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"Procédé et dispositif de séparation sélective d'au moins un composant d'un mélange gazeux"
La présente invention se rapporte à un procédé de séparation sélective d'au moins un composant d'un mélange gazeux par adsorption au moyen d'au moins une matière adsorbante choisie en fonction du mélange gazeux et de ses composants à séparer sélectivement.
Etat antérieur de la technique
La séparation des gaz par adsorption sélective sur matière adsorbante, éventuellement sur tamis moléculaire, et par fluctuations de pression est une technique bien connue, qui s'est largement développée depuis 1970 et est couverte par de nombreux brevets.
Un exemple de système PSA (Pressure Swing Adsorption) communément répandu est représenté à la figure 1 et comporte deux ou trois réservoirs A, B, C, remplis de matière (s) adsorbante (s) spécifique (s). Une soufflante de gaz à traiter D alimente l'un des réservoirs A, B, C, par ouverture de la vanne E correspondante. Le gaz à traiter (par exemple de l'air) traverse l'un des réservoirs, par exemple A, dans lequel le gaz à rejeter est adsorbé, le gaz non adsorbé (par exemple l'oxygène) quitte le réservoir A via la vanne FA ouverte à ce moment, et le réservoir G, vers l'utilisation.
Pendant cette opération, le réservoir B est mis sous vide au moyen d'une pompe à vide H via la vanne IB correspondante. Le gaz adsorbé (par exemple l'azote) est ainsi partiellement évacué.
De même, on procède au remplissage du réservoir C, préalablement mis sous vide, par introduction de
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gaz pur via la vanne FC, la vanne IC correspondante étant fermée. Grâce à cette opération, le gaz résiduel adsorbé est refoulé vers le bas du réservoir C, la partie supérieure du réservoir C étant totalement désorbée. Cette opération est la"repressurisation".
Après une période de temps fixée, on procède à une inversion des circuits, soit gaz à traiter vers le réservoir B, mise sous vide du réservoir C et repressurisation du réservoir A, suivant un rythme constant d'environ 30 secondes par exemple, par manoeuvre des vannes E, I, F correspondantes, obtenant ainsi un fonctionnement presque continu.
L'évolution des pressions dans les réservoirs est représentée à la figure 2.
Jl. Introduction de gaz brut sous pression et production de gaz pur, J2. Désorption du gaz adsorbé par mise sous vide, J3. Repressurisation au moyen de gaz pur.
Inconvénients des systèmes connus tels que décrits cidessus 1) Consommation élevée en énergie absorbée par les machines de surpression, et surtout par la pompe à vide.
Il faut en effet procéder à une mise sous vide à niveau de pression absolue très bas pour désorber une quantité appréciable de gaz adsorbé à rejeter. Ceci apparaît à la figure 3 représentant les caractéristiques d'adsorption de gaz pour un tamis moléculaire ou matière adsorbante spécifique à l'adsorption d'azote de l'air. La pression partielle P des gaz y est portée en abscisse et la masse M de gaz adsorbé en ordonnée.
La répartition dans l'air atmosphérique est de
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l'ordre de 80 d'azote (N2) 1 gaz à adsorber, pour 20 % d'oxygène (Op). Alors, pour une pression de gaz brut (ou air) de 1, 2 bar, la pression partielle de l'azote
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est de l'ordre de 0,95 bar et il y correspond une masse d'azote n1 et celle de l'oxygène est de l'ordre de 0,25 bar et il y correspond une masse d'oxygène 01.
Si pour la désorption, on procède à un vide de 0,15 bar, la pression partielle de l'azote est alors de 0,135 bar et cela procure une désorption jusqu'au niveau n2. La masse de gaz réellement désorbée de la matière adsorbante est donc nl-n2 et il faut dépenser une quantité d'énergie importante à la pompe à vide H pour réaliser le vide de 0,15 bar.
2) Une grande fréquence est imposée aux vannes E et I qui équipent les réservoirs, figure 1, et qui fonctionnent environ toutes les 30 secondes au minimum, et donc effectuent environ un million d'opérations par an, alors que le tamis moléculaire permet une fréquence d'opérations nettement plus élevée. Il en résulte que la quantité de tamis moléculaire, matière coûteuse, à mettre en oeuvre est très élevée. De plus, le coût d'entretien de ces vannes E et I fortement sollicitées mécaniquement lorsqu'il s'agit de vannes pour des installation de grand débit, est très élevé.
3) Les systèmes connus comportent six vannes de dimensions importantes et fonctionnant à fréquence élevée pour les dimensions mises en oeuvre ; ceci constitue une limitation de la capacité de production des unités connues, par exemple à une limite de 100 T/j de gaz pur pour le cas d'oxygène, au-delà de laquelle le coût unitaire des équipements devient prohibitif.
4) La vitesse de passage des gaz dans le tamis moléculaire ou masse adsorbante, au droit de l'injection de gaz à traiter et à la sortie des gaz désorbés, est très élevée. Ceci conduit à une érosion de la masse adsorbante. En effet, la masse de gaz désorbé peut représenter environ dix fois la masse de gaz pur produit. De plus, ces variations importantes de la vitesse d'écoule-
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ment des gaz dans le tamis moléculaire ne permettent pas une utilisation rationnelle des propriétés adsorption/ désorption de ces matières.
5) D'autres systèmes PSA ont été brevetés, par exemple celui du brevet US-A-2.033. 777 dont le système est composé de huit récipients et de deux vannes plates rotatives assurant la distribution des gaz. Ce système à cycle à long (45 secondes) nécessite une quantité élevée en tamis moléculaire (coûteux) et utilise un système de vide à deux niveaux, jusqu'à 0,04 bar, donc entraîne une consommation élevée en énergie.
Bien que des vannes rotatives se substituent aux nombreuses vannes à tiroir nécessaires, elles comportent des plateaux glissants qui doivent être munis de moyens spéciaux et complexes, non décrits, pour assurer l'étanchéité.
6) Un autre exemple est l'objet du US-A-5.133. 784. Le système qui y est décrit comporte vingt-quatre récipients sous forme de segments en rotation autour d'un dispositif de distribution de gaz fixe. Ce système à cycle rapide procure un gain en tamis moléculaire à cause de la vitesse. Il est toutefois très complexe et consomme une quantité d'énergie aussi élevée que les autres systèmes classiques connus. Il comporte un distributeur fixe qui doit alimenter les vingt-quatre récipients en rotation et qui possèdent chacun deux ouvertures. Les systèmes assurant l'étanchéité ne sont pas décrits.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques et procédés connus, et notamment : de réduire sensiblement la consommation d'énergie de plus de 20 %, - de réduire la masse de matière adsorbante coûteuse de plus de 40 %,
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de réduire les coûts d'entretien et d'améliorer la fiabilité du dispositif de séparation de gaz, de réduire les coûts d'investissement des unités.
Le procédé de l'invention n'a pas de limitation technique quant à la capacité de production, il permet de réaliser des unités de toutes tailles, largement compétitives avec les systèmes cryogéniques géants.
