FR2612083A1 - Procede de traitement par adsorption d'un melange gazeux - Google Patents

Abstract

POUR PRODUIRE DE L'OXYGENE A PARTIR D'AIR, L'INSTALLATION COMPREND PLUSIEURS LIGNES D'ADSORPTION 1, 2, 3, ... COMPORTANT CHACUNE UN ADSORBEUR Z1, Z2, Z3, ... CHARGE DE TAMIS MOLECULAIRE ZEOLITIQUE ET UN ADSORBEUR C1, C2, C3, ... CHARGE DE TAMIS MOLECULAIRE CARBONE. LE CYCLE, POUR CHAQUE LIGNE, COMPREND UNE PHASE D'ADSORPTION SIMULTANEE SUR LES DEUX ADSORBEURS EN SERIE, PUIS, LES DEUX ADSORBEURS ETANT ISOLES : POUR LE PREMIER ADSORBEUR, UNE DESORPTION A CONTRE-COURANT PUIS UNE RECOMPRESSION; ET POUR LE SECOND ADSORBEUR, UNE PURGE A COCOURANT PAR DU GAZ DE PRODUCTION PUIS UNE DECOMPRESSION COMPRENANT UNE ETAPE DE DESORPTION D'OXYGENE A CONTRE-COURANT.

Description

DESCRIPTION
La présente invention est relative à un procédé de production à l'état enrichi d'un premier constituant d'un mélange gazeux contenant un second et un troisième constituants, par adsorption à variation de pression (Pressure Swing Adsorption ou PSA). L'invention s'applique par exemple à la production d'oxygène à pureté élevée à partir d'un mélange constitue essentiellement d'oxygène, d'azote et d'argon, en pratique à partir d'air atmosphérique ou d'sir déjà enrichi en oxygène. Par "pureté élevée", on entend une pureté supérieure à 96 % environ, pour les raisons indiquées ci-dessous.

Il est bien connu que la production d'oxygène par PSA à partir d'air atmosphérique sur un lit d'adsorbant constitue de tamis moléculaire zéolitique (IMZ), par exemple de type 5A ou 13X, ne permet pas d'obtenir de l'oxygène à teneur supérieure à 95,7 %. En effet, la teneur en oxygène est limitée par l'argon qui, présent dans l'air à une teneur de 0,93 %, se trouve enrichi d'un facteur sensiblement identique à celui de l'oxygène dans le procédé PSA de séparation de l'air sur zéolite.

Pour obtenir une teneur en oxygène supérieure à 95,7 % par PSA, deux solutions sont actuellement proposées. Ces deux solutions, décrites dans les demandes de brevet EP-A-163 242 et EP-A-157 939, sont relativement compliquées car elles utilisent deux installations PSA séparées et en cascade, chacune ayant son propre cycle. Il en résulte un grand nombre de vannes et de machines, la nécessité d'avoir recours à des réservoirs de stockage intermédiaires entre les deux installations, et un encombrement important de l'ensemble. Par suite, bien que ces solutions connues permettent d'obtenir de l'oxygène à pureté élevée, elle ne sont pas satisfaisantes sur le plan industriel.

L'invention a pour but de fournir un procédé permettant de produire ledit premier constituant à l'état enrichi avec un investissement et une consarmation d'énergie relativement faibles.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production à l'état enrichi d'un premier constituant d'un mélange gazeux contenant un second et un troisième constituants, par adsorption à variation de pression (PSA), caractérisé en ce qu'il met en oeuvre au moins deux lignes d'adsorption constituées chacune de deux adsorbeurs différents pouvant être soit isolés l'un de l'autre, soit branchés en série avec la sortie du premier adsorbeur, vis-à-vis de la phase d'adsorption, reliée à l'entrez du second adsorbeur, vis-à-vis de cette même phase, dont un premier adsorbeur contenant un adsorbant qui adsorbe préférentiellement ledit second constituant, et un second adsorbeur contenant un adsorbant qui adsorbe préférentiellement ledit premier constituant par rapport audit troisième constituant, et en ce que l'on met en oeuvre le même cycle suivant sur chaque ligne, le cycle étant décalé d'une ligne à l'autre d'une durée T/n, où T désigne la durée du cycle et n le nombre de lignes
(a) - une phase d'adsorption simultanée dans un sens dit courant sur les deux absorbeurs branchés en série, par admission du mélange à 1 'entrée du premier adsorbeur
(b) - les deux adsorbeurs étant isolés l'un de l'autre, une phase cagrenant:
(bl) pour le premier adsorbeur, une désorption à contre-courant par déccopression et/ou mise sous vide et/ou élution, et
(b2) pour le second adsorbeur, une phase de purge à co-courant ;
(c) - les deux adsorbeurs étant isolés l'un de l'autre, une phase carprenant :: (cl) pour le premier adsorbeur, une recarpression, et (c2) pour le second adsorbeur, une décccpression carprenant une étape de désorption dudit premier constituant par décarpression à contre-courant, une partie du gaz de désorption étant utilisé pour purger le second adsorbeur d'une autre ligne en cours de phase de purge (b2) et une autre partie de ce gaz fournissant la production de l'installation.

Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est un schéma d'une installation à trois lignes d'adsorption destinée à la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'invention
- la figure 2 est un diagr'rne illustrant le fonctionnement de cette installation
- les figures 3 à 6 illustrent de façon analogue à la partie inférieure de la figure 2 plusieurs variantes du procédé suivant l'invention, en ce qui concerne le premier adsorbeur de chaque ligne
- les figures 7 à 10 illustrent de façon analogue à la partie supérieure de la figure 2 plusieurs variantes du procédé suivant l'invention, en ce qui concerne le second adsorbeur de chaque ligne
- la figure 11 illustre de façon analogue à la figure 2 une variante du procédé de cette figure 2
- la figure 12 illustre de façon analogue à la figure 2 un procédé suivant l'invention mis en oeuvre au moyen de quatre lignes d'adsorption ; et
- la figure 13 illustre de façon analogue à la figure 2 un procédé suivant l'invention mise en oeuvre au moyen de deux lignes d'adsorption.

L'installation représentée à la figure 1 est destinée à la production d'oxygène à pureté élevée, c'est-à-dire supérieure à 96 % environ et de préférence supérieure à 98 %, à partir d'air atmosphérique non épure. Elle cccprend trois lignes d'adsorption identiques 1, 2 et 3 comportant chacune deux adsorbeurs différents : un premier adsorbeur Z1,
Z2, Z3 contenant un adsorbant qui adsorbe préférentiellement l'azote de l'air, et un second adsorbeur Cl, C2, C3 contenant un adsorbant qui adsorbe préférentiellement l'oxygène par rapport à l'argon. Dans cet exemple, le premier adsorbant est du tamis moléculaire zéolitique (TMZ), par exemple du type SA ou 13X, tandis que le second adsorbant est du tamis moléculaire carboné (TMC), par exemple du charbon CDISN2 de BERCEAU EORSXE. Le TMZ, à l'équilibre, adsorbe plus d'azote que d'oxygène et d'argon, tandis que le TMC assure l'adsorption préférentielle de l'oxygène grâce à une cinétique d'adsorption plus rapide pour ce corps que pour l'argon (et également que pour l'azote).

Chaque adsorbeur comporte à son extrémité inférieure une entrée et à son extrémité supérieure une sortie. Pendant les phases d'adsorption, le gaz traité circule de l'entrez à la sortie, ce qui définit un sens de circulation dit co-courant. le sens de circulation opposé est dit contre-courant.

Les entrées des adsorbeurs Z1 à Z3 sont reliées entre elles par deux collecteurs en parallèle 4 et 5. Au collecteur 4 est reliée une conduite 6 d'air à traiter pourvue d'une soufflante ou d'un compresseur 7, tandis qu'une conduite 8 pourvue d'une pape à vide 9 est reliée au collecteur 5.

Les sorties des adsorbeurs Z1 à Z3 sont reliées, par des conduites respectives équipées de vannes d'arrêt, à deux collecteurs 10, 11 en parallèle, lesquels sont reliés entre eux par l'intermédiaire d'une vanne 12 de réglage de débit.

