EP2707121A1 - Unité de purification par adsorption avec distributeur rotatif et moyen de réglage des débits - Google Patents

Unité de purification par adsorption avec distributeur rotatif et moyen de réglage des débits

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EP2707121A1
EP2707121A1 EP12722445.9A EP12722445A EP2707121A1 EP 2707121 A1 EP2707121 A1 EP 2707121A1 EP 12722445 A EP12722445 A EP 12722445A EP 2707121 A1 EP2707121 A1 EP 2707121A1
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EP
European Patent Office
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rotary distributor
adsorbers
flow
psa
purification unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12722445.9A
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German (de)
English (en)
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Christian Monereau
Bernard Saulnier
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0446—Means for feeding or distributing gases
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    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
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    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
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    • B01D2259/40011—Methods relating to the process cycle in pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40043—Purging

Definitions

  • Adsorption purification unit with rotary distributor and means for controlling flow rates
  • the present invention relates to an adsorption purification unit with pressure variation (PSA unit) and in particular to a PSA unit involving a short cycle.
  • PSA unit adsorption purification unit with pressure variation
  • Te ring time means the time taken by an adsorber to go through the complete cycle of adsorption and regeneration and to return to its initial state. It will be noted that for a PSA unit comprising N adsorbers working in offset, the phase time Tph is generally defined by Tc / N.
  • a phase time can comprise one or more steps (for example, 2 successive pressure balancing) or conversely a step can correspond to several phase times (for example, the adsorption step can extend over 3 phase times ).
  • a first trend is to reduce the cycle time of the PSA in order to "work the adsorbent more quickly" and thus reduce the size of the adsorbers and therefore the investment. It is customary to call this type of RPSA unit (Rapid PSA).
  • contactors that is to say adsorbers comprising structured adsorbents (for example the adsorbent is deposited in a thin layer on a support which is then rolled).
  • Another trend has been to use more complex PSA cycles, involving for example several pressure balances, with several adsorbers simultaneously in production and / or elution.
  • the purpose in this case is generally to increase the performance of the separation unit, such as for example increase the extraction yield of the product or reduce the energy consumed.
  • rotary distributor is meant a system capable of successively contacting circuits by means of fixed orifices on a stator and movable orifices on a rotor.
  • the fixed orifices are generally connected to one end of an adsorber.
  • the rotor in this case is in relation with the supply and waste gas circuit.
  • a second distributor will preferably be used, the stator of which will be connected to the second end of the adsorber and the rotor to the production circuit.
  • Figure 1 shows schematically a RPSA with 6 adsorbers and having 2 rotary distributors.
  • the rotary distributor 7 makes it possible successively to supply gas to be purified 70 to the 6 adsorbers 1, 2, 3, 4, 5 and 6.
  • the rotary distributor 8 makes it possible to evacuate the production 71 and to perform steps of balancing and supplying elution gas by placing adsorbers in contact at different pressures.
  • the fluids flow between adsorbers and rotary distributors by means of the respective links 10 to 60 on the one hand and 11 to 61 on the other hand.
  • Figure 2 shows the principle of opening and closing the circuits.
  • the face-to-face engagement of the apertures successively defines a plurality of flow paths of the gaseous fluids.
  • the openings of the rotor 1, here represented in a plane, passes in front of the orifices of the stator connected by a connection to the corresponding adsorber.
  • the production of the adsorber 10 is discharged through the stator port 10 and the rotor port a as long as the two orifices overlap with each other. partially.
  • the adsorbers 20 and 50 are in pressure equalization via 20, b, the circuit be of the rotor which connects these 2 orifices, e and 50.
  • the adsorber 30 provides elution gas to adsorber 40 via 30, c, cd, d and 40.
  • Rotary distributors can rotate discontinuously (in steps) or continuously. Preferably, the rotation will be continuous.
  • a distributor itself does not offer a means of adjustment of the type of conventional valves whose opening is adjustable (needle, butterfly, valve ... ).
  • the only parameter on which one can easily play is the speed of rotation which makes it possible to modify the duration of opening of the circuits.
  • the duration of the balancing (f) is for example equal to half a phase.
  • the balancing corresponding side depressurization (b) is also equal to the phase time divided by 2. The rest of the phase then corresponds to a dead time I (Idle)
  • the Pint cutoff pressure between the elution gas production phase (c) and the final decompression phase is very important to obtain the optimum performance of the PSA.
