Brevet FR2937879A1 — publié le 20100507

L'invention concerne un procédé de traitement de fluide par adsorption à variation de pression ainsi qu'une installation correspondante. Ce type de procédé est également connu sous le terme � PSA � (Pressure Swing Adsorption). Les centres médicaux sont généralement alimentés en oxygène par l'intermédiaire, soit de bouteilles contenant de l'oxygène sous forme gazeuse et à haute pression, généralement 200 bars, soit de conteneurs fixes alimentés en oxygène liquide. L'oxygène est généralement considéré comme un médicament, en particulier en France, la pureté de l'oxygène médical étant de l'ordre de 99,5 %. Une telle alimentation en oxygène nécessite des usines de fabrication d'oxygène à proximité, à partir desquelles sont acheminées les bouteilles ou l'oxygène liquide. Dans les zones où l'acheminement ne peut être réalisé, il est nécessaire que l'oxygène soit produit en quantité suffisante in situ. Pour cela, il est connu d'utiliser des installations de fabrication d'oxygène fonctionnant selon le procédé PSA. Une installation de l'art antérieur est schématisée à la figure 1. Celle-ci comporte un premier et un second adsorbeurs la, lb, comportant chacun un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène de l'air. L'air étant essentiellement constitué d'oxygène et d'azote, le lit d'adsorbant permet de piéger l'azote afin d'augmenter la concentration en oxygène. Plus particulièrement, le lit d'adsorbant est un tamis moléculaire constitué de billes de zéolithe. Chaque adsorbeur la, lb comporte une entrée d'alimentation 2a, 2b reliée à une conduite 3 d'alimentation en air par l'intermédiaire d'une électrovanne 4a, 4b dite d'alimentation et une sortie d'extraction 5a, 5b de l'oxygène produit, reliée à une conduite d'évacuation 6 par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 7a, 7b. Chaque entrée 2a, 2b des adsorbeurs la, lb est en outre reliée à un silencieux de purge ou d'extraction 8 par l'intermédiaire d'une électrovanne 9a, 9b dite de régénération. De plus, les sorties 5a, 5b des adsorbeurs la, lb sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'une première conduite de liaison 10 équipée d'un réducteur de débit réglable 11, et d'une seconde conduite de liaison 12 équipée d'une vanne d'équilibrage 13. Le fonctionnement de cette installation de l'art antérieur va maintenant être décrit plus en détail. Dans une première étape, dite de saturation et représentée à la figure 1, les vannes 4a et 9b sont ouvertes et les vannes 4b, 9a et 13 sont 5 fermées. L'air sous pression est amené par la conduite 3 d'alimentation en air, traverse la vanne d'alimentation 4a associée au premier adsorbeur la, et pénètre dans celui-ci de manière à ce que l'oxygène contenu dans l'air soit séparé de l'azote puis rejeté au niveau de la sortie 5a. Au fur et à mesure de 10 l'alimentation en air, la pression P1 au niveau de la sortie 5a du premier adsorbeur la augmente. Parallèlement, l'ouverture de la vanne de régénération 9b permet au gaz retenu dans le second adsorbeur 1 b de s'échapper brutalement par le silencieux de purge 8. La pression dans le second adsorbeur 1 b passe 15 classiquement d'environ 2,5 bars à 0 bar en une fraction de seconde, ce qui permet de désorber l'azote piégé dans le lit d'adsorbant. Puis, le second adsorbeur lb est balayé par un courant d'oxygène provenant de la liaison 10 entre les sorties 5a, 5b des premier et second adsorbeurs la, 1 b afin de terminer la désorption de l'azote. Toutefois, ce courant d'oxygène reste minime 20 du fait de la présence d'un réducteur de débit 11. II s'agit de l'étape de saturation du premier adsorbeur la et de purge puis régénération du second adsorbeur 1 b. Comme cela est représenté à la figure 2, lorsque la pression P1 à la sortie 2a du premier adsorbeur la dépasse la pression P2 à l'intérieur de la 25 conduite d'évacuation 6, l'oxygène produit traverse le clapet anti-retour 7a et entre dans ladite conduite d'évacuation 6, cette dernière alimentant par exemple un réseau de distribution en oxygène (non représenté). Il s'agit de l'étape de production d'oxygène à l'aide du premier adsorbeur la. Au bout d'une durée déterminée, un système de gestion par 30 temporisation permet de fermer les vannes 4a et 9b. Dans ce cas, la pression P1 au niveau de la sortie du premier adsorbeur chute en-dessous de la pression P2, de manière à refermer le clapet anti-retour 7a. L'oxygène restant dans le premier adsorbeur la est dirigé vers le second adsorbeur lb, par l'intermédiaire de la conduite de liaison 10 et du 35 réducteur de débit 