FR3002160A1

FR3002160A1 - Pressure swing adsorption method, useful to produce main component enriched gas stream from feed gas, by subjecting adsorbers with adsorbents to production cycle and subjecting product tank and purge gas storage tank to pressure amplitude

Info

Publication number: FR3002160A1
Application number: FR1351406A
Authority: FR
Inventors: Bot Patrick Le
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-08-22
Anticipated expiration: 2033-02-19
Also published as: FR3002160B1

Abstract

Pressure swing adsorption (PSA) or vacuum PSA method for producing a main component enriched gas stream from a feed gas containing the main component and at least one gaseous component to be removed, comprises (1) subjecting at least two adsorbers each containing one or more adsorbents to a production cycle, (2) subjecting a product tank to a pressure amplitude of 150-250 mbars, and (c) subjecting a purge gas storage tank to pressure amplitude of 150-300 mbars. Pressure swing adsorption (PSA) or vacuum PSA method for producing a main component enriched gas stream from a feed gas containing the main component and at least one gaseous component to be removed, comprises (1) subjecting at least two adsorbers each containing one or more adsorbents to a production cycle, (2) subjecting a product tank to a pressure amplitude of 150-250 mbars, and (c) subjecting a purge gas storage tank to pressure amplitude of 150-300 mbars. The product tank and the purge gas storage tank are connected to comprise a common ring, a common upper base, a common bottom base and an inner bottom that separates two volumes in the ring.

Description

La présente invention est relative à un procédé d'adsorption de type PSA (procédé d'adsorption à pression alternée) ou VPSA (PSA avec régénération sous vide) mettant en oeuvre des réservoirs de stockage / déstockage de gaz. La présente invention concerne en particulier un procédé PSA / VPSA mettant en oeuvre des réservoirs de stockage / déstockage soumis à des cycles de pressions de durée inférieure à 80 secondes, préférentiellement inférieure à 50 secondes, chaque cycle comportant plusieurs phases successives. C'est particulièrement le cas pour les procédés de production de type VPSA pour la production d'oxygène, les temps de cycles étant très courts pour réduire la dimension des adsorbeurs et la quantité des tamis moléculaire.The present invention relates to a PSA (alternating pressure adsorption method) or VPSA (PSA with vacuum regeneration) adsorption method using gas storage / destocking tanks. The present invention relates in particular to a PSA / VPSA process using storage / retrieval tanks subjected to pressure cycles of less than 80 seconds duration, preferably less than 50 seconds, each cycle comprising several successive phases. This is particularly the case for VPSA production processes for the production of oxygen, the cycle times being very short to reduce the size of the adsorbers and the amount of molecular sieves.

Par ailleurs, il est connu de pouvoir améliorer les performances du cycle de production en augmentant le nombre de ces réservoirs et en adaptant les phases du cycle de production au nombre de réservoirs disponibles. Les procédés VSA / PSA (et TSA) sont des procédés cycliques en pression (et/ou température). Les équipements tels que les adsorbeurs ou réservoirs sont donc soumis à des contraintes mécaniques répétées. Ce type de sollicitation nécessite que les équipements soient mécaniquement dimensionnés pour résister à cette répétition de sollicitation. Cela se traduit généralement par des épaisseurs plus importantes et des calculs méthodiques approuvés par des Organismes Notifiés, et donc des couts plus importants que si la sollicitation était simplement statique. On parle de « dimensionnement à la fatigue ». Dans le cas présent, l'inconvénient est que ces réservoirs, soumis à des cycles de pression de durée inférieure à 80 secondes, nécessitent un dimensionnement à la fatigue qui rendent leur coût élevé, et donc minimise l'intérêt d'augmenter leur nombre. Les réservoirs étant généralement constitués chacun d'un virole, d'un fond supérieur et d'un fond inférieur, les fonds inférieurs sont généralement très pénalisés par un dimensionnement à la fatigue. Outre les contraintes mécaniques, les réservoirs sont soumis à des amplitudes de pression.Furthermore, it is known to be able to improve the performance of the production cycle by increasing the number of these tanks and adapting the phases of the production cycle to the number of available tanks. The VSA / PSA (and TSA) processes are cyclic processes in pressure (and / or temperature). Equipment such as adsorbers or tanks are therefore subjected to repeated mechanical stresses. This type of solicitation requires that the equipment is mechanically sized to withstand this repetition of solicitation. This usually results in larger thicknesses and methodical calculations approved by Notified Bodies, and therefore higher costs than if the solicitation was simply static. We talk about "fatigue design". In the present case, the disadvantage is that these tanks, subjected to pressure cycles of less than 80 seconds duration, require a design fatigue that make their cost high, and therefore minimizes the interest of increasing their number. As the tanks generally consist of a ferrule, an upper bottom and a lower bottom, the lower bottoms are generally very penalized by a design to fatigue. In addition to the mechanical stresses, the tanks are subjected to pressure amplitudes.