  • a higher pressure causes a decrease in elution gas which is no longer sufficient to properly regenerate the adsorbent and conversely, a too low pressure corresponds to too much gas withdrawn from the production end causing the impurities too much. far towards the production end.
  • the cycle is carried out using 2 rotary distributors mounted on the same axis in rotation at 100% of its speed.
  • the elution gas production step (c ') will continue beyond the optimum pressure Pint causing as mentioned above the rise of impurities in the adsorber.
  • the final depressurization (d ') will therefore be limited and terminate even before half the expected duration.
  • the elution step will be carried out with a surplus of gas much more impure than in the nominal case.
  • the balancing that follows (f) will be as fast as 100% flow, which poses no particular problem.
  • the final repressurization step will take place in a first approximation at the same time as for the nominal cycle.
  • the debit charged will be identical to the 100% case but it will now be charged on a half debit. This will lead in most cases to a collapse of the adsorption pressure with consequences resulting in a very irregular production flow, even temporarily interrupted, as shown in the diagram (a ').
  • the drop in pressure in the middle of the production step is unfavorable to the performance of PSA because resulting in partial desorption of impurities.
  • EP 1 340 531 overcomes this problem by developing the rotary distributors which then comprise integrated adjustment means.
  • a solution of the present invention is a pressure swing adsorption purification unit (PSA unit) comprising:
  • N adsorbers comprising N inputs and N outputs with N> 2;
  • At least one rotary distributor connected by N connections to N inputs or N outputs of the N adsorbers;
  • each of these N links comprises means for controlling a rate.
  • PSA or RPSA means the adsorption cycles implementing an adsorption phase of the most adsorbable gas (s) at high pressure and a regeneration is essentially by pressure drop.
  • the regeneration pressure may be below, above or near atmospheric pressure.
  • PSA therefore covers units that may otherwise be named PSA, VSA, PVSA or MPSA.
  • the purification unit according to the invention may comprise a first rotary distributor connected by N first bonds to N inputs of the N adsorbers and a second rotary distributor connected by N second bonds to the N outputs of the N adsorbers; each of the N first links and / or N second links including means for setting a rate.
  • the first rotary distributor and the second rotary distributor are preferably mounted on the same axis. Indeed, the two valves operating synchronously, it is normal that they are mounted on a single axis driven by a single motor.
  • the purification unit according to the invention may comprise one or more of the following characteristics:
  • At least one rotary distributor is a distributor with continuous or discontinuous rotation; if two rotary distributors (the first rotary distributor and the second rotary distributor) are used, each of the rotary distributors is preferably a continuously or discontinuously rotating distributor;
  • At least one rotary distributor is at variable speed; if two rotary distributors (the first rotary distributor and the second rotary distributor) are used, each of the rotary distributors is preferably variable speed;
  • said unit comprises from 2 to 30 adsorbers, preferably from 6 to 20 adsorbers.
  • the means for regulating a flow rate are chosen from the pneumatic, hydraulic or electrical valves.
  • said purification unit is chosen from PSA H2, PSA or VSA CO2, PSA or VSA 02, and PSA N2.
  • the present invention also relates to an adsorption purification process using a purification unit according to the invention, and wherein each adsorber follows a pressure cycle of less than 60 seconds, preferably less than 20 seconds and more preferably less than 60 seconds. 10 seconds.
  • the method according to the invention may have one or more of the following characteristics:
  • Each means of setting a flow is operated at most 2 times per pressure cycle; each means of adjusting a flow is operated according to the speed of rotation of the rotary distributor;
  • the pressure cycle comprises an adsorption step, a pressure equalization step between the adsorbers, an elution gas supply step, a final decompression step, an elution step and a repressurization step; with the elution, elution and repressurization gas supplying steps having a regulated flow exchange via the flow control means; each means of setting a flow rate is operated when the flow coming from the rotary distributor or received by the rotary distributor has a flow reduction greater than 30%.
  • FIG. 6 shows a RPSA unit with 6 adsorbers and 2 rotary distributors similar to that of FIG. 1, except for the series of valves 81 to 86 placed on each of the links 11 to 61 going from the exit of the adsorber (production side) at the rotary distributor 71 on the production side.
  • Figure 7 shows the cycle that can be achieved with the system described above. It is always assumed that we treat only 50% of the feed gas and where to do so, we slow down the speed of the rotary distributors by a factor of 2, first approach. 50% of the standard feed rate is introduced during the double time. The same amount of gas is thus purified during the production phase.
