FR2776940A1 - Pressure swing adsorption for purifying gas containing impurities - Google Patents

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Abstract

Each adsorber goes through a cycle comprising: (a) production mainly at high cycle pressure with introduction of the impure gas and recovery of the pure gas; (b) depressurization to a balance zone; (c) elution with an elution gas; (d) first recompression with gas from the balance zone; and (e) second recompression with part of the pure gas produced by another adsorber at the first stage. The adsorption system has at least two adsorbers each containing at least one adsorption bed. In (b), the depressurization is carried out until a low pressure is reached, preferably atmospheric pressure, in forward or back flow, preferably forward flow. (c) is carried out at low pressure, preferably atmospheric pressure, in forward or back flow, preferably back flow, using a residual gas from an air separation unit, preferably impure nitrogen from the low pressure column. The first recompression (d) precedes the second recompression (e) and is in back flow. The pure gas produced in (a) is sent to a cryogenic separation unit. The high pressure is 3 x 10<5> and 100 x 10<5> Pa. An Independent claim is included for an apparatus for the above process, with a PSA air purification unit the pressure of which can be alternated, comprising a compressor for atmospheric air, at least two adsorbers in parallel, each containing at least one adsorbent bed, at least one balance capacity connected to the adsorbers, a channeling device for the purified air from the adsorbers to at least one cryogenic separation unit, and a cryogenic separation unit for the purified air produced.

Description

Le but de la présente invention est de proposer un procédé de prétraitement ou purification de l'air atmosphérique avant séparation cryogénique dudit air, en particulier par distillation cryogénique. The aim of the present invention is to provide a process for the pretreatment or purification of atmospheric air before cryogenic separation of said air, in particular by cryogenic distillation.

Il est connu que l'air atmosphérique contient des composés devant être éliminés avant l'introduction dudit air dans les échangeurs thermiques de la boite froide d'une unité de séparation d'air, notamment les composés dioxyde de carbone (C02) et vapeur d'eau (ho). It is known that atmospheric air contains compounds which must be eliminated before the introduction of said air into the heat exchangers of the cold box of an air separation unit, in particular the compounds of carbon dioxide (C02) and vapor. 'water (ho).

En effet, en l'absence d'un tel prétraitement de l'air pour en éliminer ses impuretés C02 et eau, on assiste à une condensation et à un solidification en glace de ces impuretés lors du refroidissement de l'air à température cryogénique, d'où il peut résulter des problèmes de colmatage de l'équipement, notamment les échangeurs thermiques, des colonnes de distillation... In fact, in the absence of such a pre-treatment of the air to remove its impurities CO2 and water, there is condensation and solidification of these impurities to ice when the air is cooled to cryogenic temperature, from which it can result problems of clogging of the equipment, in particular the heat exchangers, of the distillation columns ...

En outre, il est également d'usage d'éliminer les impuretés hydrocarbures susceptibles d'être présentes dans l'air afin d'éviter leur trop forte concentration dans le bas de la ou des colonnes de distillation, de pallier ainsi tout risque d'explosion. In addition, it is also customary to remove the hydrocarbon impurities likely to be present in the air in order to avoid their excessive concentration at the bottom of the distillation column (s), thus to mitigate any risk of explosion.

Actuellement, ce prétraitement de l'air est effectué, selon le cas, par procédé TSA (Temperature
Swing Adsorption) ou par procédé PSA (Pressure Swing
Adsorption); par procédé PSA, on entend les procédés PSA proprement-dits, les procédés VSA (Vacuum Swing
Adsorption), les procédés VPSA et analogues.
Currently, this pre-treatment of the air is carried out, as appropriate, by the TSA process (Temperature
Swing Adsorption) or by the PSA process (Pressure Swing
Adsorption); by PSA process is meant the actual PSA processes, the VSA processes (Vacuum Swing
Adsorption), VPSA processes and the like.

Classiquement, un cycle de procédé TSA comporte les étapes suivantes:
a) purification de l'air par adsorption des impuretés à pression super-atmosphérique et à température ambiante,
b) dépressurisation de l'adsorbeur jusqu'à la pression atmosphérique ou en-dessous de la pression atmosphérique,
c) régénération de l'adsorbant à pression atmosphérique, notamment par les gaz résiduaires ou gaz déchets, typiquement de l'azote impur provenant d'une unité de séparation d'air et réchauffé jusqu'à une température habituellement entre 100 et 2000C au moyen d'un ou plusieurs échangeurs thermiques,
d) refroidissement à température ambiante ou subambiante de l'adsorbant, notamment en continuant à y introduire ledit gaz résiduaire issu de l'unité de séparation d'air, mais non réchauffé,
e) repressurisation de l'adsorbeur avec de l'air purifié issu, par exemple, d'un autre adsorbeur se trouvant en phase de production.
Conventionally, a TSA process cycle comprises the following steps:
a) air purification by adsorption of impurities at super-atmospheric pressure and room temperature,
b) depressurization of the adsorber to atmospheric pressure or below atmospheric pressure,
c) regeneration of the adsorbent at atmospheric pressure, in particular by the waste gases or waste gases, typically impure nitrogen coming from an air separation unit and heated to a temperature usually between 100 and 2000C by means of one or more heat exchangers,
d) cooling the adsorbent to ambient or subambient temperature, in particular by continuing to introduce therein said waste gas coming from the air separation unit, but not reheated,
e) repressurization of the adsorber with purified air obtained, for example, from another adsorber in the production phase.

