Brevet FR3002160A1 — publié le 20140822

La présente invention est relative à un procédé d'adsorption de type PSA (procédé d'adsorption à pression alternée) ou VPSA (PSA avec régénération sous vide) mettant en oeuvre des réservoirs de stockage / déstockage de gaz. La présente invention concerne en particulier un procédé PSA / VPSA mettant en oeuvre des réservoirs de stockage / déstockage soumis à des cycles de pressions de durée inférieure à 80 secondes, préférentiellement inférieure à 50 secondes, chaque cycle comportant plusieurs phases successives. C'est particulièrement le cas pour les procédés de production de type VPSA pour la production d'oxygène, les temps de cycles étant très courts pour réduire la dimension des adsorbeurs et la quantité des tamis moléculaire. Par ailleurs, il est connu de pouvoir améliorer les performances du cycle de production en augmentant le nombre de ces réservoirs et en adaptant les phases du cycle de production au nombre de réservoirs disponibles. Les procédés VSA / PSA (et TSA) sont des procédés cycliques en pression (et/ou température). Les équipements tels que les adsorbeurs ou réservoirs sont donc soumis à des contraintes mécaniques répétées. Ce type de sollicitation nécessite que les équipements soient mécaniquement dimensionnés pour résister à cette répétition de sollicitation. Cela se traduit généralement par des épaisseurs plus importantes et des calculs méthodiques approuvés par des Organismes Notifiés, et donc des couts plus importants que si la sollicitation était simplement statique. On parle de « dimensionnement à la fatigue ». Dans le cas présent, l'inconvénient est que ces réservoirs, soumis à des cycles de pression de durée inférieure à 80 secondes, nécessitent un dimensionnement à la fatigue qui rendent leur coût élevé, et donc minimise l'intérêt d'augmenter leur nombre. Les réservoirs étant généralement constitués chacun d'un virole, d'un fond supérieur et d'un fond inférieur, les fonds inférieurs sont généralement très pénalisés par un dimensionnement à la fatigue. Outre les contraintes mécaniques, les réservoirs sont soumis à des amplitudes de pression. De façon illustrative, un réservoir de stockage de la production 02 mis en oeuvre dans un VPSA à un temps de cycle de 80 secondes subira dans cette période des variations de pression d'une amplitude supérieure à 250 mbars. Ces amplitudes sont certes moins importantes que celles des adsorbeurs, qui voient dans la même période des variations de pression de l'ordre de 2 bars. Elles restent néanmoins suffisamment importantes pour imposer un dimensionnement mécanique contraignant au niveau des viroles et fonds. Partant de là, un problème qui se pose est fournir un procédé PSA / VPSA associé à un nouvel arrangement de réservoirs permettant un cycle de production amélioré. Une solution de la présente invention est un procédé d'adsorption à pression alternée (PSA ou VPSA) pour produire un flux gazeux enrichi en composé principal à partir d'un gaz de charge contenant le composé principal et au moins un constituant gazeux à éliminer, mettant en oeuvre : - au moins 2 adsorbeurs contenant chacun un ou plusieurs adsorbants, chaque adsorbeur étant soumis à un cycle de production, un réservoir de produit soumis à une amplitude de pression comprise entre 150 et 250 mbars, - un réservoir de stockage de gaz de purge soumis à une amplitude de pression comprise entre 150 et 300 mbars, caractérisé en ce que le réservoir de produit et le réservoir de stockage de gaz de purge sont assemblés de manière à comprendre une virole commune 1, un fond supérieur commun 2, un fond inférieur commun 3 et un fond interne 4 qui séparera les deux volumes au sein de la virole. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le cycle de pression auquel est soumis le réservoir produit (B45) a une durée inférieure à 80 secondes, de préférence inférieure à 60 secondes, encore plus préférentiellement inférieure à 40 secondes ; - le cycle de pression auquel est soumis le réservoir de stockage de gaz de purge (B46) a une durée inférieure à 80 secondes, de préférence inférieure à 60 secondes, encore plus préférentiellement inférieur à 40 secondes ; - le cycle de production auquel est soumis chaque adsorbeur présente une pression haute du cycle comprise entre 1 et 2 bars, préférentiellement entre 1,2 et 1,7 bars ; - le cycle de production auquel est soumis chaque adsorbeur présente une pression basse du cycle comprise entre 0,2 et 0,6 bars, préférentiellement entre 0,35 et 0,45 bars ; - le fond interne a de préférence une forme concave orientée vers l'intérieur du réservoir produit (B45). En effet, le fond interne a de préférence une forme privilégiant la résistance mécanique à la différence de pression. En effet, un des réservoirs (B45) étant soumis à des niveaux et cycles de pression supérieurs à la pression atmosphérique et l'autre réservoir (B46) à des niveaux et cycles de pression inférieurs à la pression atmosphérique, une forme réputée résistance au contraintes de pression sera privilégiée, telle que par exemple