Les sorties des mêmes adsorbeurs Z1 à Z3 sont par ailleurs reliées aux entrées des adsorbeurs Cl à C3 respectifs par des conduites 13-1 à 13-3 respectivement ; un collecteur 14 relie les entrées des adsorbeurs Cl à C3 à l'aspiration d'une pante à vide 15 dont le refoulement est relié d'une part à un réservoir de stockage 16, d'autre part aux entrées des adsorbeurs Cl à C3 par un autre collecteur 17 équipé d'une vanne 18 de réglage de débit. Les sorties des adsorbeurs Cl à C3 sont reliées à un collecteur 19 d'évacuation de gaz résiduaire, et le réservoir 16 est relié à une conduite 20 de production d'oxygène à pureté élevée.L'installation comporte également diverses vannes peerettant d'effectuer le cycle de fonctionnement qui sera décrit ci-dessous.

Au moyen de cette installation, on réalise pour chaque adsorbeur uncycle que l'on a illustré à la figure 2 en référence à la ligne d'adsorption 1. Si T désigne la durée du cycle, le fonctionnement de la ligne d'adsorption 2 s'en déduit par décalage dans le temps de T/3, et celui de la ligne d' adsorption 3 par décalage dans le temps de 2T/3.

Dans l'exemple illustré, on peut choisir une durée de cycle emprise entre quelques dizaines de secondes et quelques minutes, par exemple 3 minutes, et des durées d'équilibrage de quelques secondes.

Sur la figure 2, où les temps t sont portés en abscisses et les pressions absolues P en ordonnées, les traits orientés par des flèches indiquent les mouvements et destinations des courants gazeux ; lorsque les flèches sont parallèles à l'axe des ordonnées, elles indiquent, en outre, le sens de circulation dans un adsorbeur : lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées croissantes (vers le haut du diagramme), le sens du courant dans l'adsorbeur est à co-courant ; si la flèche dirigée vers le haut est située audessous du trait indiquant la pression dans l'adsorbeur, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur; si la flèche, dirigée vers le haut, est située audessus du trait indiquant la pression, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrez et de sortie étant respectivement celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase d'adsorption ; lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme), le sens du courant dans l'adsorbeur est à contre-courant. Si la flèche dirigée vers le bas est située audessous du trait indiquant la pression de l'adsorbeur, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur ; si la flèche dirigée vers le bas est située audessus du trait indiquant la pression, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrérites d'entrée et de sortie étant toujours celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase d'adsorption.D'autre part, on a indiqué en traits pleins les courants gazeux qui concernent exclusivement un adsorbeur et en traits pointillés les courants gazeux en provenance ou en direction a'autres adsorbeurs.

Le cycle complet sera maintenant décrit pour une ligne d'adsorption, par exemple la ligne 1, en référence aux figures 1 et 2. Il comporte les différentes étapes successives suivantes
(a) De t=O à t--t1 < T/3, une phase d'adsorption simultanée à co-courant sur les adsorbeurs Zî, Cl branchés en série par la conduite 13-1. Pendant cette phase, l'air à traiter est introduit par l'extrémité d'entrée de Z1, via le collecteur 4, à la pression haute du cycle PM, supposée voisine de la pression atmosphérique ; l'essentiel de l'azote est adsorbé par Z1, et le gaz restant pénètre dans Cl, où la pression monte d'une valeur basse P'm inférieure à la pression atmosphérique à une valeur maximale P'M t PM (P 'M = PM dans cet exemple). Pendant cette phase, on ne soutire pas de gaz de l'adsorbeur Cl.

Puis, de tl à T/3, les mines opérations se poursuivent, mais avec en outre un soutirage de gaz résiduaire par l'extrémité de sortie de
Cl, via la conduite 19, de manière à maintenir la pression à la valeur
P'M dans cet adsorbeur.

Pendant toute cette phase (a), du gaz sortant de Z1 est introduit à contre-courant dans l'adsorbeur Z2 ou Z3 d'une autre ligne qui est en cours de recanpression (phase (d) décrite ci-dessous). Ceci s'effectue via le collecteur 11, la vanne 12 et le collecteur 10.

