FR2979106A1 - Systeme de membranes en combinaison pour produire de l'air enrichi en azote - Google Patents

Abstract

Un système pour fournir de l'air enrichi en azote (AEA) à partir d'air ambiant utilise au moins deux membranes de séparation de gaz (16, 26) qui sont perméables aux gaz sélectivement pour l'oxygène et l'azote. La sélectivité oxygène/azote et la perméance à l'oxygène de deux des membranes sont différentes de sorte que (1) la sélectivité de la première membrane est inférieure à la seconde membrane et la perméance à l'oxygène de la première membrane est supérieure à la seconde membrane, ou (2) la sélectivité de la première membrane est supérieure à la seconde membrane et la perméance à l'oxygène de la première membrane est inférieure à la seconde membrane. Le système est très compact, efficace concernant l'énergie, et très efficace pour produire de l'AEA. Il convient de manière idéale aux applications d'utilisation finale mobiles, éloignées et spécialisées, comme les véhicules automobiles, les navires, le stockage de combustible sur les plateformes en mer et en particulier pour fournir de l'AEA pour produire une atmosphère inerte de couverture dans le volume libre des réservoirs de stockage de carburant pour avion embarqués.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION Cette invention concerne un système de séparation à membranes pour produire de l'air enrichi en azote. Plus spécifiquement, 5 elle concerne un système léger, compact ayant de multiples membranes perméables aux gaz sélectivement adapté pour produire de l'air enrichi en azote et approprié aux applications limitées en espace et en poids comme la fourniture d'une atmosphère inerte de couverture dans les réservoirs de carburant pour avion. 10 ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION L'air est un mélange gazeux comprenant environ 21 mol% d'oxygène, environ 79 mol% d'azote et de très petites quantités d'autres 15 composants comme le dioxyde de carbone, l'argon et analogues. La séparation de l'air pour produire de l'air enrichi en oxygène (AEO) et/ou de l'air enrichi en azote (AEA) est importante commercialement. Par exemple, une utilisation de l'AEA consiste à fournir une composition de gaz inerte dans le volume libre des réservoirs de carburant mobiles, en particulier les 20 réservoirs de carburant pour avion. De tels réservoirs contiennent typiquement des carburants liquides hautement combustibles de compositions organiques volatiles. L'augmentation suffisante de la concentration d'azote dans le volume libre peut rendre non combustible en toute sécurité la vapeur au-dessus du carburant liquide dans un réservoir 25 de stockage de carburant. La concentration d'azote peut être augmentée efficacement en déplaçant tout l'air ambiant dans le réservoir avec un AEA approprié. Les membranes perméables aux gaz sélectivement sont utiles pour séparer les composants de mélanges gazeux. La séparation par 30 membranes a été utilisée pour produire de l'AEO et/ou de l'AEA à partir de l'air ambiant. Certaines membranes de composition fluorée ont été trouvées efficaces pour séparer l'air ambiant. Un exemple représentatif d'une telle membrane a une couche perméable aux gaz sélectivement non poreuse de monomère dioxole perfluoré, à savoir le perfluoro-2,2- 35 diméthyl-1,3-dioxole ("PDD") copolymérisé avec un autre monomère contenant du fluor comme le tétrafluoroéthylène ("TFE"). De telles membranes sont disponibles auprès de Compact Membrane Systems, Inc., Newport, Delaware. Un exemple de procédé de séparation par membranes pour séparer l'air est décrit dans le brevet U.S. 5 051 114. Les performances de séparation des membranes perméables aux gaz sont typiquement caractérisées par deux paramètres principaux, à savoir la sélectivité de la membrane pour distinguer entre les composants d'un mélange d'alimentation binaire qui est séparé, et la perméabilité à l'égard du composant qui la traverse plus rapidement. Habituellement, de telles membranes présentent une grande sélectivité avec une faible perméabilité, ou une faible sélectivité avec une grande perméabilité. Dans cette description, on se référera à la perméance. La perméance est la perméabilité divisée par l'épaisseur d'une membrane. Le compromis entre la sélectivité et la perméance influence la taille et les conditions de fonctionnement qui sont nécessaires pour obtenir une séparation voulue. Par exemple, pour obtenir de l'air hautement enrichi en N2 à un débit volumétrique spécifié, une membrane très sélective peut être utilisée. Cependant, la perméance du composant migrant rapidement sera relativement faible de sorte que le débit de production est plus bas que souhaité. Ce problème peut être surmonté en 20 augmentant la surface utile de la membrane. Dans les applications d'utilisations finales mobiles et en particulier pour les avions, la taille et le poids ont des limites supérieures critiques de sorte que les séparateurs à membranes de grande taille peuvent être inacceptables. De manière similaire, des membranes plus petites ayant une perméance plus élevée 25 peuvent être utilisées, mais l'enrichissement par étape de séparation est relativement bas. Ce problème peut être surmonté en utilisant une série d'étapes ou de stades de séparation de sorte que l'enrichissement augmente dans les étapes successives. L'inconvénient est que de nombreuses étapes ou de nombreux stades et un appareillage auxiliaire, 30 comme des compresseurs avec des alimentations en énergie associées, peuvent être nécessaires. Le poids et l'espace pour l'appareillage supplémentaire et les unités à membranes multiples peuvent être prohibitifs. Il est souhaitable de disposer d'un système de séparation à 35 membranes perméables aux gaz sélectivement pour produire de I'AEA à partir de l'air ambiant qui soit très léger. On souhaite disposer d'un système de séparation à membranes qui occupe un petit volume et qui soit simple à faire fonctionner. Il existe un grand besoin d'un système de séparation à membranes léger, compact, économe en énergie et fiable qui soit approprié à la production d'AEA pour fournir une atmosphère inerte dans le volume libre des réservoirs mobiles de composés organiques volatils, et en particulier des réservoirs de carburant pour avion embarqués. RESUME DE L'INVENTION Un système à modules multiples pour fournir de l'air enrichi en azote (AEA) à partir de l'air ambiant utilise deux membranes de séparation de gaz différentes qui ont l'une et l'autre une plus grande sélectivité pour l'oxygène que pour l'azote. Egalement, la sélectivité oxygène/azote et la perméance à l'oxygène des membranes dans deux des modules sont telles que (1) la sélectivité de la première membrane est inférieure à la seconde membrane et la perméance à l'oxygène de la première membrane est supérieure à la seconde membrane, ou (2) la sélectivité de la première membrane est supérieure à la seconde membrane et la perméance à l'oxygène de la première membrane est inférieure à la seconde membrane. Le système est très compact, efficace en termes d'énergie et très efficace pour produire de l'AEA. Il est approprié de manière idéale aux applications d'utilisation finale mobiles, éloignées et spécialisées, comme la fourniture d'AEA pour produire une couverture inerte dans le volume libre des réservoirs de stockage de carburant pour avion embarqués. Plus précisément, l'invention fournit un système de production d'air azote (AEA) comprenant un premier module de séparation de gaz comprenant une première membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, al, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f1, et un second module de séparation de gaz comprenant une seconde membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, a,2, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, où chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, et au moins l'une de la chambre de rétentat d'alimentation et de la chambre de perméat d'un module de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la chambre de perméat de l'autre module de séparation de gaz, et où al est différent de oc2 et fi est différent de f2.

