Brevet FR2946546A1 — publié le 20101217

La présente invention porte sur un procédé de régulation d'un procédé ou d'une unité de séparation de gaz par adsorption, en particulier un procédé ou unité de type VSA, produisant un gaz riche en oxygène à partir d'air ambiant. La possibilité de contrôler la pureté du gaz riche en oxygène produit en sortie d'une unité de séparation de gaz par adsorption, en particulier une unité de type VSA, a déjà été étudiée, notamment dans les documents US-A-5,258,056. La difficulté du contrôle de cette pureté en oxygène réside dans le choix des variables d'action étant donné que les possibilités pour contrôler cette pureté sont nombreuses : action sur les temps de cycle, les pressions dans les adsorbeurs, les débits et/ou pressions de l'unité... Du fait de ces difficultés, actuellement, les procédés VSA de production d'oxygène, appelés communément � procédés VSA 02 �, sont contrôlés par des boucles de régulation simples de pression ou débit en sortie de compression et/ou de pression maximale dans les adsorbeurs. Cette absence de contrôle précis conduit souvent à une perte de productivité qui oblige à réaliser un approvisionnement supplémentaire de l'utilisateur en oxygène liquide (LOX), lorsque la production du VSA 02 est insuffisante pour garantir à cet utilisateur une pureté et/ou un débit en oxygène minimum, pour son application, par exemple pour fabriquer du verre, de la pâte à papier, pour alimenter une aquaculture ou autres... Cet approvisionnement supplémentaire de l'utilisateur en oxygène liquide engendre quant à lui un surcoût important. Le problème qui se pose dès lors est de pouvoir réduire au minimum les fournitures d'oxygène liquide en réalisant une régulation efficace du procédé et/ou de l'unité VSA de manière à améliorer sa productivité. Une solution de l'invention est un procédé de production par adsorption d'oxygène gazeux à partir d'air comprimé, dans lequel : a) on produit au moyen d'au moins une unité d'adsorption, de l'oxygène gazeux ayant une pureté supérieure ou égale à une valeur de pureté-seuil (VPS) donnée et selon un débit de production (Dp) variable, b) on récupère l'oxygène gazeux produit en a) et on l'achemine au moyen d'au moins une canalisation de gaz vers un site utilisateur ou de stockage, c) on mesure, avant le site utilisateur ou de stockage, la pureté en oxygène gazeux (Pp) produit à l'étape b) et véhiculé par ladite canalisation de gaz et on la compare avec la valeur de pureté-seuil (VPS) préfixée, et 1 o d) on ajuste, avant le site utilisateur ou de stockage, le débit de production d'oxygène (Dp) en fonction de la comparaison faite à l'étape c) de manière telle que : i) on réduit le débit (Dp) de production d'oxygène lorsque la pureté (Pp) de l'oxygène mesurée à l'étape c) est telle que : VPS > Pp 15 ou ii) on augmente le débit (Dp) de production lorsque la pureté (Pp) en oxygène déterminée à l'étape c) est telle que : VPS Dp, on ajoute dans la 30 canalisation de gaz de l'oxygène provenant d'une source d'oxygène liquide (LOX), l'oxygène liquide étant vaporisée préalablement à son introduction dans la canalisation de gaz, de manière à obtenir une valeur de pureté-utilisateur en oxygène (Pu) donnée telle que : VPS = Pu + X où : - la pureté en oxygène (Pu) est mesurée sur la canalisation en aval du site d'injection d'oxygène liquide (LOX) - le débit utilisateur (Du) est le débit d'oxygène consommé par le site utilisateur. - à l'étape b), l'oxygène gazeux récupéré est comprimé préalablement à son acheminement au moyen de la canalisation de gaz vers le site utilisateur ; - à l'étape a), l'oxygène gazeux est produit par une unité d'adsorption de type VSA ou PSA ; - la valeur de pureté-seuil (VPS) est d'au moins 70% en volume, de préférence entre 85 et 95%, avantageusement de 90% à 93% ; - à l'étape a), l'oxygène est produit par séparation d'air par adsorption de l'azote sur