Brevet FR3023730A1 — publié le 20160122

La présente invention concerne dispositif et procédé de purification d'un mélange gazeux ainsi qu'un générateur d'azote correspondant. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de purification d'un mélange gazeux par adsorption par variation de pression comprenant au moins deux colonnes d'adsorbant sélectif d'un gaz de l'air, les au moins deux colonnes étant raccordées en parallèles à une source de gaz sous pression via un circuit comportant un système de vannes dans lequel au moins l'une des colonnes est reliée à la source via un dispositif de régulation de débit. Le remplissage d'un récipient, notamment d'une colonne d'un dispositif de séparation par variation de pression (PSA) est réalisé via une vanne permettant de réguler le débit entre une source de pression et le récipient. À l'ouverture de la vanne, en cas de forte différence de pression entre l'amont de la vanne (source de pression) et le récipient (colonne de PSA) cela peut entraîner un fort débit qui peut momentanément faire baisser la pression en amont de la vanne. Cette chute de pression peut être un problème si d'autres applications (d'autres colonnes ou organes) dépendent de ce niveau de pression en amont de la vanne. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le selon dispositif l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le dispositif de régulation de débit comprend une conduite de transfert munie d'une extrémité amont reliée à la source et une extrémité aval reliée à la colonne, ladite conduite de transfert comprenant, entre ses extrémités amont et aval, une première et une seconde vannes disposées en série, le dispositif de régulation de débit comprenant une conduite de dérivation de la première vanne, ladite conduite de dérivation comprenant une première extrémité reliée à l'extrémité amont de la conduite de transfert et une seconde extrémité raccordée entre les première et une seconde vannes, la conduite de dérivation comprenant un organe de limitation de débit, la première vanne étant sensible au différentiel entre les extrémités amont et aval de la conduite de transfert et étant conformée pour passer de l'état fermé à l'état ouvert uniquement lorsque le différentiel de pression entre l'extrémité amont et l'extrémité aval est inférieur à un seuil déterminé, de sorte que tant que le différentiel de pression entre l'extrémité amont et l'extrémité aval est supérieur audit seuil, le transfert de fluide de l'extrémité amont vers l'extrémité aval est possible uniquement lorsque la seconde vanne ouverte et via l'organe de limitation de débit de la conduite de dérivation. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les premières et secondes vannes sont des vannes pneumatiques, - la seconde vanne est une vanne pilotée, - la première vanne est une vanne à double action à piston pilotée pneumatiquement, c'est-à-dire une vanne comprenant un piston mobile assurant l'ouverture ou la fermeture de la conduite selon le différentiel de pression entre une première chambre de travail et une seconde chambre de travail reliées fluidiquement au piston, la première chambre de travail de la première vanne étant raccordée à l'extrémité aval de la conduite de transfert via une première conduite de commande tandis que la seconde chambre de travail de la première vanne est raccordée à l'extrémité amont de la conduite de transfert via une seconde conduite de commande, - la seconde conduite de commande comprend un organe de régulation de pression pour régler le seuil du différentiel de pression à un niveau déterminé, - le seuil est compris entre zéro et quatre bar et de préférence égale à zéro bar, - l'organe de limitation de débit est réglable, - les au moins deux colonnes d'adsorbant sont à adsorption sélective d'oxygène pour produire un gaz enrichi en azote. L'invention concerne également un générateur d'azote comprenant un dispositif de purification selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. L'invention concerne également un procédé de purification d'un mélange gazeux par adsorption par variation de pression via un dispositif de purification conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans lequel, partant d'un état dans lequel les première et une seconde vannes sont fermées, le procédé comporte : une étape d'ouverture de la seconde vanne, une étape de transfert du gaz depuis la source vers l'extrémité aval uniquement via l'organe de limitation de débit de la conduite de dérivation et la seconde vanne ouverte, puis, lorsque le différentiel de pression entre l'extrémité aval et l'extrémité amont devient inférieur ou égale audit seuil, une étape d'ouverture automatique de la première vanne et une étape de transfert de gaz de la source vers l'extrémité aval via les deux vannes ouvertes. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de dispositif de purification d'un mélange gazeux, - la figure 2 représente une vue schématique et partielle d'un détail d'un dispositif de purification selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un exemple de vanne pneumatique pouvant être utilisée dans le dispositif de la figure 2. La figure 1 représente schématiquement un dispositif de purification d'un mélange gazeux par adsorption par variation de pression comprenant trois colonnes 13, 14, 15 d'adsorbant sélectif d'un gaz de l'air, par exemple des colonnes de tamis moléculaire adsorbant l'oxygène pour produire un gaz enrichi en azote à partir d'air comprimé. En amont, les colonnes 13, 14, 15 sont raccordées en parallèles à une source S de gaz sous pression via un circuit 16 comportant un système 17 de vanne(s). En aval, les colonnes 14, 15 sont raccordées en parallèles à une sortie via un circuit 19 aval comportant un système 20 de vanne(s). La figure 2 illustre un détail d'un dispositif de purification comprenant deux colonnes 13, 14 d'adsorption raccordées en parallèle à la source S de gaz sous pression à purifier chacune via un dispositif de régulation 100 de débit. Chaque dispositif 100 de régulation de débit comprend une conduite 2 de 30 transfert munie d'une extrémité 12 amont reliée à la source S et une extrémité 22 aval reliée à la colonne 13, 14, 15. La conduite 2 de transfert comprend, entre ses extrémités amont 12 et aval 22, une première vanne 3 et une seconde vanne 4 disposées en série. 3023 730 4 Le dispositif 100 de régulation de débit comprend également une conduite 10 de dérivation de la première vanne 3. Cette conduite 10 de dérivation comporte un organe 11 de limitation de débit, par exemple un orifice calibré, de préférence réglable ou une vanne 5 appropriée. La conduite 10 de dérivation a une première extrémité reliée à l'extrémité amont 12 de la conduite 2 de transfert et une seconde extrémité raccordée entre les premières 3 et secondes vannes 4. La première vanne 3 est une vanne sensible au différentiel entre les 10 extrémités amont 12 et aval 22 de la conduite 2 de transfert. C'est-à-dire que l'ouverture ou la fermeture est de cette première vanne 3 (et donc de la conduite 2) est fonction ou dépendante du différentiel de pression précité. De plus, cette première vanne 3 est conformée pour passer de l'état fermé à l'état ouvert uniquement lorsque le différentiel de pression entre l'extrémité 12 amont et 15 l'extrémité 22 aval est inférieur à un seuil déterminé. De cette façon, tant que le différentiel de pression entre l'extrémité 22 aval et l'extrémité 12 amont est supérieur audit seuil, le transfert de fluide de l'extrémité amont 12 vers l'extrémité aval est possible uniquement via l'organe 11 de limitation de débit de la conduite 10 de dérivation et la seconde vanne 4 ouverte. 20 Cette configuration permet de limiter la chute de pression en amont des vannes 3, 4 en assurant une montée en pression progressive le récipient aval (colonne 13, 14). Cette montée en pression progressive est réalisée sur une plage de pression qui peut être réglable avec un débit limité (via la conduite 10 de dérivation). 25 Lorsque la pression du gaz en aval des vannes (dans la colonne 13 ou 14) atteint un niveau suffisant déterminé, le différentiel de pression de part et d'autre de la première vanne 3 permet son ouverture. Le gaz peut alors transiter à plus fort débit via les deux vannes 3, 4 ouvertes. Ceci permet de limiter les chutes de pression en entrée des générateurs de gaz PSA (notamment des générateurs d'azote). C'est-à-dire que la pression en amont des vannes 3, 4 (du côté de l'entrée du générateur) ne subit pas une diminution trop importante au moment d'un basculement pour remplir une colonne ayant une pression nettement plus basse. Cette limitation de la chute de pression est particulièrement avantageuse lorsque le dispositif fonctionne avec plusieurs colonnes 13, 14 dont les cycles de remplissage/production se chevauchent, c'est-à-dire que des étapes du processus PSA peuvent être simultanées pour deux colonnes. Dans un tel cas deux colonnes 13, 14 peuvent être simultanément alimentés en gaz source. Dans une