A cet effet, le procédé de l'invention comprend les quatre phases suivantes effectuées périodiquement, successivement dans l'ordre ci-dessous, dans un même récipient comprenant la matière adsorbante, les phases étant spécifiques et indispensables à l'ensemble du procédé : - une admission naturelle par aspiration du mélange gazeux dans le récipient dont la matière adsorbante a été préalablement désorbée et dont la pression interne a été préalablement amenée à un niveau de vide déterminé, l'admission étant maintenue jusqu'à ce que la pression interne arrive à une valeur proche de, mais inférieure, à la pression atmosphérique, une adsorption partielle ayant ainsi lieu au cours de cette admission, - ensuite une admission sous pression du mélange gazeux dans le même récipient, donnant lieu alors à une adsorption complémentaire,
et simultanément à une évacuation hors de récipient, du ou des composants non adsorbables, jusqu'à l'obtention d'une pression déterminée, supérieure à la pression atmosphérique, - une mise sous un vide déterminé de l'intérieur du récipient, donnant lieu à une désorption et à une évacuation partielles du ou des composants adsorbés précédemment par la matière adsorbante et, - en poursuivant ladite mise sous vide déterminé, une introduction, à contre-courant, d'une quantité déterminée du ou des composants non adsorbés produits précédemment, pour donner lieu à un abaissement de la
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pression partielle du ou des composants adsorbés précédemment et encore présents, de manière à provoquer une désorption et une évacuation complémentaires du ou des composants adsorbés.
Par commodité, nous appelons cette phase"rinçage", à ne pas confondre cependant avec un balayage par repressurisation, car cette phase suivant l'invention s'opère sous vide.
Suivant un mode de réalisation de l'invention, on réalise périodiquement les quatres phases ci-dessus dans quatre récipients de mêmes contenances et, pendant qu'un premier récipient est soumis à l'admission naturelle, un second est soumis à l'admission sous pression, un troisième est soumis à la mise sous vide déterminé et un quatrième est soumis à l'introduction à contrecourant et sous vide.
Avantageusement suivant l'invention, une durée d'un cycle des quatre phases est divisée en quatre quarts de durée égale pour chaque phase et un quart de durée est choisi de façon à être inférieur à un temps limite de saturation de la matière adsorbante contenue dans un récipient et non par la tenue mécanique des appareils.
Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, lorsque le mélange gazeux est de l'air atmosphérique, les composants adsorbables étant l'azote, le dioxyde de carbone et l'eau, et que les composants non adsorbables sont l'oxygène et l'argon, le vide déterminé est compris entre 0,2 et 0,5 bar absolu et est de préférence de l'ordre de 0, 3 bar absolu ; alors la pression déterminée supérieure à la pression atmosphérique est comprise avantageusement entre 1, 1 et 2 bars absolus et est de préférence de l'ordre de 1,2 bar absolu.
Suivant un autre mode de réalisation préféré de l'invention, lorsque le mélange gazeux est de l'air
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atmosphérique et que le composant adsorbable est l'oxygène, le composant non adsorbable étant l'azote, alors la pression déterminée supérieure à la pression atmosphérique est comprise avantageusement entre 2 et 7 bars absolus et est de préférence de l'ordre de 4 à 6 bars absolus ; le vide déterminé est compris alors entre 0,3 et 0,7 bar absolu et est de préférence de l'ordre de 0,5 bar absolu.
Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, pour l'adsorption, on agence un passage du mélange gazeux de façon à ce que celui-ci circule à vitesse pratiquement constante à travers la matière adsorbante, en compensant sa perte de composantes) adsorbable (s) par une réduction progressive de la section de passage à travers la masse adsorbante, et pour la désorption, on agence un passage en sens inverse des composants gazeux à travers la matière adsorbante de façon à ce qu'ils circulent à une vitesse également pratiquement constante, en fonction de l'augmentation progressive du volume de gaz désorbé.
La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
Le dispositif de l'invention comprend : - une soufflante pour produire la pression déterminée supérieure à la pression atmosphérique, une pompe à vide pour produire la mise sous vide, une prise d'entrée d'air atmosphérique et un collecteur de composant (s) non adsorbable (s), - un distributeur rotatif du type nouveau, agencé pour une mise en communication séquentielle et sélective de chaque récipient et d'au moins l'entrée d'air atmosphérique, de la soufflante et, suivant deux chemins respectifs suivant la phase en cours, de la pompe à vide,
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- des moyens de commande et d'entraînement pour la rotation périodique du distributeur tournant, - quatre récipients séparés identiques, destinés à recevoir la ou les matières adsorbantes.
Suivant l'invention, dans le dispositif précité : - chaque récipient comporte une chambre d'admission de mélange gazeux d'un côté de la matière adsorbante et une chambre d'évacuation du ou des composants non adsorbables de l'autre côté de la matière adsorbante, une grille d'admission entre la matière adsorbante et la chambre d'admission et une grille d'évacuation parallèle à la grille d'admission et disposée à l'opposé de la matière adsorbante, entre celle-ci et la chambre d'évacuation, - la grille d'admission présente une surface de passage du mélange gazeux supérieure à une surface de passage que présente la grille d'évacuation, la matière adsorbante présentant une variation régulière et progressive de section droite, depuis les dimensions correspondantes de la grille d'admission jusqu'aux dimensions correspondantes de la grille d'évacuation,
- éventuellement une grille de séparation est prévue chaque fois entre deux matières adsorbantes différentes et est disposée parallèlement aux grilles d'admission et d'évacuation, - de préférence, le passage du gaz et les surfaces de passage précités sont agencés pour qu'en cours d'adsorption, d'une part, le mélange gazeux entrant par la grille d'admission et progressant dans la matière adsorbante et, d'autre part, le ou les composants non adsorbables évacués à travers la grille d'évacuation aient une vitesse pratiquement constante et pour qu'en cours de désorption, un passage en sens inverse des
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composants gazeux ait également lieu à une vitesse pratiquement constante, - une mise en communication périodique et sélective de chaque récipient et du collecteur de composant (s) non adsorbable (s) est réalisée,
soit par un autre distributeur tournant soit par une paire de vannes commandé (es) périodiquement, en rythme avec le distributeur tournant cité en premier lieu, par les moyens de commande adéquats.
Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, les quatre récipients sont quatre réservoirs indépendants, cylindriques ou tronconiques.
Suivant une autre forme de réalisation préférée de l'invention, les quatre récipients sont quatre compartiments séparés formés dans une enceinte commune par des cloisons de séparation, l'enceinte étant de préférence cylindrique, les compartiments formant alors des secteurs tronqués autour de l'axe de cylindre.
Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le distributeur comprend - cinq étages disposés l'un à côté de l'autre suivant la direction de l'axe de rotation, - un stator pour la liaison sélective - à la soufflante à un premier étage, - à l'entrée d'air à pression atmosphérique à un deuxième étage,
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- à la pompe à vide à un troisième étage, - à la pompe à vide, par l'intermédiaire d'un réservoir tampon et d'une soupape antiretour, à un quatrième étage, - à chacun des récipients à un cinquième étage dit de liaison, celui-ci étant agencé de préférence dans la partie médiane du distributeur, - un rotor à chenaux internes, parallèles à l'axe de rotation,
pour la mise en communication sélective et
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périodique de chaque récipient relié au cinquième étage et respectivement, - de l 1 entrée d'air atmosphérique par un premier chenal,
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- de la soufflante par un second chenal, - de la pompe à vide par un troisième chenal, - du réservoir tampon par un quatrième chenal, le stator comportant à chaque étage, pour la liaison sélective, quatre orifices s'ouvrant vers l'intérieur et disposés à 900 l'un de l'autre et le rotor comportant, à l'étage de liaison aux quatre récipients, quatre orifices situés à 900 l'un de l'autre et s'ouvrant vers l'extérieur de façon à pouvoir mettre en communication un récipient et un chenal correspondant en fonction de la phase de procédé à réaliser dans un récipient et, à chaque autre étage,
un seul orifice agencé pour mettre un chenal correspondant en communication avec un orifice du même étage du stator en fonction de ladite phase de procédé.
Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, - entre chaque étage il est agencé un joint annulaire pour réaliser une étanchéité entre deux étages, ce joint étant porté de préférence par le stator, et - entre deux orifices de l'étage de liaison aux récipients, il y a chaque fois au moins un et de préférence deux tronçons de joint d'étanchéité s'étendant d'un joint annulaire d'étanchéité à l'autre et disposés chacun à proximité d'un orifice de cet étage, chaque tronçon de joint étant porté de préférence par le stator.
Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, les grilles d'admission et/ou d'évacuation et/ou de séparation présentent des trous de passage dont le pourtour est chaque fois une
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surface tronconique percée à la pointe qui elle-même est dirigée vers la matière adsorbante, évitant une obturation par la matière adsorbante.
Suivant une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, les joints d'étanchéité et les tronçons de joint d'étanchéité sont rainurés longitudinalement soit sur leur face tournée vers le rotor lorsqu'ils sont portés par le stator soit sur leur face tournée vers le stator lorsqu'ils sont portés par le rotor, de façon à provoquer un effet de labyrinthe pour tout gaz entre deux étages contigus du distributeur.
Suivant l'invention, des récipients tronconiques sont préférés pour une production d'azote comme composant non adsorbable et ils présentent de préférence un rapport de 0,6 à 0,8 entre leur diamètre de base et celui de sommet et un rapport de 0,8 à 1,5 entre leur diamètre moyen et leur hauteur, ces récipients tronconiques étant en outre avantageusement disposés de façon que leurs axes de révolution soient verticaux.
Suivant une autre particularité de l'invention, les quatre orifices du rotor, à l'étage de liaison des récipients, sont formés par de nombreux orifices aux bords arrondis.
Suivant une particularité supplémentaire de l'invention, un réservoir tampon et une vanne antiretour permettent la réalisation de la phase de rinçage sous vide à contre-courant via la pompe à vide, sans interférer avec l'évolution de la pression d'aspiration de cette même pompe à vide pendant la phase précédente de désorption par mise sous un vide déterminé.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation du procédé de
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l'invention et des formes de réalisation du dispositif de l'invention pour la mise en oeuvre du procédé de celle-ci.
La figure 1 représente schématiquement le dispositif ou système PSA connu, expliqué ci-dessus.
La figure 2 représente l'évolution de la pression (P) en bar, en ordonnée, en fonction du temps (t) en secondes, en abscisse, dans les réservoirs de la figure 1, au cours des étapes réalisées dans le cas du dispositif ou système de cette figure 1.
La figure 3 représente les allures des courbes donnant les masses adsorbées (M) de l'oxygène et de l'azote en fonction de leurs pressions partielles (P) en bar, dans le cas d'une matière adsorbante favorable à l'adsorption d'azote.
La figure 4 représente schématiquement, dans une vue en élévation, un dispositif de l'invention pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La figure 5 représente schématiquement, dans une vue en plan, le dispositif de la figure 4.
La figure 6 représente l'évolution de la pression (P) en bar, en ordonnée, en fonction du temps (t) en secondes, en abscisse, dans les récipients des figures 4 et 5, au cours des étapes réalisées dans le procédé de l'invention.
La figure 7a représente, vu de l'intérieur, un développement, parallèlement à l'axe de rotation, d'une forme de réalisation d'un stator utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
La figure 7b représente, vu de l'extérieur, un développement, parallèlement à l'axe de rotation, d'une forme de réalisation d'un rotor à utiliser avec le stator de la figure 7a.
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La figure 8 représente schématiquement, en coupe axiale, une forme de réalisation d'un récipient utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention.
La figure 9 représente schématiquement, en coupe axiale, une autre forme de réalisation d'un récipient utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Les figures 4 et 5 représentent un dispositif suivant l'invention. Ce nouveau dispositif comporte quatre récipients cylindriques 1 à 4 équipés de grilles de séparation 5 et 6 entre lesquelles se trouvent les tamis moléculaires 7 utilisés pour l'adsorption et la désorption des gaz sous l'effet de variations programmées de pression.
Ces matières adsorbantes 7 sont composées de
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matières spécifiques suivant la nature des gaz à adsorber, par exemple H20, N2 ou 021 etc.
Un distributeur de gaz 8 est composé d'un stator 9 et d'un rotor 10. Ce dernier est entraîné dans un mouvement rotatif séquentiel par un dispositif moteur 11 (par quarts de tours successifs).
Une soufflante de gaz à séparer 12 envoie le gaz vers un étage du distributeur 8. De même, une canalisation d'incorporation par aspiration de gaz à traiter est raccordée à un autre étage du distributeur 8 via le conduit 13.
Une pompe à vide 14 est connectée au distributeur 8, au quatrième étage.
Un cinquième étage du distributeur 8 recueille les gaz issus de la désorption poussée, expliquée cidessous, via le conduit 15, le réservoir 16, la soupape antiretour 22 et la pompe à vide 14.
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Le gaz pur sort de l'un des récipients 1 à 4 via des vannes 17 et est collecté dans un réservoir 18 avant utilisation. De plus, il est procédé au rinçage inverse des tamis moléculaires ou matières adsorbantes 7 par incorporation de gaz pur au moyen de vannes 19.
Bien que cela n'apparaisse pas sur les schémas des figures 4 et 5, les vannes 19 font partie d'un système de contrôle de débit alors que les vannes 17 n'en font pas partie. Les quatre récipients sont raccordés à la partie centrale du distributeur 8 via des canalisations 20 et des filtres 21.
Le distributeur de gaz 8 est divisé en cinq étages. Le rotor 10 et le stator 9 sont pourvus d'orifices de passage de gaz et de joints circulaires et verticaux décrits plus loin. Le rotor 10 est divisé intérieurement en quatre compartiments longitudinaux a, b, c, d.
Fonctionnement
Une partie du gaz à traiter est introduite par aspiration naturelle dans un récipient 4 par exemple sous vide via un conduit 13, le distributeur 8, le conduit interne d, le conduit 20 et le filtre 21 correspondants.
Ce récipient était préalablement sous vide (environ 0,3 bar absolu). Le gaz à traiter remplit le récipient 4, depuis la périphérie vers le centre, et sa pression s'élève progressivement jusqu'à une valeur proche de la pression atmosphérique. Une quantité importante de gaz est adsorbée dans le tamis moléculaire 7, sans évacuation du gaz non adsorbé.
Simultanément, une autre partie de gaz à traiter est introduite dans le récipient 1 suivant via la soufflante 12, l'étage supérieur du distributeur 8, le canal interne a du rotor 10, le conduit 20 et le filtre 21 correspondants. Ce gaz augmente la pression
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dans le récipient 1 et l'adsorption de composants du gaz s'y poursuit. Ce gaz traverse le récipient 1 de la partie périphérique vers le centre. Le gaz non adsorbé (gaz pur) est recueilli grâce à la grille 6 placée au centre et est dirigé vers l'extérieur via la vanne 17 et le réservoir 18, et vers l'utilisation.
Simultanément, on procède à la désorption des gaz adsorbés contenus dans les tamis moléculaires du réservoir 2, par aspiration grâce à la pompe à vide 14 via le conduit 20, le filtre 21, le distributeur 8 et le chenal interne b du rotor 10. La pression est donc progressivement abaissée dans ce réservoir 2.
Simultanément, on procède à la désorption finale des gaz contenus dans les tamis moléculaires 7 du réservoir 3 déjà sous vide, par incorporation de gaz pur via la vanne 19 correspondante. Ce gaz abaisse fortement la pression partielle du gaz adsorbé dans le tamis moléculaire 7 et rejette celui-ci vers la pompe à vide 14 via le conduit 20, le filtre 21, le distributeur 8, le chenal interne c, le conduit 15 et le réservoir intermédiaire 16 qui est maintenu sous un certain vide de régularisation grâce à l'action d'une soupape antiretour 22. On peut constater à la figure 6, que la soupape antiretour 22 s'ouvre au point R de la phase L4 lorsque la pression R'de la phase L3 sera devenue suffisamment faible, soit environ 0,5 bar.