au moins un adsorbant qui adsorbe préférentiellement l'azote à l'oxygène, de préférence l'adsorbant est une zéolite ; - à l'étape d), on ajuste le débit de production d'oxygène en agissant sur l'ouverture d'une vanne de re-circulation située sur une ligne de bipasse aménagée sur la canalisation de gaz véhiculant l'oxygène produit, ladite ligne de bipasse permettant de bipasser au moins un compresseur de gaz situé sur ladite canalisation de gaz, en aval de l'unité d'adsorption, et servant en outre à recycler en amont dudit au moins un compresseur, de l'oxygène capté en aval dudit compresseur ; - le débit de production (Dp) est compris entre 100 et 6000 Nm3/h ; - le débit utilisateur (Du) est compris entre 100 et 10000 Nm3/h ; - la pureté (Pp) de l'oxygène est comprise entre 88 et 95% ; et - la pureté-utilisateur en oxygène (Pu) est comprise entre 88 et 100 %. La solution de l'invention est donc basée sur la mise en place sur l'unité VSA 02 d'une boucle de régulation de pureté à une valeur de pureté seuil (VPS) destinée à ajuster en temps réel le débit d'oxygène produit (Dp) de manière à réduire la quantité d'oxygène liquide nécessaire, appelée "LOX". En effet, selon le mode de fonctionnement actuel, on fixe une limite de débit de l'unité VSA de manière à ce que la pureté en 02 (Pp) dans le gaz enrichi en oxygène produit par l'unité VSA soit toujours supérieure à la valeur seuil fixé (VPS) fixé par contrat par exemple à une pureté de 90% en volume. Or, cela conduit à des valeurs de pureté en 02 (Pp) très supérieures à la valeur de pureté-seuil (VPS) désirée, qui peut atteindre par exemple 92% dans certains cas. Ce phénomène est dû notamment aux variations climatiques, tel que les différences de températures jour/nuit et été/hiver comme on peut le voir dans la figure 1. Le principe de la boucle de régulation de l'invention consiste à ajuster, en temps réel, ce débit (Dp) pour garantir une pureté d'oxygène produit (Pp) égale à VPS ou très peu différente de VPS (écart-type de 0.1%) et donc à éviter ou à minimiser ainsi l'utilisation de LOX. Ce type de régulation permet donc de réaliser des économies de LOX en optimisant la productivité du VSA, d'obtenir une diminution du nombre de procédure de type � recherche pureté � en adaptant le débit du VSA à la baisse de débit pour ne pas � perdre � la pureté en 02, et conduit à une réduction des interventions de l'utilisateur pour modifier le réglage du débit de production d'oxygène (Dp). La Figure 2 schématise le principe de fonctionnement d'un procédé selon l'invention appliqué à une unité d'adsorption 1 de type VSA 02 produisant de l'oxygène dont la pureté doit être maintenue en permanence à au moins 90% en volume, ce qui constitue la valeur de pureté-seuil (VPS) désirée. L'oxygène produit est récupéré en sortie du VSA 02 (zone 1) et acheminé vers une capacité (zone 2) jusqu'à un site client (zone 4) au moyen d'au moins un compresseur (zone 3) par l'intermédiaire d'une canalisation. Afin de contrôler le débit d'oxygène, la vanne de re-circulation Qr est pilotée selon une boucle de régulation de débit ou "boucle FIC 1". Cette dernière a pour fonction de limiter le débit de production (Dp) de l'unité à la valeur fixée par l'opérateur et ce quelque soit la demande du client (Du). Le principe de régulation de l'invention consiste donc à adapter la référence de la boucle FIC 1 en fonction de la mesure de pureté en oxygène (Pp). Autrement dit, le principe de la boucle de régulation AIC1 consiste à adapter la limite de débit de production (Dp) en temps réel pour garantir une pureté aux limites de capacité de l'unité VSA. Cette adaptation est obtenue grâce au schéma fonctionnel donné figure 3 et mettant un oeuvre un algorithme de régulation dit � prédictif � ou � prédicteur de Smith �. L'intérêt de ce type de régulation est de � prédire � la pureté 02 (Pp) grâce à un modèle donnant une pureté modélisée (Ppm), et permettant ainsi une régulation par anticipation. L'implantation de ce système de régulation permet alors d'avoir une distribution de la pureté autour de la VPS avec écart écart-type de 0.1% comme le montre les courbes de la figure 4, indépendamment des cycles jours- nuits. REVENDICATIONS1. Procédé de production par adsorption d'oxygène gazeux à partir d'air comprimé, dans lequel : a) on produit au moyen d'au moins une unité d'adsorption, de l'oxygène gazeux ayant une pureté supérieure ou égale à une valeur de pureté-seuil 10 (VPS) donnée et selon un débit de production (Dp) variable, b) on récupère l'oxygène gazeux produit en a) et on l'achemine au moyen d'au moins une canalisation de gaz vers un site utilisateur ou de stockage, c) on mesure, avant le site utilisateur ou de stockage, la pureté en 15 oxygène gazeux (Pp) produit à l'étape b) et véhiculé par ladite canalisation de gaz et on la compare avec la valeur de pureté-seuil (VPS) préfixée, et d) on ajuste, avant le site utilisateur ou de stockage, le débit de production d'oxygène (Dp) en fonction de la comparaison faite à l'étape c) de manière telle que : 20 i) on réduit le débit (Dp) de production d'oxygène lorsque la pureté (Pp) de l'oxygène mesurée à l'étape c) est telle que : VPS > Pp ou ii) on augmente le débit (Dp) de production lorsque la pureté (Pp) en oxygène déterminée à l'étape c) est telle que : VPS 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape d), on ajuste le débit de production d'oxygène telle que VPS = Pp + X avec X 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après l'étape d), les étapes suivantes : e) on envoie l'oxygène produit, à un débit de production (Dp), jusqu'à un site utilisateur, et f) lorsque le débit utilisateur (Du) est tel que Du > Dp, on ajoute dans la canalisation de gaz de l'oxygène provenant d'une source d'oxygène liquide (LOX), l'oxygène liquide étant vaporisée préalablement à son introduction dans la canalisation de gaz, de manière à obtenir une valeur de pureté-utilisateur en oxygène (Pu) donnée telle que : VPS = Pu + X où : - la pureté en oxygène (Pu) est mesurée sur la canalisation en aval du site d'injection d'oxygène liquide (LOX) - le débit utilisateur (Du) est le débit d'oxygène consommé par le site utilisateur. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à l'étape b), l'oxygène gazeux récupéré est comprimé préalablement à son acheminement au moyen de la canalisation de gaz vers le site utilisateur. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'à l'étape a), l'oxygène gazeux est produit par une unité d'adsorption de type VSA ou PSA. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la valeur de pureté-seuil (VPS) est d'au moins 70% en volume, de préférence entre 85 et 95%, avantageusement de 90% à 93%. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'à l'étape a), l'oxygène est produit par séparation d'air par adsorption de l'azote sur au moins un adsorbant qui adsorbe préférentiellement l'azote à l'oxygène, de préférence l'adsorbant est une zéolite. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'à l'étape d), on ajuste le débit de production d'oxygène en agissant sur l'ouverture d'une vanne de re-circulation située sur une ligne de bipasse aménagée sur la canalisation de gaz véhiculant l'oxygène produit, ladite ligne de bipasse permettant de bipasser au moins un compresseur de gaz situé sur ladite canalisation de gaz, en aval de l'unité d'adsorption, et servant en outre à recycler en amont dudit au moins un compresseur, de l'oxygène capté en aval dudit compresseur. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que - le débit de production (Dp) est compris entre 100 et 6000 Nm3/h ; - le débit utilisateur (Du) est compris entre 100 et 10000 Nm3/h ; - la pureté (Pp) de l'oxygène est comprise entre 88 et 95% ; et - la pureté-utilisateur en oxygène (Pu) est comprise entre 88 et 100 %.