FR 2497121 A1 19820702 FR 8123928 A 19811222 2497 12 La présente invention concerne des perfectionnements apportés à un procédé et à un appareil de séparation par adsorption d'un mélange de gaz, ci-après nommé gaz mélangé, tel que de l'air. Il est bien connu que le rapport entre le gaz N2 et le gaz 2 entrànt dans la composition de l'air est de 4:1, et que le rapport entre la pression partielle du gaz N2 et du gaz 02 est également d'environ 4:1. La quantité de gaz ad- sorbée par un adsorbant varie en proportion de ces pressions partielles des gaz. Par exemple, quand on fait adsorber par un adsorbant du gaz O2 contenu dans l'air sous une pression de l'air de 5.105 Pa, la pression partielle du gaz 02 est d'environ 10 Pa. Si l'on réduit la pression de l'air de 5.10 Pa à 105 Pa, la pression partielle du gaz O tombe 2 alors à 0,2.10 Pa et la plus grande partie du gaz 2 ad- sorbée par l'adsorbant est désorbée. Mais dans un appareil de séparation par adsorption de dimensions pratiques, le gaz O2 adsorbé par l'adsorbant ne se désorbe pas quand on se contente de réduire la pression de l'air à 105 Pa. La raison en est que lorsque la pression de l'air dans la tour d'adsorption est abaissée à 10 Pa le gaz 2 est désorbé de l'adsorbant, ce qui fait que la pression partielle du gaz autour de l'adsorbant s'élève mais que cette pression partielle du gaz 02 autour de l'adsorbant ne baisse pas en raison du débit trop faible de l'air traversant la tour d'adsorption, le résultat étant que le gaz 2 se maintient autour de l'adsorbant, que la désorption du gaz 02 ne se poursuit pas et que le gaz 2 est maintenu adsorbé par l'ad- sorbant. On décrira maintenant avec référence à la fig. 1 une forme connue d'un apparail de séparation par adsorption de l'air permettant de résoudre le problème qui vient d'être mentionné. De l'air brut est envoyé par l'intermédiaire d'un tuyau d'alimentation principal a à un compresseur d'air b pouvant être équipé d'un post-refroidisseur, d'un sépara- teur à drain, etc.,-destinés à refroidir et déshumidifier l'air comprimé qui doit être normalement à une température élevée, et si nécessaire pourvu également d'un réfrigérateur 2. ou analogue. A l'aval du compresseur, le tuyau d'alimenta- tion principal a est subdivisé en deux branches cl, c2. Les tuyaux dl, e1 et d2, e2 de décharge du gaz retenu dans les cavités du matériau d'adsorption, et appelé ci-après gaz de cavité, sont montés en dérivation sur les tuyaux d'alimen- tation respectifs c1 et g2 et les valves s f6 soit pré- vues sur les tuyaux respectifs.susmentionnesc- C úl 1 ú2' do et e2. Une section de tuyau de décharge principal communique avec les tuyaux de décharge dl et d, et elle 13 est reliée a une pompe a vide h de laquelle part une sec- tion de tuyau de décharge principal im Une section de tuyau de décharge principal i communique également avec les tu- yaux de décharge e et Un tuyau collecteur commun k est prévu pour les tuyaux respectifs ci, d et e, alors qu'3un tuyau collecteur commun 1 est prévu pour les tuyaux respec- ti.s c2, d2 et et2 Les tuyaux collecteurs sOnt reliés P des cours d'adsorption respect!edes t et n remplies d'adsorbants désignés respectivement par m] et ni Les huyaus collecteurs 2 et P du gaz N2 sur lesquels sont montées des valves res- pectives a et r et qui partent des tours d'adsorption m et n parviennent à une section de tuyau de sortie commune s débouchant dans un réservoir t auquel est relie un tuyau de sortie principrl u. Les tours dadsorpXon et n sont agencées de manière à effectuer en alternance une opération d'adsorption-et une opération de désorptiono Supposant main- tenant que la tour d'adsorption m ait comrmencé une opération d'adsorption, les vannes f,1' sont alors ouvertes et les vannes f2' È3 sont fermées En conséquence, de l'air brut comprimé provenant du compresseur d'air b est envoyé par le tuyau d'alimentation principal a, le tuyau d'alimentation c1, la valve f et le tuyau collecteur k jusqu'à la tour d'ad- sorption m, et quand l'air brut traverse la tour d'adsorption m, le gaz 02 (qui est un gaz constituant de l'adsorbat) qui est contenu dans l'air brut est adsorbé par l'adsorbant ml, alors que du gaz N2 (qui est un gaz non présent dans l'ad- sorbat) est condensé et envoyé par le tuyau de sortie o, la valve a et la section de sortie de tuyau s au réservoir t et il est ensuite recueilli à l'extérieur du système sous 3. forme d'un produit utilisable par l'intermédiaire du tuyau de sortie principal u. Par ailleurs, quand la tour d'adsorp- tion m commence une opération d'adsorption telle que décrite ci-dessus, l'autre tour d'adsorption n commence une opéra- tion de désorption, la valve f6 s'ouvrant alors que les valves f, f5 et r se ferment. En conséquence, l'air rési- duel se trouvant autour de l'adsorbant n1 est déchargé à l'extérieur du système par le tuyau collecteur 1, la valve f6, le tuyau de déciarge,e et la section de tuyau de dé- chargey i. EmI;uite, îla valve I t-:iL [riféei eL la valve f -b - est ouverte. L'air résiduel se trouvant autour de l'adsor- bant n1 est de ce fait aspiré et déchargé à l'extérieur du système par le tuyau collecteur 1, la valve f5, le tuyau de décharge d2, la section de tuyau de décharge ô, la pompe à vide h et la section de tuyau de décharge i, ce qui abaisse la pression dans la tour d'adsorption n jusqu'à la pression partielle du gaz 02 lors de l'adsorption, le gaz 2 qui est adsorbé par l'adsorbant n_ étant de ce fait désorbé, ceci permettant de réactiver l'adsorbant ni. Bien que l'appareil de séparation par adsorption dé- crit ci-dessus, destiné à de l'air, puisse résoudre le pro- blème mentionné plus haut, il présente cependant un incon- vénient venant du fait que l'air pressurisé et contenant une forte concentration de 2 