11. Cette étape, représentée à la figure 3, est l'étape de pressurisation lente du second adsorbeur lb. Ensuite, comme cela est représenté à la figure 4, au terme d'une temporisation, la vanne d'équilibrage 13 est ouverte, de manière à équilibrer les pressions entre les deux adsorbeurs la, lb, classiquement de l'ordre de 2,5 bars. Il s'agit de l'étape d'équilibrage. C'est alors que, au terme d'une temporisation, les vannes 4b et 9a sont ouvertes et la vanne d'équilibrage 13 est fermée, de manière à effectuer la saturation du second adsorbeur 1 b et, parallèlement, la purge du premier adsorbeur. De la même manière que précédemment, le cycle se poursuit par les étapes successives de production d'oxygène à l'aide du second adsorbeur lb, de pressurisation lente du premier adsorbeur la et d'équilibrage. Les commentaires effectués précédemment, relatifs aux figures 1 à 4 et concernant le premier adsorbeur, sont ainsi transposables au second adsorbeur. La production d'oxygène est ainsi cyclique et est réalisée 15 alternativement à l'aide du premier et du second adsorbeurs. Ce type d'installation engendre les inconvénients exposés ci-après. Dans le cas où le débit consommé par le réseau de distribution en oxygène est très important, les adsorbeurs la, lb ne peuvent pas produire de l'oxygène en quantité suffisante. Or, tant que la temporisation n'est pas 20 expirée, la vanne 4a ou la vanne 4b reste ouverte, ce qui a pour effet d'autoriser le passage d'un important débit d'air au travers de l'adsorbeur concerné, et cela au-delà de ses capacités réelles. La concentration en oxygène à la sortie de l'adsorbeur chute donc de manière importante et le gaz alimentant le réseau de distribution comporte une faible concentration en 25 oxygène. On rappelle que la norme ISO 10083 impose une concentration en oxygène minimum de 90 % dans les réseaux de distribution correspondants. En pratique, une alarme est déclenchée à 92 % et la production doit être stoppée à 90 %. 30 La figure 5 illustre la courbe représentant la concentration en oxygène en fonction du débit produit par l'adsorbeur. On remarque ainsi que, dans l'exemple de la figure 5, afin d'obtenir une concentration minimale de 93% en oxygène, il n'est pas possible de dépasser un débit de production de l'ordre de 1,7 m3/h. Dès lors, dans le cas où le débit d'oxygène nécessité par le réseau de distribution est trop important, l'installation de l'art antérieur risque de déclencher l'alarme, voire de provoquer son arrêt. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de traitement de fluide par adsorption à variation de pression qui permet de respecter les normes imposées, c'est-à-dire qui garantit une production d'oxygène avec une concentration minimum déterminée, même lorsqu'un débit d'oxygène important est demandé. A cet effet, l'invention concerne un procédé de traitement de fluide 10 par adsorption à variation de pression, réalisé de manière cyclique, chaque cycle comportant au moins les étapes consistant à : - alimenter en fluide un premier adsorbeur contenant un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène dudit fluide, ledit premier adsorbeur comportant une entrée d'alimentation en fluide et une sortie d'extraction de 15 l'oxygène, - stopper l'alimentation en fluide du premier adsorbeur, - alimenter une conduite d'évacuation avec l'oxygène produit par le premier adsorbeur, - stopper l'extraction d'oxygène du premier adsorbeur, 20 - purger le fluide restant dans le premier adsorbeur, - alimenter un second adsorbeur, contenant un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène dudit fluide, ledit second adsorbeur comportant une entrée d'alimentation en fluide et une sortie d'extraction de l'oxygène, - stopper l'alimentation en fluide du second adsorbeur, 25 - alimenter une conduite d'évacuation avec l'oxygène produit par le second adsorbeur, - stopper l'extraction d'oxygène du second adsorbeur, - purger le fluide restant dans le second adsorbeur, caractérisé en ce que l'oxygène alimentant la conduite d'évacuation 30 est stocké dans un premier réservoir, puis est amené sous pression dans un second réservoir, par l'intermédiaire d'un surpresseur, lorsque la pression à l'intérieur du second réservoir chute sous une valeur prédéterminée, l'oxygène contenu dans le second réservoir étant destiné à être délivré, par exemple à un réseau de distribution. 