Après une période de temps définie par la cinétique d'adsorption/désorption du tamis moléculaire 7, soit 5 à 15 secondes, on procède à la rotation de 1/4 de tour du rotor 10 du distributeur 8 et on change ainsi le rôle des récipients : gaz à traiter aspiré vers le récipient 1, gaz à traiter soufflé vers le récipient 2, désorption partielle du récipient 3, désorption finale par rinçage au gaz pur sous vide du récipient 4.
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La figure 5 donne une représentation de l'évolution des pressions dans les récipients 1 à 4 : Ll. remplissage de gaz à traiter dans un récipient par aspiration ; adsorption de gaz,
L2. injection du complément de gaz à traiter surpressé ; adsorption complémentaire de gaz et émission de gaz pur,
L3. désorption de gaz contenu dans les tamis moléculaires 7 par aspiration de la pompe à vide 14,
L4. désorption totale du tamis moléculaire par balayage inverse sous vide au moyen de gaz pur.
Il faut remarquer que le vide nécessaire pour assurer la désorption des gaz contenus dans le tamis moléculaire 7 sera moins poussé, suivant l'invention, que dans les systèmes connus, soit une pression de vide de 0,3 bar absolu au lieu de 0,15 bar absolu, voir la figure 3. A titre d'exemple : pression à vide = 0,3, pression partielle de l'azote N résiduel = 0,27 bar, d'où quantité de gaz résiduel adsorbé = n3.
Par balayage sous vide au moyen de gaz pur, la pression partielle de l'azote N2 résiduel devient 0,1 bar, d'où la quantité d'azote résiduel devient égale à n4. Le gaz réellement désorbé par le tamis moléculaire devient nl-n4 qui est plus grand que nl-n2. Il en résulte que pour une dépense énergétique de la pompe à vide fonctionnant à 0,3 bar absolu, on obtient de meilleures performances que celles obtenues dans les systèmes classiques fonctionnant à 0,15 bar absolu. En conséquence, il y a un gain considérable d'énergie.
De plus, seule une partie du gaz à traiter, soit 50 %, doit être surpressé. Il en résulte un gain complémentaire en énergie consommée.
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Le distributeur de qaz
Une forme particulière du distributeur 8 est représentée et il constitue une pièce essentielle du dispositif de l'invention puisqu'il assure un fonctionnement adapté à la cinétique d'adsorption/désorption du tamis moléculaire 7 et à la réalisation des cycles spécifiques du procédé inventé.
Les figures 4 et 5 et les figures 7a et 7b donnent la représentation d'un distributeur 8 appliqué à l'invention.
Le rotor 10 possède des cloisons longitudinales formant des chenaux a, b, c, et d (figure 5).
Le distributeur 8 comprend cinq étages séparés par des joints annulaires d'étanchéité 23. Quatre étages correspondent aux quatre phases du procédé et l'étage central distribue les phases aux récipients. A l'étage central, il y a des joints d'étanchéité 24 "verticaux"pour assurer l'étanchéité entre les récipients. Un dédoublement des joints verticaux 24 permet d'éliminer un court-circuit lors de la rotation du distributeur 8 et, de plus, de diviser par deux le taux des fuites.
Le rotor 10 est à l'arrêt pendant le temps de déroulement de chaque phase, puis effectue une rotation d'un quart de tour en moins d'une seconde. La vitesse moyenne de rotation du distributeur 8 est de l'ordre d'un tour par minute. Ce système permet donc d'appliquer des temps de phase courts, liés aux performances en adsorption/désorption du tamis moléculaire 7.
Il faut remarquer que les parties du rotor 10 en contact avec les joints 23,24 sont garnies d'une couche d'oxyde céramique de grande dureté, couche traitée par polissage pour réduire les efforts de frottement (en grisé à la figure 7b).
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Récipient à transfert de qaz à vitesse constante
Une particularité de l'invention est la distribution du gaz au sein des masses adsorbantes 7. Une forme particulière de distribution des gaz dans les récipients 1 à 4, particulièrement pour la production d'oxygène à partir de l'air, est explicite au vu de la figure 8.
Le gaz à traiter est introduit dans le récipient via une canalisation 20 par la périphérie. Une grille spéciale 5 de grande surface permet au gaz d'être distribué de façon homogène, à vitesse faible dans une première masse adsorbante 7A, pour retenir un des éléments du gaz, H20 par exemple.
La grille 5 présente des caractéristiques spéciales, et notamment comporte des trous de forme conique dont la pointe est tournée vers la matière adsorbante et est percée, de façon à empêcher toute obstruction de ces orifices par la masse adsorbante 7.
Le gaz poursuit son parcours de façon horizontale et passe à travers une grille 25 séparant la matière adsorbante 7A d'une autre matière adsorbante 7B qui retient un composant du gaz, N2 par exemple. Après adsorption de ce gaz, le gaz pur (non adsorbé) est recueilli dans l'espace central réalisé par une grille 6 de mêmes caractéristiques que le grille 5. Suivant cette forme particulière de réalisation, le gaz traverse le masse adsorbante 7 à vitesse constante, ce qui empêche l'effritement des matières constitutives de ces masses 7A, 7B et améliore la cinétique de fonctionnement adsorption/désorption. Le rapport entre les quantités des gaz entrant dans le récipient et sortant de ce dernier et le gaz pur est de 10 à 1 pour la production d'oxygène et argon à partir de l'air atmosphérique.
Une autre forme particulière (non représentée) de récipients est réalisée dans une enceinte unique,
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divisée en quatre compartiments étanches par des parois verticales.
D'autres types de récipients seront réalisés préférentiellement, dans le cas de séparation d'un composant à faible concentration du gaz, par exemple pour la production d'azote comme gaz pur. Dans ce dernier cas, le passage des gaz peut être de type vertical dans un récipient cylindrique ou légèrement conique (figure 9) et de faible hauteur.
Les flèches des figures 8 et 9 indiquent le sens d'écoulement du gaz à séparer, arrivant par le conduit 20, et du gaz pur, dit aussi non adsorbable, pendant les phases d'adsorption. Par composant (s) non adsorbable (s), il faut entendre le (s) composant (s) que l'on souhaite sortir par le réservoir 18 et amener à ce que l'on appelle l'utilisation. Il va de soi qu'il peut toujours y avoir une adsorption relativement faible du ou des composants non adsorbables.
Dans le cas d'une production d'azote (considéré alors comme composant non adsorbable), l'oxygène étant considéré comme composant à adsorber, il est préférable de réaliser un distributeur à sept étages, les deux étages supplémentaires servant alors à remplacer les vannes 17 et 19 et à remplir leurs fonctions de la même manière que le font les autres étages déjà expliqués.
L'homme de métier sait bien dans quel cas de matière adsorbante on peut appeler celle-ci"tamis moléculaire"et il n'aura aucune difficulté à comprendre que les deux acceptions ont été utilisées en parallèle pour démontrer que l'invention s'applique aussi bien à l'un qu'à l'autre cas.