est déchargé à l'extérieur du sys- tème par les sections de tuyau de décharge principales J, i sans &tre utilisé. On a proposé divers procédés pour utiliser effective- ment ce gaz pressurisé, et un exemple de ces procédés est illustré à la fig. 2. Dans l'appareil de séparation par ad- sorption représenté à la fig. 2, une partie du gaz N2 qui a été séparé et condensé pendant une opération d'adsorption est envoyé par l'intermédiaire d'une valve de régulation de débit w dans une tour d'adsorption ayant terminé une opéra- tion de réduction de pression, et ainsi, en abaissant la pression partielle de l'air résiduel autour de l'adsorbant, le gaz 02 adsorbé par l'adsorbant est désorbé, et le gaz 2 désorbé est balayé et envoyé dans le tuyau de décharge i et par ailleurs, tout en ayant la possibilité de ne pas monter 4. une pompe à vide, une partie du gaz N2 qui a été séparé et condensé grâce à un travail important représentant une gran- de dépense serait consommé dans la tour d'adsorption pendant une opération de désorption. En outre, du fait que le gaz déchargé par le tuyau de décharge i n'est pas utilisé, le problème se pose de l'augmentation du coût dans le cas o l'on extrait le gaz N2 sous forme d'un produit à utiliser. La présente invention traite du problème susmentionné et concerne un procédé et un appareil de séparation d'un gaz mélangé par.ddlsorplioîi, (u type dans lequel on effectue de façon répétée une opération d'adsorption en envoyant du gaz brut dans une tour d'adsorption remplie d'un adsorbant en vue de faire adsorber par l'adsorbant un gaz constituant de l'adsorbat, et à extraire un gaz non présent dans l'ad- sorbat à partir de ladite tour d'adsorption, et une opéra- tion de désorption par réduction de la pression dans la tour d'adsorption de manière que l'adsorbant désorbe le gaz cons- tituant de l'adsorbat qui a été adsorbé, et à récupérer le gaz constituant de l'adsorbat, cette opération étant réali- sée de façon séquentielle dans plusieurs tours d'adsorption travaillant en alternance. Selon l'invention, ce procédé et cet appareil présen- tent les caractéristiques qui sont indiquées dans les re- vendications annexées. Pour mieux comprendre la présente invention et ses caractéristiques, on en décrira maintenant un certain nombre de modes de réalisation avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - Fig. 1 et 2 sont des schémas de deux formes d'un appa- reil classique de séparation par adsorption permettant de mettre en oeuvre le procédé de séparation de l'air par ad- sorption, et Fig. 3 à 7 sont des-schémas représentant divers modes de réalisation d'appareils de séparation par adsorption se- lon l'invention et destinés à séparer l'air par le procédé d'adsorption. Si l'on se réfère à la fig. 3 qui concerne un premier mode de réalisation d'un appareil séparation par adsorption destiné à mettre en oeuvre le procédé, la référence 1 dési- 5. gne un tuyau d'alimentation principal d'air brut, la réfé- rence 2 un compresseur d'air destiné à comprimer et alimen- ter l'air brut, ce compresseur d'air étant muni d'un dispo- sitif de post-refroidissement, d'un séparateur à drain, etc., en vue de refroidir et déshumidifier l'air comprimé à haute température, et si nécessaire, il peut également être équi- pé d'un réfrigérateur ou analogue. De plus, les références 3a, 3b, 3c désignent des tuyaux d'alimentation d'air brut montés en dérivation sur le tuyau d'alimentation principal 1 mentionné ci-dessus. Des tuyaux à gaz de cavité 4a, 4b et 4c sont en parallèle sur les tuyaux d'alimentation 3a, 3b et 3c. Des tuyaux de décharge de gaz, de cavité 5a, 5b et c sont également montés en parallèle sur les tuyaux de dé- charge du gaz de cavité 4a, 4b et 4c et des tuyaux de dé- charge de gaz de cavité 6a, 6b et 6c sont montés en paral- lèle sur les tuyaux de décharge de gaz de cavité 5a, 5b et 5c. Un tuyau de décharge de gaz de cavité commun 7 communique avec les tuyaux de décharge 4a, 4b et 4c sus- mentionnés alors qu'un tuyau de décharge principal de gaz de cavité 8 communique avec les tuyaux de décharge 5a, 5b et 5c susmentionnés. Sur le tuyau de décharge 8 est montée en série une valve régul-atrice de débit 9, un réservoir d'équilibre 10 et une valve 11, dont la sortie eBt reliée à un tuyau-de décharge principal de gaz de cavité 12 coinm- muniquant avec les tuyaux de décharge 6a, 6b et 6c sus- mentionnés. De plus, la référence 13 désigne une valve montée dans la conduite 12 et commandant la sortie en 14. Des valves 15a - 15 sont montées dans les tuyaux respec- tifs 3a, 4a, 5a, 6a, 3b, 4b, 5b, 6b, 3c, 4c, 5c et 6c men- tionnés ci-dessus. Un tuyau collecteur commun 16 est as- socié aux tuyaux respectifs 3a, 4a, 5a et 6a susmentionnés, alors qu'un tuyau collecteur commun 17 est associé aux tu- yaux respectifs 3b, 4b, 5b et 6b susmentionnés et qu'un tuyau collecteur commun 18 est associé aux tuyaux respec- tifs 3c, 4c, 5c et 6c susmentionnés. Le système comprend trois tours d'adsorption 19, 20 et 21, chacune étant rem- plie d'un adsorbant désigné respectivement par les réfé- rences 19a, 20a et 21a. Des tuyaux de sortie de gaz N2 25a 6. b et 25c sont montés en parallèle sur d'autres tuyaux de sortie respectifs de gaz N2 26a, 26b et 26c, et sur des tuyaux de décharge de gaz de cavité respectifs 27a, 27b et 27c. Par ailleurs, des tuyaux de décharge de gaz de cavi- té respectifs 28a, 28b et 28c sont montés en parallèle sur les tuyaux de sortie 27a, 27b et 27c, ces tuyaux de déchar- ge communiquant avec le tuyau de décharge principal de gaz de cavité 12 décrit ci-dessus. De plus, un tuyau collec- teur 22 est associe aux tuyaux 25a, 26a, 27a et 28a ci-des- sus alors qu'un tuyau collecteur 23 est associé aux tuyaux b, 26b, 27b et 28b et un tuyau collecteur 24 aux tuyaux c, 26c, 