cours de cette sous-étape d'équilibrage partiel i et Qi max la quantité maximale de gaz échangeable entre 20 l'adsorbeur en dépressurisation à co-courant et l'adsorbeur en étape de repressurisation au cours de cette sous-étape d'équilibrage partiel i, lorsque ces deux adsorbeurs sont mis en contact et isolés de toute autre entrée ou sortie gazeuse. Dans le texte, on entend par : - "équilibrage total de pressions" : tout équilibrage i pour lequel Qi = Qi max, et 25 - "équilibrage partiel de pressions" : tout équilibrage i pour lequel Qi REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'hydrogène à partir d'un mélange d'alimentation principal riche en hydrogène, dans lequel on utilise N adsorbeurs, avec N supérieur ou égal à un, qui suivent chacun en décalage un cycle où se succèdent : - une phase d'adsorption sensiblement à une haute pression du cycle produisant un flux de production 3, - une phase de régénération, laquelle phase de régénération comprend une sous-étape de dépressurisation jusqu'à une pression basse du cycle comportant une sous-étape de dépressurisation à co-courant, - une étape d'élution à la pression basse PBP du cycle et - une étape de repressurisation jusqu'à la pression haute PHP du cycle, dans lequel on réalise, durant l'étape de dépressurisation : - au moins une sous-étape d'équilibrage partiel de pressions entre au moins un adsorbeur en étape de dépressurisation à co-courant et au moins un adsorbeur en étape de repressurisation, jusqu'à amener la pression dudit adsorbeur en dépressurisation à co-courant à une pression d'équilibrage partiel strictement inférieure à la pression haute du cycle, et - au moins une sous-étape dans laquelle on envoie le ou les flux sortant du ou des adsorbeurs en dépressurisation à co-courant à l'adsorbeur ou aux adsorbeurs en étape d'élution, et dans lequel on recycle au moins une partie du ou des flux sortant du ou des adsorbeurs en phase de régénération, en comprimant ladite partie recyclée jusqu'à la haute pression du cycle et en alimentant au moins un des adsorbeurs en phase d'adsorption par ladite partie recyclée, caractérisé en ce que le ratio d'équilibrage Neq est compris entre 1,81nPHP - 3,5 et 0,61nPHP -1,8, PHP représentant la valeur de la pression haute du cycle, exprimée en bar, et Neq étant défini par la formule : L Qi dans laquelle N représente le nombre de Qi max sous-étapes d'équilibrages partiels mises en oeuvre dans le procédé, Qi représente la quantité de gaz effectivement échangée entre l'adsorbeur en dépressurisation à cocourant et l'adsorbeur en étape de repressurisation au cours de cette sous-étape d'équilibrage partiel i et Qi max la quantité maximale de gaz échangeable entre l'adsorbeur en dépressurisation à co-courant et l'adsorbeur en étape de repressurisation au cours de cette sous-étape d'équilibrage partiel i lorsque ces deux adsorbeurs sont mis en contact et isolés de toute autre entrée ou sortie gazeuse. 2909570 11 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise, durant l'étape de dépressurisation, au moins deux équilibrages partiels. 5 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, durant l'étape de dépressurisation, la première sous-étape est une sous-étape d'équilibrage partiel. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, la première sous-étape de dépressurisation est une sous-étape d'équilibrage partiel dans laquelle on introduit dans 10 l'adsorbeur en étape de repressurisation la totalité du flux issu de l'adsorbeur en étape de dépressurisation à co-courant et une partie du flux de production 3. 5. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend une sous-étape d'équilibrage partiel dans laquelle le flux issu de l'adsorbeur en étape de 15 dépressurisation est introduit en partie dans un adsorbeur en étape de repressurisation et en partie dans un adsorbeur en étape d'élution. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux sous-étapes d'élution et en ce que l'étape de dépressurisation comprend 20 une sous-étape dans laquelle le flux issu de l'adsorbeur en étape de dépressurisation est divisé pour être introduit dans au moins deux adsorbeurs en sous étapes d'élution. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise, durant l'étape de dépressurisation au moins un équilibrage partiel et un équilibrage total. 25 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape de recycle d'une partie au moins des flux sortant du ou des adsorbeurs en phase de régénération en comprimant ladite partie recyclée jusqu'à la haute pression du cycle et en alimentant au moins un des adsorbeurs en phase 30 d'adsorption par ladite partie recyclée. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression basse PBP est inférieure ou égale à 2 bars et le ratio d'équilibrage Neq est plus proche de la valeur de 1,81nPHP - 3,5 que de la valeur de 0,61nPHP -1,8, PHP. 35 2909570 12 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pression basse PBP est supérieure ou égale à 6 bars et le ratio d'équilibrage Neq est plus proche de la valeur de 0,61nPHP -1,8, PHP que de la valeur de 1,81nPHP - 3,5.