De façon illustrative, un réservoir de stockage de la production 02 mis en oeuvre dans un VPSA à un temps de cycle de 80 secondes subira dans cette période des variations de pression d'une amplitude supérieure à 250 mbars. Ces amplitudes sont certes moins importantes que celles des adsorbeurs, qui voient dans la même période des variations de pression de l'ordre de 2 bars. Elles restent néanmoins suffisamment importantes pour imposer un dimensionnement mécanique contraignant au niveau des viroles et fonds. Partant de là, un problème qui se pose est fournir un procédé PSA / VPSA associé à un nouvel arrangement de réservoirs permettant un cycle de production amélioré.Illustratively, a storage tank of the production 02 implemented in a VPSA at a cycle time of 80 seconds will undergo in this period pressure variations of an amplitude greater than 250 mbar. These amplitudes are certainly less important than those of the adsorbers, which see in the same period pressure variations of the order of 2 bars. They remain nevertheless important enough to impose a constraining mechanical dimensioning at the level of ferrules and funds. Starting from there, a problem is to provide a PSA / VPSA process associated with a new arrangement of tanks allowing an improved production cycle.

Une solution de la présente invention est un procédé d'adsorption à pression alternée (PSA ou VPSA) pour produire un flux gazeux enrichi en composé principal à partir d'un gaz de charge contenant le composé principal et au moins un constituant gazeux à éliminer, mettant en oeuvre : - au moins 2 adsorbeurs contenant chacun un ou plusieurs adsorbants, chaque adsorbeur étant soumis à un cycle de production, un réservoir de produit soumis à une amplitude de pression comprise entre 150 et 250 mbars, - un réservoir de stockage de gaz de purge soumis à une amplitude de pression comprise entre 150 et 300 mbars, caractérisé en ce que le réservoir de produit et le réservoir de stockage de gaz de purge sont assemblés de manière à comprendre une virole commune 1, un fond supérieur commun 2, un fond inférieur commun 3 et un fond interne 4 qui séparera les deux volumes au sein de la virole. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le cycle de pression auquel est soumis le réservoir produit (B45) a une durée inférieure à 80 secondes, de préférence inférieure à 60 secondes, encore plus préférentiellement inférieure à 40 secondes ; - le cycle de pression auquel est soumis le réservoir de stockage de gaz de purge (B46) a une durée inférieure à 80 secondes, de préférence inférieure à 60 secondes, encore plus préférentiellement inférieur à 40 secondes ; - le cycle de production auquel est soumis chaque adsorbeur présente une pression haute du cycle comprise entre 1 et 2 bars, préférentiellement entre 1,2 et 1,7 bars ; - le cycle de production auquel est soumis chaque adsorbeur présente une pression basse du cycle comprise entre 0,2 et 0,6 bars, préférentiellement entre 0,35 et 0,45 bars ; - le fond interne a de préférence une forme concave orientée vers l'intérieur du réservoir produit (B45). En effet, le fond interne a de préférence une forme privilégiant la résistance mécanique à la différence de pression. En effet, un des réservoirs (B45) étant soumis à des niveaux et cycles de pression supérieurs à la pression atmosphérique et l'autre réservoir (B46) à des niveaux et cycles de pression inférieurs à la pression atmosphérique, une forme réputée résistance au contraintes de pression sera privilégiée, telle que par exemple une forme dont la concavité sera orientée vers l'intérieur du réservoir produit (B45) (figure 1) ; - le cycle de production comprend les étapes successives suivantes : (a) la pressurisation d'au moins un premier adsorbeur jusqu'à la pression haute du cycle avec une charge du gaz de charge pour adsorber au moins en partie le constituant gazeux à éliminer ; (b) l'extraction à partir dudit premier adsorbeur jusqu' à ladite pression haute du cycle, d'un écoulement dudit flux gazeux enrichi en composé principal et le stockage d'au moins une partie dudit écoulement du flux gazeux enrichi en composé principal dans ledit réservoir de produit ; (c) la dépressurisation du premier adsorbeur et la désorption du flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer provenant du premier adsorbeur, dans un premier temps par transfert de gaz vers un deuxième adsorbeur puis, dans un deuxième temps, par l'utilisation conjuguée d'une pompe à vide ; avec pendant au moins une partie de l'étape c) l'amenée du gaz de purge se trouvant dans l'adsorbeur à un réservoir de stockage de gaz de purge fonctionnant sous vide, tout en désorbant simultanément ledit flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer par l'utilisation de la pompe à vide ; (d) l'arrêt de l'amenée dudit gaz de purge audit réservoir de stockage de gaz de purge ; (e) la poursuite de la désorption dudit flux gazeux enrichi en constituant gazeux à éliminer provenant du premier adsorbeur vers une région à une pression basse du cycle ; (f) la purge finale du premier adsorbeur en amenant audit premier adsorbeur une portion du gaz de purge provenant du réservoir de stockage du gaz de purge ; et (g) la repressurisation dudit premier adsorbeur avec au moins un flux gazeux provenant d'un deuxième adsorbeur subissant la dite étape c) ; - à l'étape (g) le premier adsorbeur est repressurisé avec au moins une fraction du flux gazeux enrichi en composé principal stocké dans le réservoir de produit ; - à l'étape d) la pression est comprise