telle situation, une chute de la pression du gaz qui alimente une colonne 13 (du fait de l'alimentation en gaz simultané de l'autre colonnel4) pendant sa phase de génération peut altérer son rendement. La structure et le fonctionnement décrits ci-dessus et ci-dessous permettent 10 d'éviter ce problème sans interdire aux cycles de fonctionnement de se chevaucher. Cette solution permet également d'éviter d'utiliser la solution qui consiste à prévoir un limiteur de débit en entrée de chaque colonne. Le dispositif selon l'invention peut ainsi être placé en amont de chaque colonne 13, 14 et permet d'augmenter progressivement la pression dans une 15 colonne pendant par exemple une phase de remplissage de la colonne avec du gaz sous pression tout en fournissant un débit de gaz suffisant pendant une phase de production. De préférence, les premières 3 et secondes vannes 4 sont des vannes pneumatiques. La seconde vanne 4 est par exemple une vanne pilotée, 20 notamment de façon pneumatique. De préférence, et comme illustré à la figure 3, la première vanne 3 peut être une vanne à double action à piston pilotée pneumatiquement. C'est-à-dire que la vanne 3 comprend un piston 5 mobile assurant l'ouverture ou la fermeture de la conduite 2 selon le différentiel de pression entre 25 une première chambre 6 de travail et une seconde chambre 7 de travail reliées fluidiquement au piston 5. Les première 6 et second 7 chambres de travail sont situées par exemple de part et d'autre d'une tête de piston mobile. La première chambre 6 de travail de la première vanne 3 est raccordée à l'extrémité 22 aval de la conduite 2 de transfert via une première conduite 9 de 30 commande (cf. figure 1). La seconde chambre 7 est raccordée à l'extrémité 12 amont de la conduite 2 de transfert via une seconde conduite 8 de commande. La seconde conduite 8 de commande comprend de préférence un organe 18 de régulation de pression (par exemple un détendeur de pression réglable) pour régler le seuil du différentiel de pression à un niveau déterminé. De cette façon, la seconde chambre 7 est maintenue à un niveau de pression constant déterminé qui définit le niveau de pression aval nécessaire pour permettre l'ouverture de la première vanne 3. De préférence, pour permettre l'ouverture de la première vanne 3, la pression dans la première chambre 6 doit excéder la pression dans la seconde 7 chambre. La valeur du seuil de différentiel de pression déterminé est par exemple comprise entre zéro et quatre_bar et de préférence égale à zéro bar. C'est-à-dire que, tant que la pression en aval des deux vannes 3, 4 (c'est-à-dire dans la colonne 13, 14 concernée et dans la première chambre 6) n'atteint pas la valeur de pression en amont des deux vannes 3, 4 (c'est-à-dire dans la première chambre 7) ou une valeur déterminée proche de cette dernière, la première vanne 3 est maintenue fermée pneumatiquement. Un processus de fonctionnement peut comporter trois phases successives : une phase de fermeture (deux vannes 3, 4) fermées, une phase dite de remplissage d'un récipient via la seconde vanne 4 (colonne 13 ou 14) et une phase de plein débit via les deux vannes 3, 4 ouvertes. Lors de la phase de fermeture les deux vannes 3, 4 en série sont fermées. Le système est fermé et le gaz sous pression au niveau de la source S en amont ne peut pas parvenir jusqu'au récipient (colonne(s) 13, 14). Lors de la phase de remplissage, l'ordre de remplir la colonne 13, 14 aval peut être donné par le pilotage de l'ouverture de la seconde vanne 4 (par exemple via une conduite 21 de pilotage pneumatique et/ou mécanique et/ou électrique). La colonne 13, 14 se remplit alors en gaz au travers de l'organe 11 de limitation débit qui permet de régler un débit suffisamment bas pour ne par faire chuter brutalement la pression du gaz en amont des vannes 3, 4. La pression d'ouverture réglée par le régulateur 18 de pression maintient fermée la première vanne 3 en maintenant la seconde chambre 7 sous pression. Lors de la phase suivante de plein débit, lorsque la colonne 13 atteint et dépasse le niveau de pression de la seconde chambre 7, le piston 5 est déplacé dans le sens de l'ouverture de la première vanne 3. Le débit de gaz provenant de la source S passe alors directement et sans restriction au travers des deux vannes 3, 4 jusqu'à la colonne 13, 14. Ce processus maintient une différence de pression minimale au moment de l'ouverture totale des vannes 3, 4 entre la source S en air et le récipient aval (colonne). Ceci permet d'éviter