Brevet FR3111281A1 — publié le 20211217

L’invention concerne un procédé de gestion d’une unité (100) PSA comportant : au moins N adsorbeurs (1-12) agencés par paires (21-26), chaque paire (21-26) étant agencée pour être isolée sélectivement, un dispositif de commande, une pluralité d’interfaces pour l’accès à des moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur (1-12), caractérisé en ce que lorsqu’une première paire (21-26) est isolée fluidiquement, la première paire (21-26) comportant un premier et un deuxième adsorbeur, l’isolation d’un troisième adsorbeur comporte les étapes de : paramétrer le dispositif de commande pour commander N-4 adsorbeurs, isoler fluidiquement une deuxième paire (21-26) comportant le troisième et un quatrième adsorbeur, isoler l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur, configurer les interfaces de sorte à intervertir les moyens d’instrumentation de l’autre des premier et deuxième adsorbeurs et les moyens d’instrumentation du quatrième adsorbeur, mettre en communication fluidique les première et deuxième paires, paramétrer le dispositif de commande pour commander N-2 adsorbeurs. Figure d’abrégé : Fig. 1 Procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression La présente invention concerne un procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression (PSA, pour « Pressure Swing Adsorption ») notamment pour produire un flux gazeux enrichi à partir d’un flux gazeux d’alimentation, et plus particulièrement les unités de traitement par adsorption à modulation de pression (unité PSA) mettant en œuvre au moins 6 adsorbeurs. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec des PSA H2, O2 ou CO2. De manière générale, un procédé par adsorption en phase gazeuse permet de séparer une ou plusieurs molécules d’un mélange gazeux les contenant, en exploitant la différence d’affinité d’un ou plusieurs adsorbants pour les différentes molécules constitutives du mélange. L’affinité d’un adsorbant pour une molécule dépend d’une part de la structure et la composition de l’adsorbant et d’autre part des propriétés de la molécule, en particulier sa taille, sa structure électronique et ses moments multipolaires. Un adsorbant peut être par exemple une zéolite, un charbon actif, une alumine activée éventuellement dopée, un gel de silice, un tamis moléculaire carboné, une structure métallo-organique, un oxyde ou hydroxyde de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ou une structure poreuse contenant de préférence une substance capable de réagir réversiblement avec les molécules, substance telle que amines, solvants physique, complexants métalliques, oxydes ou hydroxydes métalliques par exemple. Les matériaux adsorbants les plus classiques sont sous forme de particules (billes, bâtonnets, concassés…) mais existent également sous forme structurée tels les monolithes, roues, contacteurs à passages parallèle, tissus, fibres… On peut distinguer 3 grandes familles de procédé par adsorption : les procédés à charge perdue, les procédés à modulation de température appelés TSA (Température Swing Adsorption) et enfin les procédés PSA (Pressure Swing Adsorption). Dans les procédés à charge perdue, on met en place une nouvelle charge lorsque celle en cours d’utilisation est saturée par les impuretés ou plus généralement quand elle ne peut plus jouer son rôle de protection de manière suffisante. Dans les procédés de type TSA, l’adsorbant en fin d’utilisation est régénéré in situ, c'est-à-dire que les impuretés arrêtées sont évacuées afin que le dit adsorbant récupère l’essentiel de ses capacités d’adsorption et puisse recommencer un cycle d’épuration, l’effet de régénération essentiel étant dû à une élévation de température. Enfin, dans les procédés de type PSA, l’adsorbant en fin de phase de production est régénéré par la désorption des impuretés obtenue au moyen d’une baisse de leur pression partielle. Cette baisse de pression peut être obtenue par une baisse de la pression totale et/ ou par balayage avec un gaz exempt ou contenant peu d’impuretés. Les procédés par adsorption modulée en pression sont utilisés aussi bien pour éliminer des traces d’impuretés, par exemple de teneur inférieure à un pourcent dans le gaz d’alimentation, que pour séparer des mélanges contenant des dizaines de pourcents de différents gaz. Dans le premier cas, on parle généralement d’épuration (par exemple un séchage de gaz) et de séparation dans le second cas (par exemple une production d’oxygène ou d’azote à partir d’air atmosphérique). Dans le cadre de la présente invention, on désigne par le terme PSA, tout procédé d’épuration ou de séparation de gaz mettant en œuvre une variation cyclique de la pression