  • the equilibration which depends only on the relative pressures of the two adsorbers and the connection circuit, is approximately at the same time as for the nominal flow rate. It will be noted in practice that depending on the evolution in time of the actual opening obtained by the passage of the rotor orifice on that of the rotor, there may be a small difference but that does not change in any way the interpretation of the invention.
  • the flow control is done at the level of the adsorber which receives. The best way to do this is to look at each case. Having solved the problem of the intermediate pressure, the final decompression lasts approximately the same time as in the nominal case. The end of the step therefore comprises a dead time i that can be used to bring the elution flow control means in its necessary position. Since the elution step has passed optimally, the balancing f is carried out as intended. When finished before the time allowed by the rotor movement, there is a new small dead time between balancing and repressurization. This dead time is used to maneuver the adjustment means to its new position corresponding to a regular repressurization.
  • Figure 8 shows the valve movements for the 6 adsorbers. They are deduced from each other by circular permutation.
  • feed-side and production-side rotary distributors ie the first and the second rotary distributor
  • feed-side and production-side rotary distributors operate synchronously, it is normal for them to be mounted on a single axis driven by a single motor.
  • the drive will preferably be variable speed when we want to have a first adjustment means.
  • This system is applied in particular to the RPSA, so that in general the cycle time will be less than 60 seconds, which in this case in the case of the example corresponds to a phase time of 10 seconds.
  • cycle time for example equal to 12 seconds, each phase will be in this case 2 seconds.
  • the number of adsorbers will vary according to the flow rate to be treated and the cycle retained. The majority of units will have between 2 and 30 adsorbers but it is possible to imagine groups of adsorbers in parallel multiplying by a factor 2 to 3 this number of adsorbers.
  • adsorbers will be used to have a simple system.
  • the adsorbers will generally be contactors.
  • contactor is meant adsorber comprising structured adsorbents (for example, the adsorbent is deposited in a thin layer on both sides of a support which is then wound).
  • spacers are used to maintain a regular gas flow.
  • the additional adjustment means added to at least one of the rotary distributor on the supply side / adsorber inlet or adsorber outlet (production side) side / production side rotary distributor can be of any type, just to ensure the flow control in said connection. In general, it will be a restriction, more or less local, of the passage section.
  • the most common means are valves, of any type, but one can design various shutters These means can be maneuvered in different ways: pneumatic, hydraulic, electrical, magnetic.
  • the indication of the position can be done by any method (optical, mechanical, electrical, magnetic ).
  • they may be used as means for isolating the adsorber, in particular on the supply side where the gas may contain impurities that it is undesirable to leave in contact with the adsorber.

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Abstract

Unité de purification par adsorption avec variation de pressions (unité PSA) comprenant; N adsorbeurs comprenant N entrées et N sorties avec N > 2; au moins un premier distributeur rotatif raccordé par N premières liaisons aux N entrées des N adsorbeurs; au moins un second distributeur rotatif raccordé par N secondes liaisons aux N sorties des N adsorbeurs; chacune des N premières liaisons et/ou des N secondes liaisons comprenant un moyen de régler un débit; et le premier distributeur rotatif et le second distributeur rotatif étant montés sur le même axe.

Description

Unité de purification par adsorption avec distributeur rotatif et moyen de réglage des débits
La présente invention est relative à une unité de purification par adsorption avec variation de pression (unité PSA) et en particulier à une unité PSA mettant en jeu un cycle de courte durée.
Par temps de cycle Te, on entend la durée que met un adsorbeur à parcourir le cycle complet d'adsorption et de régénération et à revenir dans son état initial. On notera que pour une unité PSA comportant N adsorbeurs travaillant en décalage, on définit généralement le temps de phase Tph par Tc/N. Un temps de phase peut comporter une ou plusieurs étapes (par exemple, 2 équilibrages de pression successifs) ou inversement une étape peut correspondre à plusieurs temps de phase (par exemple, l'étape d'adsorption peut s'étendre sur 3 temps de phase).
Une première tendance est de diminuer le temps de cycle des PSA afin de faire « travailler l'adsorbant plus rapidement » et ainsi de diminuer la taille des adsorbeurs et par là l'investissement. On a coutume d'appeler ce type d'unité RPSA (Rapid PSA). Pour limiter les pertes de charge, améliorer la cinétique et éviter la mise en mouvement des particules, on va utiliser préférentiellement des contacteurs, c'est-à-dire des adsorbeurs comportant des adsorbants structurés (par exemple l'adsorbant est déposé en couche mince sur un support qui est ensuite roulé).
