FR3042981A1 - Procede de fonctionnement d’un dispositif d’adsorption vpsa - Google Patents

Abstract

Ce procédé de fonctionnement d'un dispositif (1) d'adsorption par variation de pression ayant un ou plusieurs adsorbeurs (2, 4) destinés à adsorber un premier composant d'un fluide pour isoler en sortie un deuxième composant de ce fluide et un réservoir (6) placé en aval du ou des adsorbeurs (2, 4) pour stocker le fluide traité par le ou les adsorbeurs (2, 4), comprend une séquence de démarrage incluant une étape de transfert d'au moins une partie du fluide stocké dans le réservoir (6) jusque dans le ou les adsorbeurs (2, 4).

Description

La présente invention concerne un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'adsorption par variation de pression, et un dispositif d'adsorption par variation de pression adapté pour la mise en œuvre de ce procédé.

Il est connu d'approvisionner les centres hospitaliers en dioxygène au moyen de bouteilles contenant du dioxygène sous forme gazeuse et à haute pression, de l'ordre de 200 bars.

Cependant, ce mode d'approvisionnement nécessite la présence d'usines de production d'oxygène à proximité des centres médicaux, le dioxygène étant transportée dans ces bouteilles depuis les usines de production jusqu'aux centres médicaux.

Or, il existe des zones où l'acheminement d'oxygène ne peut pas être réalisé, ou difficilement réalisé, au moyen de ces bouteilles, les usines de production étant trop éloignées, ou le centre médical étant difficile d'accès. Dans ce cas, il est nécessaire de produire du dioxygène in situ et en quantité suffisante.

Il est connu de produire du dioxygène in situ au moyen d'installations de production de dioxygène fonctionnant selon un procédé d'adsorption de type « PSA » (de l'acronyme anglais « Pressure Swing Adsorption »>), c'est-à-dire d'adsorption par variation de pression, permettant d'adsorber le diazote de l'air ambiant afin de produire en sortie un air fortement concentré en dioxygène.

Un inconvénient de ce procédé est cependant un coût de revient relativement élevé du mètre cube de dioxygène produit, car ce procédé PSA nécessite un travail de compression de l'air jusqu'à une pression relativement élevée, classiquement supérieure à 8 bar. Or, cette compression implique une consommation d'énergie importante.

Un autre inconvénient est un coût de maintenance élevé, du fait de l'utilisation d'un compresseur à vis lubrifiée pour comprimer l'air. L'air comprimé doit en effet être ensuite séché et déshuilé afin d'éviter tout contact d'huile avec le dioxygène produit en sortie.

Pour pallier ces inconvénients, il peut être recouru à un procédé d'adsorption de type « VPSA » (de l'acronyme anglais de « Vacuum Pressure Swing Adsorption »), c'est-à-dire un procédé d'adsorption par variation de pression aidée par le vide.

Un inconvénient de ce procédé est cependantun temps de démarrage relativement important pour préparer l'installation à la production de dioxygène.

Classiquement, le procédé de fonctionnement de type VPSA des installations existantes inclut une séquence de démarrage dans laquelle des adsorbeurs de l'installation sont d'abord tirés au vide, puis dans laquelle chaque adsorbeur subit une pressurisation puis un tirage au vide. Cette séquence de pressurisation puis de tirage au vide est nécessairement répétée au moins trois fois avant que soit commencée la production de dioxygène par les adsorbeurs.

Or, pour pour certaines applications comme la production de dioxygène dans un centre médical, il est important d'offrir un démarrage le plus rapide possible pour faire face à un besoin urgent. L'intérêt d'un démarrage le plus rapide possible est de plus exacerbé par de fréquents arrêts, et donc redémarrages, des installations de production de dioxygène dans les centres médicaux.

Aussi, la présente invention vise à pallier tout ou partie de ces inconvénients en proposant un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'adsorption par variation de pression et un dispositif d'adsorption par variation de pression, permettant de dimminuer la durée de démarrage et produire le plus rapidement possible un gaz de qualité, in situ, en diminuant les coûts. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'adsorption par variation de pression de type VPSA, le dispositif ayant un ou plusieurs adsorbeurs destinés à adsorber un premier composant d'un fluide pour isoler en sortie un deuxième composant de ce fluide, et un réservoir placé en aval du ou des adsorbeurs pour stocker le fluide traité par le ou les adsorbeurs, caractérisé en ce que le procédé de fonctionnement comprend une séquence de démarrage, ladite séquence de démarrage incluant une étape de transfert d'au moins une partie du fluide stocké dans le réservoir jusque dans le ou les adsorbeurs.

Ainsi, le procédé de fonctionnement selon l'invention permet, grâce à cette étape de transfert, de réduire significativement la durée du démarrage, c'est-à-dire le temps de préparation nécessaire au dispositif pour amorcer la production du deuxième composant. La durée de démarrage peut ainsi être réduite de 60%. A titre d'exemple, le ou les adsorbeurs peuvent être destinés à absorber le diazote de l'air ambiant pour isoler le dioxygène. Dans ce cas, le fluide ou mélange gazeux à traiter par le ou les adsorbeurs est l'air ambiant, le premier composant de ce fluide ou premier gaz de ce mélange gazeux est du diazote, et le deuxième composant de ce fluide ou deuxième gaz de mélange gazeux est du dioxygène. Le dispositif d'adsorption est un concentrateur d'oxygène.