Les orifices prévus dans les stator 9 et rotor 10 pour la mise en correspondance sélective des récipients 1 à 4 avec des conduits spécifiques de gaz via
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les chenaux a, b, c et d n'ont pas besoin d'être mieux décrits. Il peut être précisé cependant que pour faciliter le passage des joints"verticaux"24, il est avantageux que les orifices 26 (figure 7b) de l'étage central de liaison aux récipients 1 à 4, sur le rotor 10, soient formés de plusieurs trous circulaires, à la manière d'une passoire. Les orifices 27 des autres étages ne posent pas de problème de passage de joints et peuvent être formés de façons variées en fonction de ce que l'homme de métier estime mieux adapté au cas d'espèce.
Les joints 23 et 24 sont représentés fixés sur le stator 9. Ils peuvent cependant tout aussi bien être montés sur le rotor 10. Ils présentent de préférence, du côté de l'élément sur lequel ils ne sont pas fixés mais sur lequel ils frottent, des rainures longitudinales formant des labyrinthes pour du gaz tendant à passer d'un étage à l'autre.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre de la présente invention.
Ainsi, les récipients, réservoirs, distributeurs, etc., peuvent occuper, selon le cas, les nécessités et le choix de l'homme de métier, une position différente de la position verticale représentée dans les figures 4,5, 7a, 7b, 8 et 9.
Avantaqes chiffrés du procédé et des dispositifs suivant l'invention
Le tableau suivant donne une comparaison entre les performances des systèmes PSA connus et celles du procédé suivant l'invention dans le cas de la séparation d'air pour la production d'oxygène. On constate un meilleur taux d'utilisation du tamis moléculaire (55%), un important gain énergétique (de 24 à 26%), un coût de
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construction abaissé de 20% et la possibilité de réaliser des unités de grande taille.
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Performance comparées
EMI22.1
<tb>
<tb> Système <SEP> de <SEP> production <SEP> 02 <SEP> Procédés <SEP> PSA <SEP> Procédé <SEP> suivant
<tb> connus <SEP> l'invention
<tb> Capacité <SEP> de <SEP> production
<tb> tonnes <SEP> métriques/jour <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 200
<tb> Quantité <SEP> tamis <SEP> moléculaire
<tb> tonnes <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 5,5 <SEP> 27,5 <SEP> 110
<tb> Raqpport <SEP> volumétrique
<tb> gaz <SEP> désorbé/O2 <SEP> 8 <SEP> 6,7
<tb> Puissance <SEP> soufflage <SEP> gaz
<tb> (air) <SEP> p=1, <SEP> 2 <SEP> bar <SEP> absolu <SEP> kW <SEP> 20 <SEP> 90 <SEP> 8 <SEP> 40 <SEP> 140
<tb> Puissance <SEP> pompe <SEP> à <SEP> vide
<tb> (pression) <SEP> kW
<tb> pour <SEP> p=0,15 <SEP> bar <SEP> 130 <SEP> 580 <SEP> - <SEP> - <SEP> pour <SEP> p=0,
3 <SEP> bar--103 <SEP> 460 <SEP> 1450
<tb> Puissance <SEP> totale <SEP> kW <SEP> 150 <SEP> 670 <SEP> 111 <SEP> 500 <SEP> 1590
<tb> Consommation <SEP> spécifique
<tb> 0 <SEP> pur <SEP> kW/m3 <SEP> 0,502 <SEP> 0,46 <SEP> 0,38 <SEP> 0,34 <SEP> 0,27
<tb> Niveau <SEP> relatif <SEP> de
<tb> l'investissement <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0,82 <SEP> 0, <SEP> 8
<tb>
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"Method and device for the selective separation of at least one component from a gas mixture"
The present invention relates to a process for the selective separation of at least one component from a gas mixture by adsorption using at least one adsorbent material chosen as a function of the gas mixture and of its components to be separated selectively.
Prior state of the art
The separation of gases by selective adsorption on adsorbent material, possibly on molecular sieves, and by pressure fluctuations is a well-known technique, which has been widely developed since 1970 and is covered by numerous patents.
An example of a commonly used PSA (Pressure Swing Adsorption) system is shown in FIG. 1 and comprises two or three reservoirs A, B, C, filled with specific adsorbent material (s). A gas blower to be treated D feeds one of the tanks A, B, C, by opening the corresponding valve E. The gas to be treated (for example air) passes through one of the tanks, for example A, in which the gas to be rejected is adsorbed, the non-adsorbed gas (for example oxygen) leaves the tank A via the valve FA open at this time, and the tank G, towards use.
During this operation, the reservoir B is evacuated by means of a vacuum pump H via the corresponding valve IB. The adsorbed gas (for example nitrogen) is thus partially removed.
Likewise, the reservoir C, previously evacuated, is filled by introducing
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pure gas via the FC valve, the corresponding IC valve being closed. With this operation, the adsorbed residual gas is discharged down from the tank C, the upper part of the tank C being completely desorbed. This operation is "repressurization".
After a fixed period of time, the circuits are inverted, ie gas to be treated towards the reservoir B, evacuation of the reservoir C and repressurization of the reservoir A, at a constant rate of approximately 30 seconds for example, by operation corresponding valves E, I, F, thus obtaining almost continuous operation.
The evolution of the pressures in the tanks is shown in Figure 2.
Jl. Introduction of pressurized raw gas and production of pure gas, J2. Desorption of adsorbed gas by vacuum, J3. Repressurization using pure gas.
Disadvantages of known systems as described above 1) High consumption of energy absorbed by the overpressure machines, and especially by the vacuum pump.
It is indeed necessary to carry out a vacuum at a very low absolute pressure level in order to desorb an appreciable quantity of adsorbed gas to be rejected. This appears in FIG. 3 representing the gas adsorption characteristics for a molecular sieve or adsorbent material specific to the adsorption of nitrogen from the air. The partial pressure P of the gases is plotted on the abscissa and the mass M of gas adsorbed on the ordinate.
The distribution in atmospheric air is
EMI2.1
around 80 nitrogen (N2) 1 gas to adsorb, for 20% oxygen (Op). So, for a raw gas (or air) pressure of 1, 2 bar, the partial pressure of nitrogen
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is of the order of 0.95 bar and there corresponds a mass of nitrogen n1 and that of oxygen is of the order of 0.25 bar and it corresponds to a mass of oxygen 01.
If for the desorption, a vacuum of 0.15 bar is carried out, the partial pressure of the nitrogen is then 0.135 bar and this provides a desorption up to the level n2. The mass of gas actually desorbed from the adsorbent material is therefore nl-n2 and a significant amount of energy must be spent on the vacuum pump H to create the vacuum of 0.15 bar.
2) A high frequency is imposed on the valves E and I which equip the reservoirs, FIG. 1, and which operate approximately every 30 seconds at least, and therefore perform approximately one million operations per year, while the molecular sieve allows a significantly higher frequency of operations. As a result, the quantity of molecular sieve, an expensive material, to be used is very high. In addition, the maintenance cost of these valves E and I, which are highly mechanically stressed when it comes to valves for high flow installations, is very high.
3) The known systems include six valves of large dimensions and operating at high frequency for the dimensions used; this constitutes a limitation of the production capacity of the known units, for example to a limit of 100 T / d of pure gas for the case of oxygen, beyond which the unit cost of the equipment becomes prohibitive.
4) The speed of passage of the gases in the molecular sieve or adsorbent mass, at the right of the injection of gas to be treated and at the outlet of the desorbed gases, is very high. This leads to erosion of the adsorbent mass. Indeed, the mass of desorbed gas can represent approximately ten times the mass of pure gas produced. In addition, these large variations in flow velocity-
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The gases in the molecular sieve do not allow rational use of the adsorption / desorption properties of these materials.