(b) De T/3 à 2T/3, les adsorbeurs Z1 et Cl sont isolés l'un de l'autre et subissent
(bl) en ce qui concerne Zl, une décempression à contre-courant jusqu'à une pression basse Pm. Dans l'exemple représenté,
PM est voisine de la pression atmosphérique, de sorte que cette phase fait intervenir pendant toute sa durée la pompe à vide 9.

(b2) en ce qui concerne Cl, une purge à courant au moyen d'une partie du gaz de production récupéré sur l'adsorbeur C2 ou C3 d'une autre ligne qui est en cours de désorption (phase (c) décrite ci-dessous), via le collecteur 17. Pendant cette phase, la pression de Cl est maintenue à la valeur P'M par soutirage à courant, via le collecteur 19, de gaz non adsorbé déplacé par le gaz de purge.

(c) De 2T/3 à T, les adsorbeurs Z1 et Cl restent isolés l'un de l'autre et subissent
(cl) en ce qui concerne Z1, une recempression de Pm à PM par introduction à contre-courant de gaz prélevé à la sortie de l'adsorbeur Z2 ou Z3 d'une autre ligne qui est en cours de phase d'adsorption (a)
(c2) en ce qui concerne Cl, une désorption à contre-courant jusqu'à la pression basse P'm. Dans cet exemple, P'M est également voisine de la pression atmosphérique, de sorte que cette phase fait intervenir pendant toute sa-durée la palpe à vide 15. Le gaz ainsi récupéré est le gaz de désorption, à savoir de l'oxygène à pureté élevée, qui est stocké dans le réservoir 16.Une partie de ce gaz est renvoyée à l'entrez de l'adsorbeur C2 ou C3 d'une autre ligne qui est en phase de purge à co-courant (b2), et le reste du rree gaz constitue la production de l'installation.

Il est à noter que les volumes de chacun des adsorbeurs d'une rrrême ligne sont différents dans une proportion qui peut être très grande.

En effet, l'adsorbeur Z1 (TMZ) a pour fonction d'arrêter l'azote dont la concentration dans l'air est de 78 %, tandis que l'adsorbeur Cl (toc) ne traite que la fraction enrichie en oxygène et en argon produite en sortie de Z1, pour en extraire l'azote résiduel et l'argon, dont la concentration dans l'air n'est que de 0,93 %.

Par ailleurs, carme le TMZ a également pour propriété d'adsorber 1 'humidité et les impuretés telles que le C: 2 on peut se passer d'une épuration préalable de l'air. Cependant, on peut éventuellement effectuer une telle épuration en disposant une charge d'alumine devant le TMZ de chaque adsorbeur Z1, Z2, Z3, par exemple sous la forme d'une couche d'alumine disposée dans la partie inférieure de chacun de ces adsorbeurs.

Il est également à noter que le gaz soutiré en sortie des adsorbeurs Cl à C3 pendant les phases (a) et (b2) est un gaz enrichi en argon, qui constitue un sous-produit valorisable de l'installation.

Les figures 3 à 6 illustrent diverses variantes du cycle de fonctionnement de l'adsorbeur chargé de TMZ d'une ligne quelconque, par exemple de l'adsorbeur Z1. Sur ces figures, le gaz soutiré en sortie de l'adsorbeur Z1 pendant sa phase d'adsorption (a) et non dérivé vers un autre adsorbeur Z2 ou Z3 est envoyé vers l'adsorbeur Cl, lequel subit le cycle de la figure 2 ou l'un des cycles des figures 7 à 10, et est en phase d'adsorption (a).

- Figure 3 : entre la phase d'adsorption (a) et la phase de désorption (bl), on intercale, de T/3 à t2 < 2T/3, une étape de décompression partielle à courant par équilibrage des pressions avec l'adsorbeur Z2 ou Z3 d'une autre ligne qui initialement sous la pression basse Pm, subit une recompression partielle à contre-courant jusqu'à la pression d'équilibre PE, avant sa reccrpression finale selon (cl). Corme représenté en trait mixte, la recopression partielle de Pm à PE peut-être réalisée simultanément par le gaz d'équilibrage et par prélèvement de gaz d'un autre adsorbeur TMZ en phase (a) comme pour la recwression finale de PE à PM.