Avantageusement, la première membrane perméable aux gaz sélectivement et la seconde membrane perméable aux gaz sélectivement sont choisies de telle sorte que (i) ai est inférieur à 02 et fi est supérieur à f2, ou (ii) ai est supérieur à az et fi« est inférieur à f2. Dans ce cas, avantageusement, le plus grand de ai et a2 est supérieur d'au moins environ 10 % au plus petit de ai et a2, et le plus grand de fi et f2 est supérieur d'au moins environ 10 °A) au plus petit de fi et f2. Avantageusement, la chambre de rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz est en communication gazeuse avec 15 la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz. Avantageusement, le système de production d'AEA a un moyen de transfert pour faire communiquer le gaz entre la chambre de rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz et la chambre de 20 rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz, lequel moyen de transfert est dépourvu de moyens de compression pour augmenter la pression d'un courant gazeux. Avantageusement, la chambre de perméat du premier module de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la chambre de 25 perméat du second module de séparation de gaz. L'invention fournit aussi un appareil comprenant un système de production d'air enrichi en azote (AEA), caractérisé en ce qu'il comprend (A) un premier module de séparation de gaz comprenant une première membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité 30 oxygène/azote, ai, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène fi., et (B) un second module de séparation de gaz comprenant une seconde membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, az, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, où chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat 35 d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimen- tation, et au moins l'une de la chambre de rétentat d'alimentation et de la chambre de perméat d'un module de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la chambre de perméat de l'autre module de séparation de gaz, et où la première membrane perméable aux gaz sélectivement et la seconde membrane perméable aux gaz sélectivement sont choisies de telle sorte que (i) oc1 est inférieur à 0C2 et f1 est supérieur à f2 ou (ii) ai est supérieur à Cl2 et f1 est inférieur à f2. Avantageusement, l'appareil comprend en outre un réservoir contenant un liquide combustible volatil et une vapeur en équilibre avec le liquide, et l'un des modules de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la vapeur dans le réservoir. L'appareil peut être un véhicule à moteur choisi dans le groupe consistant en un avion, un véhicule automobile et un navire. Il peut être choisi aussi dans le groupe consistant en une plate-15 forme de forage de récupération de ressource naturelle en mer, une installation de récupération de ressource naturelle à terre, une installation de production de pétrole, une installation de production de gaz naturel, une installation de traitement des aliments, une installation de traitement des boissons et une installation de production chimique industrielle. 20 L'invention fournit en outre un procédé de production d'air enrichi en azote (AEA), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de (A) fourniture d'un système de production d'AEA comprenant un premier module de séparation de gaz comprenant une première membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité 25 oxygène/azote, ai, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f1, et un second module de séparation de gaz comprenant une seconde membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, az, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, où (i) oci est inférieur à 0C2 et f1 est supérieur à f2, ou (ii), ai est supérieur à 30 az et f1 est inférieur à f2, et où chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, (B) introduction d'air ambiant dans la chambre de rétentat 35 d'alimentation du premier module de séparation de gaz et le fait d'amener l'air ambiant à traverser sélectivement la membrane dans le premier 2 9 79106 6 module de séparation de gaz, pour former ainsi un premier gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, (C) introduction d'un mélange gazeux d'oxygène et d'azote dans la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de 5 gaz, et le fait d'amener le mélange gazeux à traverser sélectivement la membrane dans le second module de séparation de gaz, pour former ainsi un second gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, (D) introduction (1) du premier gaz de rétentat dans le second module de séparation de gaz, et/ou (2) du second gaz de rétentat dans le 10 premier module de séparation de gaz, et (E) récupération à partir du système de production d'AEA d'un produit AEA ayant une concentration d'au moins environ 90 mol% d'azote. Avantageusement, le mélange gazeux est l'air ambiant, et le second gaz de rétentat est introduit dans la chambre de perméat du premier module de séparation de gaz. Avantageusement, le premier rétentat gazeux est introduit dans la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz. Avantageusement, le procédé comprend en outre les étapes de (F) fourniture d'un troisième module de séparation de gaz comprenant une troisième membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, a3, d'une valeur quelconque supérieure à 1,0, où le troisième module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, (G) introduction d'une partie du second gaz de rétentat dans la chambre de rétentat d'alimentation du troisième module de séparation de gaz, et le fait d'amener la partie du second gaz de rétentat à traverser sélectivement la membrane dans le troisième module de séparation de gaz, pour former ainsi un troisième gaz de rétentat plus enrichi en azote que le second gaz de rétentat, et (1-1) introduction du troisième gaz de rétentat dans au moins l'une de la chambre de perméat du premier module de séparation de gaz 35 et de la chambre de perméat du second module de séparation de gaz.

De plus, l'invention fournit un procédé de fourniture d'une atmosphère inerte à un réservoir contenant un liquide combustible volatil et une vapeur en équilibre avec le liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de (A) fourniture d'un système de production d'air enrichi en azote (AEA) comprenant un premier module de séparation de gaz comprenant une première membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, ai, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f1, et un second module de séparation de gaz comprenant une seconde membrane perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, az, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, où (i) ai est inférieur à 0C2 et f1 est supérieur à f2, ou (ii) oci est supérieur à oc2 et f1 est inférieur à f2, et où chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, (B) introduction d'air ambiant dans la chambre de rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz et le fait d'amener l'air ambiant à traverser sélectivement la membrane dans le premier module de séparation de gaz, pour former ainsi un premier gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, (C) introduction d'un mélange gazeux d'oxygène et d'azote dans la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz, et le fait d'amener le mélange gazeux à traverser sélectivement la membrane dans le second module de séparation de gaz, pour former ainsi un second gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, (D) introduction (1) du premier gaz de rétentat dans le second module de séparation de gaz, et/ou (2) du second gaz de rétentat dans le premier module de séparation de gaz, (E) récupération à partir du système de production d'AEA d'un produit AEA ayant une concentration d'au moins environ 90 mol% d'azote, et (F) introduction du produit AEA dans la vapeur du réservoir. Avantageusement, le réservoir est à bord d'un véhicule à moteur choisi dans le groupe consistant en un avion, un véhicule automobile et un navire.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un diagramme schématique illustrant un mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes à une seule étape traditionnel pour produire de l'air enrichi en azote. La figure 2 est un diagramme schématique illustrant un mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes en combinaison à deux étapes pour produire de l'air enrichi en azote selon la présente invention.

La figure 3 est un diagramme schématique illustrant un autre mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes en combinaison en deux étapes pour produire de l'air enrichi en azote selon la présente invention qui incorpore un troisième module à membranes de renfort.