5) Other PSA systems have been patented, for example that of patent US-A-2,033. 777, the system of which is made up of eight containers and two flat rotary valves ensuring gas distribution. This long cycle system (45 seconds) requires a high amount of molecular sieve (expensive) and uses a two-stage vacuum system, up to 0.04 bar, therefore results in high energy consumption.
Although rotary valves replace the many necessary slide valves, they include sliding plates which must be provided with special and complex means, not described, to ensure sealing.
6) Another example is the subject of US-A-5,133. 784. The system described therein comprises twenty-four containers in the form of rotating segments around a fixed gas distribution device. This fast cycle system provides molecular sieve gain due to speed. It is however very complex and consumes an amount of energy as high as the other known conventional systems. It has a fixed distributor which must supply the twenty-four rotating containers and which each have two openings. The systems ensuring sealing are not described.
The object of the present invention is to remedy the drawbacks of known techniques and methods, and in particular: to significantly reduce energy consumption by more than 20%, - to reduce the mass of expensive adsorbent material by more than 40%,
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to reduce maintenance costs and to improve the reliability of the gas separation device, to reduce the investment costs of the units.
The process of the invention has no technical limitation as regards production capacity, it makes it possible to produce units of all sizes, which are largely competitive with giant cryogenic systems.
To this end, the process of the invention comprises the following four phases carried out periodically, successively in the order below, in the same container comprising the adsorbent material, the phases being specific and essential to the whole process: - natural admission by suction of the gaseous mixture into the container, the adsorbent material of which has been previously desorbed and the internal pressure of which has previously been brought to a determined vacuum level, the admission being maintained until the internal pressure reaches a value close to, but lower than, atmospheric pressure, a partial adsorption thus taking place during this admission, - then an admission under pressure of the gaseous mixture into the same container, thus giving rise to additional adsorption,
and simultaneously with evacuation from the container, of the non-adsorbable component (s), until a determined pressure is obtained, higher than atmospheric pressure, - a vacuum placed inside the container, giving rise to partial desorption and evacuation of the component (s) previously adsorbed by the adsorbent material and, - while continuing with said determined vacuum, introduction, against the current, of a determined quantity of the non-adsorbed component (s) produced previously , to give rise to a lowering of the
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partial pressure of the component (s) adsorbed previously and still present, so as to cause additional desorption and evacuation of the component (s) adsorbed.
For convenience, we call this phase "rinsing", not to be confused with scanning by repressurization, because this phase according to the invention operates under vacuum.
According to one embodiment of the invention, the above four phases are periodically carried out in four containers of the same capacity and, while a first container is subjected to natural admission, a second is subjected to admission under pressure, a third is subjected to determined vacuuming and a fourth is subjected to countercurrent and vacuum introduction.
Advantageously according to the invention, a duration of a cycle of the four phases is divided into four quarters of equal duration for each phase and a quarter of duration is chosen so as to be less than a time limit for saturation of the adsorbent material contained in a container and not by the mechanical strength of the devices.
According to a preferred embodiment of the invention, when the gas mixture is atmospheric air, the adsorbable components being nitrogen, carbon dioxide and water, and the non-adsorbable components are oxygen and argon, the determined vacuum is between 0.2 and 0.5 bar absolute and is preferably of the order of 0.3 bar absolute; then the determined pressure higher than atmospheric pressure is advantageously between 1, 1 and 2 bar absolute and is preferably of the order of 1.2 bar absolute.
According to another preferred embodiment of the invention, when the gas mixture is air
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atmospheric and that the adsorbable component is oxygen, the non-adsorbable component being nitrogen, then the determined pressure greater than atmospheric pressure is advantageously between 2 and 7 bars absolute and is preferably of the order of 4 to 6 absolute bars; the determined vacuum is then between 0.3 and 0.7 bar absolute and is preferably of the order of 0.5 bar absolute.
According to another advantageous embodiment of the invention, for adsorption, a passage of the gas mixture is arranged so that it circulates at practically constant speed through the adsorbent material, compensating for its loss of components) adsorbable (s) by a progressive reduction in the cross-section of passage through the adsorbent mass, and for desorption, a passage in the opposite direction of the gaseous components is arranged through the adsorbent material so that they circulate at a speed also practically constant, depending on the gradual increase in the volume of desorbed gas.
The present invention also relates to a device for implementing the method according to the invention.
The device of the invention comprises: - a blower for producing the determined pressure higher than atmospheric pressure, a vacuum pump for producing the evacuation, an atmospheric air intake and a collector of component (s) non-adsorbable (s), - a rotary distributor of the new type, arranged for a sequential and selective communication of each container and at least the entry of atmospheric air, the blower and, according to two respective paths according to the phase in progress, from the vacuum pump,
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- control and drive means for the periodic rotation of the rotary distributor, - four identical separate containers, intended to receive the adsorbent material (s).
According to the invention, in the aforementioned device: - each container comprises a gas mixture admission chamber on one side of the adsorbent material and a discharge chamber of the non-adsorbable component (s) on the other side of the material adsorbent, an intake grid between the adsorbent material and the intake chamber and an evacuation grid parallel to the intake grid and disposed opposite the adsorbent material, between the latter and the exhaust, - the intake grid has a passage surface of the gas mixture greater than a passage surface presented by the discharge grid, the adsorbent material having a regular and gradual variation in cross section, from the corresponding dimensions of the grid intake up to the corresponding dimensions of the exhaust grille,
- optionally a separation grid is provided each time between two different adsorbent materials and is arranged parallel to the intake and exhaust grids, - preferably, the passage of gas and the aforementioned passage surfaces are arranged so that during adsorption, on the one hand, the gas mixture entering through the intake grid and progressing in the adsorbent material and, on the other hand, the non-adsorbable component (s) discharged through the discharge grid have a speed practically constant and so that during desorption, a passage in the opposite direction of
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gaseous components also takes place at an almost constant speed, - a periodic and selective communication of each container and of the collector of non-adsorbable component (s) is carried out,
either by another rotary distributor or by a pair of valves controlled periodically, in rhythm with the rotary distributor mentioned first, by the appropriate control means.
According to a preferred embodiment of the invention, the four containers are four independent tanks, cylindrical or frustoconical.
According to another preferred embodiment of the invention, the four containers are four separate compartments formed in a common enclosure by partition walls, the enclosure preferably being cylindrical, the compartments then forming truncated sectors around the axis cylinder.
According to an advantageous embodiment of the invention, the distributor comprises - five stages arranged one next to the other in the direction of the axis of rotation, - a stator for the selective connection - to the blower at a first stage, - at the entry of air at atmospheric pressure to a second stage,
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- to the vacuum pump on a third stage, - to the vacuum pump, via a buffer tank and a non-return valve, on a fourth stage, - to each of the receptacles on a fifth stage known as connection, the latter being preferably arranged in the middle part of the distributor, - a rotor with internal channels, parallel to the axis of rotation,
for selective communication and
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periodical of each container connected to the fifth stage and respectively, - 1 atmospheric air intake by a first channel,
EMI10.1
- the blower by a second channel, - the vacuum pump by a third channel, - the buffer tank by a fourth channel, the stator comprising on each stage, for the selective connection, four orifices opening inwards and arranged at 900 from one another and the rotor comprising, on the stage of connection to the four receptacles, four orifices located at 900 from one another and opening towards the outside so as to be able to to put in communication a container and a corresponding channel according to the process phase to be carried out in a container and, at each other stage,
a single orifice arranged to put a corresponding channel in communication with an orifice on the same stage of the stator as a function of said process phase.
According to a particular embodiment of the invention, - an annular seal is arranged between each stage to make a seal between two stages, this seal preferably being carried by the stator, and - between two orifices of the connecting stage in the containers, there are each at least one and preferably two sections of seal extending from one annular seal to the other and each arranged near an orifice of this stage, each joint section preferably carried by the stator.
