FR3109100A1 - Procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression au moyen d’une unité comportant : au moins un adsorbeur suivant au moins un cycle de pression définit par une pluralité de rampes de pression successives, les rampes de pression étant contrôlées par au moins une vanne de contrôle, un dispositif de commande de la vanne de contrôle pour définir la pluralité de rampes de pression, le dispositif de commande étant agencé de sorte que pour chaque rampe de pression, une boucle de régulation détermine un coefficient de débit corrigé de la vanne par rapport à un coefficient de débit théorique de la vanne, le coefficient de débit corrigé étant utilisé pour commander l’ouverture de la vanne, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes de : déterminer, pour chaque rampe de pression, un écart moyen entre le coefficient de débit corrigé de la vanne et le coefficient de débit théorique de la vanne, déterminer un coefficient d’ajustement à partir de cet écart moyen, corriger la valeur du coefficient de débit théorique d’une des rampes de pression par rapport au coefficient d’ajustement déterminé en lien avec la rampe de pression précédente. Figure d’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention concerne un procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression, ou unité PSA (PSA, pour « Pressure Swing Adsorption ») notamment pour produire un flux gazeux enrichi (gaz de production) à partir d’un flux gazeux d’alimentation.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec des PSA H2, O2 ou CO2.
De manière générale, un procédé par adsorption en phase gazeuse permet de séparer une ou plusieurs molécules d’un mélange gazeux les contenant, en exploitant la différence d’affinité d’un ou plusieurs adsorbants pour les différentes molécules constitutives du mélange. L’affinité d’un adsorbant pour une molécule dépend d’une part de la structure et la composition de l’adsorbant et d’autre part des propriétés de la molécule, en particulier sa taille, sa structure électronique et ses moments multipolaires. Un adsorbant peut être par exemple une zéolite, un charbon actif, une alumine activée éventuellement dopée, un gel de silice, un tamis moléculaire carboné, une structure métallo-organique, un oxyde ou hydroxyde de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ou une structure poreuse contenant de préférence une substance capable de réagir réversiblement avec les molécules, substance telle que amines, solvants physique, complexants métalliques, oxydes ou hydroxydes métalliques par exemple.
Les matériaux adsorbants les plus classiques sont sous forme de particules (billes, bâtonnets, concassés…) mais existent également sous forme structurée tels les monolithes, roues, contacteurs à passages parallèle, tissus, fibres…
On peut distinguer 3 grandes familles de procédé par adsorption : les procédés à charge perdue, les procédés à modulation de température appelés TSA (Température Swing Adsorption) et enfin les procédés PSA (Pressure Swing Adsorption).
Dans les procédés à charge perdue, on met en place une nouvelle charge lorsque celle en cours d’utilisation est saturée par les impuretés ou plus généralement quand elle ne peut plus jouer son rôle de protection de manière suffisante.
Dans les procédés de type TSA, l’adsorbant en fin d’utilisation est régénéré in situ, c'est-à-dire que les impuretés arrêtées sont évacuées afin que le dit adsorbant récupère l’essentiel de ses capacités d’adsorption et puisse recommencer un cycle d’épuration, l’effet de régénération essentiel étant dû à une élévation de température.
Enfin, dans les procédés de type PSA, l’adsorbant en fin de phase de production est régénéré par la désorption des impuretés obtenue au moyen d’une baisse de leur pression partielle. Cette baisse de pression peut être obtenue par une baisse de la pression totale et/ ou par balayage avec un gaz exempt ou contenant peu d’impuretés.
Les procédés par adsorption modulée en pression sont utilisés aussi bien pour éliminer des traces d’impuretés, par exemple de teneur inférieure à un pourcent dans le gaz d’alimentation, que pour séparer des mélanges contenant des dizaines de pourcents de différents gaz. Dans le premier cas, on parle généralement d’épuration (par exemple un séchage de gaz) et de séparation dans le second cas (par exemple une production d’oxygène ou d’azote à partir d’air atmosphérique).
Dans le cadre de la présente invention, on désigne par le terme PSA, tout procédé d’épuration ou de séparation de gaz mettant en œuvre une variation cyclique de la pression que voit l’adsorbant entre une pression haute, dite pression d’adsorption, et une pression basse, dite pression de régénération. Ainsi, cette appellation générique de PSA est employée indifféremment pour désigner les procédés cycliques suivants, auxquels il est aussi courant de donner des noms plus spécifiques en fonction des niveaux de pression mis en jeu ou du temps nécessaire à un adsorbeur pour revenir à son point initial (temps de cycle) :
- les procédés VSA dans lesquels l’adsorption s’effectue sensiblement à la pression atmosphérique, préférentiellement entre 0.95 et 1.25 bar abs et la pression de désorption est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement de 50 à 400 mbar abs ;
- les procédés MPSA ou VPSA dans lesquels l’adsorption s’effectue à une pression haute supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 1.5 et 6 bar abs, et la désorption à une pression basse inférieure à la pression atmosphérique, généralement comprise entre 200 et 600 mbar abs ;
- les procédés PSA proprement dits dans lesquels la pression haute est sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 3 et 50 bar abs et la pression basse sensiblement égale ou supérieure à la pression atmosphérique, généralement entre 1 et 9 bar abs ;
- les procédés RPSA (Rapid PSA) pour lesquels la durée du cycle de pression est typiquement inférieure à la minute ;
- les procédés URPSA (Ultra Rapid PSA) pour lesquels la durée du cycle de pression est de l’ordre de quelques secondes maximum.