La figure 4 est un diagramme schématique illustrant un autre mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes en combinaison en deux étapes pour produire de l'air enrichi en azote selon la présente invention qui utilise de l'air enrichi en azote provenant d'un emplacement intermédiaire d'un module en aval pour balayer le côté perméat d'un module en amont. La figure 5 est un diagramme schématique illustrant un autre mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes en combinaison en deux étapes pour produire de l'air enrichi en azote selon la présente invention où un module en aval fournit de l'air enrichi en azote pour un balayage du côté perméat d'un module en amont. La figure 6 est un diagramme schématique illustrant un autre mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes en combinaison en deux étapes pour produire de l'air enrichi en azote selon la présente invention qui utilise une membrane secondaire en parallèle avec une membrane primaire pour produire de l'air enrichi en azote pour un balayage du côté perméat de la membrane primaire. La figure 7 est un diagramme schématique illustrant un autre mode de réalisation d'un procédé de séparation à membranes en combi- naison en deux étapes pour produire de l'air enrichi en azote selon la présente invention où de l'air enrichi en azote provenant d'un module en aval fournit un balayage des côtés perméat du module en aval et d'un module en amont. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dans cette description, le terme "membrane" désigne un composant qui est capable de réaliser une séparation sélective d'un mélange. La membrane peut être un élément de membrane individuel, comme un film plat ou une fibre creuse, par exemple, ou ce peut-être un 10 groupe de tels éléments communs assemblés et manipulés ensemble dans une unité occasionnellement appelée cartouche. Des éléments de membrane uniques, des éléments de membrane individuels multiples, ou une ou plusieurs cartouches sont typiquement installées ensemble dans des boîtiers, connus sous l'appellation de modules, avec des orifices de 15 courant de procédés communs. Un procédé pratique peut utiliser une ou plusieurs membranes dans chacun d'un ou plusieurs modules pour réaliser les étapes d'une séparation. Le procédé de séparation à membranes à une seule étape de base observé sur la figure 1 inclut un module à membrane 3 contenant 20 une membrane perméable aux gaz sélectivement 6. La membrane peut avoir une forme quelconque parmi de nombreuses formes bien connues dans la technique de séparation à membranes, par exemple comme une membrane en feuille plate, une membrane enroulée en spirale, une membrane de type tube en ruban et une membrane à fibre creuse, le 25 module ayant une forme appropriée correspondante. En général, la membrane divise le module en deux chambres internes, à savoir une chambre de rétentat d'alimentation 4 et une chambre de perméat 5, qui sont chacune en contact avec des côtés opposés de la membrane 6. Il peut y avoir plus d'un seul élément de membrane dans le module, 30 toutefois, tous les éléments de membrane de ce type sont dans une configuration d'écoulement parallèle par rapport au courant d'alimentation 1, au courant de perméat 7 et au courant de rétentat 8. Pour des raisons de simplicité, tous les éléments de membrane dans un seul module seront appelés collectivement "membrane" aux fins de cette description. 35 La membrane employée dans cette invention est d'une composition telle que l'oxygène et l'azote traversent la membrane, mais 2 9 79106 l'oxygène traverse préférentiellement par rapport à l'azote. Chaque membrane est caractérisée par sa sélectivité entre deux composants d'un mélange destiné à être séparé, parfois identifiée par le symbole a. Cette description adopte la convention selon laquelle le terme "sélectivité" dans 5 le contexte de la séparation de mélanges gazeux d'oxygène et d'azote signifie la valeur de la perméance à travers la membrane de l'oxygène constituant un composant pur divisée par la perméance à travers la membrane de l'azote constituant un composant pur. De telles membranes sont également caractérisées par la perméance à l'oxygène. 10 Un courant d'alimentation 1 d'air destiné à être séparé pour produire un produit d'air enrichi en azote ("AEA") est introduit à une haute pression dans la chambre de rétentat d'alimentation 4 par le compresseur 2. La pression de l'alimentation est suffisamment élevée pour forcer l'alimentation dans le module 3 et pour provoquer la perméation des composants pour traverser sélectivement la membrane 6. La perméation sélective de l'air à travers la membrane a pour résultat que le courant de perméat 7 est enrichi en oxygène et que le courant de rétentat 8 est enrichi en azote. Dans un mode de réalisation de base du procédé conventionnel, la totalité du courant de perméat 7 contenant principalement de l'oxygène qui traverse plus rapidement, est retirée sous forme de sous-produit d'air enrichi en oxygène ("AEO"). Le courant gazeux résiduel sur le côté rétentat d'alimentation de la membrane qui est appauvri en oxygène fournit le produit AEA souhaité. La totalité du courant de rétentat provenant de la chambre 4 est retirée sous forme d'AEA. Dans un autre mode de réalisation, un courant facultatif 9 d'air ambiant est introduit dans la chambre de perméat 5. Ce courant est occasionnellement appelé courant de "balayage". Un ventilateur ou compresseur approprié, non représenté, peut être utilisé pour mettre en mouvement le courant de balayage. Le courant de balayage peut améliorer les performances d'une étape de séparation à membranes donnée d'une manière quelconque parmi différentes manières. D'une part, la composition de balayage de ce mode de réalisation est de l'air à la concentration ambiante. Elle augmente ainsi la concentration en azote de l'AEO sur le côté perméat de la membrane, en augmentant ainsi la force motrice de concentration pour la perméation de l'oxygène et en réduisant la force motrice pour la perméation de l'azote à travers la membrane. Dans un autre aspect, la force physique du courant de balayage peut agiter le gaz dans la chambre de perméat pour réduire les régions stagnantes à proximité de la surface de la membrane et ainsi utiliser plus largement la surface de la membrane pour la perméation sélective. L'utilisation d'un courant de balayage d'air ambiant peut produire une plus grande concentration d'azote dans l'AEA produit que dans un module sans balayage dans les mêmes conditions de fonctionnement. Dans encore un autre mode de réalisation, une partie du 10 courant d'AEA produit 8 peut éventuellement être renvoyée dans la chambre de perméat 5 en tant que courant de balayage 10. La fonction du courant de balayage de produit 10 est similaire à celle du courant de balayage d'air ambiant 9. La différence est que le courant 10 est une composition de gaz AEA ayant une plus grande concentration en azote 15 que l'air ambiant. Par conséquent, l'effet de dilution de l'oxygène dans la chambre de perméat est augmenté par rapport à l'utilisation d'air ambiant pour le courant de balayage. Un inconvénient accepté est qu'une fraction du produit utile est perdue sous forme de courant de balayage. L'avantage est qu'un module avec balayage donné peut produire une plus grande 20 concentration d'azote dans le produit AEA que ce qui pourrait se produire autrement. La figure 2 illustre différents modes de réalisation d'un nouveau procédé pour produire de l'AEA à partir de l'air utilisant deux étapes de séparation à membranes avec les configurations d'écoulement suivantes. 25 Le courant d'air d'alimentation 1 est forcé par le compresseur 2 dans le module de première étape 13 qui a une première membrane perméable aux gaz sélectivement 16. Un courant de perméat d'AEO 17 est retiré de ce module sous forme de sous-produit et un produit intermédiaire 18 enrichi en azote par rapport à l'air ambiant est introduit dans la chambre 30 de rétentat d'alimentation du module de seconde étape 23. Ce module a une seconde membrane perméable aux gaz sélectivement 26. La pression du courant intermédiaire 18 est suffisamment élevée pour qu'il traverse la seconde membrane 26 et fournisse ainsi un retrait supplémentaire de l'oxygène via le courant de perméat 19 et augmente encore la concen- 35 tration en azote du courant de produit AEA ultime 28. Le courant de perméat 19 ayant aussi une plus grande concentration en azote que l'air ambiant peut être renvoyé dans la chambre de perméat du module de première étape sous forme de courant de balayage. Dans ce mode de réalisation du procédé, la totalité du courant 28 est soutirée sous forme de produit et aucun balayage de la chambre de perméat du module de seconde étape 23 n'est employé. Dans un autre mode de réalisation, l'air ambiant 27 peut être utilisé pour balayer la chambre de perméat du module de seconde étape. Dans encore un autre mode de réalisation, une partie 20 du courant d'AEA produit 28 peut être renvoyée dans la chambre de perméat du module de seconde étape sous forme de balayage. Il conviendrait de comprendre que l'utilisation d'un balayage d'air, d'un balayage de courant d'AEA et d'une combinaison de balayage d'air et d'AEA sont facultatives. Un nouvel aspect principal du procédé selon cette invention est la relation entre les caractéristiques de séparation des membranes dans les différentes étapes. La membrane 16 est caractérisée en ce qu'elle a une première sélectivité, ai, entre l'oxygène et l'azote et une première perméance à l'oxygène, "f1". De manière similaire, la membrane 26 a une seconde sélectivité, a2, et une seconde perméance à l'oxygène "f2". Un point important est que ai est différent de a2 et fi est différent de f2.