- Figure 4 : cette variante ne diffère de la précédente que par le fait que l'étape de décatpression à co-courant avec equilibrage, de T/3 à t2, est effectuée simultanément avec le début de la désorption à contre-courant décrite en (bl).

- Figure 5 : au lieu d'être utilisé pour recapprimer un autre adsorbeur, le gaz de l'6tape de décompression partielle à co-courant, de T/3 à t2, décrite en regard de la figure 3 est transféré pour assurer une élution à contre-courant de l'adsorbeur Z2 ou Z3 d'une autre ligne qui est à la pression basse Pria, pour compléter la phase de désorption (bl) de ce dernier.

- Figure 6 : lorsque la basse pression Pm de l'adsorbeur Z1 est au moins égale à la pression atmosphérique, la phase (bl) de désorption par décompression à contre-courant est complétée, de t3 > T/3 à 2T/3, par une étape d'élution à contre-courant, alimentée par du gaz issu d'une étape de décompression à co-courant du iène adsorbeur Z1, précédant la phase de désorption à contre-courant, et stocké intermédiairement dans un réservoir R.

Ainsi, l'adsorbeur Z1 subit successivement, de T/3 à 2T/3 - de T/3 à t2, une étape de décompression à co-courant par équilibrage de pressions avec l'adsorbeur Z2 ou Z3 qui est en début de recanpression, carme à la figure 3 - de t2 à t4 < t3, une étape de décorpression à co-courant avec stockage du gaz dans le réservoir R - de t4 à t3, une étape de début de désorption à contre-courant par mise à l'air; et - de t3 à 2T/3, une étape d'elution à contre-courant à la pression basse
Pm, complétant la désorption, au moyen de gaz prélevé dans le reservoir
R.

Les figures 7 à 10 illustrent diverses variantes du cycle de fonctionnement de 1'adsorbeur chargé de qMC d'une ligne quelconque, par exemple de l'adsorbeur Cl. Sur ces figures, le gaz injecté à l'entrée de l'adsorbeur Cl pendant la phase d'adsorption (a) provient de la sortie de
Z1, lequel subit le cycle de la figure 2 ou l'un des cycles des figures 3 à 6 et est en phase d'adsorption (a).

- Figure 7 : entre la phase de purge (b2) et la phase de désorption (c2) on intercale, de t5 > T/3 à 2T/3, une étape de décorpression à co-courant par équilibrage des pressions avec l'adsorbeur C2 ou C3 d'une autre ligne qui, initialement sous la pression basse P'm, subit par cet équilibrage une recorpression partielle à co-courant au cours du transfert de gaz.

Sur la figure 7, on a supposé que la pression d'équilibre P'E, qui est celle du début de la phase (a), est voisine de la pression atrosphérique.

- Figure 8 et 9 : ces variantes comportent également une étape de recoepression à co-courant après la phase de désorption (c2). Cependant, cette étape est realisee par prélèvement de gaz issu de l'adsorbeur Z2 ou
Z3 d'une autre ligne qui est en phase d'adsorption (a). Cette recarpression peut être partielle (figure 8) ou ccmplète jusqu'à P'M (figure 9). Le gaz prélevé pour cette recorpression peut constituer soit une partie du gaz issu de l'adsorbeur Z2 ou Z3 qui est en phase d'adsorption, soit la totalité de ce gaz.Dans ce dernier cas, l'alimentation et le soutirage en sortie du second adsorbeur associé C2 ou C3 qui est en phase d'adsorption sont interrorpus, et c'est pourquoi les flèches correspondantes ont été portées en trait mixte sur les figures 8 et 9. Sur les figures 8 et 9, on a supposé que la pression haute P'M est voisine de la pression atmosphérique, de sorte que la pope intervient pendant toute la désorption de Cl, de durée T/3, effectuée par decorpression à contre-courant.

- Figure 10 : cette variante diffère de celle de la figure 7 par le fait que le gaz issu de la phase du purge (b2) en sortie de Cl est recycle à l'entrée de l'adsorbeur Ci ou C3 d'une autre ligne qui se trouve en phase d'adsorption (a). De plus, la phase d'adsorption a lieu sous une pression variable de P'E (pour t=O) à P'M (pour t=T/3), avec soutirage permanent du gaz non adsorbé.