27c et 28c. Des valves 29a - 29Q sont montées dans les tuyaux respectifs 25a 28a, 26b - 28b, 25c - 28c indiques ci-dessus. Un tuyau de sortie coamun 30 du gaz N2 communique avec les tuyaux de sortie 25a, 25b et 25c men- tionnés ci-dessus et il est re1iè A un réservoir d'équili- bre 31 auquel est relié un tuyau 32 de sortie principal de gaz N2. Un tuyau de sortie commun 33 de gaz N2 communique avec les tuyaux de sortie susmentionnés 26a, 26b et 26c, et il est également relié à un réservoir d'équilibre 34 auquel est connecté un tuyau de sortie commun 35 de gaz N2. Le tuyau de décharge commun 36 de gaz de cavité com- munique avec les tuyaux de décharge 27a, 27b, 27c et est muni d'une valve de commande de débit 37. d'un réservoir d'équilibre 38 et d'une valve 39 montés en série avant la jonction avec le tuyau 12. On notera que le schéma ne re- présente pas.le dispositif de commande automatique néces- saire au fonctionnement des valves respectives. De plus, on pourrait prévoir quatre tours d'adsorption ou plus. Lorsque l'appareil de séparation par adsorption décrit ci-dessus fonctionne, les trois tours d'adsorption 19, 20 et 21 effectuent: I une opération d'adsorption à haute pression, II des opérations de réduction de pression primaire et secondaire et une opération de désorption, et III une opération d'élévation de pression à basse pression, une opération d'adsorption à basse pression et une opé- ration d'élévation de pression pour atteindre une haute pression, 7, ces trois opérations étant répétées séquentiellement dans l'ordre I, II, III. Si on suppose maintenant que la tour d'adsorption 19 a commencé l'opération I ci-dessus, seules les valves 15a, 29a sont ouvertes. En conséquence, de l'air brut comprimé par le compresseur d'air 2 est envoyé dans le tuyau d'alimentation principal 1, le tuyau d'alimentation 3a, la valve 15a et le tuyau collecteur 16 pour parvenir à la tour d'adsorption 19, et quand il passe dans la tour d'adsorption 19, le gaz 2 (qui est un gaz constituant de l'adsorbat) qui est contenu dans l'air brut est adsorbé par l'adsorbant 19a, alors que le gaz N2 (qui est un gaz qui n'est pas présent dans l'adsorbat) est condensé et en- voyé par le tuyau collecteur 22, le tuyau de sortie 25a, la valve 29a et le tuyau de sortie commun 30 au réservoir d'équilibre 31, et il est en outre extrait à l'extérieur du système par le tuyau de sortie commun 32 sous forme d'un produit utilisable. Quand la tour d'adsorption 19 commence à effectuer l'opération I, la tour d'adsorption 21 commence à effectuer l'opération II, les valves 15t, 291 et 39 étant ouvertes et les valves 15i, 15j, 15k, 29i, 29j, 29k, 11 et 13 fermées, ce qui fait que l'opération de réduction de pression primaire commence dans la tour d'adsorption 21 qui a terminé l'opération I. Pendant cette opération, le gaz de cavité à pression relativement élevée se trouvant autour de l'adsorbant 21a est envoyé dans le tuyau collec- teur 18, la valve 15Q et le tuyau de décharge 6c pour par- venir au tuyau de décharge principal 12, et il passe éga- lement dans le tuyau collecteur 24, le tuyau de décharge 28c et la valve 29e pour parvenir au tuyau de décharge 12, et il est par ailleurs envoyé du tuyau de décharge princi- pal 12 au réservoir 38 par l'intermédiaire de la valve 39. Quand les pressions internes régnant dans la tour d'adsorp- tion 21 et le réservoir 38 sont parvenues presque au même niveau, la valve 39 se ferme et la valve Il s'ouvre pour démarrer l'opération de réduction de pression secondaire. Au cours de cette opération, le gaz de cavité contenu dans le tuyau de décharge principal 12 est envoyé au réservoir, et quand les pressions internes régnant dans le réservoir 10 I 8. et la tour 21 sont parvenues à un niveau égal, la valve 11 est fermée alors que la valve 13 est ouverte en vue de com- mencer la troisième opération de réduction de pression. Au cours de cette opération, le gaz résiduel est déchargé à l'extérieur du système. Quand la pression interne régnant dans la tour d'adsorption 21 est parvenue presque au même niveau que celui de la pression partielle du gaz 2 dans l'air brut qui est envoyé dans la tour d'adsorption 19, la valve 13 est fermée et une série d'opérations de réduction de pression est alors terminée. Ensuite, la tour d'adsorp- tion 21 commence l'opération de désorption par ouverture des valves 15j et 29k. Naturellement, au début ou pendant la troisième opéra- tion de réduction de pression et une fois que la pression partielle du gaz 02 a été atteinte, il est mis immédiate- ment fin à l'opération de réduction de pression subséquente. Lorsque les valves 15j et 29k de la tour 21 sont ouvertes, le gaz de cavité dont la concentration en 2 est faible et qui est stocké dans leréservoir 38 commence à parvenir dans le tuyau de décharge principal 7 par l'intermédiaire des valves 37, 29k et 15j et des tuyaux 36, 27c, 24, 18 et 4c, provoquant, de ce fait, une réduction de la pression partielle du gaz 2 dans la tour 21 et, par là même, le gaz 02 qui est adsorbé par l'adsorbant 2la est désorbé. Il est alors balayé et récupéré à la sortie du tuyau de décharge commun 7. Dès que la concentration en gaz 2 commence à baisser au cours de l'opération de désorption décrite ci- dessus, les valves 15j et 29k sont fermées pour mettre fin à cette étape. On notera que du fait qu'une partie du gaz de cavité stocké dans le réservoir 38 est consommée pendant l'opération de désorption et remplacée pendant l'opération de réduction de pression primaire, il faut que le réservoir 38 ait un volume suffisant pour le déroulement de ces opé- rations. De plus, quand on récupère un gaz à forte concen- tration en 02 sous forme d'un produit utilisable à la sortie du tuyau de décharge commun 7 et en fonction du degré de la