Etant entendu que l'oxygène traverse préférentiellement les membranes, c'est-à-dire qu'il les traverse plus rapidement que l'azote, chacune de la première sélectivité ai et de la seconde sélectivité CL2 est numériquement supérieure à 1,0. De plus, la sélectivité et la perméance à l'oxygène pour les deux étapes devraient être telles que (1) ai est inférieur à a2 et f1 est supérieur à f2 ou (2) ai est supérieur à a2 et fi est inférieur à f2. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, la membrane de la première étape a une plus faible sélectivité et une plus grande perméance à l'oxygène que la membrane de la seconde étape. Dans un autre mode de réalisation préféré, la membrane de la première étape a une plus grande sélectivité et une plus petite perméance à l'oxygène que la membrane de la seconde étape. De préférence, la différence entre les sélectivités et les perméances à l'oxygène des étapes devrait être substantielle. Par exemple, la sélectivité de la membrane plus sélective devrait être supérieure d'au moins environ 10 %, de préférence encore d'au moins environ 20 %, de préférence encore d'au moins environ 50 % et de manière particulièrement préférable d'au moins 100 % à la sélectivité de la 2 9 79106 13 membrane moins sélective. De manière similaire, la perméance à l'oxygène de la membrane à plus grande perméance à l'oxygène devrait être supérieure d'au moins environ 10 %, de préférence encore d'au moins environ 20 %, de préférence encore d'au moins environ 50 % et de 5 manière particulièrement préférable d'au moins 100 % à la perméance à l'oxygène de la membrane à plus faible perméance à l'oxygène. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation préféré dans lequel la membrane 36 du module de première étape 33 a une plus faible sélectivité et une plus grande perméance à l'oxygène que la membrane 46 10 du module de seconde étape 43. Le courant de rétentat enrichi en azote 38 provenant du premier module est introduit dans le second module et le perméat de première étape 37 n'est plus utilisé par ce procédé. Le perméat 47 provenant du module de seconde étape est introduit dans le côté perméat du module de première étape 33 et balaie et améliore ainsi 15 les performances de la membrane 36. Une fraction relativement faible 40 du courant de rétentat provenant du module de seconde étape est introduite comme alimentation dans un troisième module, appelé module "de renfort" 49. La fonction principale du module de renfort est de fournir un courant de rétentat très enrichi en azote 41 qui peut être utilisé 20 comme courant de balayage pour le côté perméat de la membrane 46 dans le module de seconde étape 43. C'est-à-dire que le courant 41 a une plus grande concentration en azote que le courant principal 48 du rétentat d'AEA provenant du module de seconde étape, qui est le produit global souhaité de ce procédé. Une quantité relativement faible du courant 25 de rétentat très enrichi en azote 41 est déjà efficace pour renforcer les performances du module de seconde étape. De ce fait, le module de renfort 49 peut avoir une membrane de plus petite surface et un corps de module de plus petite surface que les modules de première et seconde étape. Ceci est représenté symboliquement par la taille de la boîte 49 sur 30 la figure 3. Sauf indication expresse, les dessins dans cette description ne sont pas tracés à l'échelle. Dans un mode de réalisation constituant une alternative, un courant d'air ambiant facultatif 50 peut être introduit dans la chambre de rétentat d'alimentation du module de renfort 49 à la place du courant 40 pour créer un courant de rétentat enrichi en azote 41. 35 Le module de renfort 49 utilise une membrane perméable sélectivement 42. Cette membrane peut avoir une valeur de sélectivité et 2 9 79106 14 de perméance à l'oxygène quelconque par rapport à la membrane 36 du premier module 33 et à la membrane 46 du module 43. Il est envisagé que de meilleures performances sont obtenues quand la membrane du module de renfort 42 a respectivement des valeurs de sélectivité plus 5 élevées et de perméance à l'oxygène plus basses que la membrane du module de première étape 36. Généralement, un comportement de performance souhaité du nouveau procédé consiste à fournir une concentration d'azote élevée de manière appropriée, de préférence supérieure à environ 90 mol% de N2 dans le courant 48 produit à un débit 10 satisfaisant. De préférence, le procédé peut être exploité avec un faible poids et une petite taille d'appareillage acceptable et, de préférence encore, avec une faible consommation d'énergie pour une application d'utilisation finale présélectionnée. La membrane 42 peut être de même composition que la membrane 46 ou d'une composition différente de 15 celle-ci. Eventuellement, un courant d'air ambiant 45 peut être utilisé pour balayer le côté perméat du module de renfort 49. La figure 4 montre un autre mode de réalisation de cette invention ayant des similarités avec celui de la figure 3. De l'air est introduit dans le module de première étape 53 qui a une membrane 56 et 20 qui produit un rétentat enrichi en azote 58 et de l'air enrichi en oxygène 57 constituant un sous-produit. Le courant de rétentat 58 est introduit dans le module de seconde étape 63 ayant une membrane 66. Le perméat 67 provenant du module de seconde étape n'est plus utilisé par ce procédé. La membrane 56 est choisie pour fournir une plus faible 25 sélectivité et une plus grande perméance à l'oxygène respectivement que la membrane 66. Le module 63 peut être considéré comme une construction intégrée ayant les caractéristiques combinées des modules 43 et 49 (figure 3). A un point intermédiaire entre l'entrée d'alimentation et la sortie de rétentat produit 68, un courant latéral 59 d'AEA relative- 30 ment enrichi est retiré de la chambre de rétentat du module de seconde étape et renvoyé sous forme de courant de balayage au côté perméat du module 53. Eventuellement, un courant d'air ambiant 69 peut être utilisé pour balayer le côté perméat du module de seconde étape 63. La concentration en azote du courant latéral 59 est inférieure à celle du 35 courant de produit 68, cependant, elle est suffisamment élevée pour améliorer les performances de séparation de la membrane 56 dans le module de première étape. Le module de seconde étape 63 peut être plus grand, comme cela est montré symboliquement sur la figure 4, que le module de seconde étape 43 (figure 3) pour des paramètres de production équivalents. Cependant, le système de la figure 4 présente avantageusement la possibilité d'économies, en particulier concernant le nombre de parties, les connexions, l'entretien et le poids total. La figure 5 représente un autre mode de réalisation qui comporte aussi des similarités de configuration avec le système montré sur la figure 3. De l'air 1 est introduit par le compresseur 2 dans un 10 module de première étape 73 ayant une membrane perméable sélectivement 76. Le courant de rétentat 78 provenant du module de première étape est le produit d'AEA souhaité. Une fraction 70 du courant de rétentat 78 est introduite comme alimentation dans le second module 83 équipé d'une membrane perméable sélectivement 86. La membrane 15 76 est choisie pour fournir une plus faible sélectivité et une plus grande perméance à l'oxygène, respectivement, que la membrane 86. Le rétentat enrichi en azote 88 est retiré du module de seconde étape et renvoyé au côté basse pression du module de première étape 73 sous forme de débit de balayage. Les courants de perméat 77 et 87 provenant des modules 20 de première et seconde étape, respectivement, ne sont plus utilisés par ce procédé. Eventuellement, un courant d'air ambiant 89 peut être utilisé pour balayer le côté perméat du module de seconde étape 83. Dans ce mode de réalisation, le module de seconde étape se comporte de manière similaire au module d'étape de renfort de la figure 3 en produisant un 25 rétentat d'AEA très enrichi. Ce rétentat de seconde étape sous forme de débit de balayage augmente les performances de la première étape efficacement pour produire le produit AEA souhaité dans le module de première étape. La figure 6 montre un autre mode de réalisation du nouveau 30 procédé de production d'AEA. De l'air d'alimentation 1 et fourni par le compresseur 2 au premier module 93 ayant une membrane perméable sélectivement 96. De manière similaire au mode de réalisation de la figure 5, ce module de première étape fournit un courant de rétentat 98 qui a la concentration souhaitée d'AEA produit. Un courant 92 qui est une 35 fraction de l'air d'alimentation comprimé 1 est introduit dans le module de seconde étape 103 contenant une membrane perméable sélectivement 106. La membrane 96 est choisie pour fournir une plus faible sélectivité et une plus grande perméance à l'oxygène, respectivement, que la membrane 106. Ainsi, les deux "étapes" dans cette configuration du procédé peuvent être considérées dans un sens comme fonctionnant en 5 parallèle. Le rétentat haute pression 108 provenant de la seconde étape à une concentration enrichie en azote par rapport à l'air d'alimentation. Il est renvoyé au côté perméat du module de première étape 93 pour servir de débit de balayage. Le balayage augmente les performances du module de première étape efficacement pour fournir un rétentat de première 10 étape 98 de débit et concentration souhaités. Les courants de perméat 97 et 107 provenant des modules de première et seconde étape, respectivement, ne sont plus utilisés dans ce procédé. Eventuellement, un courant d'air ambiant 109 peut être utilisé pour balayer le côté perméat du module de seconde étape 106. 15 Le nouveau système de modules en combinaison pour produire de l'AEA a de nombreuses utilités potentielles. De préférence, il peut être utilisé pour fournir une couverture de gaz inerte dans le volume libre de réservoirs de stockage pour avion embarqués qui contiennent des composés organiques liquides très volatils inflammables. D'autres 20 applications dans lesquelles les contraintes de compacité, de faible poids, de portabilité et d'accessibilité s'appliquent sont également envisagées. Celles-ci incluent les installations de stockage de carburant ou d'autres liquides combustibles volatils destinées à être utilisées dans les véhicules mus par des moteurs à combustion, comme les automobiles, les camions 25 et analogues, les navires. D'autres applications potentielles envisagées dans lesquelles le nouveau système de séparation à membranes peut être utilisé pour produire efficacement de l'air enrichi en azote incluent les installations de récupération de ressources naturelles en mer, comme les plateformes de forage de pétrole et de gaz dans lesquelles l'espace est 30 limité, et les installations d'appareils de production industriels à terre, en particulier dans les endroits éloignés, difficiles d'accès, comme dans l'arctique ou les régions désertiques, pour n'en citer que quelques-uns. Des exemples représentatifs de celles-ci incluent les installations de forage et de production de pétrole et de gaz naturel, les installations de 35 traitement des aliments et des boissons, et les installations de traitement chimique industriel.