Une autre tendance a été d'utiliser des cycles PSA plus complexes, mettant par exemple en jeu plusieurs équilibrages de pression, avec plusieurs adsorbeurs simultanément en production et/ou en élution. Le but dans ce cas est généralement d'augmenter les performances de l'unité de séparation, comme par exemple augmenter le rendement d'extraction du produit ou diminuer l'énergie consommée.
Dans ces deux cas, l'utilisation de vannes classiques, permettant d'orienter les différents flux vers les bons adsorbeurs et avec les bonnes quantités, devient difficile voire problématique.
Pour les cycles les plus complexes, on peut approcher la centaine de vannes d'où d'évidents problèmes de fiabilité et maintenance. Pour les cycles les plus rapides, les temps de manœuvre requis (fraction de secondes) sont tels que seules de petites vannes très spécifiques peuvent encore partiellement répondre à ces contraintes.
Il est connu que pour ces raisons une bonne solution peut consister à utiliser des distributeurs rotatifs multivoies. Par distributeur rotatif, on entend un système capable de mettre successivement en contact des circuits par le moyen d'orifices fixes sur un stator et d'orifices mobiles sur un rotor. Les orifices fixes sont généralement reliés à une extrémité d'un adsorbeur. Le rotor dans ce cas est en relation avec le circuit d'alimentation et de gaz résiduaire. On utilisera de façon préférentielle un second distributeur dont le stator sera relié à la seconde extrémité de Γ adsorbeur et le rotor au circuit de production.
La Figure 1 représente schématiquement un RPSA à 6 adsorbeurs et comportant 2 distributeurs rotatifs.
Le distributeur rotatif 7 permet d'alimenter successivement en gaz à épurer 70 les 6 adsorbeurs 1, 2,3, 4,5 et 6.
II permet également l'écoulement du gaz résiduaire 72 chargé en impuretés.
De façon identique, le distributeur rotatif 8 permet d'évacuer la production 71 et de réaliser des étapes d'équilibrage et de fourniture de gaz d'élution par mise en relation d'adsorbeurs à des pressions différentes.
Les fluides circulent entre adsorbeurs et distributeurs rotatifs par le moyen des liaisons respectives 10 à 60 d'une part et 11 à 61 d'autre part.
La Figure 2 montre le principe d'ouverture et d'obturation des circuits.
La mise face à face des ouvertures définit successivement une pluralité de chemin d'écoulement des fluides gazeux.
Les ouvertures du rotor 1, ici représentées dans un plan, passe devant les orifices du stator reliés par une liaison à Γ adsorbeur correspondant.
Si on suppose qu'il s'agit du distributeur rotatif côté gaz épuré, alors la production de l'adsorbeur 10 est évacuée à travers l'orifice 10 du stator et l'orifice a du rotor tant que les 2 orifices se recouvrent au moins partiellement.
Les adsorbeurs 20 et 50 sont en équilibrage de pression via 20, b, le circuit be du rotor qui met en liaison ces 2 orifices, e et 50.
L'adsorbeur 30 fournit du gaz d'élution à l'adsorbeur 40 via 30, c, cd, d et 40. Les distributeurs rotatifs peuvent tourner de façon discontinue (par crans) ou de façon continue. Préférentiellement, la rotation sera continue.
Les ouvertures étant fixes dimensionnellement (ouvertures dans le rotor et stator), un distributeur en lui-même n'offre pas de moyen de réglage du type de celui des vannes classiques dont l'ouverture est réglable (pointeau, papillon, clapet...).
Or, dans les cycles PSA, il est très fréquemment nécessaire d'adapter les débits internes, comme par exemple dans le cas où le temps de cycle n'est pas à sa valeur nominale (débit réduit, changement de pureté du produit...). De nombreux brevets traitent de la régulation des étapes des PSA, en particulier en fonction de la durée des étapes.
Le seul paramètre sur lequel on peut facilement jouer est la vitesse de rotation qui permet de modifier la durée d'ouverture des circuits.
La variation de vitesse seule ne permet pas de maintenir à l'optimum la majorité des cycles PSA comme on va le montrer ci-dessous.