35 De cette manière, le débit d'oxygène délivré est limité par le débit fourni par le supresseur. Ce débit peut ainsi être aisément choisi, en fonction des capacités des adsorbeurs, afin que le pourcentage d'oxygène soit supérieur à 93 %. Le débit fourni par le surpresseur peut être ajusté simplement. En effet, il suffit pour cela de faire varier la fréquence de fonctionnement du surpresseur, cette dernière imposant le débit fourni au second réservoir. Un autre avantage de l'utilisation d'un surpresseur est de stocker, à l'intérieur du second réservoir, de l'oxygène sous haute pression, ce qui permet de répondre à des pics de consommation en oxygène. Selon une caractéristique de l'invention, les sorties d'extraction des 10 premier et second adsorbeurs sont reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une conduite de liaison, durant toute la durée du cycle. La conduite de liaison permet le balayage par un courant d'oxygène pour terminer la désorption de l'azote dans les adsorbeurs ainsi que la montée en pression progressive de ceux-ci. 15 Avantageusement, le fluide circulant dans la conduite de liaison traverse des moyens de limitation du débit. Cette caractéristique permet d'assurer une montée en pression lente du second adsorbeur purgé lors de l'alimentation en fluide du premier adsorbeur, et inversement. 20 En outre, la limitation du débit permet de s'assurer qu'une quantité minimum d'oxygène soit utilisée pour effectuer le balayage de l'autre adsorbeur par un courant d'oxygène. Selon une possibilité de l'invention, l'extraction d'oxygène du premier adsorbeur, respectivement du second adsorbeur, est stoppée lorsque 25 la durée de l'extraction dépasse une valeur prédéterminée. Préférentiellement, l'alimentation en fluide du premier adsorbeur, respectivement du second adsorbeur, est stoppée lorsque la durée de l'alimentation dépasse une valeur prédéterminée. L'invention concerne en outre une installation pour la mise en 30 oeuvre du procédé selon l'invention, comportant un premier et un second adsorbeurs, contenant un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène dudit fluide, ledit premier adsorbeur comportant une entrée d'alimentation en fluide et une sortie d'extraction de l'oxygène, les entrées des premier et second adsorbeurs étant chacune reliées, d'une part à une conduite d'alimentation par 35 l'intermédiaire d'une vanne d'alimentation, et d'autre part à un silencieux de purge, par l'intermédiaire d'une vanne régénération, les sorties des adsorbeurs étant chacune reliées à une conduite d'évacuation, par l'intermédiaire d'une vanne d'évacuation, lesdites sorties étant en outre reliées l'une à l'autre, notamment par l'intermédiaire d'une vanne d'équilibrage et/ou par l'intermédiaire d'un réducteur de débit, caractérisée en ce que la conduite d'évacuation comporte un premier et un second réservoirs, le premier réservoir étant disposé en aval du second réservoir et étant relié à celui-ci par l'intermédiaire d'un surpresseur conçu pour amener de l'oxygène contenu dans le premier réservoir vers le second réservoir lorsque la pression à l'intérieur du second réservoir chute en-dessous d'une valeur déterminée, l'oxygène contenu dans le second réservoir étant destiné à être délivré, par exemple à un réseau de distribution. Avantageusement, le surpresseur est de type pneumatique. Ce type de surpresseur permet de régler facilement une fréquence de fonctionnement stable, et donc, un débit constant. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de cette installation et de ce procédé de traitement de fluide par adsorption à variation de pression. Figure 1 à 4 sont des vues schématiques d'une installation de type PSA selon l'art antérieur ; Figure 5 est un diagramme représentant le pourcentage d'oxygène obtenu par un adsorbeur, en fonction du débit de gaz produit ; Figure 6 à 9 sont des vues correspondant respectivement aux figures 1 à 4, d'une partie d'une installation selon l'invention ; Figure 10 est une vue de l'installation selon l'invention. Les figures 6 à 10 représentent une installation de traitement de fluide par adsorption à variation de pression comportant un premier et un second adsorbeurs la, lb, comportant chacun un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène de l'air. L'air étant essentiellement constitué d'oxygène et d'azote, le lit d'adsorbant permet de piéger l'azote afin d'augmenter la concentration en oxygène. Plus particulièrement, le lit d'adsorbant est un tamis moléculaire constitué de billes de zéolithe. Chaque adsorbeur la, 1 b comporte une entrée d'alimentation 2a, 2b reliée à une conduite 3 d'alimentation en air par l'intermédiaire d'une électrovanne 4a, 4b dite d'alimentation et une sortie d'extraction 5a, 5b de l'oxygène produit, reliée à une conduite d'évacuation 6 par l'intermédiaire d'une électrovanne d'évacuation 7a, 7b. Chaque entrée 2a, 2b des adsorbeurs la, lb est en outre reliée à un silencieux de purge ou d'extraction 8 par l'intermédiaire d'une électrovanne 5 9a, 9b dite de régénération. De plus, les sorties 2a, 2b des adsorbeurs la, lb sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'une première conduite de liaison 10 équipée d'un réducteur de débit réglable 11, et d'une seconde conduite de liaison 12 équipée d'une vanne d'équilibrage 13. 