Le dispositif d'adsorption étant un dispositif d'adsorption VPSA, cela permet de réduire les coûts de maintenance en plus de réduire la consommation d'énergie.

Selon un mode de réalisation préféré, la séquence de démarrage comprend, avant l'étape de transfert, une étape initiale de diminution de la pression dans le ou les adsorbeurs jusqu'à une pression inférieure à une pression dans le réservoir.

Ainsi, le transfert s'opère du fait d'une différence de pression entre le réservoir et les adsorbeurs, par convection naturelle, ce qui limite les coûts.

Selon un mode de réalisation préféré, l'étape initiale de diminution de la pression dans le ou les adsorbeurs est une étape de tirage au vide.

Autrement dit, la pression dans le ou les adsorbeurs est abaissée en dessous de la pression atmosphérique.

Cela augmente l'effet de l'étape de transfert et raccourcit donc la durée de démarrage.

Selon un mode de réalisation préféré, après l'étape de transfert, le ou chaque adsorbeur subit une unique étape de pressurisation.

Par pressurisation on entend une élévation de pression .

Selon un mode de réalisation préféré, après l'unique étape de pressurisation, chaque adsorbeur subit une unique étape de tirage au vide.

Le fait de réaliser une unique étape de pressurisation puis le cas échéant une unique étape de tirage au vide pour chaque adsorbeur, au lieu de trois dans l'état de la technique, permet de diminuer la durée de démarrage.

Selon une possibilité, le dispositif comprend deux adsorbeurs, et pendant l'étape de pressurisation subie par l'un des deux adsorbeurs, au moins une partie du fluide contenu dans cet adsorbeur est transféré jusque dans l'autre adsorbeur.

Cela permet de fournir un mélange gazeux enrichi en deuxième gaz à cet autre adsorbeur, ce qui a pour effet d'accélérer la durée de la séquence de démarrage.

De préférence, le dispositif comprend un premier adsorbeur et un deuxième adsorbeur, le premier adsorbeur subissant en premier l'étape de pressurisation, et en premier l'étape de tirage au vide, ladite étape de tirage au vide subie par le premier adsorbeur étant exécutée simultanément à l'étape de pressurisation du deuxième adsorbeur.

Par ailleurs, l'étape de tirage au vide du deuxième adsorbeur peut être avantageusement exécutée simultanément au commencement d'un cycle de production dans le premier adsorbeur. Plus précisément, l'étape de tirage au vide du deuxième adsorbeur peut être exécutée simultanément à une étape de saturation du premier adsorbeur. Cette étape de saturation est une étape d'un cycle de production, pendant laquelle le premier adsorbeur est alimenté en mélange fluide de sorte que la pression dans le premier adsorbeur atteigne une pression supérieure à la pression dans le réservoir. Cette étape de saturation est suivie d'une étape de délivrance au cours de laquelle le fluide traité par le premier adsorbeur est envoyé dans le réservoir.

Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend deux adsorbeurs, le procédé comprend un arrêt du dispositif après une étape de délivrance par l'un des deux adsorbeurs, et cet adsorbeur subit en premier l'étape de pressurisation de la séquence de démarrage lors d'un démarrage subséquent audit arrêt.

Selon un mode de réalisation préféré, après la séquence de démarrage, le procédé comprend un cycle de production, ledit cycle de production comprenant, en cas de taux de deuxième composant dans le fluide contenu dans le réservoir devient inférieur à une valeur seuil prédéterminée, une étape d'injection de ce fluide contenu dans le réservoir jusque dans le ou les adsorbeurs.

Ainsi, en cas de défaillance du taux de deuxième gaz transféré au réservoir durant l'étape de délivrance, le fluide déjà traité et stocké dans le réservoir est récupéré pour rétablir le plus rapidement possible un taux prédéterminé du deuxième gaz dans le réservoir.

Le cycle de production peut comprendre à cet effet une étape de mesure du taux de deuxième gaz dans le gaz contenu dans le réservoir.

Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend deux adsorbeurs, et le cycle de production comprend une étape d'équilibrage des pressions entre les deux adsorbeurs par convection naturelle.

Cela permet un gain d'énergie pendant le fonctionnement du dispositif, donc une diminution du coût de revient par mètre cube de gaz produit. L'étape d'équilibrage intervient avantageusement entre une étape de délivrance par le premier adsorbeur et une étape de saturation du deuxième adsorbeur.

Selon un mode de réalisation préféré, après la séquence de démarrage, le procédé comprend plusieurs cycles de production incluant chacun une étape de saturation du ou de chaque adsorbeur suivie d'une étape de délivrance, et la durée du couple d'étapes saturation/délivrance diminue à chaque cycle à partir du premier cycle de production, pendant un nombre de cycle de production prédéterminé.

Cette caractéristique permet d'assurer un bon taux de deuxième composant en sortie du ou des adsorbeurs lors des premiers cycles de production, malgré la modification de l'équilibre provoquée par l'étape de transfert du gaz du réservoir dans le ou les adsorbeurs de la séquence de démarrage.

Comme mentionné précédemment, l'étape de délivrance est une étape durant laquelle le deuxième composant, obtenu du fait de l'adsorption du premier composant pendant l'étape de saturation, est transféré depuis l'adsorbeur correspondant jusqu'au réservoir.