Pour expliciter ce point, on va prendre l'exemple d'un cycle simple avec une phase de production (a) à la pression d'adsorption Pads, une phase d'équilibrage de pression entre adsorbeurs par leurs extrémités "produit" (b), une phase de production de gaz d'élution (c), une phase de décompression finale à contre courant jusqu'à la basse pression de cycle Preg (d), une phase d'élution ( e ), une phase d'équilibrage de pression (f) correspondant à l'étape (b) et enfin une étape de recompression finale avec le produit (g).
Le cycle de pression correspondant est celui représenté sur la Figure 3
Comme on veut dans ce cycle loger les étapes d'équilibrage (f) et de recompression finale (g) dans une même phase, la durée de l'équilibrage (f) est par exemple égale à la moitié d'une phase. Etant simultanée, l'équilibrage correspondant côté dépressurisation (b) est également égal au temps de phase divisé par 2. Le reste de la phase correspond alors à un temps mort I (Idle)
La pression de coupure Pint entre la phase de production du gaz d'élution (c) et la phase de décompression finale est très importante pour obtenir l'optimum de performance du PSA.
Une pression plus haute entraîne une diminution de gaz d'élution qui n'est plus suffisant pour régénérer convenablement l'adsorbant et à l'inverse, une pression trop basse correspond à trop de gaz soutiré par l'extrémité de production entraînant les impuretés trop loin vers l'extrémité de production. Le cycle est effectué à l'aide de 2 distributeurs rotatifs montés sur le même axe en rotation à 100% de sa vitesse.
Les orifices des stators et rotors ont été calculés et éventuellement ajustés pour obtenir le cycle de pression représenté sur la Figure 3.
Supposons maintenant que l'on doive fonctionner à débit réduit pour une raison quelconque, mettons à 50%.
Pour traiter la même quantité de gaz -et arrêter la même quantité d'impuretés-, il faut envoyer les 50%) du débit d'alimentation pendant deux fois plus de temps.
On va donc réduire la vitesse de rotation des distributeurs en première approximation à 50%. On obtient le cycle de pression de la Figure 4.
Sans restriction sur le circuit gazeux, l'équilibrage entre adsorbeurs va se faire dans le même temps que précédemment. Pendant le temps restant, les adsorbeurs étant à la même pression, il ne se passe plus rien. On obtient un temps mort important Γ, ici égal à 3 I. Pour la majorité des cycles PSA (PSA H2, PSA C02..), ceci n'est pas un problème.
Par contre avec une durée double, l'étape de production de gaz d'élution (c') va se poursuivre au-delà de la pression optimale Pint occasionnant comme dit plus haut la montée des impuretés dans l'adsorbeur. La dépressurisation finale (d') va de ce fait être limitée et se terminer avant même la moitié de la durée prévue. L'étape d'élution va être effectuée avec un excédent de gaz beaucoup plus impur que dans le cas nominal. L'équilibrage qui suit (f ) va se faire aussi rapidement qu'au débit 100%, ce qui ne pose pas de problème particulier. L'étape de repressurisation finale se déroulera dans une première approximation dans le même temps que pour le cycle nominal. Le débit prélevé sera identique au cas 100% mais il sera prélevé à présent sur un débit moitié. Cela va entraîner dans la majorité des cas un effondrement de la pression d'adsorption avec comme conséquences un débit de production très irrégulier, voire temporairement interrompu, comme représenté sur le schéma (a').
D'autre part, la baisse de pression au milieu de l'étape de production est défavorable aux performances du PSA car entraînant une désorption partielle des impuretés.
Une solution pour éviter ces inconvénients consiste à utiliser des cycles particuliers, à rajouter des capacités. .. Cela complexifïe l'unité et le distributeur qui dès lors doit mettre en relation cycliquement les adsorbeurs et ces capacités. On peut « sortir » le gaz du distributeur, installer un organe de régulation et rentrer le gaz dans le distributeur. Cela complexifïe énormément le distributeur rotatif. La Figure 5 schématise le type de modification que cela peut impliquer. Pour mettre en relation les adsorbeurs 20 et 50 , au lieu d'emprunter le trajet 20, e, b-e, e et 50 , il faut aller via le cheminement e-j jusqu'à la couronne de sortie j, sortir via l'ouverture 70, passer par un circuit extérieur comportant un moyen de régler le débit 75, revenir par l'orifice 80 du stator, passer dans la couronne k et retourner à l'orifice b du rotor via le cheminement b-k, avant re passer par l'orifice 50 du stator pour rejoindre l'adsorbeur 50. On augmente la taille du distributeur, des surfaces de frottement, le nombre d'étanchéité à réaliser....