10 Comme cela apparaît à la figure 10, la conduite d'évacuation 6 comporte un premier et un second réservoirs 14, 15. Le premier réservoir 14 est disposé en aval du second réservoir 15 et est relié à celui-ci par l'intermédiaire d'un surpresseur pneumatique 16. Le premier réservoir 14 est également appelé cuve ou réservoir 15 d'homogénéisation, le second réservoir 15 étant appelé cuve ou réservoir de stockage. Un capteur de pression 17 permet de déterminer la pression à l'intérieur du second réservoir 15. Le surpresseur 16 est commandé de manière à amener l'oxygène contenu dans le premier réservoir 14 vers le 20 second réservoir 15, lorsque la pression à l'intérieur du second réservoir 15 chute en-dessous d'une valeur déterminée. Une conduite de distribution 18, alimentant par exemple un réseau de distribution, débouche dans le second réservoir 15. Le fonctionnement de cette installation de l'art antérieur va 25 maintenant être décrit plus en détail. Dans une première étape, dite de saturation et représentée à la figure 1, les vannes 4a et 9b sont ouvertes et les vannes 4b, 9a et 13 sont fermées. L'air sous pression est amené par la conduite 6 d'alimentation en 30 air, traverse la vanne d'alimentation 4a associée au premier adsorbeur la, et pénètre dans celui-ci de manière à ce que l'oxygène contenu dans l'air soit séparé de l'azote puis rejeté au niveau de la sortie 5a. Au fur et à mesure de l'alimentation en air, la pression P1 au niveau de la sortie 2a du premier adsorbeur la augmente. 35 Parallèlement, l'ouverture de la vanne de régénération 9b permet au gaz retenu dans le second adsorbeur lb de s'échapper brutalement par le silencieux de purge 8. La pression dans le second adsorbeur lb passe classiquement d'environ 2,5 bars à 0 bar en une fraction de seconde, ce qui permet de désorber l'azote piégé dans le lit d'adsorbant. Puis, le second adsorbeur lb est balayé par un courant d'oxygène provenant de la liaison 10 entre les sorties 5a et 5b des premier et second adsorbeurs la et lb afin de terminer la désorption de l'azote. Toutefois, ce courant d'oxygène reste minime du fait de la présence d'un réducteur de débit 11. II s'agit de l'étape de saturation / régénération du premier adsorbeur la et de purge du second adsorbeur lb. Au terme d'une temporisation, la vanne 7a est ouverte. L'oxygène produit par le premier adsorbeur la traverse alors la vanne 7a et la conduite d'évacuation 6, puis est stocké dans le premier réservoir 14. II s'agit de l'étape de production d'oxygène à l'aide du premier adsorbeur la. Au terme d'une temporisation, les vannes 4a, 7a et 9b sont fermées. L'oxygène restant dans le premier adsorbeur la est dirigé vers le second adsorbeur lb, par l'intermédiaire de la conduite de liaison 10 et du réducteur de débit 11. Cette étape, représentée à la figure 8, est l'étape de pressurisation lente du second adsorbeur lb. Ensuite, comme cela est représenté à la figure 9, au terme d'une temporisation, la vanne d'équilibrage 13 est ouverte, de manière à équilibrer les pressions entre les deux adsorbeurs la, lb, classiquement de l'ordre de 2,5 bars. Il s'agit de l'étape d'équilibrage. Puis, au terme d'une temporisation, les vannes 4b et 9a sont ouvertes et la vanne d'équilibrage 13 est fermée, de manière à effectuer la saturation du second adsorbeur lb et, parallèlement, la purge du premier adsorbeur. De la même manière que précédemment, le cycle se poursuit par les étapes successives de production d'oxygène à l'aide du second adsorbeur lb, de pressurisation lente du premier adsorbeur la et d'équilibrage. Ces étapes ne sont pas représentées aux figures 6 à 9, ces dernières ne représentant que la moitié d'un cycle complet. Cependant, comme vu précédemment, le cycle est symétrique et les étapes relatives à l'adsorbeur la sont transposables à l'adsorbeur lb, et inversement. Parallèlement, lorsque de l'oxygène est distribué par l'intermédiaire de la conduite de distribution 18, la pression à l'intérieur du second réservoir 15 baisse progressivement. Lorsque celle-ci chute en dessous d'une valeur seuil