La durée du couple d'étapes saturation/délivrance est le temps écoulé entre le début de l'étape de saturation et la fin de l'étape de délivrance.

De préférence, l'étape de saturation cesse dès que la pression dans l'adsorbeur correspondant est égale à celle dans le réservoir.

Autrement dit, l'étape de délivrance commence dès que la pression dans l'adsorbeur a atteint une pression égale à celle dans le réservoir.

Selon un mode de réalisation préféré, après la séquence de démarrage, le procédé comprend un ou plusieurs cycles de production par adsorption VPSA.

Ainsi, le procédé de fonctionnement selon l'invention permet l'adsorption du gaz prédéterminée par variation de pression aidée par le vide (VPSA étant l'acronyme anglais de « Vacuum Pressure Swing Adsorption »).

Pendant le cycle de production, le fluide dans le ou les adsorbeurs est donc successivement soumis à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ce qui permet l'adsorption du premier gaz (azote par exemple), et à une pression inférieure à la pression atmosphérique, ce qui permet la désorption de ce premier gaz et donc la régénération l'adsorbeur.

Cela limite la consommation d'énergie, donc le coût de revient du mètre cube d'oxygène produit, en permettant de travailler à des pressions de l'ordre de +500 mbar à -700 mbar, au lieu de typiquement 8 bar pour un procédé PSA.

De préférence, après chaque séquence de démarrage, le procédé de fonctionnement comprend au moins un cycle de production.

Cela permet de reconstituer un stock de gaz concentré en dioxygène dans le réservoir en prévision d'un prochain démarrage.

Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un dispositif d'adsorption par variation de pression de type VPSA adapté pour la mise en oeuvre du procédé de fonctionnement ayant les caractéristiques précitées, le dispositif comprenant un ou des adsorbeurs destinés à adsorber un premier composant d'un fluide pour isoler en sortie un deuxième composant de ce fluide, un réservoir placé en aval du ou des adsorbeurs pour stocker le fluide traité par le ou les adsorbeurs, et un circuit d'alimentation comprenant des moyens de compression configurés pour envoyer le fluide à traiter dans le ou les adsorbeurs de manière à augmenter la pression dans le ou les adsorbeurs jusqu'à une pression prédéterminée, caractérisé en ce que le réservoir comprend un conduit de sortie reliant le réservoir au circuit d'alimentation, et des moyens d'ouverture ou fermeture de débit configurés pour autoriser ou empêcher la circulation du fluide contenu dans le réservoir à travers le conduit de sortie jusqu'au circuit d'alimentation.

Ainsi, pendant la production, en cas de défaillance du taux de deuxième gaz, le gaz contenu dans le réservoir peut être avantageusement récupéré et injecté dans le mélange gazeux à traiter par le ou les adsorbeurs, ce qui permet de rétablir le plus rapidement possible un taux minimal de deuxième gaz en sortie du ou des adsorbeurs.

Par conséquent, le procédé de fonctionnement et le dispositif d'adsorption selon l'invention ont en commun l'utilisation du fluide stocké dans le réservoir afin de produire le plus rapidement possible un fluide de qualité, concentré en deuxième composant.

Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend deux adsorbeurs, un conduit d'équilibrage reliant les adsorbeurs, et des moyens d'ouverture ou fermeture de débit autorisant ou empêchant la circulation de fluide d'un adsorbeur à l'autre via le conduit d'équilibrage.

Ainsi, le dispositif offre la possibilité d'équilibrer les pressions dans les adsorbeurs par convection naturelle, ce qui permet de diminuer la consommation énergétique du dispositif en fonctionnement.

Selon une possibilité avantageuse, les moyens de compression sont des moyens de compression secs.

Cela permet de réduire les coûts de maintenance et d'éviter tout contact d'huile avec le deuxième composant (dioxygène) produit en sortie. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront clairement de la description détaillée ci-après d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : Les figures 1 à 4 sont des vues schématiques illustrant des étapes d'un procédé de fonctionnement selon un mode de réalisation de l'invention, lors d'une séquence de démarrage,

Les figures 5 à 9 sont des vues schématiques illustrant des étapes d'un procédé de fonctionnement selon un mode de réalisation de l'invention, lors d'un cycle de production.

Les figures 1 à 9 montrent des étapes d'un procédé de fonctionnement d'un dispositif 1 d'adsorption par variation de pression, selon un mode de réalisation de l'invention.

Le dispositif 1 d'adsorption est destiné à adsorber un premier gaz d'un mélange gazeux, pour obtenir en sortie un deuxième gaz de ce mélange gazeux.

Le dispositif 1 d'adsorption peut être par exemple un concentrateur d'oxygène. Le fluide ou mélange gazeux entrant dans le dispositif 1 est l'air ambiant, le premier gaz ou composant, destiné à être adsorbé, étant le diazote de l'air ambiant, et le deuxième gaz ou composant, destiné à être produit en sortie du dispositif 1, étant du dioxygène. Le gaz produit par le dispositif 1 est donc de l'air riche en dioxygène, c'est-à-dire ayant un taux supérieur à 95 %, en volume.

Par souci de simplification, dans la suite de la description, l'exemple de réalisation décrit concerne un procédé de fonctionnement d'un concentrateur d'oxygène. Les caractéristiques décrites ne sont toutefois pas limitées à cette application.