EP 1 340 531 remédie à ce problème en sophistiquant les distributeurs rotatifs qui comprennent alors des moyens de réglage intégrés.
Cette complexifïcation rend les distributeurs moins fiables et beaucoup plus difficiles à réaliser.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une unité de purification par adsorption améliorée de manière telle qu'une adaptation des débits internes est possible tout en conservant des distributeurs rotatifs standards.
Une solution de la présente invention est une unité de purification par adsorption avec variation de pressions (unité PSA) comprenant :
- N adsorbeurs comprenant N entrées et N sorties avec N > 2;
- au moins un distributeur rotatif raccordé par N liaisons aux N entrées ou aux N sorties des N adsorbeurs ; et
caractérisée en ce que chacune de ces N liaisons comprend un moyen de régler un débit.
A noter que par PSA ou RPSA, on entend les cycles d' adsorption mettant en œuvre une phase d' adsorption du ou des gaz les plus adsorbables en haute pression et une régénération se faisant essentiellement par baisse de pression. La pression de régénération peut être au dessous, au dessus ou voisine de la pression atmosphérique. Le terme « PSA » couvre donc les unités qui peuvent par ailleurs être nommées PSA, VSA, PVSA ou MPSA.
Selon une variante, l'unité de purification selon l'invention peut comprendre un premier distributeur rotatif raccordé par N premières liaisons aux N entrées des N adsorbeurs et un second distributeur rotatif raccordé par N secondes liaisons aux N sorties des N adsorbeurs ; chacune des N premières liaisons et/ou des N secondes liaisons comprenant un moyen de régler un débit. Le premier distributeur rotatif et le second distributeur rotatif sont de préférence montés sur le même axe. En effet, les deux distributeurs fonctionnant de façon synchronisée, il est normal qu'ils soient montés sur un axe unique entraîné par un seul moteur.
Selon le cas, l'unité de purification selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- au moins un distributeur rotatif est un distributeur à rotation continue ou discontinue ; si 2 distributeurs rotatifs (le premier distributeur rotatif et le second distributeur rotatif) sont utilisés, chacun des distributeurs rotatifs est de préférence un distributeur à rotation continue ou discontinue ;
- au moins un distributeur rotatif est à vitesse variable ; si 2 distributeurs rotatifs (le premier distributeur rotatif et le second distributeur rotatif) sont utilisés, chacun des distributeurs rotatifs est de préférence à vitesse variable ;
- ladite unité comprend de 2 à 30 adsorbeurs, de préférence de 6 à 20 adsorbeurs.
- les moyens de régler un débit sont choisis parmi les vannes pneumatique, hydraulique ou électrique.
- ladite unité de purification est choisie parmi les PSA H2, les PSA ou VSA C02, les PSA ou VSA 02, et les PSA N2.
La présente invention a également pour objet un procédé de purification par adsorption mettant en œuvre une unité de purification selon l'invention, et dans lequel chaque adsorbeur suit un cycle de pression inférieure à 60 secondes, préférentiellement inférieure à 20 secondes et plus préférentiellement inférieure à 10 secondes.
Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- chaque moyen de régler un débit est manœuvré au maximum 2 fois par cycle de pression ; - chaque moyen de régler un débit est manœuvré en fonction de la vitesse de rotation du distributeur rotatif ;
- le cycle de pression comprend une étape d' adsorption, une étape d'équilibrage de pression entre les adsorbeurs, une étape de fourniture du gaz d'élution, une étape de décompression finale, une étape d'élution et une étape de repressurisation ; avec les étapes de fourniture de gaz d'élution, d'élution et de repressurisation présentant un échange de flux régulé via les moyens de réguler un débit ; - chaque moyen de régler un débit est manœuvré lorsque le flux issu du distributeur rotatif ou réceptionné par le distributeur rotatif présente une diminution de débit supérieure à 30%.
L'invention va être à présent être décrite plus en détail.
Elle part de l'observation que pour une majorité de cycles, pour rétablir un cycle optimum, il suffit de limiter le débit pendant un nombre limité d'étapes, souvent sur 2 étapes seulement, celle de fourniture de gaz d'élution et celle de repressurisation alors que les cycles et en particulier les plus performants peuvent comprendre un grand nombre d'étapes ou de phase.