Dans l'application d'utilisation finale de fourniture d'une atmosphère inerte de couverture de liquides inflammables et volatils dans les réservoirs de stockage pour avion embarqués, principalement le poids, et dans une mesure moindre, mais encore importante, la dimension de l'unité de production d'AEA sont particulièrement importants. Le poids est un paramètre de conception critique car l'avion doit fournir une capacité de sustentation efficace pour porter l'unité de production d'AEA en plus du poids de base existant de l'avion et du poids de la charge. De plus, plus un avion est lourd, plus il doit consommer de carburant pour maintenir le vol.

Généralement, plus la surface d'un séparateur à membranes est importante, plus grands seront sa taille et son poids. La taille est habituellement très importante car le volume disponible pour le chargement sur un avion est fini et donc limité. De préférence, l'unité de production d'AEA devrait occuper un espace le plus petit possible en libérant ainsi davantage d'espace à bord pour d'autres utilisations. D'autres paramètres compris comme étant importants incluent la consommation d'énergie supplémentaire nécessaire pour actionner l'unité de production d'AEA au-dessus et au-delà de ce qui est nécessaire pour actionner l'avion et ses autres systèmes auxiliaires. Le procédé d'apport d'énergie pour entraîner l'unité de production d'AEA dépend largement du type d'avion concerné. Aux fins de cette description, la taille et le poids de l'unité de production d'AEA sont considérés comme étant les principales considérations de conception pour les applications d'utilisation finale de fourniture d'une atmosphère inerte de couverture pour les réservoirs de carburant pour avion embarqués. EXEMPLES Cette invention est maintenant illustrée par des exemples de certains modes de réalisation représentatifs de celle-ci. Toutes les unités de poids et mesure non obtenues initialement en unités SI ont été converties en unités SI.

Exemple comparatif 1 (performances d'une membrane à grande sélectivité-bas flux unique) Simuler la production d'air enrichi en azote (AEA) à partir d'air ambiant (c'est-à-dire ' 79 mol% d'azote/-21 mol% d'oxygène) dans un 5 modèle de membranes à grande sélectivité oxygène/azote, faible perméance en une seule étape avec les conditions suivantes. Le système de membranes modèle est le même que celui montré sur la figure 1 mais sans courant de balayage par l'air ambiant externe 9. Le séparateur à membranes 3 est un module de 608 000 fibres creuses de membranes 10 perméables aux gaz sélectivement ayant une sélectivité de l'oxygène à l'azote de 6 et une perméance à l'oxygène de 39,9 unités de perméation de gaz (UPG). Une UPG est égale à 1 x 10-6 cm3 à la température et à la pression normales par cm2 par s par cm Hg). Les fibres ont chacune une longueur de 44,8 cm, un diamètre externe de 1,016 mm et fournissent 15 une aire de membrane efficace totale pour la perméation de 870 m2 (9 370 ft2). Une alimentation de 3,51 m3/min dans les conditions normales (124 pieds cubes normaux/min "scfm") d'air ambiant s'écoule dans le distributeur d'entrée du module dans les âmes des fibres par la force du 20 compresseur 2 à une pression de 414 kPa. De l'air enrichi en oxygène (AEO) de 1,24 m3/min (43,7 scfm) traverse les membranes à fibres depuis l'orifice pour atteindre le côté enveloppe du module et est évacué à l'atmosphère. Le module produit 2,27 m3/min (80,3 scfm) de rétentat d'AEA de 90 mol% d'azote depuis le collecteur d'évacuation du module. 25 Un débit de balayage de 0,113 m3/min (4,0 scfm) d'AEA retourne au côté enveloppe du module. Ainsi, le module produit 2,16 m3/min (76,3 scfm) nets d'AEA. Cet exemple illustre que pour des spécifications de produit données, la productivité (c'est-à-dire le débit net d'AEA en pourcent du 30 débit d'alimentation) pour un module à membranes à sélectivité comparativement élevée/faible perméance est 61,5 % et l'aire de membrane par unité de débit de produit est 403 m2 par m3/min (123 ft2/scfm). 35 Exemple comparatif 2 (performances d'une membrane à faible sélectivité- grande perméance unique) 2 9 79106 19 Simuler la production d'air enrichi en azote (AEA) à partir d'air ambiant dans un modèle de membranes à faible sélectivité grande perméance en une seule étape avec les conditions suivantes. Le système de membranes modèle a la même configuration de débit de procédé que l'exemple comparatif 1. Le séparateur à membranes 3 est un module de 53 300 fibres creuses de membranes creuses perméables aux gaz sélectivement ayant une sélectivité de l'oxygène à l'azote de 2,2 et une perméance à l'oxygène de 800 UPG. Les fibres ont les mêmes dimensions que dans l'exemple comparatif 1. Le module fournit ainsi une aire de membranes efficace totale pour la perméation de 76,2 m2 (820 ft2). Ajuster le débit d'alimentation et le débit de balayage pour simuler la production de la même concentration et du même débit de production net, c'est-à-dire 2,16 m3/min (76,3 scfm) d'AEA à 90 mol% d'azote, que dans l'exemple comparatif 1. Déterminer l'alimentation en air ambiant du module pour qu'elle soit 6,94 m3/min dans les conditions normales (245 scfm) à une pression de 414 kPa. De l'air enrichi en oxygène (AEO) de 4,55 m3/min (160,8 scfm) traverse la fibre depuis l'orifice en direction du côté enveloppe du module et est évacué à l'atmosphère. Le module produit 2,38 m3/min (84,2 scfm) de rétentat d'AEA de 90 mol% d'azote depuis le collecteur d'évacuation du module incluant un débit de balayage de 0,22 m3/min (7,9 scfm) d'AEA qui retourne au côté enveloppe du module. Cet exemple illustre que, pour des spécifications de produit données, la productivité pour un module à membranes à sélectivité comparativement faible/grande perméance est 31,2 % et l'aire de la membrane par unité de débit de produit est 35,5 m2 par m3/min (10,7 ft2/scfm). Exemple 3 (séparation en deux étapes avec un module à faible sélectivité-30 grande perméance d'abord) Simuler selon les conditions suivantes la production d'air enrichi en azote (AEA) à partir d'air ambiant dans un procédé de séparation à membranes en deux étapes configuré comme montré sur la figure 7. Le module de première étape 113 utilise une membrane modèle à faible 35 sélectivité et grande perméance 116, et le module de seconde étape 123 utilise une membrane modèle à grande sélectivité/faible perméance 126.