concentration, il est possible de récupérer la totalité ou une partie du gaz de cavité fourni au cours de 9. la troisième opération de réduction de pression en tant que produit utilisable en fermant les valves 15R, 29L et 13 et en ouvrant la valve 15j au début ou pendant la troi- sième opération de réduction de pression. Quand la tour d'adsorptlion 19 commence l'opération I, la tour d'adsorption 20 commence l'opération III et seule la valve 29f est ouverte. De ce fait, le gaz N2 à basse pression contenu dans le réservoir 34 est envoyé par l'in- termédiaire du tuyau de sortie principal 33, de la valve 29f, du tuyau de sortie 26b et du tuyau collecteur 23 dans la tour d'adsorption 20 qui a terminé l'opération de dé- sorption, et c'est alors que commence une opération d'élé- vation de la pression à basse pression. Quand les pressions internes régnant dans le réservoir 34 et la tour d'adsorp- tion 20 sont pratiquement égales, la valve 15g est ouverte en vue du démarrage de l'opération d'adsorption à basse pression. Au cours de cette opération, le gaz de cavité, qui est stocké dans le réservoir 10 au cours de l'opération de réduction de pression secondaire, est envoyé dans la tour d'adsorption 20 par l'intermédiaire de la valve de régula- tion de débit 9, du tuyau de décharge principal 8, du tu- yau de décharge 5b, de la valve 15g et du tuyau collecteur 17, et il en résulte que le gaz 02 contenu dans ce gaz est adsorbé par l'adsorbant 20a, que le gaz N2 condensé et sé- paré est envoyé au réservoir 34 par l'intermédiaire du tuyau collecteur 23, du tuyau de sortie 26b, de la valve 29f et du tuyau de sortie principal 33, et, en surveillant et en déterminant le moment o la concentration du gaz 02 dans ce gaz commence à monter, on ferme les valves 15g et 29f pour mettre fin à l'opération d'adsorption à basse pression. On notera que l'on -pourrait combiner l'opération d'augmentation de pression à basse pression et l'opération d'adsorption à basse pression en une seule opération en ouvrant simultanément les valves 15g et 29f. On pourrait également apporter une modification en fonction de la con- centration en gaz 2 dans le gaz N2 à basse pression fourni par le réservoir 34 en ouvrant la valve 15g au lieu d'ou- vrir la valve 29f en vue de réaliser une opération d'élé- 1 4 9 10. vation de la pression permettant d'atteindre la basse pres- sion en envoyant le gaz de cavité dans la tour d'adsorption 20. Lorsque l'opération d'adsorption à basse pression est terminée dans la tour d'adsorption 20, la valve 29e est ouverte, et il en résulte que le gaz N_ à haute pression contenu dans le réservoir 31 est envoyé à la tour d'adsorp- tion 20 par l'intermédiaire du tuyau de sortie commun 30, de la valve 29e, du tuyau de sortie 25b eI du tuyau collec- teur 23, en vue de réaliser l'opération d'augmentation de O pression à haute pression, et quand les pressions internes régnant dans le réservoir 31 et la tour d'adsorption 20 sont devenues pratiquement égales, la valve 29e est fermée en vue de mettre fin à 1 'opération dUaugmentaetion de pres- sion à haute pression, On notera cue l'on pourrait mainte- nir la valve 29e à l'état ouvert pour préparer l'opération d'adsorption a haute pression qui suit. Du fait que le gaz de cavité qui.est stocké dans le réservoir 1l est consommé pendant lPopération d'adsorption à basse pression et que le gaz de cavité c nsonme est reo placé pendant l'opération de réduction de presson secon- daire, il est nécessaire que le réservoir 10 ait un volume suffisant pour le déroulement de ces operations. De plus,- selon la concentration du gaz 02 contenu dans le gaz N à haute pression envoyé du réservoir 31, on pourrait effec- t u e r une mpodification consistant à ouvrir la valve 15e à la place de la valve 29e pendant l'opération d'élévation de pression à haute pression de manière à envoyer l'air brut dans la tour d'adsorption 20 et de réaliser ainsi l'o- pération d'élévation de pression à haute pression. En outre, on pourrait réaliser d'autres modifications de manière qu'à la fin de l'opération d'élévation de pression à basse pression, la tour d'adsorption 20 coLmence une opération d'adsorption à haute pression et que les valves 15e, 29e soient simultanément ouvertes pour effectuer l'opération d'élévation de pression à haute pression et simultanément l'opération d'adsorption à haute pression (ce qui vient d'être décrit constituant un premier mode de réalisation préféré). 1. Dans le premier mode de réalisation préféré qui vient d'être décrit et au cours des étapes de réduction de pres- sion primaire et secondaire, le gaz de cavité était fourni à partir des deux côtés de la tour d'adsorption 21, par ouverture des valves 152 et 292. On pourrait cependant ap- porter une modification consistant à ouvrir les valves i5t et 292 pendant l'opération de réduction de pression pri- maire, mais en ne fournissant le gaz de cavité qu'à partir d'un seul côté de la tour d'adsorption 21 en ouvrant seu- lement la valve 15ú pendant les autres opérations de ré- duction de pression ou du moins pendant l'opération de réduction de pression secondaire. En ce qui concerne tous les autres points, fonctionnement identique à celui du premier mode de réalisation préféré (celui qui vient d'être indiqué constituant le second mode de réalisation préféré). Ayant établi une comparaison entre les procédés selon la présente invention qui ont été décrits ci-dessus et les procédés de la technique antérieure en remplissant chacune des tours d'adsorption des fig. 1 et 2 et des tours d'ad- sorption de la fig. 3 avec 10 kg d'adsorbant (Fe-K-Na-A), adsorbant obtenu en ajoutant au moins du fer ayant une valence de deux ou plus à une zéolite industriellement pure de type A4, on a obtenu les résultats qui sont