Habituellement, un cycle de procédé PSA comporte, quant à lui, sensiblement les mêmes étapes a), b) et e), mais se distingue d'un procédé TSA par une absence de réchauffement du ou des gaz résiduaires lors de l'étape de régénération (étape c)), donc l'absence de l'étape d) et, en général, un temps de cycle plus court qu'en procédé TSA. Usually, a PSA process cycle comprises, for its part, substantially the same steps a), b) and e), but differs from a TSA process by an absence of reheating of the waste gas or gases during the step of. regeneration (step c)), therefore the absence of step d) and, in general, a shorter cycle time than in the TSA process.

L'élimination du CO2 et de la vapeur d'eau est habituellement effectuée sur plusieurs lits d'adsorbants, à savoir un premier adsorbant destiné à arrêter préférentiellement l'eau, par exemple un lit d'alumine activée, de gel de silice ou de zéolites, et un deuxième lit d'adsorbant pour arrêter préférentiellement le C02, par exemple une zéolite. On peut citer notamment les documents US-A-5531808, US-A-5587003 et US-A-4233038. The removal of CO2 and water vapor is usually carried out on several adsorbent beds, namely a first adsorbent intended to preferentially stop the water, for example a bed of activated alumina, of silica gel or of zeolites, and a second bed of adsorbent to preferentially stop the CO 2, for example a zeolite. Mention may in particular be made of documents US-A-5531808, US-A-5587003 and US-A-4233038.

Généralement, les dispositifs de prétraitement de l'air comprennent deux adsorbeurs, fonctionnant de manière alternée, c'est-à-dire que l'un des adsorbeurs est en phase de production, pendant que l'autre est en phase de régénération. Generally, the air pretreatment devices comprise two adsorbers, operating alternately, that is to say that one of the adsorbers is in the production phase, while the other is in the regeneration phase.

De tels procédés PSA de purification d'air sont notamment décrit dans les documents US-A-3738084, FR-A7725845 et JP-A-63107720. Such PSA air purification processes are in particular described in documents US-A-3738084, FR-A7725845 and JP-A-63107720.

Plus précisément, le cycle décrit par JP-A-63107720 se décompose en une étape d'adsorption de 15 mn, une étape de dépressurisation de 2 mn, une étape de régénération de 8 mn et une étape de repressurisation de 5 mn. La pression de purification ou pression haute est s égale à 7.10 Pa, ce qui permet d'obtenir de l'air purifié contenant moins de 1 ppm d'impuretés CC2 et H2O. More precisely, the cycle described by JP-A-63107720 breaks down into an adsorption step of 15 min, a depressurization step of 2 min, a regeneration step of 8 min and a repressurization step of 5 min. The purification pressure or high pressure is equal to 7.10 Pa, which makes it possible to obtain purified air containing less than 1 ppm of CC2 and H2O impurities.

En outre, Tomomura et al., Kagaku Kogaku Ronbunshu, 13(5), 1987, p. 548-553, "Application to an air separation plant", décrit une unité de séparation d'air alimenté à un débit de 2 700 Nm3.h 1 par de l'air purifié sous pression. La purification de l'air se fait dans une installation PSA à deux adsorbeurs contenant chacun un lit d'adsorption constitué à 40% par des billes d'alumine activée et à 60% par des billes de zéolite. En cycle PSA, cette installation PSA consomme 6,3% d'énergie supplémentaire au compresseur par rapport à un fonctionnement en cycle TSA, ce qui s'explique par une perte d'air comprimé lors de la phase de dépressurisation des adsorbeurs. In addition, Tomomura et al., Kagaku Kogaku Ronbunshu, 13 (5), 1987, p. 548-553, “Application to an air separation plant”, describes an air separation unit supplied at a flow rate of 2700 Nm3 / hr with purified air under pressure. The air purification is carried out in a PSA installation with two adsorbers each containing an adsorption bed consisting 40% of activated alumina beads and 60% of zeolite beads. In the PSA cycle, this PSA installation consumes 6.3% additional energy from the compressor compared to operation in the TSA cycle, which is explained by a loss of compressed air during the adsorber depressurization phase.