les à-coups de débits. REVENDICATIONS1. Dispositif de purification d'un mélange gazeux par adsorption par variation de pression comprenant au moins deux colonnes (13, 14, 15) d'adsorbant sélectif d'un gaz de l'air, les au moins deux colonnes (13, 14, 15) étant raccordées en parallèles à une source (S) de gaz sous pression via un circuit (16) comportant un système (17) de vannes dans lequel au moins l'une des colonnes (13, 14, 15) est reliée à la source (S) via un dispositif de régulation (100) de débit, le dispositif (100) de régulation de débit comprenant une conduite (2) de transfert munie d'une extrémité (12) amont reliée à la source (S) et une extrémité (22) aval reliée à la colonne (13, 14, 15), ladite conduite (2) de transfert comprenant, entre ses extrémités amont (12) et aval (22), une première (3) et une seconde (4) vannes disposées en série, le dispositif (100) de régulation de débit comprenant une conduite (10) de dérivation de la première (3) vanne, ladite conduite (10) de dérivation comprenant une première extrémité reliée à l'extrémité amont (12) de la conduite (2) de transfert et une seconde extrémité raccordée entre les première (3) et une seconde vannes (4), la conduite (10) de dérivation comprenant un organe (11) de limitation de débit, la première vanne (3) étant sensible au différentiel entre les extrémités amont (12) et aval (22) de la conduite (2) de transfert et étant conformée pour passer de l'état fermé à l'état ouvert uniquement lorsque le différentiel de pression entre l'extrémité (12) amont (22) et l'extrémité aval est inférieur à un seuil déterminé, de sorte que tant que le différentiel de pression entre l'extrémité (12) amont et l'extrémité (22) aval est supérieur audit seuil, le transfert de fluide de l'extrémité amont (12) vers l'extrémité aval est possible uniquement lorsque la seconde vanne (4) ouverte et via l'organe (11) de limitation de débit de la conduite (10) de dérivation. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les premières (3) et secondes vannes (4) sont des vannes pneumatiques. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la seconde vanne (4) est une vanne pilotée. 3023 730 9 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première vanne (3) est une vanne à double action à piston pilotée pneumatiquement, c'est-à-dire une vanne comprenant un piston (5) mobile assurant l'ouverture ou la fermeture de la conduite (2) selon 5 le différentiel de pression entre une première chambre (6) de travail et une seconde chambre (7) de travail reliées fluidiquement au piston (5), la première chambre (6) de travail de la première (3) vanne étant raccordée à l'extrémité (22) aval de la conduite (2) de transfert via une première conduite (9) de commande tandis que la seconde chambre (7) de travail de la 10 première (3) vanne est raccordée à l'extrémité (12) amont de la conduite (2) de transfert via une seconde conduite (8) de commande. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde conduite (8) de commande comprend un organe (18) de régulation de pression pour régler le seuil du différentiel de pression à un niveau 15 déterminé. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le seuil est compris entre zéro et quatre bar et de préférence égale à zéro bar. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 20 caractérisé en ce que l'organe (11) de limitation de débit est réglable. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les au moins deux colonnes (13, 14, 15) d'adsorbant sont à adsorption sélective d'oxygène pour produire un gaz enrichi en azote. 9. Générateur d'azote comprenant un dispositif de purification selon la 25 revendication 8. 10.Procédé de purification d'un mélange gazeux par adsorption par variation de pression via un dispositif de purification conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, partant d'un état dans lequel les première (3) et une seconde (4) vannes sont fermées, le 30 procédé comporte : une étape d'ouverture de la seconde vanne (4), une étape de transfert du gaz depuis la source (S) vers l'extrémité aval (22) uniquement via l'organe (11) de limitation de débit de la conduite (10) de dérivation et la seconde vanne (4) ouverte, puis, lorsque le différentiel depression entre l'extrémité (22) aval et l'extrémité (12) amont devient inférieur ou égale audit seuil, une étape d'ouverture automatique de la première vanne (3) et une étape de transfert de gaz de la source (S) vers l'extrémité aval (22) via les deux vannes (3, 4) ouvertes.5