consi- gnés dans le Tableau 1. On notera que dans le cas o on utilise comme adsorbant du Fe-K-Na-A, le gaz constituant de l'adsorbat est de l'oxygène (02) et le gaz qui n'est pas présent dans l'adsorbat est de l'azote (N2). Au cours d'es- sais portant sur le second mode de réalisation préféré, les valves 29d, 29h et 292 ont été maintenues à l'état fermé pendant les seconde et troisième opérations de réduction de la pression. Tableau 1 Procédé de Procédé de l'invention l'art antérieur Appareil et procédé d'essai Unités Fig. 3 Fig. 1 Fig. 2 1e réa- 2 réa- Désorption Désorption lisation lisation par par _ évacuation balayage Pression Pa (.105) 6 6 6 6 Air Air Débit Nm3/h 10 10 10 10 d'a]imentation Température oC25 25 25 25 _ -Haute pression Pa (.105) 6 6 6 6 1' _ _ _ _ __ _ ____._ __ _ ___. Basse pression Pa (.10) 2,5 2,2 -- Gaz _ Haute pression Nm/h 4,8 43 4,9 4,5 N2 r Basse pression Nm/h 1,5 1,7 - - fourni C Total Nm3/h 6,3 6 4,9 4,5 Concentration en O % en vol. 1 ou moins 1 ou moins 1 ou moins 1 ou moins Pression Pa (.10) 1,2 1,2 1,2--- 0, 2 1,2 Gaz 3___Y Débit Nm /h 2,1 2,32 1,4 1,7 02 70 55 fourni Concentration en 02 % en vol. 74 57 70 55 Débit de 02 pur Nm3/h 1, 55 1,32 0,98 0,94 k- "J N N4 13. I. En dépit du fait que seul le compresseur 2 était utilisé mais pas de pompe à vide, et que de ce fait la con- sommation de puissance était plus faible, les débits obte- nus pour le gaz N2 et pour le gaz 2 ont été plus impor- tants que ceux obtenus avec les procédés de la technique antérieure, réduisant ainsi les frais de production. Il. En ce aui concerne la sortie du gaz de cavité à partir des deux côtés de la tour d'adsorption, si celle-ci est réalisée pendant toute la série d'opérations de ré- duction de pression, on peut obtenir des débits de gaz N2 et de gaz 2 plus importants que si la sortie de gaz est réalisée seulement pendant l'opération de réduction de pression primaire, et comme ceci réduirait les coûts de production, on pourrait obtenir de meilleurs résultats. Ceci signifie que dans le cas o le gaz de cavité n'est extrait qu'à partir d'un côté seulement (le côté d'alimen- tation de l'air brut) de la tour d'adsorption pendant la troisième opération de réduction de pression, la valeur obtenue est intermédiaire à celles des résultats mention- nés ci-dessus. III. Selon le procédé de la présente invention, le débit de gaz N2 est important, comme décrit ci-dessus, et- ceci implique que la concentration de gaz 2 dans le gaz déchargé par les tuyaux de décharge 7 et 14 est élevée. Spécialement dans le cas du premier mode de réalisation préféré, la concentration de gaz 2 peut atteindre 74 %, ce qui permet de réduire les frais de fabrication de ce gaz 2 L'appareil de la fig. 4 est une forme simplifiée de celui représenté à la fig. 3 du fait que le nombre de tu- yaux de sortie et de décharge aux deux extrémités des tours d'adsorption est réduit de quatre à trois. Dans ce mode de réalisation sont également éliminés le tuyau 8 ainsi que ses valves 9 et Il et le réservoir d'équilibre 10, de même que le réservoir d'équilibre 38 et la valve 3 Les tuyaux 33 et 36 sont reliés l'un à l'autre de ma- nière à éliminer le réservoir d'équilibre 34 et la sortie et la valve de débit 37 est alors disposée à la jonction 14. des tuyaux 33 et 36. Le fonctionnement de l'appareil représenté à la fig. 4 est semblable à celui de la fig. 3, mais dans ce cas les trois tours d'adsorption 19, 20 et 21 effectuent: I - une opération d'adsorption, Il - une operation de réduction de pression, et III- une operation de désorption et une opération d'aug- * mentation de pression, et ceci de façon répétée selon la séquence 1T II, III et en alternances Supposant que la tour d'adsorption 19 ait commencé l'opération i, les valves 15a et 29a sont alors ouvertes et les valves 15b, 15c, 29b et 29c fermées. En conséquence, l'air brut qui est comprimé dans le compres- seur 2 est envoyé à la tour d'adsorption 19 par l'inter- i5 médiaire du tuyau d'alimentation principal 1, du tuyau d'a- liamentation 3a, de la valve!5a et du tuyau collecteur 16, et quand il passe dans la tour d'adsorption 19, le gaz 02 (qui est un gaz constituant de l'adsorbat) contenu dans l'air brut est adsorbé par l'adsorbant 19a, alors que le gaz N2 (qui est un gaz qui n'est pas présent dans l'adsor- bat) est condensé et envoyé au réservoir d équilibre 31 par l'intermédiaire du tuyau collecteur 22, du tuyau de sortie 25a, de la valve 29a et du tuyau de sortie commun , et il est ensuite extrait du système sous forme d'un produit utilisable par l'intermédiaire du tuyau de sortie principal 32. Quand la tour d'adsorption 9 commence l'opé- ration 1, la tour d'adsorption 21 commence l'opération Il. A ce moment, une zone de transfert de masse du gaz 02 est déplacée jusqu'à proximité de l'extrémité de sortie (le côté du tuyau collecteur 24), et plus elle est proche de la sortie, plus la quantité de gaz N2 qui sort est importante. L'intérieur de la tour d'adsorption 21 ast maintenu à une pression égale à celle de l!adsorption. Partant de cet état et si seule la valve 29k est ouverte, du gaz N2 commence par être déchargé, puis l'air restant à l'extrémité d'en- trée (le côté du tuyau collecteur 18) est déchargé et en raison de ce courant d'air, la pression partielle du gaz 02 baisse et le gaz 0- est désorbé, ce qui permet d'obtenir 15. en sortie un gaz à concentration en 2 relativement élevée. Si par contre seule la valve 15k est ouverte, c'est de l'air qui est initialement déchargé, suivi par du gaz N2, et en raison de ce courant de gaz N2, la pression partielle du gaz 2 baisse et le gaz 2 est désorbé et il en résulte qu'on court dans ce cas le risque d'obtenir un gaz ayant une concentration relativement élevée en 02. C'est pourquoi les deux valves 15k, 