On notera que le dispositif 1 d'adsorption est avantageusement de type VPSA, c'est-à-dire à adsorption par variation de pression aidée par le vide, et le procédé de fonctionnement est donc destiné au traitement d'un mélange gazeux selon le principe VPSA.

Le dispositif 1 d'adsorption comprend avantageusement deux adsorbeurs ou colonnes d'adsorption, à savoir un premier adsorbeur 2 et un deuxième adsorbeur 4, chacun destiné à adsorber un premier gaz prédéterminé d'un mélange gazeux, en par exemple le diazote de l'air ambiant, afin d'isoler en sortie un deuxième gaz prédéterminé du mélange gazeux, par exemple le dioxygène. A cette fin, les adsorbeurs 2, 4 comprennent un tamis moléculaire (non représenté) configuré pour adsorber ce premier gaz.

Les deux adsorbeurs 2, 4 sont destinés à fonctionner de manière alternative. Ainsi, quand l'un des adsorbeurs 2, 4 adsorbe du diazote, l'autre adsorbeur 2, 4 est régénéré, c'est-à-dire désorbe le diazote antérieurement adsorbé. Ainsi, la délivrance de dioxygène par le dispositif 1 est sensiblement continue.

Comme illustré sur les figures, les adsorbeurs 2, 4 sont agencés en parallèle dans le dispositif 1. Par ailleurs, les adsorbeurs 2, 4 sont avantageusement agencés verticalement dans le dispositif 1.

Les adsorbeurs 2, 4 comprennent chacun une entrée 2a, 4a pour recevoir le fluide à traiter, par exemple l'air ambiant, et une sortie 2b, 4b par laquelle est libéré le fluide débarrassé du premier gaz, c'est-à-dire ici débarrassé du diazote et donc concentré en dioxygène.

Le dispositif 1 comprend aussi un réservoir 6 permettant de stocker le fluide produit en sortie des adsorbeurs 2, 4. Ce réservoir 6 comprend une entrée 6a, et un circuit de sortie permettant d'évacuer le fluide stocké dans le réservoir 6. Le circuit de sortie comprend un premier conduit de sortie 6b conduisant à l'extérieur du dispositif 1 pour permettre à un utilisateur d'utiliser le fluide contenu dans le réservoir 4, et de préférence un deuxième conduit 6c de sortie dont l'utilité sera décrite ci-après. Le premier conduit de sortie 6b comprend des moyens d'ouverture ou fermeture de débit configurés pour autoriser ou empêcher le fluide contenu dans le réservoir 6 de sortir via ce premier conduit 6b de sortie à l'extérieur du dispositif 1, comme par exemple une vanne 8.

Le dispositif 1 comprend un circuit 12 de collecte reliant les sorties 2b, 4b des adsorbeurs 2, 4 à l'entrée 6a du réservoir 6. Le circuit 12 de collecte comprend des moyens sélectifs de fermeture ou ouverture du débit de fluide entre le premier adsorbeur 2a et le réservoir 4 d'une part, et entre le deuxième adsorbeur 2b et le réservoir 4 d'autre part, comme par exemple des vannes 12a, 12b, interposées respectivement entre l'entrée 6a et la sortie 2b du premier adsorbeur 2, et entre l'entrée 6a et la sortie 4b du deuxième adsorbeur 4.

Le dispositif 1 peut comprendre en outre des moyens d'équilibrage de pression entre les adsorbeurs 2, 4, destinés à faire communiquer les adsorbeurs 2, 4 de manière à équilibrer leur pression, de préférence par convection naturelle. Ces moyens d'équilibrage de pression comprennent ici un conduit 14 d'équilibrage reliant directement les adsorbeurs 2, 4 l'un à l'autre, c'est-à-dire sans intermédiaire, et plus particulièrement leurs sorties 2b, 4b, et un organe de fermeture ou ouverture de débit de fluide, comme une vanne 14a.

Le dispositif 1 peut en outre comprendre un conduit 16 de débit de régénération, reliant les adsorbeurs 2, 4, et plus précisément leurs sorties 2b, 4b. Le conduit 16 de débit de régénération est équipé d'un limiteur 16a de débit, comme par exemple une buse calibrée ou une vanne à pointeau, destiné à limiter le débit de fluide via ce conduit 16 à une valeur prédéterminée, de préférence de l'ordre de 10 % du débit de dioxygène produit.

Le conduit 16 de débit de régénération, le conduit 14 d'équilibrage et le circuit 12 de collecte sont ici agencés en parallèle.

Le dispositif 1 comprend par ailleurs un circuit 18 d'alimentation relié aux entrées 2a, 4a des adsorbeurs 2, 4 pour alimenter en mélange gazeux, c'est-à-dire ici en air ambiant, ces adsorbeurs 2a, 2b.

Le circuit 18 d'alimentation comprend des moyens de compression, configurés pour faire circuler le mélange gazeux jusqu'aux adsorbeurs 2, 4, et pour augmenter la pression à l'intérieur des adsorbeurs 2, 4 jusqu'à une pression PI prédéterminée, préférentiellement supérieure à la pression atmosphérique, et par exemple de l'ordre de +450 à +600 mbar relatif. Les moyens de compression sont avantageusement des moyens de compression secs ; ils sont donc exempts d'huile.