basse, le surpresseur 16 est actionné de manière à alimenter le second réservoir 15 avec de l'oxygène issu du premier réservoir 14, jusqu'à ce que la pression détectée à l'interieur du second résevoir 15 dépasse une valeur seuil haute. De cette manière, le débit d'oxygène délivré est limité par le débit 5 fourni par le supresseur 16. Comme il va de soi l'invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation de cette installation et de ce procédé, décrites ci-dessus à titre d'exemple, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de fluide par adsorption à variation de pression, réalisé de manière cyclique, chaque cycle comportant au moins les 5 étapes consistant à : - alimenter en fluide un premier adsorbeur (la) contenant un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène dudit fluide, ledit premier adsorbeur (la) comportant une entrée (2a) d'alimentation en fluide et une sortie (5a) d'extraction de l'oxygène, 10 - stopper l'alimentation en fluide du premier adsorbeur (la), - alimenter une conduite d'évacuation (6) avec l'oxygène produit par le premier adsorbeur (la), - stopper l'extraction d'oxygène du premier adsorbeur (la), - purger le fluide restant dans le premier adsorbeur (la), 15 - alimenter un second adsorbeur (lb), contenant un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène dudit fluide, ledit second adsorbeur (lb) comportant une entrée (2b) d'alimentation en fluide et une sortie (5b) d'extraction de l'oxygène, - stopper l'alimentation en fluide du second adsorbeur (lb), - alimenter une conduite d'évacuation (6) avec l'oxygène produit par le second 20 adsorbeur (lb), - stopper l'extraction d'oxygène du second adsorbeur (lb), - purger le fluide restant dans le second adsorbeur (lb), caractérisé en ce que l'oxygène alimentant la conduite d'évacuation (6) est stocké dans un premier réservoir (14), puis est amené sous pression dans un 25 second réservoir (15), par l'intermédiaire d'un surpresseur (16), lorsque la pression à l'intérieur du second réservoir (15) chute sous une valeur prédéterminée, l'oxygène contenu dans le second réservoir (15) étant destiné à être délivré, par exemple à un réseau de distribution. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sorties d'extraction (5a, 5b) des premier et second adsorbeurs (la, lb) sont reliés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une conduite de liaison (10), durant toute la durée du cycle. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide circulant dans la conduite de liaison traverse des moyens de limitation du débit (8). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extraction d'oxygène du premier adsorbeur (la), respectivement du second adsorbeur (1 b), est stoppée lorsque la durée de l'extraction dépasse une valeur prédéterminée. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alimentation en fluide du premier adsorbeur (la), respectivement du second adsorbeur (1 b), est stoppée lorsque la durée d'alimentation dépasse une valeur prédéterminée. 20 6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comportant un premier et un second adsorbeurs (la, 1 b), contenant un lit d'adsorbant apte à séparer l'oxygène dudit fluide, ledit premier adsorbeur comportant une entrée (2a, 2b) d'alimentation en fluide et une sortie (5a, 5b) d'extraction de l'oxygène, les entrées des premier et second 25 adsorbeurs étant chacune reliées, d'une part à une conduite d'alimentation (3) par l'intermédiaire d'une vanne d'alimentation (4a, 4b), et d'autre part à un silencieux de purge (8), par l'intermédiaire d'une vanne régénération (9a, 9b), les sorties des adsorbeurs étant chacune reliées à une conduite d'évacuation (6), par l'intermédiaire d'une vanne d'évacuation (7a, 7b), lesdites sorties étant 30 en outre reliées l'une à l'autre, notamment par l'intermédiaire d'une vanne d'équilibrage (13) et/ou par l'intermédiaire d'un réducteur de débit (11), caractérisée en ce que la conduite d'évacuation (6) comporte un premier et un second réservoirs (14, 15), le premier réservoir (14) étant disposé en aval du second réservoir (15) et étant relié à celui-ci par l'intermédiaire d'un 35 surpresseur (16) conçu pour amener de l'oxygène contenu dans le premier réservoir (14) vers le second réservoir (15), lorsque la pression à l'intérieur du 10 15second réservoir (15) chute en-dessous d'une valeur déterminée, l'oxygène contenu dans le second réservoir (15) étant destiné à être délivré, par exemple à un réseau de distribution. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le surpresseur (16) est de type pneumatique.