En effet, le compresseur doit pallier lesdites pertes d'air comprimé, lors de chaque phase de repressurisation des adsorbeurs, qui a une durée, ici, correspondant à environ un tiers de celle du temps de cycle. In fact, the compressor must compensate for said losses of compressed air, during each phase of repressurization of the adsorbers, which has a duration, here, corresponding to approximately one third of that of the cycle time.

Or, cela nécessite que le compresseurs débite approximativement 19% d'air comprimé supplémentaire pendant ladite phase de pressurisation, pour pouvoir maintenir un débit d'air purifié sensiblement constant vers l'unité de séparation d'air placée en aval, d'où une surconsommation énergétique. However, this requires that the compressors deliver approximately 19% of additional compressed air during said pressurization phase, in order to be able to maintain a flow of purified air substantially constant to the air separation unit placed downstream, hence a overconsumption of energy.

Toutefois, compte tenu de la fréquence élevée de ces pointes de débit, à savoir toutes les 10 minutes environ, il est souhaitable de modifier l'installation PSA pour ne pas risquer d'endommager le compresseur et/ou de perturber le procédé de distillation cryogénique subséquent. However, given the high frequency of these flow peaks, namely every 10 minutes approximately, it is desirable to modify the PSA installation so as not to risk damaging the compressor and / or disturbing the cryogenic distillation process. subsequent.

En fait, la quantité d'air comprimé perdu est vraisemblablement directement imputable aux lits d'adsorbants. In fact, the amount of compressed air lost is likely directly attributable to the adsorbent beds.

En effet, il est connu que la zéolite, par exemple, présente une forte affinité pour les gaz de l'air et, par conséquent, un lit de zéolite va retenir une quantité importante d'air comprimé, engendrant ainsi des pertes de charge non-négligeables. A ce titre, on peut citer les documents suivants: US-A-4,711,645, DE-A-3702190, DE-A3045451 et JP-A-55152517. In fact, it is known that zeolite, for example, has a strong affinity for the gases of the air and, consequently, a bed of zeolite will retain a large quantity of compressed air, thus generating non-pressure drops. -negligible. In this regard, the following documents may be cited: US-A-4,711,645, DE-A-3702190, DE-A3045451 and JP-A-55152517.

Afin de tenter de minimiser ces pertes de charge dues à l'utilisation d'un adsorbant de type zéolitique, certains documents, tels US-A-5560763, EP-A-453202, JP-A63107720, US-A-5656064 et EP-A-766991, préconisent de remplacer tout ou partie du lit de zéolite par un lit d'alumine activée, étant donné que l'alumine activée présente la particularité, en cycle PSA, d'adsorber beaucoup moins d'air que la zéolite, tout en conduisant à des performances de purification au moins équivalentes. In order to try to minimize these pressure drops due to the use of an adsorbent of zeolitic type, certain documents, such as US Pat. No. 5560763, EP-A-453202, JP-A63107720, US-A-5656064 and EP- A-766991, recommend replacing all or part of the zeolite bed with an activated alumina bed, given that activated alumina has the particularity, in the PSA cycle, of adsorbing much less air than zeolite, while leading to at least equivalent purification performance.

Ainsi, le document US-A-5560763 précise qu'une quantité donnée de zéolite adsorbe environ trois fois plus d'air qu'une même quantité d'alumine activée. Thus, document US Pat. No. 5560763 specifies that a given quantity of zeolite adsorbs about three times more air than the same quantity of activated alumina.

Cependant, ce remplacement au moins partiel du lit de zéolite par un lit d'alumine activée ne permet de réduire les pertes d'air que de 1,5 à 2,5% par rapport au volume total d'air comprimé. However, this at least partial replacement of the zeolite bed by an activated alumina bed only makes it possible to reduce the air losses by 1.5 to 2.5% relative to the total volume of compressed air.

Par ailleurs et de manière alternative, des résultats analogues peuvent être obtenus en réduisant la taille du lit d'adsorbant et donc des pertes de charge. Moreover and alternatively, similar results can be obtained by reducing the size of the adsorbent bed and therefore the pressure drops.

Cependant, cette réduction de la taille du lit d'adsorbant est souvent faite au détriment de l'efficacité de purification et/ou des investissements en matériels devant alors être mis en oeuvre.However, this reduction in the size of the adsorbent bed is often made to the detriment of the efficiency of purification and / or of the investments in materials which then have to be implemented.

En effet, les documents EP-A-449474 et US-A-5156657 préconisent d'employer une pompe à vide supplémentaire pour achever la régénération du lit d'adsorbant à la fin de l'étape d'élution dudit adsorbant par les gaz résiduaires. Indeed, documents EP-A-449474 and US-A-5156657 recommend using an additional vacuum pump to complete the regeneration of the adsorbent bed at the end of the step of elution of said adsorbent by the waste gases. .