Les moyens de compression peuvent comprendre un surpresseur 20. Avantageusement, pour de petits débits, de l'ordre de 0,8 à 3,5 m3/h, les moyens de compression comprennent un surpresseur à palettes sèches. Pour des débits plus importants, par exemple de l'ordre de 18 à 60 m3/h, les moyens de compression peuvent comprendre un compresseur Roots ou compresseur mécanique à lobes.

Le circuit 18 d'alimentation comprend des moyens d'ouverture ou fermeture de débit, comme des vannes 18a, 18b, destinés à autoriser ou empêcher la circulation d'un fluide via le circuit 18 d'alimentation jusqu'à respectivement le premier adsorbeur 2 et le deuxième adsorbeur 4.

En parallèle du circuit 18 d'alimentation, le dispositif 1 comprend aussi un circuit 22 de tirage au vide, relié ici à l'entrée 2a, 4a de chacun des adsorbeurs 2, 4. Le circuit 22 de tirage au vide est destiné à évacuer le fluide contenu dans les adsorbeurs 2, 4 hors du dispositif 1. Le circuit 22 de tirage au vide comprend préférentiellement une pompe à vide 24 configurée pour abaisser la pression à l'intérieur des adsorbeurs 2, 4 jusqu'à une pression P2 inférieure à la pression PI, et de préférence inférieure à la pression atmosphérique, par exemple de l'ordre de -500 à -700 mbar relatif.

Le circuit 22 de tirage au vide comprend des moyens d'ouverture ou fermeture de débit, comme des vannes respectives 22a, 22b, destinés à autoriser ou empêcher la circulation d'un fluide via le circuit 22 de tirage au vide depuis respectivement le premier adsorbeur 2 et le deuxième adsorbeur 4.

On notera que le deuxième conduit de sortie 6c relie ici le réservoir 6 à l'entrée 2a, 4a des adsorbeurs 2, 4, et plus particulièrement au circuit 18 d'alimentation. Le deuxième conduit de sortie 6c comprend des moyens d'ouverture ou fermeture de débit configurés pour autoriser ou empêcher le fluide contenu dans le réservoir 6 de sortir via ce deuxième conduit 6c de sortie à l'extérieur du dispositif 1, comme par exemple une vanne 10.

De plus, le dispositif 1 peut comprendre des moyens de mesure d'un taux de deuxième gaz (ici dioxygène) dans le fluide contenu dans le réservoir 6, comme par exemple un oxymètre, et les moyens de fermeture ou d'ouverture du débit via le deuxième conduit 6c de sortie peuvent avantageusement être configurés pour être positionnés dans un état ouvert, c'est-à-dire autorisant le passage du fluide dans le réservoir 6 jusque dans le circuit 18 d'alimentation dès que et tant que le taux de deuxième gaz mesuré dans le réservoir 6 est inférieur à une valeur seuil prédéterminé, par exemple égale à 90% en volume.

Le procédé de fonctionnement du dispositif 1 d'adsorption est décrit ci-après. Ce procédé de fonctionnement comprend une séquence de démarrage, illustrée sur les figures 1 à 4, suivie d'un ou plusieurs cycles de production, illustrés sur les figures 5 à 9. La séquence de démarrage a lieu après la mise en route du dispositif 1 et avant le ou les cycles de production pendant lesquels le mélange gazeux traité par le ou les adsorbeurs 2, 4 est envoyé dans le réservoir 6. Le deuxième gaz (dioxygène) délivré en sortie des adsorbeurs 2, 4 alimente le réservoir 6 uniquement pendant le ou les cycles de production. Pendant la séquence de démarrage, le réservoir 6 n'est donc pas alimenté en deuxième gaz; toutefois, le réservoir 6 peut contenir un mélange gazeux déjà enrichi en dioxygène, produit lors d'une utilisation antérieure du dispositif 1.

Dans une première étape (figure 1), les vannes 22a, 22b et 14a sont ouvertes et la pompe à vide 24 est en marche. Les autres vannes sont fermées. La séquence de démarrage comprend une étape initiale de tirage au vide des adsorbeurs 2, 4, c'est-à-dire ici un abaissement de la pression à l'intérieur des adsorbeurs 2, 4 jusqu'à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Les flux de fluide sont visibles en traits épais sur les figures.

Dans une deuxième étape (figure 2), la séquence de démarrage comprend un transfert d'au moins une partie du fluide contenu dans le réservoir 6 jusque dans les adsorbeurs 2, 4. Cette étape est une étape d'enrichissement en dioxygène de l'air contenu dans les adsorbeurs 2, 4, en utilisant pour cela le dioxygène déjà produit et présent dans le réservoir 6. Cette étape est importante, car elle permet de raccourcir sensiblement la durée de la séquence de démarrage.

En particulier, les vannes 22a, 22b et 14a passent d'un état ouvert à fermé et la pompe à vide 24 s'arrête, puis les vannes 12a, 12b pour permettre la circulation du dioxygène stocké en attente dans le réservoir 6 jusque dans les adsorbeurs 2, 4, ce qui permet d'enrichir en dioxygène le mélange gazeux introduit au redémarrage dans les adsorbeurs 2, 4.

On notera que le transfert de dioxgène depuis le réservoir 6 jusque dans les adsorbeurs 2, 4 s'effectue par convection naturelle du fait d'une différence de pression entre le réservoir 6 et les adsorbeurs 2, 4 (ces derniers ayant été tirés au vide à l'étape précédente).