entre 0,5 et 0,7 bars ; - le rapport du volume du réservoir produit sur le volume du réservoir de stockage du gaz de purge est supérieur à 2,4, de préférence compris entre 2,5 et 3,5 ; - le réservoir produit (B45) et le réservoir de stockage (B46) du gaz de purge sont superposés au sein de la virole commune, d'orientation verticale, et tels que le réservoir de produit se situe au dessus du réservoir de stockage ; - le réservoir produit et le réservoir de stockage du gaz de purge sont superposés au sein de la virole commune, d'orientation sensiblement verticale, et tels que le réservoir de stockage se situe au dessus du réservoir de produit ; - le gaz de charge est de l'air ; - le composé principal est de l'oxygène ; - le flux gazeux enrichi en oxygène comprend 90% en volume d'oxygène et environ 95% en volume d'oxygène. De préférence, l'étape (a) de pressurisation est effectuée à partir d'une soufflante.A solution of the present invention is an alternating pressure adsorption process (PSA or VPSA) for producing a gaseous stream enriched in main compound from a feed gas containing the main compound and at least one gaseous component to be removed, employing: at least two adsorbers each containing one or more adsorbents, each adsorber being subjected to a production cycle, a product reservoir subjected to a pressure range of between 150 and 250 mbar; a gas storage tank purge apparatus having a pressure range of 150 to 300 mbar, characterized in that the product reservoir and the purge gas storage tank are assembled to comprise a common shell 1, a common upper bottom 2, a common bottom bottom 3 and an inner bottom 4 which will separate the two volumes within the ferrule. Depending on the case, the method according to the invention may have one or more of the following characteristics: the pressure cycle to which the produced reservoir (B45) is subjected has a duration of less than 80 seconds, preferably less than 60 seconds, and even more preferentially less than 40 seconds; - The pressure cycle which is subjected to the purge gas storage tank (B46) has a duration less than 80 seconds, preferably less than 60 seconds, more preferably less than 40 seconds; the production cycle to which each adsorber is subjected has a high cycle pressure of between 1 and 2 bar, preferably between 1.2 and 1.7 bar; the production cycle to which each adsorber is subjected has a low cycle pressure of between 0.2 and 0.6 bar, preferably between 0.35 and 0.45 bar; the inner bottom preferably has a concave shape oriented towards the inside of the produced reservoir (B45). Indeed, the inner bottom preferably has a shape favoring mechanical strength at the pressure difference. Indeed, one of the tanks (B45) being subjected to levels and pressure cycles greater than atmospheric pressure and the other tank (B46) to levels and pressure cycles lower than atmospheric pressure, a form deemed resistance to stress pressure will be preferred, such as for example a shape whose concavity will be oriented towards the inside of the reservoir produced (B45) (Figure 1); the production cycle comprises the following successive steps: (a) pressurizing at least one first adsorber up to the high pressure of the cycle with a load of the feed gas to adsorb at least part of the gaseous component to be removed; (b) extracting from said first adsorber to said high cycle pressure a flow of said main compound enriched gas stream and storing at least a portion of said main compound enriched gas stream flow in said product reservoir; (c) the depressurization of the first adsorber and the desorption of the gaseous stream enriched in gaseous component to be removed from the first adsorber, firstly by transfer of gas to a second adsorber and then, in a second step, by the combined use of a vacuum pump; with during at least a portion of step c) supplying the purge gas in the adsorber to a purge gas storage tank operating under vacuum while simultaneously desorbing said gas stream enriched with gaseous component to eliminate by the use of the vacuum pump; (d) stopping supply of said purge gas to said purge gas storage tank; (e) further desorbing said gaseous stream enriched in gaseous component to be removed from the first adsorber to a region at a low cycle pressure; (f) final purging of the first adsorber by supplying to said first adsorber a portion of the purge gas from the purge gas storage tank; and (g) repressurizing said first adsorber with at least one gas stream from a second adsorber undergoing said step c); in step (g), the first adsorber is repressurized with at least a fraction of the gaseous stream enriched with the main compound stored in the product reservoir; in step d) the pressure is between 0.5 and 0.7 bars; the ratio of the volume of the reservoir produced to the volume of the storage tank of the purge gas is greater than 2.4, preferably between 2.5 and 3.5; - The produced reservoir (B45) and the storage tank (B46) purge gas are superimposed within the common shell, vertical orientation, and such that the product reservoir is located above the storage tank; - The produced reservoir and the purge gas storage tank are superimposed within the common shell, substantially vertical orientation, and such that the storage tank is located above the product reservoir; - the charge gas is air; the main compound is oxygen; the gas stream enriched with oxygen comprises 90% by volume of oxygen and approximately 95% by volume of oxygen. Preferably, the step (a) of pressurization is performed from a blower.