According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the intake and / or evacuation and / or separation grids have passage holes the circumference of which is each time
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frustoconical surface pierced at the point which itself is directed towards the adsorbent material, avoiding blockage by the adsorbent material.
According to a particularly preferred embodiment of the invention, the seals and the seal sections are grooved longitudinally either on their face facing the rotor when they are carried by the stator or on their face facing the stator when carried by the rotor, so as to cause a labyrinth effect for any gas between two contiguous stages of the distributor.
According to the invention, frustoconical containers are preferred for the production of nitrogen as a non-adsorbable component and they preferably have a ratio of 0.6 to 0.8 between their base diameter and that of the top and a ratio of 0, 8 to 1.5 between their mean diameter and their height, these frustoconical receptacles being further advantageously arranged so that their axes of revolution are vertical.
According to another feature of the invention, the four orifices of the rotor, on the connecting stage of the containers, are formed by numerous orifices with rounded edges.
According to an additional feature of the invention, a buffer tank and a non-return valve allow the realization of the vacuum rinsing phase against the current via the vacuum pump, without interfering with the evolution of the suction pressure of this same vacuum pump during the previous phase of desorption by placing under a determined vacuum.
Other details and particularities of the invention will emerge from the secondary claims and from the description of the drawings which are annexed to the present specification and which illustrate, by way of nonlimiting examples, embodiments of the method of
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the invention and embodiments of the device of the invention for the implementation of the method thereof.
FIG. 1 schematically represents the known PSA device or system, explained above.
FIG. 2 represents the evolution of the pressure (P) in bar, on the ordinate, as a function of time (t) in seconds, on the abscissa, in the reservoirs of FIG. 1, during the steps carried out in the case of the device or system of this figure 1.
FIG. 3 represents the shapes of the curves giving the adsorbed masses (M) of oxygen and nitrogen as a function of their partial pressures (P) in bar, in the case of an adsorbent material favorable to the adsorption of 'nitrogen.
FIG. 4 schematically represents, in an elevation view, a device of the invention for implementing the method of the invention.
FIG. 5 schematically represents, in a plan view, the device of FIG. 4.
FIG. 6 represents the evolution of the pressure (P) in bar, on the ordinate, as a function of time (t) in seconds, on the abscissa, in the containers of FIGS. 4 and 5, during the steps carried out in the method of the invention.
FIG. 7a represents, seen from the inside, a development, parallel to the axis of rotation, of an embodiment of a stator used for the implementation of the method of the invention.
FIG. 7b represents, seen from the outside, a development, parallel to the axis of rotation, of an embodiment of a rotor to be used with the stator of FIG. 7a.
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FIG. 8 schematically represents, in axial section, an embodiment of a container used for the implementation of the invention.
FIG. 9 schematically represents, in axial section, another embodiment of a container used for the implementation of the invention.
In the various figures, the same reference notations designate identical or analogous elements.
Figures 4 and 5 show a device according to the invention. This new device comprises four cylindrical containers 1 to 4 equipped with separation grids 5 and 6 between which are the molecular sieves 7 used for the adsorption and desorption of gases under the effect of programmed variations in pressure.
These adsorbent materials 7 are composed of
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specific materials depending on the nature of the gases to be adsorbed, for example H20, N2 or 021 etc.
A gas distributor 8 is composed of a stator 9 and a rotor 10. The latter is driven in a sequential rotary movement by a motor device 11 (by successive quarter turns).
A gas blower to be separated 12 sends the gas to a stage of the distributor 8. Likewise, an incorporation pipe by suction of gas to be treated is connected to another stage of the distributor 8 via the conduit 13.
A vacuum pump 14 is connected to the distributor 8, on the fourth floor.
A fifth stage of the distributor 8 collects the gases resulting from the high desorption, explained below, via the conduit 15, the tank 16, the non-return valve 22 and the vacuum pump 14.
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The pure gas leaves one of the containers 1 to 4 via valves 17 and is collected in a tank 18 before use. In addition, reverse rinsing of the molecular sieves or adsorbent materials 7 is carried out by incorporating pure gas by means of valves 19.
Although this does not appear in the diagrams of Figures 4 and 5, the valves 19 are part of a flow control system while the valves 17 are not part. The four containers are connected to the central part of the distributor 8 via pipes 20 and filters 21.
The gas distributor 8 is divided into five stages. The rotor 10 and the stator 9 are provided with gas passage orifices and circular and vertical seals described below. The rotor 10 is internally divided into four longitudinal compartments a, b, c, d.
Operation
Part of the gas to be treated is introduced by natural aspiration into a container 4, for example under vacuum via a conduit 13, the distributor 8, the internal conduit d, the conduit 20 and the corresponding filter 21.
This container was previously vacuum-sealed (approximately 0.3 bar absolute). The gas to be treated fills the container 4, from the periphery towards the center, and its pressure gradually rises to a value close to atmospheric pressure. A large quantity of gas is adsorbed in the molecular sieve 7, without evacuation of the non-adsorbed gas.
Simultaneously, another part of the gas to be treated is introduced into the next container 1 via the blower 12, the upper stage of the distributor 8, the internal channel a of the rotor 10, the corresponding conduit 20 and the filter 21. This gas increases the pressure
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in the container 1 and the adsorption of gas components continues there. This gas passes through the container 1 from the peripheral part towards the center. The non-adsorbed gas (pure gas) is collected thanks to the grid 6 placed in the center and is directed towards the outside via the valve 17 and the tank 18, and towards use.
Simultaneously, the adsorbed gases contained in the molecular sieves of the reservoir 2 are desorbed, by suction using the vacuum pump 14 via the conduit 20, the filter 21, the distributor 8 and the internal channel b of the rotor 10. The pressure is therefore gradually lowered in this tank 2.
Simultaneously, one proceeds to the final desorption of the gases contained in the molecular sieves 7 of the reservoir 3 already under vacuum, by incorporation of pure gas via the corresponding valve 19. This gas strongly lowers the partial pressure of the gas adsorbed in the molecular sieve 7 and rejects it towards the vacuum pump 14 via the conduit 20, the filter 21, the distributor 8, the internal channel c, the conduit 15 and the reservoir. intermediate 16 which is maintained under a certain regulation vacuum thanks to the action of a non-return valve 22. It can be seen in FIG. 6, that the non-return valve 22 opens at point R of phase L4 when the pressure R 'of phase L3 will have become sufficiently weak, around 0.5 bar.
After a period of time defined by the adsorption / desorption kinetics of the molecular sieve 7, ie 5 to 15 seconds, the rotor 10 of the distributor 8 is rotated by 1/4 of a turn and the role of the containers is thus changed : gas to be treated sucked towards container 1, gas to be treated blown towards container 2, partial desorption of container 3, final desorption by rinsing with pure gas under vacuum of container 4.
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FIG. 5 gives a representation of the evolution of the pressures in the containers 1 to 4: L1. filling of gas to be treated in a container by suction; gas adsorption,
L2. injection of the additional gas to be treated overpressed; additional adsorption of gas and emission of pure gas,
L3. desorption of gas contained in the molecular sieves 7 by suction of the vacuum pump 14,
L4. total desorption of the molecular sieve by reverse vacuum sweeping using pure gas.
It should be noted that the vacuum necessary to ensure the desorption of the gases contained in the molecular sieve 7 will be less high, according to the invention, than in known systems, ie a vacuum pressure of 0.3 bar absolute instead of 0, 15 bar absolute, see Figure 3. As an example: vacuum pressure = 0.3, partial pressure of residual nitrogen N = 0.27 bar, hence the quantity of residual gas adsorbed = n3.