Le deuxième gaz (dioxygène) contenu dans le réservoir 6 est ainsi transféré de celui-ci aux adsorbeurs 2, 4 via le circuit 12 de collecte, le deuxième gaz étant introduit dans les adsorbeurs 2, 4 via leurs sorties 2b, 4b.

On notera que pendant cette étape, les vannes 18a, 18b, 22a, 22b sont fermées, si bien que les adsorbeurs 2, 4 ne communiquent ni avec le circuit 18 d'alimentation, ni avec le circuit 22 de tirage au vide.

Dans une troisième étape (figure 3), les vannes 12a, 12b passent de l'état ouvert à un état fermé, puis la vanne 18a passe d'un état fermé à un état ouvert, et le surpresseur 20 est mis en marche. Cette étape est une étape de pressurisation de l'un des deux adsorbeurs 2, 4, en l'espèce le premier adsorbeur 2. Ainsi, le mélange gazeux d'entrée, ici de l'air ambiant prélevé dans l'environnement extérieur, est injecté dans le premier adsorbeur 2, sans toutefois aller jusqu'à la production du deuxième gaz, c'est-à-dire ici de dioxygène, car la vanne 12a est fermée. Cette étape cesse quand la pression à l'intérieur du premier adsorbeur 2 atteint une pression prédéterminée, de préférence de l'ordre de +450 à +600 mbar relatif.

Au cours de cette troisième étape, une partie du mélange gazeux sortant du premier adsorbeur 2 est injecté dans le deuxième adsorbeur 4, via le conduit 16 de débit de régénération, ce qui permet de poursuivre un enrichissement en deuxième gaz, c'est-à-dire en dioxygène, du mélange gazeux dans le deuxième adsorbeur 4, et favorise ainsi une réduction de la durée de la séquence de démarrage.

Dans une quatrième étape (figure 4), la vanne 18a passe de l'état ouvert à un état fermé, les vannes 18b et 22a s'ouvrent, et la pompe 24 à vide démarre. Cette étape est une étape de pressurisation de l'autre des deux adsorbeurs 2, 4, à savoir ici le deuxième adsorbeur 4. Le mélange gazeux d'entrée, ici l'air ambiant, est donc injecté dans le deuxième adsorbeur 4, sans toutefois aller jusqu'à la production de dioxygène, car la vanne 12b est fermée. Simultanément, le premier adsorbeur 2 est tiré au vide. Cette étape cesse quand la pression à l'intérieur du deuxième adsorbeur 4 atteint une pression prédéterminée correspondant par exemple à la pression PI susmentionnée.

Comme pour l'étape précédente de pressurisation du premier adsorbeur 2, cette étape de pressurisation du deuxième adsorbeur 4 peut comprendre un transfert d'une partie du mélange gazeux contenu dans le deuxième adsorbeur 4, depuis sa sortie 4b jusque la sortie 2b du premier adsorbeur 2, via le circuit 16 de débit de régénération. Ce flux d'air enrichi en dioxygène traversant le premier adsorbeur 2 permet d'accélérer la séquence de démarrage.

La séquence de démarrage comprend une unique étape de pressurisation de chacun des adsorbeurs 2, 4 suivie le cas échéant d'une unique étape de tirage de chacun des adsorbeurs 2, 4. On notera que ce tirage au vide du deuxième adsorbeur 4 terminant la séquence de démarrage peut être avantageusement simultané au début de la production par le premier adsorbeur 2.

Les figures 5 à 9 montrent un cycle de production du procédé de fonctionnement selon un mode de réalisation de l'invention.

On notera que durant tout le cycle de production, le surpresseur 20 et la pompe à vide 24 fonctionnent avantageusement de manière continue.

Chaque cycle de production comprend une première étape, représentée sur la figure 5, dite de saturation, au cours de laquelle les vannes 18a, 22b sont ouvertes, et les autres vannes 18b, 22a, 14a, 12a, 12b, 8 et 10 fermées. Le mélange gazeux à traiter, ici l'air ambiant, est amené dans le premier adsorbeur 2 par le surpresseur 20, via le circuit 18 d'alimentation et l'entrée 2a. A l'intérieur du premier adsorbeur 2, le premier gaz du mélange gazeux à traiter est adsorbé, c'est-à-dire que le diazote est adsorbé, ce qui permet de concentrer le deuxième gaz, ou dioxygène, dans la partie supérieure du premier adsorbeur 2, au niveau de la sortie 2b. Au fur et à mesure de l'alimentation en air, la pression dans le premier adsorbeur 2 augmente.

Simultanément à la première étape de saturation du premier adsorbeur 2, chaque cycle de production comprend une étape de purge et de régénération du deuxième adsorbeur 4, du fait de l'ouverture de la vanne 22b et du fonctionnement de la pompe à vide 24. Le gaz initialement retenu dans le deuxième adsorbeur 4 est ainsi évacué au moyen de la pompe à vide 24, qui fait baisser la pression dans le deuxième adsorbeur 4, par exemple jusqu'à -500 à -700 mbar relatif. Cela permet de purger le deuxième adsorbeur 4 et désorber le diazote piégé dans le tamis moléculaire du deuxième adsorbeur 4.