29k sont ouvertes pour envoyer un gaz résiduel mélangé (gaz de cavité) contenu à l'intérieur de la tour d'adsorption 21 au tuyau de décharge 36 par l'in- termédiaire du tuyau collecteur 18, de la valve 15k et du tuyau de décharge 5c, et également au tuyau de décharge 36 par l'intermédiaire du tuyau collecteur 24, de la valve 29k et du tuyau de décharge 27c, ce qui permet de réaliser l'opération de réduction de pression primaire. A ce moment, la pression du gaz mélangé contenu dans la tour d'adsorp- tion 21 baisse et atteint une pression prédéterminée, le gaz 2 étant alors désorbé de l'adsorbant 21a et la pres- sion partielle du gaz 02 entourant l'adsorbant 21a monte mais, du fait que le débit du gaz mélangé qui traverse la tour d'adsorption 21 est faible, la pression partielle du gaz 02 qui entoure l'adsorbant 21a ne baisse pas et le gaz 02 reste autour de l'adsorbant 21a, le résultat étant que la désorption du gaz 2 ne se poursuit pas et que le gaz 2 est maintenu adsorbé par l'adsorbant 21a. Par ailleurs et comme cela sera décrit plus loin, lorsque l'opération de désorption est terminée dans la tour d'adsorption 20, la valve 29k de la tour d'adsorption 21 est fermée. La valve 13 est par ailleurs ouverte pour faire démarrer l'opération de réduction de pression secondaire et le gaz mélangé en surplus qui reste à l'intérieur de la tour d'adsorption 21 est déchargé à l'extérieur du système par l'intermédiaire du tuyau collecteur 18, de la valve 15k, du tuyau de décharge c, de la valve 13 et du tuyau de décharge 14. Cependant, la concentration en 2 du gaz fourni pendant cette opération de réduction de pression secondaire est d'abord faible mais monte à mesure que l'opération de réduction de pression se poursuit et il en résulte que lorsqu'on extrait le gaz 2 16. en tant que produit à utiliser, il est possible de fermer les valves 15k et 13 et d'ouvrir la valve 15j au début ou pendant l'opération de réduction de pression secondaire pour récupérer le gaz 2 à l'extérieur du système par l'in- termédiaire du tuyau de décharge commun 7. Quand la pres- sion régnant dans la tour d'adsorption 21 est tombée à une valeur prédéterminée, les valves 29k et 13 sont ouvertes et l'opération de réduction de pression secondaire est ter- minée. En outre, quand la tour d'adsorption 19 a commencé l'opération d'adsorption I, la tour d'adsorption 20 commence l'opération de désorption et d'augmentation de pression III. Au début, les valves 15f et 29f sont ouvertes et les valves e, 15g, 29e et 29g sont fermées. Il en résulte que le gaz mélangé résiduel se trouvant dans la tour d'adsorption 21 et qui était envoyé au tuyau de décharge 36 est envoyé à la tour d'adsorption 20 par l'intermédiaire de la valve de commande de débit 37, des tuyaux d'alimentation 33 et 26b, la valve 29f et le tuyau collecteur 23, et le gaz O2* adsor- bé par l'adsorbant 20a est désorbé alors que le gaz contenu dans la tour d'adsorption 20 est balaye. Un gaz ayant une forte concentration en 2 et qui est désorbé de l'adsorbant a est également déchargé et récupéré par l'intermédiaire du tuyau collecteur 17, de la valve 15f, du tuyau de dé- charge 4b et du tuyau de décharge commun 7. Ensuite, les valves 15f et 29f sont fermées et la valve 29e est ouverte. Il en résulte que le gaz N2 est purgé du réservoir 31 et envoyé à la tour d'adsorption 20 par l'intermédiaire du tuyau de sortie principal 30, du tuyau de sortie 25b, de la valve 29 et du tuyau collecteur 23, ce qui fait monter la pression dans la tour d'adsorption 20 qui parvient à une pression prédéterminée. Quand la pression requise est at- teinte, la valve 29e est fermée et l'étape de désorption et d'augmentation de pression est terminée. Cependant, en fonction de la proportion entre les durée nécessaires pour réaliser les opérations respectives I, II et III susmen- tionnées, on peut réaliser l'opération d'élévation de la pression au commencement de l'opération d'adsorption en ou- vrant les valves 15a et 29a quand la tour d'adsorption 19 17. a commencé l'opération d'adsorption, en ne procédant pas à l'opération d'augmentation de la pression et en intro- duisant simultanément de l'air brut et du gaz N2 (ceci constituant un troisième mode de réalisation préféré). De plus, alors que le gaz mélangé est déchargé d'un côté de la tour d'adsorption 21 en maintenant la valve 15k à l'état ouvert tandis que la tour d'adsorption 21 a commencé l'opération de réduction de pression secondaire quand il s'agit du troisième mode de réalisation préféré décrit ci- dessus, il serait possible de décharger le gaz mélangé à partir des deux côtés de la tour d'adsorption 21 en main- tenant les deux valves 15k et 29k ouvertes et en ouvrant par ailleurs la valve 13 (ceci constituant un quatrième mode de réalisation préféré). Par différence avec le procédé utilisant l'appareil représenté à la fig. 4, le procédé de séparation d'un gaz mélangé au moyen d'un appareil de séparation par adsorp- tion représenté à la fig. 5 et dans lequel on a remis en place le réservoir d'équilibre 38 se déroule comme suit. Un gaz mélangé déchargé au cours de l'opération de réduc- tion de pression primaire en vue de la désorption est en- voyé directement à une autre tour d'adsorption par l'in- termédiaire de la valve de commande de débit 37, cette tour effectuant une opération de désorption, et ces tours d'adsorption ainsi qu'une tour d'adsorption effectuant une opération d'adsorption fonctionnent en synchronisme; dans l'appareil de ce mode de réalisation, un gaz mélangé dé- chargé au cours d'une opération de réduction de pression primaire est stocké temporairement dans le réservoir 38 et il peut être ensuite envoyé du réservoir 38 à une autre tour d'adsorption qui a terminé une opération de réduction de pression secondaire, et si on a recours à ce procédé il n'est pas alors toujours nécessaire de synchroniser l'opé- ration de réduction de pression primaire avec une opération de désorption (ceci constituant un cinquième mode de réa- lisation). En outre et comme déjà mentionné, si on n'a pas recours à l'opération de réduction de pression secondaire, on oeut réduire à deux le nombre des tours d'adsorption. 