Par ailleurs, le document US-A-5560763 décrit la mise en oeuvre d'un procédé PSA à au moins trois adsorbeurs, de manière à augmenter le temps disponible pour la régénération et la repressurisation des adsorbeurs, d'annuler ou minimiser le pic de débit très défavorable pour le compresseur, d'améliorer la régénération des adsorbeurs, donc de diminuer la quantité d'adsorbant nécessaire et, par là-même, de diminuer de moitié les pertes de charge et de réaliser un gain énergétique. Furthermore, document US-A-5560763 describes the implementation of a PSA process with at least three adsorbers, so as to increase the time available for the regeneration and repressurization of the adsorbers, to cancel or minimize the peak of very unfavorable flow rate for the compressor, to improve the regeneration of the adsorbers, therefore to reduce the quantity of adsorbent required and, thereby, to halve the pressure drops and to achieve an energy gain.

Toutefois, l'augmentation du nombre des adsorbeurs engendrent inévitablement un accroissement de la complexité de l'installation, à savoir notamment au moins un adsorbeur supplémentaire, plusieurs vannes, un système de contrôle des vannes supplémentaires... et donc des coûts de l'unité PSA. However, the increase in the number of adsorbers inevitably leads to an increase in the complexity of the installation, namely in particular at least one additional adsorber, several valves, an additional valve control system, etc. PSA unit.

Le but de la présente invention est de proposer un procédé et une installation PSA de purification de l'air:
- ne présentant pas les inconvénients des installations et procédés connus;
- qui permettent de diminuer fortement les pertes d'air comprimé ayant lieu durant la phase de repressurisation, par exemple une réduction de ces pertes d'air de 20 à 458;
- qui ne nécessitent pas d'accroissement important de la complexité de l'installation, et donc des coûts en matériel;
- qui conduisent à des gains énergétiques notables,
- qui autorisent une recompression accélérée des adsorbeurs depuis la pression basse du cycle jusqu'à la pression haute, de manière à augmenter le temps disponible pour leur régénération; et
- qui conduisent à un net soulagement du compresseurs, étant donnée que 20% à 45% de la repressurisation est réalisé par le biais d'une capacité tampon.
The aim of the present invention is to provide a process and a PSA air purification installation:
- does not have the drawbacks of known installations and methods;
- which make it possible to greatly reduce the losses of compressed air occurring during the repressurization phase, for example a reduction of these losses of air from 20 to 458;
- which do not require a significant increase in the complexity of the installation, and therefore in material costs;
- which lead to significant energy gains,
- which allow accelerated recompression of the adsorbers from the low pressure of the cycle to the high pressure, so as to increase the time available for their regeneration; and
- which lead to a clear relief of the compressors, given that 20% to 45% of the repressurization is carried out by means of a buffer capacity.

La présente invention concerne alors un procédé PSA de purification d'un gaz contenant des impuretés, mettant en oeuvre un système d'adsorption comprenant au moins deux adsorbeurs contenant chacun au moins un lit d'adsorption, chaque adsorbeur étant soumis à un cycle d'adsorption à pression alternée, comprenant:
a) une étape de production substantiellement à la pression haute du cycle avec introduction du gaz impur à co-courant dans l'adsorbeur et récupération de gaz pur ainsi produit,
b) une étape de dépressurisation vers au moins une zone tampon,
c) une étape d'élution avec un gaz d'élution,
d) une étape de première recompression avec du gaz provenant de la zone tampon,
e) une étape de seconde recompression avec une partie du gaz pur produit par un autre adsorbeur en étape a).
The present invention therefore relates to a PSA process for purifying a gas containing impurities, using an adsorption system comprising at least two adsorbers each containing at least one adsorption bed, each adsorber being subjected to an adsorption cycle. pressure swing adsorption, comprising:
a) a stage of production substantially at the high pressure of the cycle with introduction of the impure gas in cocurrently into the adsorber and recovery of the pure gas thus produced,
b) a depressurization step towards at least one buffer zone,
c) an elution step with an elution gas,
d) a first recompression step with gas coming from the buffer zone,
e) a second recompression step with part of the pure gas produced by another adsorber in step a).

Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:
- à l'étape b), la dépressurisation est poursuivie jusqu'à substantiellement la pression basse du cycle, de préférence à environ la pression atmosphérique;
- à l'étape b), la dépressurisation est réalisée à co-courant ou à contre-courant, de préférence à cocourant;
- l'étape c) d'élution est réalisée à substantiellement la pression basse du cycle, de préférence à environ la pression atmosphérique;
- l'étape c) d'élution est réalisée à contre-courant ou à co-courant, de préférence à contre-courant;
- à l'étape c), l'élution est réalisée au moyen d'un gaz résiduaire issu d'une unité de séparation d'air, de préférence de l'azote impur issu de la colonne basse pression;
- l'étape d) de première recompression précède l'étape e) de seconde recompression;
- l'étape d) de première recompression est réalisée à contre-courant;
- le gaz pur produit à l'étape a) est envoyé vers une unité de séparation cryogénique;
- la pression haute est comprise entre 3.105 Pa et 5 100.10 Pa;
- le gaz impur est de l'air impur et le gaz pur est de l'air purifié.
Depending on the case, the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics:
- In step b), the depressurization is continued to substantially the low pressure of the cycle, preferably at approximately atmospheric pressure;
- in step b), the depressurization is carried out co-current or against the current, preferably co-current;
- step c) of elution is carried out at substantially the low pressure of the cycle, preferably at approximately atmospheric pressure;
- step c) of elution is carried out against the current or cocurrently, preferably against the current;
- In step c), the elution is carried out by means of a waste gas obtained from an air separation unit, preferably impure nitrogen obtained from the low pressure column;
the first recompression step d) precedes the second recompression step e);
- step d) of first recompression is carried out against the current;
- the pure gas produced in step a) is sent to a cryogenic separation unit;
- the high pressure is between 3.105 Pa and 5 100.10 Pa;
- impure gas is impure air and pure gas is purified air.

L'invention concerne, en outre, une installation de traitement d'air atmosphérique, caractérisé en ce qu'elle comporte
- une unité PSA de purification d'air atmosphérique susceptible de mettre en oeuvre un procédé d'adsorption à pression alternée selon l'une des revendications 1 à 11, comprenant
a) des moyens de compression d'air atmosphérique,
b) au moins deux adsorbeurs fonctionnant en parallèle et contenant chacun au moins un lit d'adsorption, et
c) au moins une capacité tampon reliée auxdits adsorbeurs,
- des moyens d'acheminement de l'air purifié produit par lesdits adsorbeurs jusqu'à une unité de séparation cryogénique,
- une unité de séparation cryogénique de l'air purifié produit.
The invention further relates to an atmospheric air treatment installation, characterized in that it comprises
a PSA unit for purifying atmospheric air capable of implementing an adsorption process at alternating pressure according to one of claims 1 to 11, comprising
a) means for compressing atmospheric air,
b) at least two adsorbers operating in parallel and each containing at least one adsorption bed, and
c) at least one buffer capacity connected to said adsorbers,
- means for conveying the purified air produced by said adsorbers to a cryogenic separation unit,
- a cryogenic separation unit for the purified air produced.

La capacité tampon peut contenir un adsorbant permettant de réduire son volume. Ainsi, si on remplit ladite capacité tampon de particules de zéolite, celle-ci aura un volume trois fois plus faible que si elle est vide. The buffer capacity may contain an adsorbent to reduce its volume. Thus, if said buffer capacity is filled with zeolite particles, the latter will have a volume three times smaller than if it is empty.

Cependant, il est néanmoins préférable d'utiliser une capacité tampon vide, c'est-à-dire sans adsorbant à l'intérieur. However, it is nevertheless preferable to use an empty buffer capacity, that is to say without adsorbent inside.

L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide des figures annexées, données à titre illustratif mais non limitatif. The invention will now be described in more detail with the aid of the appended figures, given by way of illustration but not limitation.

La figure 1 représente une unité PSA selon l'art antérieur se composant de 3 adsorbeurs 1, 2, 3 fonctionnant de manière alternée. FIG. 1 represents a PSA unit according to the prior art consisting of 3 adsorbers 1, 2, 3 operating alternately.

L'air à purifier est acheminé, après compression jusqu'à l'adsorbeur en phase de production, via la canalisation 5 de gaz d'alimentation. The air to be purified is conveyed, after compression to the adsorber in the production phase, via the feed gas line 5.

Le gaz produit, c'est-à-dire l'air purifié, est évacué vers son site d'utilisation via la canalisation 6 de gaz produit. The gas produced, that is to say the purified air, is evacuated to its site of use via the product gas line 6.

Une canalisation 7 de gaz de régénération permet d'alimenter l'adsorbeur en phase d'élution avec un gaz de régénération, le gaz élué étant évacué par la canalisation 8. A regeneration gas line 7 makes it possible to supply the adsorber in the elution phase with a regeneration gas, the eluted gas being discharged through line 8.

Comme on peut le voir, ce dispositif de l'art antérieur comprend un nombre élevé de vannes, à savoir 15 vannes (4). As can be seen, this device of the prior art comprises a large number of valves, namely 15 valves (4).