De plus, la première étape du cycle de production comprend avantageusement la circulation d'un débit de régénération entre le premier et le deuxième adsorbeurs 2, 4. Ainsi, le deuxième adsorbeur 4 est, simultanément à la saturation du premier adsorbeur 2 et au tirage à vide du deuxième adsorbeur 4, balayé par un flux du deuxième gaz, ici du dioxygène, provenant du premier adsorbeur 2 et circulant via le circuit 16 de débit de régénération de la sortie 2b à la sortie 4b. Ce débit de régénération contribue à améliorer l'efficacité de la désorption du premier gaz, ou diazote, initialement piégé dans le deuxième adsorbeur 4. Cette étape comprend de préférence la limitation du débit de régénération à une valeur seuil prédéterminée, par exemple de l'ordre de 10% du débit de dioxygène délivré, au moyen notamment du limiteur 16a de débit. L'étape de saturation du premier adsorbeur 2 se termine quand la pression dans le premier adsorbeur 2, et plus précisément dans la conduite d'entrée 2a, a atteint une pression égale à la pression dans le réservoir 6.

Dans une deuxième étape (figure 6), le cycle de production comprend une étape de délivrance du deuxième gaz, ici du dioxygène, par le premier adsorbeur 2. Cette étape débute avec l'ouverture de la vanne 12a qui permet de mettre en communication la sortie 2b du premier adsorbeur 2 avec le réservoir 6, de manière à alimenter le réservoir 6 en dioxygène via le circuit 12 de collecte.

Le dispositif 1 comprend avantageusement un système de gestion par temporisation destiné à commander la fermeture des vannes 18a, 12a et 22b et l'ouverture des vannes 18b, 22a et 14a après un laps de temps prédéterminé, par exemple de l'ordre de 60 à 100s, à compter du début de l'étape de saturation.

Ainsi, une fois ce laps de temps écoulé, l'étape de délivrance de deuxième gaz par le premier adsorbeur 2 cesse, et le cycle de production comprend une troisième étape (figure 7), dite d'équilibrage, au cours de laquelle les pressions entre le premier adsorbeur 2 et le deuxième adsorbeur 4 sont équilibrées, via le circuit 14 d'équilibrage. Une partie du flux gazeux transitant du deuxième adsorbeur 4 au premier adsorbeur 2 passe aussi le cas échéant à travers le circuit 16 de débit de régénération, ce qui permet de raccourcir la durée de cette étape d'équilibrage.

Cette étape d'équilibrage cesse au bout d'une durée prédéterminée, de l'ordre de 0 à 10s, où le système de gestion par temporisation commande la fermeture de la vanne 14a d'équilibrage.

Le cycle de production comprend ensuite la réitération des étapes précédentes appliquées au deuxième adsorbeur 4. La production de deuxième gaz, ou dioxygène, est donc cyclique et est réalisée alternativement à l'aide du premier et du deuxième adsorbeurs 2, 4.

Ainsi, le cycle de production comprend une quatrième étape (figure 8), au cours de laquelle a lieu la saturation du deuxième adsorbeur 4, se déroulant de manière similaire à la saturation du premier adsorbeur 2, où seules les vannes 18b, 22a sont ouvertes. Simultanément a lieu la purge et la régénération du premier adsorbeur 2, ainsi que la circulation d'un débit de régénération, via le circuit 16 de débit de régénération, depuis le deuxième adsorbeur 4 jusqu'au premier adsorbeur 2.

Le cycle de production se poursuit avec une cinquième étape, correspondant à la délivrance de deuxième gaz (dioxygène) par le deuxième adsorbeur 4, qui débute dès que la pression dans le deuxième adsorbeur a atteint une pression égale à la pression dans le réservoir 6, et par ouverture de la vanne 12b.

Le système de gestion par temporisation commande ensuite la fermeture des vannes 18b, 12b et 22a et l'ouverture des vannes 18a, 22b et 14a après le laps de temps prédéterminé à compter du début de l'étape de saturation du deuxième adsorbeur 4. L'étape de délivrance de deuxième gaz par le deuxième adsorbeur 4 cesse, et l'étape d'équilibrage des pressions entre les adsorbeurs 2, 4 débute. L'étape d'équilibrage cesse au bout de la durée prédéterminée, quand le système de gestion par temporisation commande la fermeture de la vanne 14a d'équilibrage.

Le procédé de fonctionnement peut bien entendu comprendre plusieurs cycles de production consécutifs, qui peuvent être chacun une réitération des étapes illustrées aux figures 5 à 9.

De préférence, après chaque séquence de démarrage, le procédé de fonctionnement comprend au moins un cycle de production, afin de disposer d'une quantité suffisante du deuxième gaz dans le réservoir pour accélérer la séquence de démarrage lors de la prochaine mise en route du dispositif 1.

Comme, au cours de la séquence de démarrage, a lieu un transfert du gaz contenu dans le réservoir 6 jusque dans les adsorbeurs 2, 4, et que ce transfert peut tendre à modifier l'équilibre du surpresseur 20 et de la pompe à vide 24, il peut être avantageusement prévu, pour assurer un bon taux de deuxième gaz (dioxygène) dès le début de la production, de réduire d'un cycle à l'autre l'intervalle de temps prédéterminé des étapes de saturation/délivrance de manière pogressive, c'est-à-dire la durée incluant l'étape de saturation et l'étape de délivrance, et ce lors des premiers cycles de production, par exemple sur les six premiers cycles, après quoi l'intervalle de temps prédéterminé retrouve la valeur standard de l'ordre de 60 à 100s.