18. Toutes les autres opérations du cinquième mode de réalisa- tion préféré décrit ci-dessus sont identiques à celles du troisième. En outre, quand il s'agit de ce cinquième mode de réalisation préféré, il est également possible d'ex- traire le gaz mélangé à partir des deux eté,s de la tour d'adsorption et de le stocker dans le réservoir 38 pendant que se déroule l:opération de réduction de pression seconl daire (ceci constituant un sixième mode de réalisation) Ayant établi une comparaison entre le procgê de la I0 techaique antérieure et le procédé selon la p-résente in- vention en remplissant chacune des tours d'ad$sorption de la fig i et des tours d'adsorption das fig. 2 et 3 avec kg d'adsorbant (Fe-K-Ua=A et 7,5 kg d'a s:- nt (Fe-NNa-A) on a obtenu les résultats qui sont consignhS dans le Tableau 2. Tableau 2 Adsorbant Fe-K-Na-A Fe-Na-A Procédé de Procédé de Procédé de Procédé de l'art antérieur l'invention l'art antérieur l'invention Appareil et Unités Fig. I Fig. 2 Fig. 4 Fig. 4 Fig. 1 Fig. 2 Fig. 5 Fig. 5 procédé d'essai Désorption ésorption 3 réa- 40 réa- Désorption Désorption 5 réa- 60 réa- vparca par lisation lisation pvacuatir par lisation lisation vacuation balayage évacuation balayage Air Pression Pa(.10) 6 6 6 6 6 6 6.6 d'alimen-t 3 t'aimen,Débit Nm3/h 10 10 10 10 10 10 10 10 tat ion el aux tour Tempé- d'adsorp rature C 25 25 25 25 0 O 0 0 t ion. Pression Pa(.10 5) 6 6 6 6 6 6 6 6 Gaz |Débit Nm3/h 4,9 4,5 5,2 5,0 5,6 5, 0 5,6 5,1 N 2 Concen- fourni trationl n 02 % en vol 1I ou moins u o mooins om I1 ou moins I ou moins 1 ou moins I ou mins I oumoins Pression Pa(.10 5) 1,2-*0,2 1,2 1,2 1,2 1,2-->0,2 1,2 1,2 1,2 Gaz Débit Nm /h 1,4 1,7 1,7 1,8 1,4 1,5 1,4 1,7 Equiva- 02 lent en Concen- tration fourn en 02 % en vol 70 55 57 74 79 63 65 84 Débit de 02 pur Nm3/h 0,98 0;94 0,94 1,33 1,23 0,94 0,96 1,43 %214 rNa Do "o -.4 -% No 20. (I) Comme il ressort du Tableau 2 et en ce qui con- cerne le cinquième mode de réalisation préféré, en dépit du fait que l'on n'a pas utilisé de pompe à vide, le débit du gaz N2 est égal ou plus important que celui des pro- cédés de l'art antérieur. De plus, et bien que cela ne soit pas indiqué sur le Tableau 1, on peut aussi atten- dre un effet similaire dans le cas du troisième mode de réalisation préféré. Ceci signifie que l'on peut au moins économiser la puissance nécessaire à la pompe à vide. (II) En ce qui concerne le sixième mode de réalisa- tion, on a amélioré à la fois le débit du gaz 2 et la concentration de ce gaz 02 par comparaison avec les pro- cédés de l'art antérieur. En outre, on augmente fortement le débL-it d'O2 pur dans le gaz 02 fourni, ce qui réduit beaucoup le coût de la puissance consommée par Nm3 d'O2 pur d'autant plus qu'une pompe à vide n'est pas né- cessaire. Le même résultat peut être obtenu avec le qua- trième mode de réalisation. (III) Comme on l'a vu ci-dessus et dans le cas o l'on extrait le gaz N2 sous forme d'un produit utilisa- ble, ce sont les troisième et cinquième modes de réali- sation préférés qui conviennent le mieux, et lorsqu'il s'agit du cas o l'on extrait le gaz 02 sous forme d'un produit utilisable, ce sont les second et quatrième modes de réalisation qui conviennent le mieux. (IV) Il est nécessaire que les opérations d'adsorp- tion et de désorption s'effectuent pendant une période de temps particulière, alors qu'en ce qui concerne l'opé- ration de réduction de pression, plus elle s'effectue rapidement et sans provoquer de dégâts à l'adsorbant, moins la désorption du gaz 02 adsorbé par l'adsorbant est importante. Cependant, en ce qui concerne ce point, les cinquième et sixième modes de réalisation sont pré- férables aux troisième et second modes de réalisation. En outre, quand il s'agit des cinquième et sixième modes de réalisation préférés, il n'est pas toujours néces- saire de synchroniser l'opération de réduction de pression 21. primaire avec l'opération de désorption, ce qui fait que l'on dispose donc de plus de liberté pour agencer les opérations et qu'il est possible de réduire le nombre de tours d'adsorption à deux en fonction du temps néces- saire aux opérations respectives. 22. R E V E ND ICATIONS 1, Procédé de séparation d'un gaz mélangé par adsorp- tion, au cours duquel on réalise de façon répétée dans une tour d'adsorption (19, 20, 21) contenant un adsorbant (19a, 20a et 21a) et fonctionnant en alternance, une ope- ration d'adsorption consistant à al. meenter un gaz brut dans une tour d'adsorption de manière que l'adsorbant adsorbe un gaz constituant de l'adsorbat et à extraire un gaz non présent dans l'adsorbat de ladite tour d'adsorp- I0 tion, et une opération de désorption consistant à réduire la pression dans ladite tour d'adsorption pour que l'ad- sorbant désorbe le gaz constituant de l'adsorbat qui a été adsorbé par ce dernier et à récupérer le gaz consti- tuant de l'adsorbat, caractérise en ce cue lorsque l'opd- ration de désorption co1mence, du gaz mélangé ayant une faible concentration en gaz constituant de l'adsorbat et qui est fourni au cours de la partie initiale de la pé- riode de réduction de pression (période dle réduction de pression primaire) se déroulant dans une tour d'adsorption qui a terminé l'adsorption, est envoyé à une tour d'ad- sorption qui a terminé la réduction de pression de manière à balayer et désorber le gaz constituant de l'adsorbat et adsorbé par un adsorbant, ce qui permet d'augmenter le rendement du gaz non contenu dans l'adsorbat par compa- raison avec la désorption par balayage utilisant une partie d'un gaz non présent dans l'adsorbat et fourni pendant une opération d'adsorption, 2,. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de désorption par balayage est proche de la pression partielle du gaz constituant de l'adsorbat dans le gaz brut. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2,. caractérisé en ce que du gaz mélangé fourni pendant une opération de réduction de pression secondaire suivant la réduction de pression primaire est envoyé dans une tour d'adsorption dans laquelle la pression a été élevée à une pression intermédiaire entre la pression de désorp- tion par balayage et la pression pendant l'adsorption à 23. haute pression qui est réalisée en envoyant ledit gaz mé- langé et/ou un gaz non présent dans l'adsorbat et fourni au cours d'une opération d'adsorption à basse pression qui a été effectuée en envoyant ledit gaz mélangé dans une tour d'adsorption qui a terminé la désorption par bala- yage, et également en envoyant un gaz brut à haute pression dans ladite tour, pour terminer l'adsorption à basse pres- sion et fournir un gaz non présent dans l'adsorbat, per- mettant ainsi d'améliorer à la fois les rendements des gaz présents et non présents dans l'adsorbat. 4. Procédé de séparation selon l'une des revendica- tions l à 3, caractérisé en ce qu'un gaz mélangé fourni au cours d'une opération de réduction de pression primaire et/ou d'une réduction de pression secondaire est stocké une fois dans un réservoir (10, 38), ce qui rend inutile la synchronisation de ces opérations de réduction de pres- sion avec une opération de désorption par balayage et/ou une opération d'adsorption à basse pression. 5. Procédé de séparation selon l'une des revendica- tions l à 4, caractérisé en ce qu'une partie ou la tota- lité d'un gaz mélangé qui est riche en gaz constituant de l'adsorbat et qui est dégagé au cours de la période - finale de l'opération de réduction de pression (après la réduction de pression primaire selon la revendication 1, mais après la réduction de pression secondaire selon la revendication 3) est envoyé à l'extérieur du système conjointement avec le gaz dégagé pendant l'opération de désorption par balayage, à l'intérieur d'une gamme de concentrations admissibles d'un gaz constituant de l'ad- sorbat dans le gaz qui est riche en gaz constituant de l'adsorbat et qui est envoyé à l'extérieur du système, ce qui permet d'améliorer le rendement du gaz constituant de l'adsorbat. 6. Procédé de séparation selon l'une des revendica- tions l à 4, caractérisé en ce qu'au cours des opérations de réduction de pression autres que l'opération de réduc- tion de pression primaire, le gaz contenu dans la tour d'adsorption est fourni à partir des deux côtés de cette 24. tour, ce qui permet d'élever la concentration du gaz cons- tituant de l'adsorbat dans le gaz fourni pendant la dé- sorption par balayage et d'améliorer les rendements à la fois des gaz constituants de l'adsorbat et non présents dans l'adsorbat. 7. Procédé de séparation selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au cours de la période finale de l'o- pération de réduction de pression, le gaz contenu dans la tour d'adsorption est envoyé à l'extérieur à partir du côté (16, 17, 18) o est alimenté un gaz brut, ce qui per- met d'améliorer le rendement du gaz constituant de l'ad- sorbat. 8. Procédé de séparation selon l'une des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce qu'on élève la pression régnant dans une tour d'adsorption sur le point de com- mencer une opération d'adsorption jusqu'à la pression d'ad- sorption à haute pression au moyend'un gaz brut, ou d'une partie d'un gaz obtenu par adsorption à haute pression, la pureté de ce gaz dans ce dernier cas étant plus forte mais son rendement plus faible. 9. Procédé de séparation selon l'une des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'adsorbant (19a, 20a, 21a) destiné à être introduit dans les tours d'adsorption (19, 20, 21) est un adsorbant apte à adsorber sélective- ment de 1' oxygène à partir de l'air, qui est obtenu en ajoutant au moins du fer ayant une valence de deux ou plus à une zéolite industriellement pure de type A4. 10. Appareil de séparation d'un gaz mélangé par ad- sorption, comprenant au moins deux tours d'adsorption (19, 20, 21), un tuyau principal (1) d'alimentation en gaz mélangé dans lequel est monté un compresseur (2), et des connexions à valves (3a-6a, 15a-15d, 16; 3b-6b, e-15h, 17; 3c-6c, 15i-15Q, 18) à une extrémité de chaque tour de manière que le gaz mélangé puisse être envoyé dans chaque tour en vue de l'adsorption qui doit s'y effectuer, caractérisé en ce que les tours (19, 20, 21) comprennent des tuyaux (3a, 3b, 3c) d'alimentation de gaz mélangé et des tuyaux (4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c) de sortie 25. de gaz de cavité reliés par l'intermédiaire d'un tuyau collecteur (16, 17, 18) commun à leurs extrémités d'entrée, et des tuyaux (25a, 25b, 25c, 26a, 26b, 26c) de sortie du gaz constituant ainsi que des tuyaux (27a, 27b, 27c, 28a, 28b, 28c) de décharge du gaz de cavité reliés par l'intermédiaire d'un tuyau collecteur commun (22, 23, 24) a leurs extrémités de sortie, en ce que des valves (15a-151, 29a-29t) sont montées dans tous lesdits tuyaux alors que d'autres équipements, tels que des réservoirs d'équilibre (10, 31, 34, 38) sont prévus dans la mesure o ils sont nécessaires aux conditions particulières de l'alimentation du gaz mélangé et aux exigences de fourniture des gaz constituants, et en ce que l'agencement de l'appareil est tel qu'il puisse mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes. f