que voit l’adsorbant entre une pression haute, dite pression d’adsorption, et une pression basse, dite pression de régénération. Ainsi, cette appellation générique de PSA est employée indifféremment pour désigner les procédés cycliques suivants, auxquels il est aussi courant de donner des noms plus spécifiques en fonction des niveaux de pression mis en jeu ou du temps nécessaire à un adsorbeur pour revenir à son point initial (temps de cycle) : - les procédés VSA dans lesquels l’adsorption s’effectue sensiblement à la pression atmosphérique, préférentiellement entre 0.95 et 1.25 bar abs et la pression de désorption est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement de 50 à 400 mbar abs ; - les procédés MPSA ou VPSA dans lesquels l’adsorption s’effectue à une pression haute supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 1.5 et 6 bar abs, et la désorption à une pression basse inférieure à la pression atmosphérique, généralement comprise entre 200 et 600 mbar abs ; - les procédés PSA proprement dits dans lesquels la pression haute est sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 3 et 50 bar abs et la pression basse sensiblement égale ou supérieure à la pression atmosphérique, généralement entre 1 et 9 bar abs ; - les procédés RPSA (Rapid PSA) pour lesquels la durée du cycle de pression est typiquement inférieure à la minute ; - les procédés URPSA (Ultra Rapid PSA) pour lesquels la durée du cycle de pression est de l’ordre de quelques secondes maximum. Il convient de noter que ces diverses appellations ne sont pas standardisées et que les limites sont sujettes à variation. On rappelle que sauf avis contraire, l’utilisation du terme PSA recouvre ici toutes ces variantes. Un adsorbeur va donc commencer une période d’adsorption jusqu’à ce qu’il soit chargé dans le ou les constituants à arrêter à la pression haute puis va être régénéré par dépressurisation et extraction des composés adsorbés avant d’être remis en état pour recommencer une nouvelle période d’adsorption. L’adsorbeur a alors effectué un cycle de pression et le principe même du procédé PSA est d’enchaîner ces cycles les uns après les autres ; il s’agit donc d’un procédé cyclique. Le temps que met un adsorbeur pour revenir dans son état initial est appelé temps de cycle. Par principe, chaque adsorbeur suit le même cycle avec un décalage temporel qu’on appelle temps de phase ou plus simplement phase. On a donc la relation : temps de phase = temps de cycle / nombre d’adsorbeurs. On voit que le nombre de phases est égal au nombre d’adsorbeurs. Ce cycle comporte généralement des périodes parmi : - Production ou Adsorption au cours de laquelle le gaz d’alimentation est introduit par une des extrémités de l’adsorbeur, les composés les plus adsorbables sont adsorbés préférentiellement et le gaz enrichi en composés les moins adsorbables (gaz produit) est extrait par la seconde extrémité. L’adsorption peut se faire à pression montante, à pression sensiblement constante, voire à pression légèrement descendante ; - Dépressurisation au cours de laquelle l’adsorbeur qui n’est plus alimenté en gaz d’alimentation est évacué par au moins une de ses extrémités d’une partie des composés contenus dans l’adsorbant et les volumes libres. En prenant comme référence le sens de circulation du fluide en période d’adsorption, on peut définir des dépressurisations à co-courant, à contre-courant ou simultanément à co-courant et contre-courant ; - Elution ou Purge, au cours de laquelle un gaz enrichi en les constituants les moins adsorbables (gaz de purge) circule à travers le lit d’adsorbant afin d’aider à la désorption des composés les plus adsorbables. La Purge se fait généralement à contre-courant ; - Repressurisation au cours de laquelle l’adsorbeur est au moins partiellement repressurisé avant de reprendre une période d’Adsorption. La repressurisation peut se faire à contre-courant et/ou à co-courant ; - Temps mort au cours de laquelle l’adsorbeur reste dans le même état. Ces temps morts peuvent faire partie intégrante du cycle, permettant la synchronisation d’étapes entre adsorbeurs ou faire partie d’une étape qui s’est terminée avant le temps imparti. Les vannes peuvent être fermées ou rester en l’état, selon les caractéristiques du cycle. On connaît des unités de traitement par adsorption à modulation de pression (unités PSA) comportant un nombre N d’adsorbeurs, N étant un nombre pair supérieur ou égal à 6, par exemple N = 6, 8, 10 ou 12. Dans ce type d’unités, les adsorbeurs sont agencés par paires de sorte qu’il est possible d’isoler fluidiquement les deux adsorbeurs d’une paire, lorsqu’une défaillance est détectée au niveau d’au moins un adsorbeur