La figure 2 représente, un dispositif selon l'art antérieur analogue à celui de la figure 1, mais lequel comprend, cette fois, deux adsorbeurs (11, 12) et seulement 9 vannes (4). FIG. 2 represents a device according to the prior art similar to that of FIG. 1, but which comprises, this time, two adsorbers (11, 12) and only 9 valves (4).

Toutefois, comme précédemment expliqué, ce type de dispositif engendre une forte consommation d'énergie due aux pertes d'air durant la décompression, malgré l'économie réalisée, de par la réduction du nombre de vannes 14 et d'adsorbeurs. However, as previously explained, this type of device generates high energy consumption due to air losses during decompression, despite the savings made, by reducing the number of valves 14 and adsorbers.

La figure 3 représente, par contre, une unité PSA de purification d'air, avant distillation cryogénique dudit air, conforme à la présente invention. FIG. 3, on the other hand, represents an air purification unit PSA, before cryogenic distillation of said air, in accordance with the present invention.

Plus précisément, le dispositif selon l'invention est analogue à celui de la figure 2, mais comprend, en plus, une capacité tampon 33 vers laquelle sont envoyés les gaz lors de l'étape de dépressurisation de l'adsorbeur 31 ou 32 en phase de dépressurisation. More precisely, the device according to the invention is similar to that of FIG. 2, but also comprises a buffer capacity 33 to which the gases are sent during the step of depressurization of the adsorber 31 or 32 in phase. of depressurization.

On constate, en outre, que malgré l'incorporation d'une zone tampon ou capacité tampon 33, l'unité PSA selon l'invention (figure 3) comporte le même nombre de vannes 20 à 29 que l'unité PSA selon l'art antérieur représentée sur la figure 2, à savoir 9 vannes. It is further noted that despite the incorporation of a buffer zone or buffer capacity 33, the PSA unit according to the invention (FIG. 3) comprises the same number of valves 20 to 29 as the PSA unit according to prior art shown in Figure 2, namely 9 valves.

Le fonctionnement des adsorbeurs 31 et 32 de la figure 3 a été schématisé sur la figure 4. The operation of the adsorbers 31 and 32 of Figure 3 has been shown schematically in Figure 4.

Ainsi, on voit nettement que, lorsque l'adsorbeur 31 est en phase de production TP, l'adsorbeur 32 est en phase de régénération TR, et inversement. Thus, it can be clearly seen that, when the adsorber 31 is in the production phase TP, the adsorber 32 is in the regeneration phase TR, and vice versa.

En outre, chaque phase de production TR est suivie par une phase de dépressurisation Dp de l'adsorbeur 31 ou 32, et chaque phase de régénération TR est suivie par une phase d'élution/recompression Rp. In addition, each production phase TR is followed by a phase of depressurization Dp of the adsorber 31 or 32, and each regeneration phase TR is followed by an elution / recompression phase Rp.

Plus précisément, on voit qu'une partie du gaz sortant de l'adsorbeur 32 durant la phase de dépressurisation Dp est envoyée vers la capacité tampon (CT) 33, laquelle se remplit alors durant un temps de remplissage RPCT-
Ensuite, la capacité tampon 33 n'est plus sollicitée pendant toute la durée de la phase de régénération TR de l'adsorbeur 32, ce qui correspond à la majeure partie de la durée de la phase de production TR de l'adsorbeur 31.
More precisely, it can be seen that part of the gas leaving the adsorber 32 during the depressurization phase Dp is sent to the buffer capacity (CT) 33, which then fills up during a filling time RPCT-
Then, the buffer capacity 33 is no longer called upon for the entire duration of the regeneration phase TR of the adsorber 32, which corresponds to the major part of the duration of the production phase TR of the adsorber 31.

Après la phase de régénération et élution TR de l'adsorbeur 32, celui-ci est soumis à une phase de recompression Rp pendant laquelle le gaz stocké dans la capacité tampon 33 est envoyé vers l'adsorbeur 32, ladite phase de recompression étant parachevée par introduction subséquente dans ledit adsorbeur 32 de gaz produit par l'adsorbeur 31 pendant sa phase de production 31. After the regeneration and elution phase TR of the adsorber 32, the latter is subjected to a recompression phase Rp during which the gas stored in the buffer capacity 33 is sent to the adsorber 32, said recompression phase being completed by subsequent introduction into said adsorber 32 of gas produced by the adsorber 31 during its production phase 31.

La capacité tampon 33 subit alors une nouvelle phase de remplissage ou recompression avec le gaz de décompression de l'adsorbeur 31, qui entre à son tour dans ses phases de décompression Dp et de régénération
TR; les adsorbeurs 31 et 32 fonctionnant de façon alternée.
The buffer capacity 33 then undergoes a new phase of filling or recompression with the decompression gas from the adsorber 31, which in turn enters its decompression Dp and regeneration phases.
TR; the adsorbers 31 and 32 operating alternately.