On peut constater de plus que ces deux étapes ne sont pas voisines et sont précédés d'étape d'équilibrage pour lesquelles on dispose de temps (ces étapes sont terminées en marche réduite avant la fin de la phase correspondante). Il est donc possible de manœuvrer des vannes pendant une partie de l'étape précédente pour les amener à leur point d'ouverture optimal. L'ouverture en grand peut se faire quant à elle rapidement, le système d'obturation venant alors en butée sur une pièce adéquate.
La Figure 6 montre une unité RPSA à 6 adsorbeurs et 2 distributeurs rotatifs semblable à celle de la Figure 1 à l'exception de la série de vannes 81 à 86 placées sur chacune des liaisons 1 1 à 61 allant de la sortie de l'adsorbeur (côté production) au distributeur rotatif 71 côté production. La Figure 7 montre alors le cycle qu'il est possible d'obtenir avec le système décrit ci-dessus. On se met toujours dans l'hypothèse où l'on ne traite que 50% du gaz d'alimentation et où pour se faire, on ralentit la vitesse des distributeurs rotatifs par un facteur 2, en première approche. On introduit 50%> du débit d'alimentation standard pendant le double de temps. On épure donc pendant la phase de production la même quantité de gaz L'équilibrage qui ne dépend que des pressions relatives des 2 adsorbeurs et du circuit de liaison se fait approximativement dans le même temps que pour le débit nominal. On notera en pratique qu'en fonction de l'évolution dans le temps de l'ouverture réelle obtenue par le passage de l'orifice du rotor sur celui du rotor, il peut y avoir de petit écart mais qui ne change en rien l'interprétation de l'invention. On veut contrôler l'étape de fourniture de gaz d'élution. On peut le faire de plusieurs manières : en limitant le débit au sortir de l'adsorbeur qui fournit le gaz, à l'entrée de l'adsorbeur qui reçoit le gaz ou encore en jouant sur les 2 vannes à la fois.
On a choisi ici de représenter le cas où le contrôle de débit se fait au niveau de l'adsorbeur qui reçoit. La meilleure façon de faire est à regarder au cas par cas. Ayant réglé le problème de la pression intermédiaire, la décompression finale dure approximativement le même temps que dans le cas nominal. La fin de l'étape comporte donc un temps mort i que l'on peut mettre à profit pour amener le moyen de réglage du débit d'élution dans sa position nécessaire. L'étape d'élution s'étant passée de manière optimale, l'équilibrage f s'effectue comme prévue. 2tant terminé avant le temps imparti par le mouvement du rotor, il existe un nouveau petit temps mort entre l'équilibrage et la repressurisation. Ce temps mort est mis à profit pour manœuvrer le moyen de réglage à sa nouvelle position correspondant à une repressurisation régulière.
La Figure 8 représente les mouvements de vanne pour les 6 adsorbeurs. Ils se déduisent les uns des autres par permutation circulaire.
On peut constater qu'il y a seulement 2 mouvements nécessaires par cycle pour optimiser totalement le procédé. De plus, on dispose à chaque fois d'une partie d'un temps de phase pour manœuvrer la vanne (dans le cas d'une vanne) jusqu'à sa position d'ouverture, ce qui permet d'utiliser encore des matériels classiques ou existant.
Les distributeurs rotatifs côté alimentation et côté production (c'est-à-dire le premier et le second distributeur rotatif) fonctionnant de façon synchronisée, il est normal qu'ils soient montés sur un axe unique entraîné par un seul moteur.
De préférence, il s'agit d'une rotation continue et comme on l'a vu, l'entraînement se fera préférentiellement à vitesse variable dès lors qu'on veut disposer d'un premier moyen de réglage.
Ce système est appliqué en particulier aux RPSA, ce qui fait qu'en général le temps de cycle sera inférieur à 60 secondes, ce qui dans ce cas dans le cas de l'exemple correspond à un temps de phase de 10 secondes.
Pour un RPSA plus rapide, de temps de cycle par exemple égal à 12 secondes, chaque phase sera dans ce cas de 2 secondes. On voit qu'on peut avoir des temps de l'ordre de la seconde pour amener une vanne à sa position requise, ce qui est dans le domaine du réalisable même pour des diamètres importants (plusieurs centaines de millimètres).
Le nombre d'adsorbeurs sera variable en fonction du débit à traiter et du cycle retenu. La majorité des unités aura entre 2 et 30 adsorbeurs mais on peut imaginer des groupes d'adsorbeurs en parallèle multipliant par un facteur 2 à 3 ce nombre d'adsorbeurs.