Comme indique plus haut, les diverses variantes de cycle décrites pour Z1 peuvent être associées aux diverses variantes de cycle décrites pour Cl, pourvu que la relation P'M / PM soit vérifiée. Ainsi, le diagrarrme complet de la figure 11 associe les cycles de la figure 6 (pour Z1) et de la figure 10 (pour C1), la phase d'adsorption (a) s'effectuant toutefois1 pour Cl, d'abord sous une pression croissante de
P'm à P'M, sans soutirage, puis à P'M, avec soutirage, carme à la figure 2.

La figure 12 montre cannent le procédé suivant l'invention peut être mis en oeuvre au moyen d'une installation à quatre lignes de deux adsorbeurs Zi, Cl à z4, C4. Le cycle, qui est décalé dans le temps de T/4 d'une ligne à l'autre, comprend, en choisissant par exemple la ligne 1 (Al, Cl) (A) pour l'adsorbeur Zl - une phase d'adsorption isobare à co-courant à la pression haute PM, de t=O à T/4, le gaz non adsorbe étant utilisé pour partie à l'alimentation de Cl en phase d'adsorption, pour partie à la recompression finale à contre-courant d'un adsorbeur TMZ d'une autre ligne - de T/4 à t6 < T/2, une première décompression à co-courant par équilibrage avec un adsorbeur TMZ d'une autre ligne en début de recompression à contre-courant - de t6 à T/2, une deuxième décorpression à co courant, le gaz ainsi obtenu servant à l'élution à contre-courant d'un adsorbeur TMZ d'une autre ligne en fin de désorption - de T/2 à t7 < 3T/4, un début de désorption par décorpression à contre-courant, par exemple par mise à l'air jusqu'à une pression basse
Pm voisine de la pression atrosphérique - de t7 à 3T/4, une fin de désorption par élution à contre-courant au moyen de gaz prélevé sur un autre adsorbeur TMZ en cours de seconde décompression - de 3T/4 à T, une reccorpression à contre-courant de Pm à PM d'abord par équilibrage avec un autre adsorbeur TMZ en cours de première décorpression, puis au moyen de gaz prélevé en sortie d'un autre adsorbeur IMZ en phase d'adsorption.

(B) pour l'adsorbeur Cl - de t=O à T/4, une phase d'adsorption à co-courant, avec soutirage, au cours de laquelle la pression croit d'une valeur interéédiaire P'E à la valeur haute P'M. Canne précédement, cette phase est la seule où Z1 et
Cl sont branchés en série - de T/4 à t8 < T/2, une première phase de purge à co-courant au troyen de gaz issu d'un autre adsorbeur TMC en cours de deuxième phase de purge - de t8 à T/2, une phase de simple maintien de Cl à la pression P'M - de T/2 à t9 < 3T/4, défini par la relation 3T/4 - t9 = T/2 - t8, une deuxième phase de purge à co-courant au troyen d'une partie du gaz de production fourni par un autre adsorbeur TMC en cours de désorption - de t9 à 3T/4, une décarpression à co-courant, par exemple jusqu'à une pression d'équilibre P'E voisine de la pression atmospherique, par équilibrage avec un autre adsorbeur TMC en début de recompression - de 3T/4 à t10 tel que T - t10 = 3T/4 - t9, une phase de désorption à contre-courant par mise sous vide ; le gaz ainsi de sorbe est de l'oxygène à pureté élevée qui est stocké dans le réservoir 16 et dont une partie sert à la deuxième purge d'un autre absorbeur TIC tandis que le reste constitue la production de l'installation ; et - de t 10 à T, une étape de recompression partielle à co-courant par équilibrage avec un autre adsorbeur TMC en cours de décompression à co-courant.

La figure 13 montre un exemple de cycle permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention au troyen d'une installation à deux lignes d'adsorption Z1, Cl et Z2, C2. Ce diagramne se réfère à la première de ces lignes, le cycle correspondant à l'autre ligne se déduisant par décalage dans le temps de T/2. Les pressions hautes PM et
P'M sont supposées toutes deux voisines de la pression atrosphérique. Le cycle est le même que celui de la figure 2, à ceci près que la phase d'adsorption (a) dure de t=O à T/2 et les phases (bl) et (b2) de T/2 à 3T/4. Si la même pompe à vide est utilisée pour tous les adsorbeurs, elle fonctionne en continu, ce qui est avantageux.