Le tableau suivant indique un séquençage d'ouverture (O) et de fermeture (F) des vannes 20 à 29 de la figure 3 lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. The following table indicates an opening (O) and closing (F) sequencing of the valves 20 to 29 of FIG. 3 during the implementation of the method according to the invention.

TABLEAU
I CONTROLE DES VANNES

Figure img00100001
BOARD
I CHECKING THE VALVES
Figure img00100001

<tb> vannes <SEP> 21 <SEP> T <SEP> 22 <SEP> 1 <SEP> 23 <SEP> | <SEP> 24 <SEP> 1 <SEP> 25 <SEP> | <SEP> 26 <SEP> 27 <SEP> - <SEP> 1 <SEP> 28 <SEP> T <SEP> 29 <SEP> 1 <SEP> 20 <SEP>
<tb>
Temps en minutes

Figure img00100002
<tb> valves <SEP> 21 <SEP> T <SEP> 22 <SEP> 1 <SEP> 23 <SEP> | <SEP> 24 <SEP> 1 <SEP> 25 <SEP> | <SEP> 26 <SEP> 27 <SEP> - <SEP> 1 <SEP> 28 <SEP> T <SEP> 29 <SEP> 1 <SEP> 20 <SEP>
<tb>
Time in minutes
Figure img00100002

<tb> 0-1 <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F
<tb> 1-2 <SEP> 0 <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F
<tb> 2-11 <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F
<tb> 11-12 <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F
<tb> 12-15 <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F
<tb> 15-16 <SEP> F <SEP> F <SEP> | <SEP> O <SEP> | <SEP> O <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 16-17 <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 17-26 <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 26-27 <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 27-30 <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> "O" = vanne ouverte, "F" = vanne fermée.
<tb> 0-1 <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F
<tb> 1-2 <SEP> 0 <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F
<tb> 2-11 <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F
<tb> 11-12 <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F
<tb> 12-15 <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F
<tb> 15-16 <SEP> F <SEP> F <SEP> | <SEP> O <SEP> | <SEP> O <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 16-17 <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 17-26 <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 26-27 <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb> 27-30 <SEP> F <SEP> F <SEP> O <SEP> O <SEP> O <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> F <SEP> O
<tb>"O" = valve open, "F" = valve closed.

En outre, la capacité 33 peut contenir un lit d'adsorbant, ce qui permet de réduire son volume. In addition, the capacity 33 can contain an adsorbent bed, which makes it possible to reduce its volume.

La pression dans la capacité converge vers un régime à deux niveaux de pression, la quantité d'air comprimé récupéré à l'issu de chaque phase de dépressurisation d'un adsorbeur dépendant du volume de la capacité 33. The pressure in the capacity converges towards a regime with two pressure levels, the quantity of compressed air recovered at the end of each phase of depressurization of an adsorber depending on the volume of the capacity 33.

Sur la figure 5, on a représenté les pressions haute et basse et s'établissant au sein de la capacité tampon 33, en fonction du volume de cette capacité tampon, lorsqu'elle est remplie d'un tamis moléculaire de type zéolitique. In FIG. 5, the high and low pressures are shown and being established within the buffer capacity 33, as a function of the volume of this buffer capacity, when it is filled with a molecular sieve of the zeolite type.

On constate que plus le volume de la capacité tampon est important et moins celle-ci travaille en pression, c'est-à-dire que l'écart de pression entre la phase à pression haute et celle à pression basse diminue. It can be seen that the greater the volume of the buffer capacity, the less it works under pressure, that is to say that the pressure difference between the high pressure phase and that at low pressure decreases.

Sur la figure 6, on a schématisé la quantité d'air comprimé récupéré par la capacité 33 et normé par rapport à la quantité d'air comprimé perdu dans un procédé PSA deux bouteilles simple, tel celui représenté sur la figure 2. FIG. 6 shows diagrammatically the quantity of compressed air recovered by the capacity 33 and standardized with respect to the quantity of compressed air lost in a simple two-bottle PSA process, such as that shown in FIG. 2.

En outre, on constate, lorsque l'on compare l'investissement à l'énergie économisée, que la capacité tampon a un rendement maximal lorsque son volume est compris entre 60% et 100% du volume d'un adsorbant. En d'autres termes, accroître davantage le volume de la capacité tampon est inutile, voire non-souhaitable du point de vue économique, étant donné que les gains en énergie sont alors négligeables. In addition, it can be seen, when the investment is compared with the energy saved, that the buffer capacity has a maximum efficiency when its volume is between 60% and 100% of the volume of an adsorbent. In other words, further increasing the volume of the buffer capacity is unnecessary or even undesirable from an economic point of view, since the energy savings are then negligible.