By vacuum sweeping with pure gas, the partial pressure of the residual nitrogen N2 becomes 0.1 bar, hence the amount of residual nitrogen becomes equal to n4. The gas actually desorbed by the molecular sieve becomes nl-n4 which is larger than nl-n2. As a result, for an energy expenditure of the vacuum pump operating at 0.3 bar absolute, better performance is obtained than that obtained in conventional systems operating at 0.15 bar absolute. As a result, there is a considerable gain in energy.
In addition, only part of the gas to be treated, ie 50%, must be overpressed. This results in an additional gain in energy consumed.
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The qaz distributor
A particular form of the distributor 8 is shown and it constitutes an essential part of the device of the invention since it ensures an operation adapted to the kinetics of adsorption / desorption of the molecular sieve 7 and to the carrying out of the specific cycles of the invented process.
Figures 4 and 5 and Figures 7a and 7b give the representation of a distributor 8 applied to the invention.
The rotor 10 has longitudinal partitions forming channels a, b, c, and d (Figure 5).
The distributor 8 comprises five stages separated by annular seals 23. Four stages correspond to the four phases of the process and the central stage distributes the phases to the containers. On the central floor, there are 24 "vertical" seals to seal between the containers. Splitting the vertical joints 24 eliminates a short circuit during the rotation of the distributor 8 and, moreover, halves the rate of leaks.
The rotor 10 is stopped during the running time of each phase, then performs a rotation of a quarter turn in less than a second. The average speed of rotation of the distributor 8 is of the order of one revolution per minute. This system therefore makes it possible to apply short phase times, linked to the adsorption / desorption performance of the molecular sieve 7.
It should be noted that the parts of the rotor 10 in contact with the seals 23, 24 are filled with a layer of ceramic oxide of very hardness, layer treated by polishing to reduce the frictional forces (in gray in FIG. 7b).
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Constant speed qaz transfer container
A particular feature of the invention is the distribution of the gas within the adsorbent masses 7. A particular form of distribution of the gases in the containers 1 to 4, particularly for the production of oxygen from the air, is explicit in view in Figure 8.
The gas to be treated is introduced into the container via a pipe 20 through the periphery. A special grid 5 of large area allows the gas to be distributed homogeneously, at low speed in a first adsorbent mass 7A, to retain one of the elements of the gas, H20 for example.
The grid 5 has special characteristics, and in particular has conical holes, the tip of which faces the adsorbent material and is pierced, so as to prevent any obstruction of these orifices by the adsorbent mass 7.
The gas continues to run horizontally and passes through a grid 25 separating the adsorbent material 7A from another adsorbent material 7B which retains a component of the gas, N2 for example. After adsorption of this gas, the pure gas (not adsorbed) is collected in the central space produced by a grid 6 having the same characteristics as the grid 5. According to this particular embodiment, the gas passes through the adsorbent mass 7 at constant speed , which prevents the erosion of the constituent materials of these masses 7A, 7B and improves the kinetics of adsorption / desorption operation. The ratio between the quantities of gases entering and leaving the container and the pure gas is 10 to 1 for the production of oxygen and argon from atmospheric air.
Another particular form (not shown) of containers is produced in a single enclosure,
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divided into four watertight compartments by vertical walls.
Other types of containers will preferably be produced, in the case of separation of a component with a low concentration of gas, for example for the production of nitrogen as pure gas. In the latter case, the passage of gases can be vertical in a cylindrical container or slightly conical (Figure 9) and of low height.
The arrows in FIGS. 8 and 9 indicate the direction of flow of the gas to be separated, arriving via line 20, and of pure gas, also said to be non-adsorbable, during the adsorption phases. The term “non-adsorbable component (s)” means the component (s) which it is wished to leave through the reservoir 18 and lead to what is called use. It goes without saying that there can always be a relatively weak adsorption of the non-adsorbable component (s).
In the case of nitrogen production (then considered as a non-adsorbable component), oxygen being considered as a component to be adsorbed, it is preferable to make a seven-stage distributor, the two additional stages then serving to replace the valves 17 and 19 and to fulfill their functions in the same way as the other stages already explained.
Those skilled in the art know well in which case of adsorbent material one can call it "molecular sieve" and he will have no difficulty in understanding that the two meanings have been used in parallel to demonstrate that the invention applies in either case.
The orifices provided in the stator 9 and rotor 10 for the selective matching of the receptacles 1 to 4 with specific gas conduits via
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channels a, b, c and d need not be better described. It can be specified, however, that to facilitate the passage of the "vertical" seals 24, it is advantageous that the orifices 26 (FIG. 7b) of the central stage of connection to the containers 1 to 4, on the rotor 10, are formed of several circular holes, like a colander. The orifices 27 of the other stages do not pose any problem of passage of seals and can be formed in various ways depending on what the skilled person considers best suited to the case in hand.
The seals 23 and 24 are shown fixed on the stator 9. They can however just as easily be mounted on the rotor 10. They preferably have, on the side of the element on which they are not fixed but on which they rub, longitudinal grooves forming labyrinths for gas tending to pass from one floor to another.
It should be understood that the invention is in no way limited to the embodiments described and that many modifications can be made to these without departing from the scope of the present invention.
Thus, the receptacles, tanks, distributors, etc., can occupy, as the case may be, the necessities and the choice of the person skilled in the art, a position different from the vertical position represented in FIGS. 4,5, 7a, 7b, 8 and 9.
Cost figures of the method and devices according to the invention
The following table gives a comparison between the performances of known PSA systems and those of the process according to the invention in the case of air separation for the production of oxygen. There is a better rate of use of the molecular sieve (55%), a significant energy gain (from 24 to 26%), a cost of
<Desc / Clms Page number 21>
construction lowered by 20% and the possibility of making large units.
<Desc / Clms Page number 22>
Comparative performance
EMI22.1
<tb>
<tb> System <SEP> from <SEP> production <SEP> 02 <SEP> Processes <SEP> PSA <SEP> Process <SEP> next
<tb> known <SEP> the invention
<tb> Capacity <SEP> from <SEP> production
<tb> tonnes <SEP> metrics / day <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 200
<tb> Quantity <SEP> sieve <SEP> molecular
<tb> tonnes <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 5.5 <SEP> 27.5 <SEP> 110
<tb> Raqpport <SEP> volumetric
<tb> gas <SEP> desorbed / O2 <SEP> 8 <SEP> 6.7
<tb> Power <SEP> blowing <SEP> gas
<tb> (air) <SEP> p = 1, <SEP> 2 <SEP> bar <SEP> absolute <SEP> kW <SEP> 20 <SEP> 90 <SEP> 8 <SEP> 40 <SEP> 140
<tb> Power <SEP> pump <SEP> to <SEP> empty
<tb> (pressure) <SEP> kW
<tb> for <SEP> p = 0.15 <SEP> bar <SEP> 130 <SEP> 580 <SEP> - <SEP> - <SEP> for <SEP> p = 0,
3 <SEP> bar - 103 <SEP> 460 <SEP> 1450
<tb> Power <SEP> total <SEP> kW <SEP> 150 <SEP> 670 <SEP> 111 <SEP> 500 <SEP> 1590
<tb> Consumption <SEP> specific
<tb> 0 <SEP> pure <SEP> kW / m3 <SEP> 0.502 <SEP> 0.46 <SEP> 0.38 <SEP> 0.34 <SEP> 0.27
<tb> Level <SEP> relative <SEP> from
<tb> investment <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0.82 <SEP> 0, <SEP> 8
<tb>