de la paire, par exemple une fuite de gaz. Cette isolation est réalisée au moyen d’une vanne d’isolation. Lorsqu’une paire d’adsorbeurs est isolée fluidiquement, il est alors possible de paramétrer l’unité de sorte qu’elle fonctionne sur la base de N-2 adsorbeurs. Un problème peut apparaître lorsqu’un autre adsorbeur, appartenant à une autre paire, devient défectueux. L’isolation de cette autre paire nécessite de paramétrer l’unité pour fonctionner sur la base de N-4 adsorbeurs. Le rendement de cette unité est alors fortement réduit. En outre, il existe au moins deux adsorbeurs de l’unité, à savoir un adsorbeur dans chaque paire isolée, qui se retrouvent inexploités bien qu’ils soient en parfait état de fonctionnement. Cette situation n’est pas optimale. La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression, l’unité comportant : au moins N adsorbeurs, N étant un nombre pair supérieur ou égal à 6, les N adsorbeurs étant agencés par paires, chaque paire étant agencée pour être isolée sélectivement, de sorte que l’isolation d’une paire permette l’isolation fluidique des deux adsorbeurs de la paire, par rapport à l’unité, un dispositif de commande, une pluralité d’interfaces pour l’accès à des moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur, caractérisé en ce que lorsqu’une première paire est isolée fluidiquement par rapport à l’unité, la première paire comportant un premier adsorbeur et un deuxième adsorbeur, et le dispositif de commande étant configuré pour commander seulement N-2 adsorbeurs de l’unité, l’isolation d’un troisième adsorbeur comporte les étapes de : paramétrer le dispositif de commande pour commander seulement N-4 adsorbeurs de l’unité, isoler fluidiquement une deuxième paire par rapport à l’unité, la deuxième paire comportant le troisième adsorbeur et un quatrième adsorbeur, isoler fluidiquement l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur, configurer les interfaces de sorte à intervertir les moyens d’instrumentation de l’autre des premier et deuxième adsorbeurs et les moyens d’instrumentation du quatrième adsorbeur, mettre en communication fluidique les première et deuxième paires par rapport à l’unité, paramétrer le dispositif de commande pour commander seulement N-2 adsorbeurs de l’unité. L'invention permet ainsi d’optimiser le procédé de production d’un gaz d’une unité de traitement par adsorption à modulation de pression, lorsqu’au moins deux adsorbeurs appartenant à deux paires distinctes sont défectueux. Selon une réalisation, le dispositif de commande est configuré pour permettre à l’unité de fonctionner avec au moins une paire d’adsorbeurs isolés. Selon une réalisation, le procédé est mis en œuvre, sans arrêter l’unité, de sorte que la production soit ininterrompue. Selon une réalisation, l’unité comporte une pluralité de vannes d’isolation, l’isolation d’une paire étant réalisée par la fermeture d’au moins une des vannes d’isolation. Selon une réalisation, l’unité comporte une pluralité de vannes de cycle, pour contrôler le cycle de pression de chaque adsorbeur. Selon une réalisation, les vannes de cycle sont distinctes des vannes d’isolation. Selon une réalisation, le procédé comporte l’étape d’installer des bouchons hermétiques pour l’isolation fluidique de l’un des premier et deuxième et du troisième adsorbeur. Selon une réalisation, les bouchons hermétiques comportent chacun un joint à lunette ou une bride pleine. Selon une réalisation, le procédé comporte l’étape de retirer ou désactiver une pluralité de vannes de cycle, notamment de retirer ou désactiver les vannes de cycles qui sont en vis-à-vis des bouchons hermétiques. Selon une réalisation, le procédé comporte l’étape de purger l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur. Selon une réalisation, le procédé comporte l’étape d’inerter l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur. Selon une réalisation, les interfaces comportent des câbles, notamment électriques et/ou optiques, reliant les moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur au dispositif de commande, le procédé comportant notamment l’étape de permuter l’extrémité des câbles reliée aux moyens d’instrumentation de l’autres des premier et deuxième adsorbeur avec l’extrémité des câbles reliée aux moyens d’instrumentation du troisième adsorbeur. Selon une réalisation, les moyens d’instrumentation comportent des capteurs, notamment des capteurs de pression et des commutateurs de vannes. Selon une réalisation, l’unité comporte 12 adsorbeurs. Selon une réalisation, l’unité est agencée pour produire du dihydrogène. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention. La est une représentation schématique d’une unité PSA dans laquelle le procédé selon l’invention est mis en œuvre ; La est une représentation schématique de l’unité PSA de la , dans laquelle une paire est isolée ; La est une représentation schématique de l’unité PSA de la , dans laquelle une autre paire est isolée ; La est une représentation schématique de l’unité PSA de la , mettant en œuvre le procédé selon l’invention. En référence à la , on a représenté une unité PSA 100 mettant en œuvre 12 adsorbeurs 1-12. Cette unité PSA 100 est configurée de sorte à comporter 6 paires 21-26 d’adsorbeurs (une paire comportant les adsorbeurs 1 et 2, une autre paire comportant les adsorbeurs 3 et 4, etc.). Chaque paire 21-26 de l’unité PSA 100 est agencée pour être isolée sélectivement, de sorte que l’isolation d’une paire permette l’isolation fluidique des deux adsorbeurs de la paire, par rapport à l’unité 100. Plus précisément, chaque paire 21-26 peut être isolée vis-à-vis du reste de l’unité 100 par une vanne d’isolation non représentée. Le choix de regrouper les adsorbeurs 1-12 par paires 21-26 pour l’isolation d’au moins un adsorbeur 1-12 de l’unité est un compromis entre la souplesse d’utilisation et la complexité des installations techniques de l’unité PSA 100. L’unité 100 comporte en outre une pluralité de vannes de cycle et un dispositif de commande pour commander les vannes de cycle, pour assurer le cycle de pression. Chaque adsorbeur 1-12 est ainsi commandé par des vannes de cycle qui lui sont attachées. L’unité 100 comporte en outre une pluralité d’interfaces pour l’accès à des moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur 1-12. Plus précisément, ces interfaces comportent des câbles électriques, reliant les moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur 1-12 au dispositif de commande. Les moyens d’instrumentation comportent des capteurs de pression et des commutateurs de vannes de cycle. Ainsi, le dispositif de commande peut lire les informations délivrées par les capteurs et commander les vannes de cycle de chaque adsorbeur 1-12. Lorsqu’un défaut est détecté sur un des adsorbeur 1-12 (ou bien pour réaliser une opération de maintenance sur un des adsorbeurs 1-12), on peut choisir d’isoler fluidiquement une des paires 21-26 en actionnant la vanne d’isolation de cette paire 21-26. Avant de procéder à l’isolation de la paire 21-26, on commence par configurer le dispositif de commande pour qu’il commande seulement 10 des 12 adsorbeurs de l’unité (le dispositif de commande est pré-configuré pour être en mesure de commander sélectivement soit la totalité des 12 adsorbeurs de l’unité, soit 10, soit 8, soit 6 des adsorbeurs de l’unité. Dans tous les cas, le cycle sera adapté à la configuration retenue. Dès lors que le dispositif de commande est configuré pour commander seulement 10 des 12 adsorbeurs de l’unité 100, on procède à l’isolation fluidique de la paire que l’on souhaite isoler. Cette isolation est réalisée par un actionnement manuel de la vanne d’isolation attachée à la paire considérée. La montre l’unité 100 de la dans laquelle on a isolé fluidiquement une première paire 23, comportant un premier adsorbeur 5 et un deuxième adsorbeur 6, par rapport aux autres adsorbeurs de l’unité 100. L’unité 100 fonctionne alors avec seulement 10 adsorbeurs (ceux qui appartiennent aux paires 21, 22, 24, 25 et 26). Dans ces conditions de fonctionnement de l’unité PSA 100, et alors que l’on souhaite isoler fluidiquement un troisième adsorbeur 8 de l’unité 100, on met en œuvre le procédé suivant. En référence à la , on commence par paramétrer le dispositif de commande pour qu’il commande seulement 8 adsorbeurs de l’unité 100 (dans l’exemple de la , les adsorbeurs des paires 21,22,25,26. Ensuite, on isole fluidiquement une deuxième paire 24 vis-à-vis de l’unité 100. Cette paire 24 comporte le troisième adsorbeur 8 et un quatrième adsorbeur 7. Partant du principe que le deuxième adsorbeur 6 et le troisième adsorbeur 8 sont défectueux et que le premier adsorbeur 5 et le quatrième adsorbeur 7 sont opérationnels, le procédé va permettre la remise en service des premier 5 et quatrième 7 adsorbeurs afin d’améliorer le rendement de l’unité 100. On isole fluidiquement les deuxième 6 et troisième 8 adsorbeurs vis-à-vis des autres adsorbeurs de l’unité 100. Cette opération est réalisée par la pose de joints à lunette faisant office de bouchons hermétiques de sorte à empêcher toute fuite de gaz de l’unité 100, tout en permettant une isolation de ces deuxième 6 et troisième 8 adsorbeurs. Cette isolation étant maintenant indépendante de l’isolation de la paire à laquelle ils appartiennent. Les vannes de cycles commandant ces deuxième 6 et troisième 8 adsorbeurs peuvent être