La description de l'installation de la figure 1 permet de comprendre facilement cannent les différents organes (vannes, popes à vide) doivent être manoeuvrés pour mettre en oeuvre le procédé de la figure 2, et l'homme de métier comprendra aisément comment cette installation et les manoeuvres doivent être modifiées pour mettre en oeuvre les variantes des figures 3 à 13.

De façon générale, les pressions hautes PM et P'M peuvent être comprises entre un bar et quelques bars, et les pressions basses du cycle (Pm et P'm) entre 1 bar et un vide partiel de quelques dizaines de millibars. La pression la plus basse est atteinte préférentiellement sur les adsorbeurs chargés de TMC.

L'invention peut également s'appliquer au fractionnement d'autres mélanges gazeux à au moins trois constituants, par exemple aux opérations suivantes
(1) Production de oe très enrichi à partir de manges gazeux contenant CO2, CO, N2, 02, H2, tels les gaz d'aciéries suivants - les gaz de convertisseur de cosposition moyenne suivante
. CO2 (3 à 20 %), CO (60 à 87 %), N2 (3 à 20 %) , H2 (1 à 10 t).

- les gaz de haut-fourneau de composition moyenne suivante
. CO2 (20 à 30 %), CO (20 à 30 %), N2 (40 à 60 %), H2 (1 à 10 %).

Les adsorbants à utiliser préférentiellement dans ce cas, sont - pour le premier adsorbeur de chaque ligne, un charbon actif dont le rôle sera d'arrêter le CO2; - pour le second adsorbeur de chaque ligne, un tamis moléculaire zéolitique dont le rôle sera de concentrer le CO en le séparant des constituants moins adsorbables que sont N2 et H2, le CO étant récupéré très enrichi, carre produit de désorption.

(2) Production de CH4 très enrichi à partir de mélanges gazeux contenant par exemple CO2, CH4, N21 H2I tels les gaz de décharge, produits de fermentation ou résiduaires organiques, qui contiennent en outre quelques impuretés secondaires, canne NH3 et des composés soufrés.

Apres traitement préalable pour éliminer les impuretés secondaires, une composition type de cette sorte de gaz est par exemple
. C 2 30 à 50 %
. O2 2 %
. N2 8 %
. H2 3 %
. CH4 40 à 60 %.

pour l'application du procédé, on utilise préférentiellement - pour le premier adsorbeur de chaque ligne, un charbon actif qui concentre le C02. Le C02 est récupéré enrichi par désorption de cet adsorbant et peut constituer un premier produit de la séparation - pour le second adsorbeur de chaque ligne, un tamis moléculaire, ou également un charbon actif, qui concentre le CH4 en le séparant des constituants moins adsorbables que sont N21 2 et H2, le CH4 étant récupéré très enrichi, comme produit de désorption de cet adsorbeur.

Claims (12)

REVEDICATIONS

1. Procédé de production à l'état enrichi d'un premier constituant d'un mélange gazeux contenant un second et un troisième constituants, par adsorption à variation de pression (PSA), caractérisé en ce qu'il met en oeuvre au moins deux lignes d'adsorption (1, ...) constituées chacune de deux adsorbeurs différents (z1, Cl, ...) pouvant être soit isolés l'un de l'autre soit branchés en série avec la sortie du premier adsorbeur, vis-à-vis de la phase d'adsorption, reliée à l'entrée du second adsorbeur, vis-à-vis de cette même phase, dont un premier adsorbeur (Z1 à Z4) contenant un adsorbant qui adsorbe préférentiellement ledit second constituant, et un second adsorbeur (C1, ...) contenant un adsorbant qui adsorbe préférentiellement ledit premier constituant par rapport audit troisième constituant, et en ce que l'on met en oeuvre le même cycle suivant sur chaque ligne (1, ...), le cycle étant décalé d'une ligne à l'autre d'une durée T/n, où T désigne la durée du cycle et n le nombre de lignes (a) une phase d'adsorption simultanée dans un sens dit co-courant sur les deux adsorbeurs (Zl, Cl, ...) branchés en série, par admission du melange à l'entrée du premier adsorbeur (z1,...) ;; (b) les deux adsorbeurs étant isolés l'un de l'autre, une phase comprenant