Claims (12)

REVENDICATIONS 1. Procédé PSA de purification d'un gaz contenant des impuretés, mettant en oeuvre un système d'adsorption comprenant au moins deux adsorbeurs contenant chacun au moins un lit d'adsorption, chaque adsorbeur étant soumis à un cycle d'adsorption à pression alternée, comprenant: 1. PSA process for purifying a gas containing impurities, using an adsorption system comprising at least two adsorbers each containing at least one adsorption bed, each adsorber being subjected to an adsorption cycle at alternating pressure , comprising: a) une étape de production substantiellement à la pression haute du cycle avec introduction du gaz impur à co-courant dans l'adsorbeur et récupération de gaz pur ainsi produit, a) a stage of production substantially at the high pressure of the cycle with introduction of the impure gas in cocurrently into the adsorber and recovery of the pure gas thus produced, b) une étape de dépressurisation vers au moins une zone tampon, b) a depressurization step towards at least one buffer zone, c) une étape d'élution avec un gaz d'élution, c) an elution step with an elution gas, d) une étape de première recompression avec du gaz provenant de la zone tampon, d) a first recompression step with gas coming from the buffer zone, e) une étape de seconde recompression avec une partie du gaz pur produit par un autre adsorbeur en étape a). e) a second recompression step with part of the pure gas produced by another adsorber in step a). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape b), la dépressurisation est poursuivie jusqu'à substantiellement la pression basse du cycle, de préférence à environ la pression atmosphérique. 2. Method according to claim 1, characterized in that in step b), the depressurization is continued until substantially the low pressure of the cycle, preferably at approximately atmospheric pressure. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'à l'étape b), la dépressurisation est réalisée à co-courant ou à contre-courant, de préférence à co-courant. 3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that in step b), the depressurization is carried out cocurrently or countercurrently, preferably cocurrently. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape c) d'élution est réalisée à substantiellement la pression basse du cycle, de préférence à environ la pression atmosphérique 4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that step c) of elution is carried out at substantially the low pressure of the cycle, preferably at approximately atmospheric pressure. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape c) d'élution est réalisée à contre-courant ou à co-courant, de préférence à contrecourant. 5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that step c) of elution is carried out against the current or co-current, preferably against the current. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à l'étape c), l'élution est réalisée au moyen d'un gaz résiduaire issu d'une unité de séparation d'air, de préférence de l'azote impur issu de la colonne basse pression. 6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in step c), the elution is carried out by means of a waste gas from an air separation unit, preferably impure nitrogen from the low pressure column. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape d) de premiere recompression précède l'étape e) de seconde recompression. 7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that step d) of first recompression precedes step e) of second recompression. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape d) de première recompression est réalisée à contre-courant. 8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that step d) of first recompression is carried out against the current. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le gaz pur produit à l'étape a) est envoyé vers une unité de séparation cryogénique. 9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pure gas produced in step a) is sent to a cryogenic separation unit. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pression haute est comprise entre 3.105 Pa et 100.105 Pa. 10. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the high pressure is between 3.105 Pa and 100.105 Pa. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le gaz impur est de l'air impur et le gaz pur est de l'air purifié. 11. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the impure gas is impure air and the pure gas is purified air. 12. Installation de traitement d'air atmosphérique, caractérisé en ce qu'elle comporte 12. An atmospheric air treatment installation, characterized in that it comprises - une unité PSA de purification d'air atmosphérique susceptible de mettre en oeuvre un procédé d'adsorption à pression alternée selon ltune des revendications 1 à 11, comprenant a PSA unit for purifying atmospheric air capable of implementing an adsorption process at alternating pressure according to one of claims 1 to 11, comprising a) des moyens de compression d'air atmosphérique, a) means for compressing atmospheric air, b) au moins deux adsorbeurs fonctionnant en parallèle et contenant chacun au moins un lit d'adsorption, et b) at least two adsorbers operating in parallel and each containing at least one adsorption bed, and c) au moins une capacité tampon reliée auxdits adsorbeurs, c) at least one buffer capacity connected to said adsorbers, - des moyens d'acheminement de l'air purifié produit par lesdits adsorbeurs jusqu'à une unité de séparation cryogénique, - means for conveying the purified air produced by said adsorbers to a cryogenic separation unit, - une unité de séparation cryogénique de l'air purifié produit. - a cryogenic separation unit for the purified air produced.
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FR2849172A1 (en) * 2002-12-19 2004-06-25 Air Liquide Improved air distillation process, for oxygen production, uses vaporized gas from storage for at least partial pressurization of adsorber ending regeneration phase

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2690633A1 (en) * 1992-04-30 1993-11-05 Air Liquide High pressure air distillation installation - allowing the recovery of a substantial part of the air usually lost during regeneration of the adsorbent

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