retirées. Les deuxième 6 et troisième 8 adsorbeurs sont ensuite purgés et inertés afin de permettre des opérations de maintenance sans risque lié à la présence de gaz dangereux. En référence à la , on configure l’unité 100 de sorte à permettre le réemploi des premier 5 et quatrième 7 adsorbeurs au sein de l’unité 100. On permute l’extrémité (ou le connecteur) des câbles électriques qui est reliée aux moyens d’instrumentation du premier adsorbeur 5 avec l’extrémité des câbles électriques qui est reliée au troisième adsorbeur 8. Ainsi, le dispositif de commande, lorsqu’il cherche à commander le troisième adsorbeur 8, commandera en réalité le premier adsorbeur 5. Par cette permutation des câbles électriques, le dispositif de commande sera en mesure de gérer les premier 5 et quatrième 7 adsorbeurs, comme si ils appartenaient à la deuxième paire 24. Le procédé comporte ensuite l’étape de mettre en communication fluidique les première 23 et deuxième 24 paires par rapport à l’unité, en ouvrant les vannes d’isolation respectives. À noter que grâce aux bouchons hermétiques, les deuxième 6 et troisième 8 adsorbeurs restent isolés fluidiquement par rapport aux autres adsorbeurs de l’unité 100. Le procédé comporte ensuite l’étape de parémétrer le dispositif de commande pour commander seulement 10 adsorbeurs de l’unité (les deuxième 6 et troisième 8 adsorbeurs n’étant pas utilisés). Procédé de gestion d’une unité (100) de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression, l’unité (100) comportant : au moins N adsorbeurs (1-12), N étant un nombre pair supérieur ou égal à 6, les N adsorbeurs (1-12) étant agencés par paires (21-26), chaque paire (21-26) étant agencée pour être isolée sélectivement, de sorte que l’isolation d’une paire (21-26) permette l’isolation fluidique des deux adsorbeurs de la paire (21-26), par rapport à l’unité (100), un dispositif de commande, une pluralité d’interfaces pour l’accès à des moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur (1-12), caractérisé en ce que lorsqu’une première paire (21-26) est isolée fluidiquement par rapport à l’unité (100), la première paire (21-26) comportant un premier adsorbeur et un deuxième adsorbeur, et le dispositif de commande étant configuré pour commander seulement N-2 adsorbeurs de l’unité, l’isolation d’un troisième adsorbeur comporte les étapes de : paramétrer le dispositif de commande pour commander seulement N-4 adsorbeurs de l’unité (100), isoler fluidiquement une deuxième paire (21-26) par rapport à l’unité (100), la deuxième paire (21-26) comportant le troisième adsorbeur et un quatrième adsorbeur, isoler fluidiquement l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur, configurer les interfaces de sorte à intervertir les moyens d’instrumentation de l’autre des premier et deuxième adsorbeurs et les moyens d’instrumentation du quatrième adsorbeur, mettre en communication fluidique les première et deuxième paires par rapport à l’unité (100), paramétrer le dispositif de commande pour commander seulement N-2 adsorbeurs de l’unité (100). Procédé selon la revendication précédente, l’unité (100) comportant une pluralité de vannes d’isolation, l’isolation d’une paire (21-26) étant réalisée par la fermeture d’au moins une des vannes d’isolation. Procédé selon l’une des revendications précédentes, l’unité (100) comportant une pluralité de vannes de cycle, pour contrôler le cycle de pression de chaque adsorbeur (1-12). Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape d’installer des bouchons hermétiques pour l’isolation fluidique de l’un des premier et deuxième et du troisième adsorbeur. Procédé selon l’une des revendication 3 et 4, comportant l’étape de retirer ou désactiver une pluralité de vannes de cycle. Procédé selon l’une des revendications précédentes, comportant l’étape de purger l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur. Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape d’inerter l’un des premier et deuxième adsorbeurs et le troisième adsorbeur. Procédé selon l’une des revendications précédentes, les interfaces comportent des câbles reliant les moyens d’instrumentation de chaque adsorbeur (1-12) au dispositif de commande, le procédé comportant l’étape de permuter l’extrémité des câbles reliée aux moyens d’instrumentation de l’autres des premier et deuxième adsorbeurs avec l’extrémité des câbles reliée aux moyens d’instrumentation du troisième adsorbeur. Unité (100) de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression, pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’unité (100) comportant 12 adsorbeurs (1-12). Utilisation d’une unité (100) selon la revendication précédente pour produire du dihydrogène.