Les amplitudes de pression auxquelles est soumis le réservoir de produit s'explique par les raisons suivantes : - pendant les étapes de pressurisation et d'extraction, le flux gazeux enrichi en composé principal est envoyé au réservoir de produit en quantité supérieure à la production de flux gazeux enrichi en composé principal, et la pression du réservoir de 25 produit augmente donc ; - pendant l'étape de dépressurisation, aucun flux enrichi en composé principal n'alimente le réservoir de produit, et la continuité de production est assurée par déstockage du réservoir de produit. La pression du réservoir de produit diminue donc. Les amplitudes de pression auxquelles est soumis le réservoir de stockage de gaz 30 de purge s'explique par les raisons suivantes : - pendant l'étape de dépressurisation, l'amenée du gaz de purge à un réservoir de stockage du gaz de purge entraîne une augmentation de la pression du dit réservoir de stockage, pendant l'étape de purge finale, l'amenée audit premier adsorbeur d'une portion du gaz de purge fait baisser la pression du réservoir de stockage du gaz de purge. Notons qu'en présence d'un procédé classique mettant en oeuvre des réservoirs de stockage distincts et des adsorbeurs suivant un cycle de production tel que défini dans l'invention, on dénombrerait 2 réservoirs de stockage comprenant chacun 1 fond inférieur, 1 fond supérieur et 1 virole, soit 4 fonds et 2 viroles. Dans le cas d'un procédé selon l'invention, on dénombre 2 réservoirs de stockage comprenant un fond supérieur commun, un fond inférieur commun et une virole, soit 2 fonds et 1 virole.The pressure amplitudes to which the product reservoir is subjected can be explained by the following reasons: during the pressurization and extraction stages, the main compound-enriched gas stream is sent to the product reservoir in a quantity greater than the production of gaseous stream enriched in main compound, and the pressure of the product reservoir therefore increases; during the depressurization step, no stream enriched with the main compound feeds the product reservoir, and the continuity of production is ensured by destocking the product reservoir. The pressure of the product tank therefore decreases. The pressure amplitudes to which the purge gas storage tank 30 is subjected are explained by the following reasons: during the depressurization step, the supply of the purge gas to a purge gas storage tank causes a increasing the pressure of said storage tank, during the final purge step, supplying said first adsorber with a portion of the purge gas lowers the pressure of the storage tank of the purge gas. Note that in the presence of a conventional process using separate storage tanks and adsorbers following a production cycle as defined in the invention, there would be 2 storage tanks each comprising 1 lower bottom, 1 upper bottom and 1 ferrule, 4 funds and 2 ferrules. In the case of a process according to the invention, there are two storage tanks comprising a common upper bottom, a common bottom bottom and a shell, ie 2 bottoms and 1 shell.