La pression d'alimentation pour le module de première étape 113 est 414 kPa et la pression du côté perméat est 101 kPa. Le rétentat 118 entre dans le module de seconde étape à 412 kPa avec une pression du côté perméat de la seconde étape de 101 kPa. Le perméat des deux étapes peut être évacué à l'atmosphère. L'AEA produit est le courant 128 provenant du côté rétentat de la seconde étape de la membrane 126. Le rétentat de membrane de la seconde étape est divisé pour produire aussi les courants de balayage 119 et 129 pour les modules de première étape et de seconde étape, respectivement. Dans cet exemple, les débits des courants de balayage 119 et 129 sont égaux. La division égale du courant de balayage comme dans cet exemple n'est pas essentielle pour la fonction de l'invention. Le séparateur à membranes de première étape 113 est un module de 21 200 des mêmes fibres creuses de membranes perméables 15 aux gaz sélectivement que dans l'exemple comparatif 2 et fournit une aire de membranes efficace totale pour la perméation de 30,3 m2 (326 ft2). Le séparateur à membranes de seconde étape 123 est un module de 362 000 des mêmes fibres creuses de membranes perméables aux gaz sélectivement que dans l'exemple comparatif 1 et fournit une aire de 20 membranes efficace totale pour la perméation de 518 m2 (5 570 ft2). Ajuster le débit d'alimentation et les débits de balayage pour simuler la production de la même concentration et du même débit de production net, c'est-à-dire 2,16 m3/min (76,3 scfm) d'AEA à 90 mol% d'azote, que dans l'exemple comparatif 1. Déterminer l'alimentation en air 25 ambiant du module pour qu'elle soit 4,84 m3/min dans les conditions normales (171 scfm). De l'air enrichi en oxygène (AEO) total de 2,52 m3/min (89,1 scfm) traverse les membranes depuis l'orifice jusqu'au côté enveloppe des modules de première étape et de seconde étape et est évacué à l'atmosphère. Les modules combinés produisent 2,32 m3/min 30 (81,8 scfm) de rétentat d'AEA de 90 mol% d'azote depuis le collecteur d'évacuation des modules incluant un débit de balayage total de 0,156 m3/min (5,5 scfm) d'AEA. La moitié du balayage total retourne au côté enveloppe de chacun des modules de première étape et de seconde étape. 35 Cet exemple illustre que, pour des spécifications de produit données de la configuration de modules combinés, la productivité globale 2 9 79106 21 est 44,7 % et l'aire de membranes totale par unité de débit de produit des deux modules est 254 m2 par m3/min de débit de produit (77,3 ft2/scfm). Exemple 4 (séparation en deux étapes avec un module à faible sélectivité-5 grande perméance d'abord) Répéter l'exemple 3 avec des membranes de même composition et de mêmes dimensions que dans les modules de première étape et de seconde étape, respectivement, mais avec des modules de taille différente contenant des nombres de fibres différents. L'aire de membrane du 10 module de première étape 113 avec des fibres de membranes à faible sélectivité/grande perméance est 48,0 m2 (517 ft2), et l'aire de membrane du module de seconde étape 123 avec des membranes à grande sélectivité/faible perméance est 296 m2 (3,190 ft2). Cet exemple montre que la productivité globale est 38,5 % et que l'aire de membrane totale par unité de débit de produit des deux modules est 159 m2 par m3/min de débit de produit (48,5 ft2/scfm). Les données des résultats de simulation pour chacun des exemples ci-dessus sont présentées dans le tableau 1. Pour chaque exemple, le produit était 2,16 m3/min (76,3 scfm) d'AEA contenant 90 mol% d'azote. Les données montrées dans le tableau indiquent qu'une membrane à grande sélectivité/faible perméance d'aire extrêmement grande ou qu'une membrane à grande sélectivité/faible perméance unique bien plus petite peut produire seule la composition d'AEA constituant l'objectif. Cependant, la membrane à faible sélectivité/grande perméance a environ la moitié de la productivité de la membrane à grande sélectivité/faible perméance et doit donc traiter environ deux fois plus d'air d'alimentation. En utilisant seulement une petite fraction (0,06) de l'aire totale pour une membrane à faible sélectivité/grande perméance comme première étape dans un procédé de séparation en deux étapes (exemple 3), l'aire totale nécessaire pour obtenir le même débit d'AEA produit et la même concentration baisse à 37,0 % de la membrane à grande sélectivité/faible perméance seule. De plus, ce procédé en deux étapes produit une faible pénalité (27,5 %) de productivité par comparaison avec la membrane à grande sélectivité/faible perméance seule mais une augmentation de la productivité de 43,3 % par rapport à la membrane à faible sélectivité/grande perméance seule. L'exemple 4 montre qu'il apparaît une réduction très importante de l'aire de membrane totale par unité de débit de produit (réduction de 60,5 % par comparaison avec l'exemple comparatif 1) en amenant l'aire du module à membranes à faible sélectivité/grande perméance à 0,14 de l'aire totale. Ceci est très important dans les applications mobiles comme les équipements de production d'une atmosphère inerte de couverture pour les réservoirs de carburant pour avion où la limitation de la taille et du poids des appareillages auxiliaires comme un appareil de production d'AEA est critique. Tableau 1 Exemple Exemple Exemple 3 Exemple 4 Comparatif 1 Comparatif 2 Débit de balayage total (scfm) 4,0 7,9 5,5 6,4 Débit d'air d'alimentation total (scfm) 124,0 245,0 171 198 Aire du module à faible sélectivité/grande perméance (ft2) 0 820 326 517 Fraction d'aire du module à faible sélectivité/grande perméance de l'aire totale 0 1,00 0,06 0,14 Aire du module à grande sélectivité/faible perméance (ft2) 9370 0 5570 3190 Aire de membrane totale (ft2) 9370 820 5900 3700 Aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire (ft2/scfm) 123 10,7 77,3 48,5 Réduction de l'aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire par rapport à la membrane à grande sélectivité/faible perméance (%) 0 91,2 37,0 60,5 Productivité (%) 61,5 31,2 44,7 38,5 Perte de productivité par rapport à la membrane à grande sélectivité/ faible perméance seule (%) 0 49,4 27,5 37,5 Gain de productivité par rapport à la membrane à faible sélectivité/ grande perméance seule (%) 97,6 0 43,3 23,5 Exemples comparatifs 5 et 6 et exemples 7 et 8 Répéter les exemples comparatifs 1 et 2 et les exemples 3 et 4, respectivement, pour simuler des séparations en une étape et deux étapes d'air ambiant sauf que les spécifications du produit AEA fournissent 96 mol% d'azote au même débit de production net de 2,16 m.3/min (76,3 scfm). Les données de simulation pour ces exemples sont montrées dans le tableau 2. Ces exemples montrent que l'introduction d'une quantité relativement faible d'aire de membrane à faible sélectivité/ grande perméance dans une première étape supplémentaire produit des économies remarquables dans l'aire totale. Spécifiquement, dans l'exemple 7, l'aire de membrane totale est réduite de 2 180 m2 (23 500 ft2) de la membrane unique dans l'exemple comparatif 5 à 1 420 m2 (15316 ft2) par l'incorporation comme première des deux étapes, 99,6 m2 (1 070 ft2) de membrane à faible sélectivité/grande perméance. Ce résultat représente 34,8 % d'économies d'aire. De manière similaire, dans l'exemple 8, l'incorporation de 180 m2 (1 940 ft2) de membrane à faible sélectivité/grande perméance réduit l'aire totale de 60,1 % à 871 m2 (9 370 ft2). Bien qu'il y ait une pénalité de productivité, exigeant davantage d'air d'alimentation pour le procédé afin d'obtenir le débit de production, les productivités sont plus grandes que celle qui apparaît avec une seule membrane à faible sélectivité, grande perméance. Tableau 2 Exemple Exemple Exemple 7 Comparatif 5 Comparatif 6 Exemple 8 Débit de balayage total (scfm) 5,9 23,5 11,4 16,0 Débit d'air d'alimentation total (scfm) 183,6 726,0 353 495 Aire du module à faible sélectivité/grande perméance (ft2) 0 3270 1070 1940 Fraction d'aire du module à faible sélectivité/grande perméance de l'aire totale 0 1,00 0,070 0,206 Aire du module à grande sélectivité/faible perméance (ft2) 2350 14200 7440 Aire de membrane totale (ft2) 23500 3270 15300 9370 Aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire (ft2/scfm) 308 42,8 200 123 Réduction de l'aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire par rapport à la membrane à grande sélectivité/faible perméance (%) 0 86,1 34,8 60,1 Productivité (%) 41,6 10,5 21,6 15,4 Perte de productivité par rapport à la membrane à grande sélectivité/ faible perméance seule 0 74,8 48,0 62,9 Gain de productivité par rapport à la membrane à faible sélectivité/ grande perméance seule 297 0 106 47,0 Exemples 9-12 (séparation en deux étapes avec un module à grande sélectivité-faible perméance d'abord) Répéter les exemples 3 et 4, respectivement, à ceci près que l'ordre des modules est inversé. C'est-à-dire que le module à membranes à grande sélectivité/faible perméance est le module de première étape et que le module à membranes à faible sélectivité/grande perméance est le module de seconde étape. Dans les exemples 9 et 10, les spécifications du produit sont destinées à fournir de l'AEA à 90 mol% au même débit de production net de 2,16 m3/min (76,3 scfm). Dans les exemples 11 et 12, la configuration est la même que dans l'exemple 9 et 10, respectivement, à ceci près que les spécifications du produit fournissent de l'AEA à 96 mol% au même débit de production net de 2,16 m3/min (76,3 scfm). Les données de simulation pour ces exemples sont montrées dans le tableau 3.