On notera que l'arrêt du dispositif 1 a lieu de préférence toujours après la fin de l'étape de délivrance du premier adsorbeur 2, et que l'étape unique de pressurisation de chaque adsorbeur 2, 4 pendant la séquence de démarrage commence toujours par la pressurisation de ce premier adsorbeur 2.

Par ailleurs, pendant un cycle de production, lorsque le taux de dioxygène mesuré dans le réservoir 6 descend sous une valeur seuil prédéterminée, par exemple de l'ordre de 90% en volume, la vanne 8 est fermée et la vanne 10 s'ouvre (figure 9). Ainsi, le réservoir 6 est raccordé à l'aspiration du surpresseur 20 afin de récupérer le gaz enrichi en dioxygène qui est contenu dans le réservoir 6. Grâce à cette récupération, la phase de rétablissement d'un taux d'oxygène égal ou supérieur à la valeur seuil prédéterminé est accélérée, car c'est alors un mélange gazeux contenant un taux de dioxygène supérieur à la teneur de l'air ambiant (21%) qui est injecté dans les adsorbeurs 2, 4. Pendant ce rétablissement, le cylce de production par les adsorbeurs 2, 4 continue de se dérouler normalement, la vanne 12a étant ici représentée ouverte sur la figure 9.

La présente invention concerne aussi un dispositif 1 ayant tout ou partie des caractéristiques précitées, adapté pour la mise en oeuvre du procédé de fonctionnement décrit ci-dessus, dans lequel le dispositif 1 comprend le deuxième conduit 6c de sortie reliant le réservoir 6 et le circuit 18 d'alimentation, et des moyens d'ouverture ou fermeture, comme la vanne 10, pour permettre ou empêcher la récupération du deuxième gaz, ou dioxygène, contenu dans le réservoir 6 jusque dans le circuit 18 d'alimentation.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, ce mode de réalisation n'ayant été donné qu'à titre d'exemple. Des modifications sont possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par la substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fonctionnement d'un dispositif (1) d'adsorption par variation de pression de type VPSA, le dispositif (1) ayant un ou plusieurs adsorbeurs (2, 4) destinés à adsorber un premier composant d'un fluide pour isoler en sortie un deuxième composant de ce fluide, et un réservoir (6) placé en aval du ou des adsorbeurs (2, 4) pour stocker le fluide traité par le ou les adsorbeurs (2, 4), caractérisé en ce que le procédé de fonctionnement comprend une séquence de démarrage, ladite séquence de démarrage incluant une étape de transfert d'au moins une partie du fluide stocké dans le réservoir (6) jusque dans le ou les adsorbeurs (2, 4).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la séquence de démarrage comprend, avant l'étape de transfert, une étape initiale de diminution de la pression dans le ou les adsorbeurs (2, 4) jusqu'à une pression inférieure à une pression dans le réservoir (6).
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape initiale de diminution de la pression dans le ou les adsorbeurs (2, 4) est une étape de tirage au vide.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, après l'étape de transfert, le ou chaque adsorbeur (2, 4) subit une unique étape de pressurisation.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, après l'unique étape de pressurisation, chaque adsorbeur (2, 4) subit une unique étape de tirage au vide.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel, après la séquence de démarrage, le procédé comprend un cycle de production, ledit cycle de production comprenant, en cas de taux de deuxième composant dans le fluide contenu dans le réservoir devient inférieur à une valeur seuil prédéterminée, une étape d'injection de ce fluide contenu dans le réservoir (6) jusque dans le ou les adsorbeurs (2, 4).
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif (1) comprend deux adsorbeurs (2, 4), et le cycle de production comprend une étape d'équilibrage des pressions entre les deux adsorbeurs (2, 4) par convection naturelle.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel, après la séquence de démarrage, le procédé comprend plusieurs cycles de production incluant chacun une étape de saturation du ou de chaque adsorbeur (2, 4) suivie d'une étape de délivrance, et la durée du couple d'étapes saturation/délivrance diminue à chaque cycle à partir du premier cycle de production, pendant un nombre de cycle de production prédéterminé.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel, après la séquence de démarrage, le procédé comprend un ou plusieurs cycles de production par adsorption VPSA.
10. 10. Dispositif (1) d'adsorption par variation de pression de type VPSA adapté pour la mise en oeuvre du procédé de fonctionnement selon l'une des revendications 1 à 9, le dispositif (1) comprenant un ou des adsorbeurs (2, 4) destinés à adsorber un premier composant d'un fluide pour isoler en sortie un deuxième composant de ce fluide, un réservoir (6) placé en aval du ou des adsorbeurs (2, 4) pour stocker le fluide traité par le ou les adsorbeurs (2, 4), et un circuit (18) d'alimentation comprenant des moyens de compression configurés pour envoyer le fluide à traiter dans le ou les adsorbeurs (2, 4) de manière à augmenter la pression dans le ou les adsorbeurs (2, 4) jusqu'à une pression prédéterminée, caractérisé en ce que le réservoir (6) comprend un conduit (6c) de sortie reliant le réservoir (6) au circuit (18) d'alimentation, et des moyens d'ouverture ou fermeture de débit configurés pour autoriser ou empêcher la circulation du fluide contenu dans le réservoir (6) à travers le conduit (6c) de sortie jusqu'au circuit (18) d'alimentation.