Ces équipements étant soumis à des dispositions particulières liées aux sollicitations répétées de cycles de pression de faible période, il est très avantageux de pouvoir en économiser le nombreAs these devices are subject to special provisions related to the repeated demands of low-pressure pressure cycles, it is very advantageous to be able to save the number of them.

Claims

REVENDICATIONS1. Alternating pressure adsorption method (PSA or VPSA) for producing a gaseous stream enriched with a main compound from a feed gas containing the main compound and at least one gaseous component to be removed, using: at least 2 adsorbers each containing one or more adsorbents, each adsorber being subjected to a production cycle, a product reservoir (B45) subjected to a pressure amplitude of between 150 and 250 mbar, a purge gas storage tank (B46) subjected to a pressure range between 150 and 300 mbar, characterized in that the product tank (B45) and the purge gas storage tank (B46) are assembled to comprise a common shell (1), a bottom common upper (2), a common bottom bottom (3) and an inner bottom (4) which will separate the two volumes within the ferrule.

2. Method according to claim 1, characterized in that the pressure cycle 20 to which the produced reservoir is subjected has a duration of less than 80 seconds, preferably less than 60 seconds, even more preferably less than 40 seconds.

3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the pressure cycle which is subjected to the purge gas storage tank has a duration less than 80 seconds, preferably less than 60 seconds, even more preferably less than 40 seconds.

4. Process according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the production cycle to which each adsorber is subjected has a high cycle pressure of between 1 and 2 bar, preferably between 1.2 and 1.7 bar. .

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the production cycle which is subjected to each adsorber has a low pressure of the cycle between 0.2 and 0.6 bar, preferably between 0.35 and 0. , 45 bars.

6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inner bottom preferably has a concave shape oriented towards the inside of the product reservoir (B45).

7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the production cycle comprises the following successive steps: (a) the pressurization of at least a first adsorber to the high pressure of the cycle with a load filler gas to adsorb at least a portion of the gaseous component to be removed (b) extracting from said first adsorber to said high cycle pressure, a flow of said gaseous stream enriched in the main compound, and the storage of at least a portion of said flow of the main compound enriched gas stream into said product reservoir; (c) the depressurization of the first adsorber and the desorption of the gaseous stream enriched in gaseous component to be removed from the first adsorber, firstly by transfer of gas to a second adsorber and then, in a second step, by the combined use of a vacuum pump; with during at least a portion of step c) supplying the purge gas in the adsorber to a purge gas storage tank operating under vacuum while simultaneously desorbing said gas stream enriched with gaseous component to eliminate by the use of the vacuum pump; (d) stopping supply of said purge gas to said purge gas storage tank; (e) further desorbing said gaseous stream enriched in gaseous component to be removed from the first adsorber to a region at a low cycle pressure; (f) purging the first adsorber by supplying to said first adsorber a portion of the purge gas from the purge gas storage tank; and (g) repressurizing said first adsorber with at least one gas stream from a second adsorber undergoing said step c).

8. Adsorption process according to claim 7, characterized in that in step (g) the first adsorber is repressurized with at least a fraction of the gaseous stream enriched in the main compound stored in the product tank.

9. Adsorption process according to one of claims 7 or 8, characterized in that in step d) the pressure is between 0.5 and 0.7 bar.

10. Adsorption process according to one of claims 1 to 9, characterized in that the ratio of the volume of the reservoir produced on the volume of the storage tank purge gas is greater than 2.4, preferably between 2 , 5 and 3.5.

11. Adsorption process according to one of claims 1 to 10, characterized in that the produced reservoir (B45) and the storage tank (B46) of the purge gas are superimposed within the common shell, orientation vertical, and such that the product tank is located above the storage tank.

12. Adsorption process according to one of claims 1 to 10, characterized in that the produced reservoir and the storage tank of the purge gas are superimposed within the common shell, substantially vertical orientation, and such that the storage tank is located above the product tank.

13. Adsorption process according to one of claims 1 to 10, characterized in that the feed gas is air.

14. Adsorption process according to claim 12, characterized in that the main compound is oxygen.

15. Adsorption process according to claim 13, characterized in that the oxygen-enriched gas stream comprises 90% by volume of oxygen and about 95% by volume of oxygen.