une forme dont la concavité sera orientée vers l'intérieur du réservoir produit (B45) (figure 1) ; - le cycle de production comprend les étapes successives suivantes : (a) la pressurisation d'au moins un premier adsorbeur jusqu'à la pression haute du cycle avec une charge du gaz de charge pour adsorber au moins en partie le constituant gazeux à éliminer ; (b) l'extraction à partir dudit premier adsorbeur jusqu' à ladite pression haute du cycle, d'un écoulement dudit flux gazeux enrichi en composé principal et le stockage d'au moins une partie dudit écoulement du flux gazeux enrichi en composé principal dans ledit réservoir de produit ; (c) la dépressurisation du premier adsorbeur et la désorption du flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer provenant du premier adsorbeur, dans un premier temps par transfert de gaz vers un deuxième adsorbeur puis, dans un deuxième temps, par l'utilisation conjuguée d'une pompe à vide ; avec pendant au moins une partie de l'étape c) l'amenée du gaz de purge se trouvant dans l'adsorbeur à un réservoir de stockage de gaz de purge fonctionnant sous vide, tout en désorbant simultanément ledit flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer par l'utilisation de la pompe à vide ; (d) l'arrêt de l'amenée dudit gaz de purge audit réservoir de stockage de gaz de purge ; (e) la poursuite de la désorption dudit flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer provenant du premier adsorbeur vers une région à une pression basse du cycle ; (f) la purge finale du premier adsorbeur en amenant audit premier adsorbeur une portion du gaz de purge provenant du réservoir de stockage du gaz de purge ; et (g) la repressurisation dudit premier adsorbeur avec au moins un flux gazeux provenant d'un deuxième adsorbeur subissant la dite étape c) ; - à l'étape (g) le premier adsorbeur est repressurisé avec au moins une fraction du flux gazeux enrichi en composé principal stocké dans le réservoir de produit ; - à l'étape d) la pression est comprise entre 0,5 et 0,7 bars ; - le rapport du volume du réservoir produit sur le volume du réservoir de stockage du gaz de purge est supérieur à 2,4, de préférence compris entre 2,5 et 3,5 ; - le réservoir produit (B45) et le réservoir de stockage (B46) du gaz de purge sont superposés au sein de la virole commune, d'orientation verticale, et tels que le réservoir de produit se situe au dessus du réservoir de stockage ; - le réservoir produit et le réservoir de stockage du gaz de purge sont superposés au sein de la virole commune, d'orientation sensiblement verticale, et tels que le réservoir de stockage se situe au dessus du réservoir de produit ; - le gaz de charge est de l'air ; - le composé principal est de l'oxygène ; - le flux gazeux enrichi en oxygène comprend 90% en volume d'oxygène et environ 95% en volume d'oxygène. De préférence, l'étape (a) de pressurisation est effectuée à partir d'une soufflante. Les amplitudes de pression auxquelles est soumis le réservoir de produit s'explique par les raisons suivantes : - pendant les étapes de pressurisation et d'extraction, le flux gazeux enrichi en composé principal est envoyé au réservoir de produit en quantité supérieure à la production de flux gazeux enrichi en composé principal, et la pression du réservoir de 25 produit augmente donc ; - pendant l'étape de dépressurisation, aucun flux enrichi en composé principal n'alimente le réservoir de produit, et la continuité de production est assurée par déstockage du réservoir de produit. La pression du réservoir de produit diminue donc. Les amplitudes de pression auxquelles est soumis le réservoir de stockage de gaz 30 de purge s'explique par les raisons suivantes : - pendant l'étape de dépressurisation, l'amenée du gaz de purge à un réservoir de stockage du gaz de purge entraîne une augmentation de la pression du dit réservoir de stockage, pendant l'étape de purge finale, l'amenée audit premier adsorbeur d'une portion du gaz de purge fait baisser la pression du réservoir de stockage du gaz de purge. Notons qu'en présence d'un procédé classique mettant en oeuvre des réservoirs de stockage distincts et des adsorbeurs suivant un cycle de production tel que défini dans l'invention, on dénombrerait 2 réservoirs de stockage comprenant chacun 1 fond inférieur, 1 fond supérieur et 1 virole, soit 4 fonds et 2 viroles. Dans le cas d'un procédé selon l'invention, on dénombre 2 réservoirs de stockage comprenant un fond supérieur commun, un fond inférieur commun et une virole, soit 2 fonds et 1 virole. Ces équipements étant soumis à des dispositions particulières liées aux sollicitations répétées de cycles de pression de faible période, il est très avantageux de pouvoir en économiser le nombre REVENDICATIONS1. Procédé d'adsorption à pression alternée (PSA ou VPSA) pour produire un flux gazeux enrichi en composé principal à partir d'un gaz de charge contenant le composé principal et au moins un constituant gazeux à éliminer, mettant en oeuvre : au moins 2 adsorbeurs contenant chacun un ou plusieurs adsorbants, chaque adsorbeur étant soumis à un cycle de production, un réservoir de produit (B45) soumis à une amplitude de pression comprise entre 150 et 250 mbars, un réservoir de stockage de gaz de purge (B46) soumis à une amplitude de pression comprise entre 150 et 300 mbars, caractérisé en ce que le réservoir de produit (B45) et le réservoir de stockage de gaz de 15 purge (B46) sont assemblés de manière à comprendre une virole commune (1), un fond supérieur commun (2), un fond inférieur commun (3) et un fond interne (4) qui séparera les deux volumes au sein de la virole. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle de pression 20 auquel est soumis le réservoir produit a une durée inférieure à 80 secondes, de préférence inférieure à 60 secondes, encore plus préférentiellement inférieure à 40 secondes. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le cycle de 25 pression auquel est soumis le réservoir de stockage de gaz de purge a une durée inférieure à 80 secondes, de préférence inférieure à 60 secondes, encore plus préférentiellement inférieur à 40 secondes. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cycle de 30 production auquel est soumis chaque adsorbeur présente une pression haute du cycle comprise entre 1 et 2 bars, préférentiellement entre 1,2 et 1,7 bars. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cycle de production auquel est soumis chaque adsorbeur présente une pression basse du cycle comprise entre 0,2 et 0,6 bars, préférentiellement entre 0,35 et 0,45 bars. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fond interne a de préférence une forme concave orientée vers l'intérieur du réservoir produit (B45). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cycle de production comprend les étapes successives suivantes : (a) la pressurisation d'au moins un premier adsorbeur jusqu'à la pression haute du cycle avec une charge du gaz de charge pour adsorber au moins en partie le constituant gazeux à éliminer (b) l'extraction à partir dudit premier adsorbeur jusqu' à ladite pression haute du cycle, d'un écoulement dudit flux gazeux enrichi en composé principal et le stockage d'au moins une partie dudit écoulement du flux gazeux enrichi en composé principal dans ledit réservoir de produit ; (c) la dépressurisation du premier adsorbeur et la désorption du flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer provenant du premier adsorbeur, dans un premier temps par transfert de gaz vers un deuxième adsorbeur puis, dans un deuxième temps, par l'utilisation conjuguée d'une pompe à vide ; avec pendant au moins une partie de l'étape c) l'amenée du gaz de purge se trouvant dans l'adsorbeur à un réservoir de stockage de gaz de purge fonctionnant sous vide, tout en désorbant simultanément ledit flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer par l'utilisation de la pompe à vide ; (d) l'arrêt de l'amenée dudit gaz de purge audit réservoir de stockage de gaz de purge ; (e) la poursuite de la désorption dudit flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer provenant du premier adsorbeur vers une région à une pression basse du cycle ; (f) la purge du premier adsorbeur en amenant audit premier adsorbeur une portion du gaz de purge provenant du réservoir de stockage du gaz de purge ; et (g) la repressurisation dudit premier adsorbeur avec au moins un flux gazeux provenant d'un deuxième adsorbeur subissant la dite étape c). 8. Procédé d'adsorption selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'à l'étape (g) le premier adsorbeur est repressurisé avec au moins une fraction du flux gazeux enrichi en composé principal stocké dans le réservoir de produit. 9. Procédé d'adsorption selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'à l'étape d) la pression est comprise entre 0,5 et 0,7 bars. 10. Procédé d'adsorption selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rapport du volume du réservoir produit sur le volume du réservoir de stockage du gaz de purge est supérieur à 2,4, de préférence compris entre 2,5 et 3,5. 11. Procédé d'adsorption selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le réservoir produit (B45) et le réservoir de stockage (B46) du gaz de purge sont superposés au sein de la virole commune, d'orientation verticale, et tels que le réservoir de produit se situe au dessus du réservoir de stockage. 12. Procédé d'adsorption selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le réservoir produit et le réservoir de stockage du gaz de purge sont superposés au sein de la virole commune, d'orientation sensiblement verticale, et tels que le réservoir de stockage se situe au dessus du réservoir de produit. 13. Procédé d'adsorption selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le gaz de charge est de l'air. 14. Procédé d'adsorption selon la revendication 12, caractérisé en ce que le composé principal est de l'oxygène. 15. Procédé d'adsorption selon la revendication 13, caractérisé en ce que le flux gazeux enrichi en oxygène comprend 90% en volume d'oxygène et environ 95% en 30 volume d'oxygène.