Des économies significatives comparées à l'exemple comparatif 1 en aire de membrane totale, et donc en volume de l'appareil de production d'AEA sont obtenues en combinant des modules à membranes avec le module à grande sélectivité-bas flux en premier dans la séquence d'étapes. Les améliorations d'économies ne sont pas aussi grandes que pour les cas où les membranes à faible sélectivité/grande perméance sont dans le module de première étape (voir les exemples 3 et 4). Ainsi, dans l'exemple 9, une aire de membrane de 47,8 m2 (514 ft2) de faible sélectivité/grande perméance qui est égale à 8,6 % de l'aire de membrane totale dans la seconde étape, réduit l'aire de membrane totale de l'exemple comparatif 1 de 870 m2 (9 370 ft2) de 36,4 % à 553 m2 (5 960 ft2). La pénalité de productivité est 40,7 % comparée à un procédé en une étape utilisant une membrane à grande sélectivité/faible perméance seule. Tableau 3 Exemple 9 Exemple 10 Débit de balayage total (scfm) 6,7 7,3 Débit d'air d'alimentation total (scfm) 209 228 Aire du module à faible sélectivité/grande perméance (ft2) 514 664 Fraction d'aire du module à faible sélectivité/grande perméance de l'aire totale 0,086 0,183 Aire du module à grande sélectivité/faible perméance (ft2) 5440 2960 Aire de membrane totale (ft2) 5960 3630 Aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire (ft2/scfm) 78,0 47,5 Réduction de l'aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire par rapport à la membrane à grande sélectivité/faible perméance (%) 36,4 61,3 Productivité (%) 36,5 33,5 Perte de productivité par rapport à la membrane à grande sélectivité/ faible perméance seule 40,7 45,5 Gain de productivité par rapport à la membrane à faible sélectivité/ grande perméance seule 17,3 7,7 74,2 8,0 2,2 Exemple 11 21,7 674 2650 0,148 Exemple 12 23,0 713 2980 0,243 1510 17900 234 24,0 9280 12300 161 47,8 10,7 11,3 72,7 2 9 79 10 6 28 Exemples comparatifs 13 et 14 (séparation en deux étapes avec des modules ayant les mêmes caractéristiques de membranes) Simuler la production d'air enrichi en azote (AEA) à partir d'air ambiant dans un modèle de séparation à membranes en deux étapes 5 selon l'exemple 3 avec les conditions modifiées suivantes. Pour l'exemple comparatif 13, la membrane perméable aux gaz sélectivement est exclusivement constituée par des fibres creuses à grande sélectivité oxygène-azote/faible perméance à l'oxygène comme dans l'exemple 3. C'est-à-dire que ces membranes de fibres sont présentes dans les deux 10 modules 113 et 123. L'AEA produit net est 2,16 m3 (76,3 scfm) d'azote à 90 mol%. Déterminer que le nombre de fibres pour produire l'AEA produit net est tel que l'aire de membranes efficace pour la perméation dans les modules 113 et 123 est 50,9 m2 (548 ft2) et 870 m2 (9 360 ft2), respectivement. L'exemple comparatif 14 est le même que l'exemple 15 comparatif 13 à ceci près que des membranes à faible sélectivité oxygèneazote/grande perméance à l'oxygène sont présentes dans les deux modules. La simulation de ce système modèle détermine que le nombre de fibres exigé pour obtenir l'AEA produit fournit 4,7 m2 (51 ft2) et 80,9 m2 (871 ft2), respectivement, dans les modules 113 et 123. Les données 20 complètes pour ces exemples sont présentées dans le tableau 4. Tableau 4 Exemple Exemple comparatif 13 comparatif 14 Débit de balayage total (scfm) 4,1 8,4 Débit d'air d'alimentation total (scfm) 126,1 255,7 Aire du premier module (ft2) 548 51 Fraction d'aire du premier module de l'aire totale 0,06 0,06 Aire du second module (ft2) 9 360 841 Aire de membrane totale (ft2) 9 910 922 Aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire (ft2/scfm) 130 12,1 Réduction de l'aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire par -5,8 90,2 rapport à la membrane à grande sélectivité/faible perméance (%) Productivité (%) 60,5 29,8 Perte de productivité par rapport à la membrane à grande 1,6 51,5 sélectivité/faible perméance seule Gain de productivité par rapport à la membrane à faible 94,3 -4,2 sélectivité/grande perméance seule Ces exemples comparatifs simulent les performances de l'exemple 3 quand toutes les membranes dans les deux modules sont de même composition et ont donc la même sélectivité oxygène-azote et la même perméance à l'oxygène. Dans l'exemple comparatif 13, les 5 membranes ont une grande sélectivité et une faible perméance. Les résultats montrent que l'aire de membrane totale exigée par les deux membranes combinées est 920 m2 (9 910 ft2). De plus, l'aire de membrane totale par débit d'AEA unitaire est 426 m2/m3 normal/min (130 ft2/scfm) et la mesure de productivité de conversion de l'air 10 d'alimentation en' produit AEA net est 60,5 %. Ces données sont très similaires aux résultats obtenus dans l'exemple comparatif 1 pour un seul module de fibres de membranes à grande sélectivité-faible perméance. La réduction d'aire de membrane totale/débit d'AEA unitaire par rapport au module unique de membranes à grande sélectivité/faible perméance (voir 15 l'exemple comparatif 2) est aussi similaire aux données de l'exemple comparatif 1. Le gain de productivité par rapport au module unique de membranes à faible sélectivité/grande perméance de l'exemple comparatif 1 est similaire également. Dans l'exemple comparatif 14, les membranes dans les deux 20 modules ont les mêmes propriétés de faible sélectivité et grande perméance. Les résultats montrent que l'aire de membrane totale exigée par les deux membranes combinées est 85,7 m2 (922 ft2). De plus, l'aire de membrane totale par débit d'AEA unitaire est 39,6 m2/m3 normal/min (12,1 ft2/scfm) et la mesure de productivité de la conversion de l'air 25 d'alimentation en produit AEA net est 29,8 %. Ces données sont très similaires aux résultats obtenus dans l'exemple comparatif 2 pour un seul module de fibres de membranes à faible sélectivité-grande perméance. La réduction de l'aire de membrane totale/ débit d'AEA unitaire de 90,2 par rapport au module unique de membranes à grande sélectivité/faible 30 perméance (voir l'exemple comparatif 2) est similaire également à la valeur de 91,2 % dans l'exemple comparatif 1. Les gains et les pertes de productivité par rapport aux membranes de module unique dans les exemples comparatifs 1 et 2 sont similaires également. La comparaison entre l'exemple comparatif 13 et l'exemple 35 comparatif 14 et les résultats des exemples comparatifs 1 et 2 ne sont pas exacts. Cependant, ces données sont généralement en faveur du fait que l'utilisation des deux modules successivement ayant les mêmes propriétés de membranes fournit des performances très proches de celles d'un seul module avec la même aire efficace totale de membrane ayant les mêmes propriétés de sélectivité et de perméance. Par conséquent, il y a un avantage négligeable dans la taille globale ou les performances du système, s'il y en a, de diviser le nombre de membranes d'un seul type entre des modules multiples. De plus, il est donc observé comme remarquable que l'utilisation d'une quantité même faible d'un module à faible sélectivité/grande perméance en combinaison séquentielle avec un module à grande sélectivité/faible perméance produit de l'air enrichi en azote dans un système de taille et de poids très réduit par rapport aux mêmes membranes à grande sélectivité/faible perméance seule. Bien que des formes spécifiques de l'invention aient été choisies dans la description précédente pour l'illustration en termes spécifiques 15 dans le but de décrire ces formes de l'invention totalement et amplement pour l'homme du métier moyen, il conviendrait de comprendre que différentes substitutions et modifications qui entraînent des résultats et/ou des performances sensiblement équivalents ou supérieurs sont considérées comme étant dans le cadre et l'esprit des revendications 20 suivantes.