(bol) pour le premier adsorbeur (Zl, ...), une désorption à

contre-courant par décompression et/ou mise sous vide et/ou

élution, et

(b2) pour le second adsorbeur (C1, ...), une phase de purge à co-courant ;; (c) les deux adsorbeurs étant isolés l'un de l'autre, une phase comprenant

(cl) pour le premier adsorbeur (Z1, ...), une recorpression, et

. (c2) pour le second adsorbeur (C1, ...), une décompression

comprenant une étape de désorption dudit premier constituant

par décompression à contre-courant, une partie du gaz de

désorption étant utilisé pour purger le second adsorbeur

d'une autre ligne en cours de phase de purge (b2) et une autre

partie de ce gaz fournissant la production de l'installation.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle comprend pour le premier adsorbeur (Z1, ...), entre la phase d'adsorption (a) et la phase de désorption (bl) ou simultanément au début de cette phase (bl), une étape de décompression à co-courant par équilibrage avec le premier adsorbeur d'une autre ligne en début de phase de recanpression (cl) (figures 3, 4, 6, 11, 12).

3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la reccmpression du premier adsorbeur (Z1, ...) en phase (cl) comprend une injection à contre-courant de gaz prélevé entre les deux adsorbeurs d'une autre ligne en phase d'adsorption (a).

4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cycle comprend pour le premier adsorbeur (Z1, ...), imnédiatement avant la phase de désorption (bl), une étape de décompression à courant, le gaz résultant de cette décompression étant utilisé pour réaliser l'éluvion à contre-courant du premier adsorbeur d'une autre ligne en fin de phase de désorption (bl) (figures 5 et 12).

5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cycle comprend pour le premier adsorbeur (Z1, ...), innediatement avant la phase de désorption (bl), une étape de décompression à co-courant, le gaz résultant de cette décompression étant provisoirement stocké dans un réservoir (R) puis utilisé pour réaliser une élution à contre-courant du même adsorbeur en fin de phase de désorption (bl) (figures 6 et 11).

6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'entre la fin de la phase de décompression (c2) et le début de la phase d'adsorption (a) du cycle suivant, le second adsorbeur (C1, ...) subit une recompression au moins partielle à co-courant.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu' immédiatement après la fin de la phase de purge (b2), le second adsorbeur (Cl, ...) subit une décompression partielle à co-courant, le gaz ainsi obtenu servant à assurer ladite reccmpression du second adsorbeur d'une autre ligne (figures 7 et 10).

8. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ladite recompression du second adsorbeur est réalisée au moyen de gaz prélevé entre les deux adsorbeurs d'une autre ligne en phase d'adsorption (a) (figures 8 et 9).

9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le gaz issu du second adsorbeur (C1, ...) en phase de purge (b2) est recyclé à co-osurant dans le second adsorbeur d'une autre ligne en phase d'adsorption (a).

10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour la production d'oxygène à pureté élevée à partir d'un rrélange constitué essentiellement d' oxygène, d'azote et d'argon à titre de premier, second et troisième constituants respectivement, caractérisé en ce que le premier adsorbeur (Z1, ...) contient du tamis moléculaire zéolitique (IMZ) tandis que le second adsorbeur (C1, ...) contient du tamis moléculaire carboné (x).

11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour la production de oe très enrichi à partir d'un mélange gazeux contenant du CO, du C02 et de l'azote à titre de premier, second et troisième constituants respectivement, caractérisé en ce que le premier adsorbeur (Z1, ...) contient du charbon actif tandis que le second adsorbeur (C1, ...) contient du tamis moléculaire zéolitique IMZ.

12. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour la production de CH4 très enrichi à partir d'un mélange gazeux contenant du CH4' du C02 et de l'azote à titre de premier, second et troisième constituants respectivement, caractérisé en ce que le premier adsorbeur (Zl, ...) contient du charbon actif tandis que le second adsorbeur (C1, ...) contient du tamis moléculaire zéolitique (TMZ) ou du charbon actif.