De préférence, on utilisera de 6 à 20 adsorbeurs environ pour avoir un système simple. Compte tenu de la rapidité du cycle envisagé, les adsorbeurs seront généralement des contacteurs. Par contacteur, on entend adsorbeur comportant des adsorbants structurés (par exemple, l'adsorbant est déposé en couche mince des deux côtés d'un support qui est ensuite enroulé). Divers types d'espaceurs sont utilisés pour maintenir un passage régulier au gaz. Le moyen de réglage additionnel rajouté sur au moins une des liaisons distributeur rotatif côté alimentation / entrée adsorbeur ou sortie adsorbeur (côté production) / distributeur rotatif côté production peut être d'un type quelconque, devant juste assurer le contrôle du débit dans ladite liaison. De façon générale, il s'agira d'une restriction, plus ou moins locale, de la section de passage. Les moyens les plus courant sont des vannes, de tout type, mais on peut concevoir des obturateurs variés Ces moyens peuvent être manœuvrés de différentes manières : pneumatique, hydraulique, électrique, magnétique.
Il pourra être intéressant de coupler le mouvement des vannes à la position (angle de rotation par exemple) d'un des distributeurs, ou du moteur ou de l'axe de rotation. L'indication de la position pourra se faire par un procédé quelconque (optique, mécanique, électrique, magnétique...).
La vitesse de rotation imposant le cycle, il sera avantageux de relier la valeur d'ouverture des moyens de réglage à la vitesse de rotation. Cette liaison peut se faire directement ou passer par un système de contrôle quelconque.
Ces moyens de réglage seront préférentiellement utilisés à vitesse réduite pour les distributeurs mais ils pourront être également utilisés au point nominal comme moyen d'optimiser le cycle de pression.
A l'arrêt, ils pourront être utilisés comme moyen d'isolement de l'adsorbeur, en particulier côté alimentation où le gaz peut contenir des impuretés qu'il n'est pas souhaitable de laisser en contact avec l'adsorbeur.

Claims

Revendications
1. Unité de purification par adsorption avec variation de pressions (unité PSA) comprenant :
- N adsorbeurs comprenant N entrées et N sorties avec N > 2;
- au moins un premier distributeur rotatif raccordé par N premières liaisons aux N entrées des N adsorbeurs ;
- au moins un second distributeur rotatif raccordé par N secondes liaisons aux N sorties des N adsorbeurs ;
chacune des N premières liaisons et/ou des N secondes liaisons comprenant un moyen de régler un débit ; et le premier distributeur rotatif et le second distributeur rotatif étant montés sur le même axe.
2. Unité de purification par adsorption selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un distributeur rotatif est un distributeur à rotation continue ou discontinue.
3. Unité de purification par adsorption selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un distributeur rotatif est à vitesse variable.
4. Unité de purification par adsorption selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite unité comprend de 2 à 30 adsorbeurs, de préférence de 6 à 20 adsorbeurs.
5. Unité de purification par adsorption selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de réglage sont choisis parmi les vannes pneumatique, hydraulique ou électrique.
6. Unité de purification par adsorption selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite unité de purification est choisies parmi les PSA H2, les PSA ou VSA C02, les PSA ou VSA 02, et les PSA N2.
7. Procédé de purification par adsorption mettant en œuvre une unité de purification selon l'une des revendications 1 à 6, et dans lequel chaque adsorbeur suit un cycle de pression inférieure à 60 secondes, préférentiellement inférieure à 20 secondes et plus préférentiellement inférieure à 10 secondes.
8. Procédé de purification selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque moyen de régler un débit est manœuvré au maximum 2 fois par cycle de pression.
9. Procédé de purification selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que chaque moyen de régler un débit est manœuvré en fonction de la vitesse de rotation du distributeur rotatif.
10. Procédé de purification selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le cycle de pression comprend une étape d'adsorption, une étape d'équilibrage de pression entre les adsorbeurs, une étape de fourniture du gaz d'élution, une étape de décompression finale, une étape d'élution et une étape de repressurisation ; avec les étapes de fourniture de gaz d'élution, d'élution et de repressurisation présentant un échange de flux régulé via les moyens de réguler un débit.
11. Procédé de purification selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que chaque moyen de régler un débit est manœuvré lorsque le flux issu du distributeur rotatif ou réceptionné par le distributeur rotatif présente une diminution de débit supérieure à 30%.
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