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Système de production d'air enrichi en azote (AEA) REVENDICATIONS1. Système de production d'air enrichi en azote (AEA) caractérisé en ce qu'il comprend un premier module de séparation de gaz (13, 33, 53, 73, 93, 113) comprenant une première membrane (16, 36, 56, 76, 96, 116) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, al, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène fi., et un second module de séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 103, 10 123) comprenant une seconde membrane (26, 46, 66, 86, 106, 126) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, 0C2, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, dans lequel chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de 15 perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, et au moins l'une de la chambre de rétentat d'alimentation et de la chambre de perméat d'un module de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la chambre de perméat de l'autre module de séparation de gaz, et 20 dans lequel ai est différent de oc2 et f1 est différent de f2.
2. 2. Système de production d'AEA selon la revendication 1 dans lequel la première membrane perméable aux gaz sélectivement et la seconde membrane perméable aux gaz sélectivement sont choisies de telle sorte que (i) ai est inférieur à U2 et f1 est supérieur à f2, ou (ii) oci. est 25 supérieur à a2 et f1 est inférieur à f2.
3. 3. Système de production d'AEA selon la revendication 2 dans lequel le plus grand de a1 et a2 est supérieur d'au moins environ 10 % au plus petit de al et la2, et le plus grand de f1 et f2 est supérieur d'au moins environ 10 % au plus petit de f1 et f2. 30
4. 4. Système de production d'AEA selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel la chambre de rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz (13, 33, 53, 73, 113) est en communication gazeuse avec la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 123). 35
5. 5. Système de production d'AEA selon la revendication 4 qui a un moyen de transfert pour faire communiquer le gaz entre la chambre de 2 9 79106 33 rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz (13, 33, 53, 73, 113) et la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 123), lequel moyen de transfert est dépourvu de moyens de compression pour augmenter la pression d'un 5 courant gazeux.
6. 6. Système de production d'AEA selon la revendication 4 dans lequel la chambre de perméat du premier module de séparation de gaz (13, 33) est en communication gazeuse avec la chambre de perméat du second module de séparation de gaz (23, 43).
7. 7. Appareil comprenant un système de production d'air enrichi en azote (AEA), caractérisé en ce qu'il comprend (A) un premier module de séparation de gaz (13, 33, 53, 73, 93, 113) comprenant une première membrane (16, 36, 56, 76, 96, 116) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, oci., supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f1, et (B) un second module de séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 103, 123) comprenant une seconde membrane (26, 46, 66, 86, 106, 126) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, a2, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, dans lequel chaque module de séparation de gaz définit une chambre de 20 rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, et au moins l'une de la chambre de rétentat d'alimentation et de la chambre de perméat d'un module de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la chambre de perméat de l'autre module de 25 séparation de gaz, et dans lequel la première membrane perméable aux gaz sélectivement et la seconde membrane perméable aux gaz sélectivement sont choisies de telle sorte que (i) al est inférieur à oc2 et fl est supérieur à f2 ou (ii) ai est supérieur à OE2 et fl est inférieur à f2.
8. 8. Appareil selon la revendication 7 qui comprend en outre un 30 réservoir contenant un liquide combustible volatil et une vapeur en équilibre avec le liquide, et dans lequel l'un des modules de séparation de gaz est en communication gazeuse avec la vapeur dans le réservoir.
9. 9. Appareil selon la revendication 8 qui est un véhicule à moteur choisi dans le groupe consistant en un avion, un véhicule automobile et un 35 navire. 2 9 79106 34
10. 10. Appareil selon la revendication 8 qui est choisi dans le groupe consistant en une plate-forme de forage de récupération de ressource naturelle en mer, une installation de récupération de ressource naturelle à terre, une installation de production de pétrole, une installation 5 de production de gaz naturel, une installation de traitement des aliments, une installation de traitement des boissons et une installation de production chimique industrielle.
11. 11. Procédé de production d'air enrichi en azote (AEA), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de 10 (A) fourniture d'un système de production d'AEA comprenant un premier module de séparation de gaz (13, 33, 53, 73, 93, 113) comprenant une première membrane (16, 36, 56, 76, 96, 116) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, ai, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f1r et un second module de 15 séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 103, 123) comprenant une seconde membrane (26, 46, 66, 86, 106, 126) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, a2, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, dans lequel (i) ai est inférieur à a2 et f1 est supérieur à f2, ou (ii) ai est supérieur à a2 et f1 est inférieur à f2, et dans lequel chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, (B) introduction d'air ambiant dans la chambre de rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz et le fait d'amener l'air ambiant à traverser sélectivement la membrane dans le premier module de séparation de gaz, pour former ainsi un premier gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, (C) introduction d'un mélange gazeux d'oxygène et d'azote dans 30 la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz, et le fait d'amener le mélange gazeux à traverser sélectivement la membrane dans le second module de séparation de gaz, pour former ainsi un second gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, (D) introduction (1) du premier gaz de rétentat dans le second 35 module de séparation de gaz, et/ou (2) du second gaz de rétentat dans le premier module de séparation de gaz, et 2 9 79106 35 (E) récupération à partir du système de production d'AEA d'un produit AEA ayant une concentration d'au moins environ 90 mol% d'azote.
12. 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le mélange gazeux est l'air ambiant, et dans lequel le second gaz de rétentat est 5 introduit dans la chambre de perméat du premier module de séparation de gaz (53).
13. 13. Procédé selon la revendication 11 dans lequel le premier rétentat gazeux est introduit dans la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 123). 10
14. 14. Procédé selon la revendication 13 qui comprend en outre les étapes de (F) fourniture d'un troisième module de séparation de gaz (49) comprenant une troisième membrane (42) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, a3, d'une valeur 15 quelconque supérieure à 1,0, où le troisième module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane (42) et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, (G) introduction d'une partie du second gaz de rétentat dans la 20 chambre de rétentat d'alimentation du troisième module de séparation de gaz (49), et le fait d'amener la partie du second gaz de rétentat à traverser sélectivement la membrane dans le troisième module de séparation de gaz, pour former ainsi un troisième gaz de rétentat plus enrichi en azote que le second gaz de rétentat, et 25 (H) introduction du troisième gaz de rétentat dans au moins l'une de la chambre de perméat du premier module de séparation de gaz (33) et de la chambre de perméat du second module de séparation de gaz (43).
15. 15. Procédé de fourniture d'une atmosphère inerte à un réservoir contenant un liquide combustible volatil et une vapeur en équilibre avec le liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de (A) fourniture d'un système de production d'air enrichi en azote (AEA) comprenant un premier module de séparation de gaz (13, 33, 53, 73, 93, 113) comprenant une première membrane (16, 36, 56, 76, 96, 35 116) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, ai, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène fi, et 2 9 79106 36 un second module de séparation de gaz (23, 43, 63, 83, 103, 123) comprenant une seconde membrane (26, 46, 66, 86, 106, 126) perméable aux gaz sélectivement ayant une sélectivité oxygène/azote, a2, supérieure à 1,0, et une perméance à l'oxygène f2, dans lequel (i) ai est inférieur à 5 a2 et f1 est supérieur à f2, ou (ii) ai est supérieur à (X2 et f1 est inférieur à f2, et où chaque module de séparation de gaz définit une chambre de rétentat d'alimentation sur un côté de la membrane et une chambre de perméat sur un côté de la membrane opposé à la chambre de rétentat d'alimentation, 10 (B) introduction d'air ambiant dans la chambre de rétentat d'alimentation du premier module de séparation de gaz et le fait d'amener l'air ambiant à traverser sélectivement la membrane dans le premier module de séparation de gaz, pour former ainsi un premier gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, 15 (C) introduction d'un mélange gazeux d'oxygène et d'azote dans la chambre de rétentat d'alimentation du second module de séparation de gaz, et le fait d'amener le mélange gazeux à traverser sélectivement la membrane dans le second module de séparation de gaz, pour former ainsi un second gaz de rétentat d'une composition d'air enrichie en azote, 20 (D) introduction (1) du premier gaz de rétentat dans le second module de séparation de gaz, et/ou (2) du second gaz de rétentat dans le premier module de séparation de gaz, (E) récupération à partir du système de production d'AEA d'un produit AEA ayant une concentration d'au moins environ 90 mol% d'azote, 25 et (F) introduction du produit AEA dans la vapeur du réservoir.
16. 16. Procédé selon la revendication 15 dans lequel le réservoir est à bord d'un véhicule à moteur choisi dans le groupe consistant en un avion, un véhicule automobile et un navire.