Il convient de noter que ces diverses appellations ne sont pas standardisées et que les limites sont sujettes à variation.
On rappelle que sauf avis contraire, l’utilisation du terme PSA recouvre ici toutes ces variantes.
Un adsorbeur va donc commencer une période d’adsorption jusqu’à ce qu’il soit chargé dans le ou les constituants à arrêter à la pression haute puis va être régénéré par dépressurisation et extraction des composés adsorbés avant d’être remis en état pour recommencer une nouvelle période d’adsorption. L’adsorbeur a alors effectué un cycle de pression et le principe même du procédé PSA est d’enchaîner ces cycles les uns après les autres ; il s’agit donc d’un procédé cyclique. Le temps que met un adsorbeur pour revenir dans son état initial est appelé temps de cycle. Lorsqu’une unité PSA comporte une pluralité d’adsorbeurs, chaque adsorbeur suit le même cycle avec un décalage temporel qu’on appelle temps de phase ou plus simplement phase. On a alors la relation : temps de phase = temps de cycle / nombre d’adsorbeurs.
Ce cycle comporte généralement des périodes parmi :
- Production ou Adsorption au cours de laquelle le gaz d’alimentation est introduit par une des extrémités de l’adsorbeur, les composés les plus adsorbables sont adsorbés préférentiellement et le gaz enrichi en composés les moins adsorbables (gaz produit) est extrait par la seconde extrémité. L’adsorption peut se faire à pression montante, à pression sensiblement constante, voire à pression légèrement descendante ;
- Dépressurisation au cours de laquelle l’adsorbeur qui n’est plus alimenté en gaz d’alimentation est évacué par au moins une de ses extrémités d’une partie des composés contenus dans l’adsorbant et les volumes libres. En prenant comme référence le sens de circulation du fluide en période d’adsorption, on peut définir des dépressurisations à co-courant, à contre-courant ou simultanément à co-courant et contre-courant ;
- Elution ou Purge, au cours de laquelle un gaz enrichi en les constituants les moins adsorbables (gaz de purge) circule à travers le lit d’adsorbant afin d’aider à la désorption des composés les plus adsorbables. La Purge se fait généralement à contre-courant ;
- Repressurisation au cours de laquelle l’adsorbeur est au moins partiellement repressurisé avant de reprendre une période d’Adsorption. La repressurisation peut se faire à contre-courant et/ou à co-courant ;
- Temps mort au cours de laquelle l’adsorbeur reste dans le même état. Ces temps morts peuvent faire partie intégrante du cycle, permettant la synchronisation d’étapes entre adsorbeurs ou faire partie d’une étape qui s’est terminée avant le temps imparti.
Le cycle de pression d’un adsorbeur est contrôlé par au moins une vanne de contrôle. Le cycle de pression de l’adsorbeur est défini par une pluralité de rampes de pression. Chaque vanne de contrôle est commandée de sorte à définir la pluralité de rampes de pression. Une rampe est caractérisée par la courbe de pression du fluide dans l’adsorbeur, sur une durée déterminée. En d’autres termes, une rampe de pression est l’équivalent de la variation de la pression, partant d’un niveau de pression donné en début de rampe, pour arriver à un niveau de pression en fin de rampe, sur une période de temps déterminée. Une rampe de pression peut ainsi définir une montée en pression, une descente en pression ou encore un maintien d’une pression sensiblement constante. En fonction des conditions réelles, pendant toute la durée de la rampe, il peut exister un écart entre la consigne de pression et la pression réelle, mesurée au niveau de l’adsorbeur. En effet, deux vannes identiques (même taille, même modèle, ...) peuvent se comporter différemment selon leurs réglages respectifs ou bien encore selon leurs dérives dans le temps. Afin de réduire cet écart, on connaît des dispositifs de commande qui mettent en œuvre une boucle de régulation pour déterminer un coefficient de débit corrigé, par rapport au coefficient de débit théorique. Le coefficient de débit corrigé est alors utilisé pour déterminer le niveau d’ouverture de la vanne, à la place du coefficient de débit théorique. Ceci permet d’atteindre la bonne valeur de pression en fin de rampe. Cependant, un tel procédé n’est pas optimal notamment car pendant la durée de la rampe, il existe des périodes pendant lesquelles, la pression réelle s’écarte de la consigne de pression. Ceci a pour conséquence, une fluctuation importante du débit au niveau du gaz de production ou du gaz résiduaire (« off-gas » en anglais).
La présente invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression au moyen d’une unité comportant :
- au moins un adsorbeur suivant au moins un cycle de pression définit par une pluralité de rampes de pression successives, les rampes de pression étant contrôlées par au moins une vanne de contrôle,
- un dispositif de commande de la vanne de contrôle pour définir la pluralité de rampes de pression,
le dispositif de commande étant agencé de sorte que pour chaque rampe de pression, une boucle de régulation détermine un coefficient de débit corrigé de la vanne par rapport à un coefficient de débit théorique de la vanne, le coefficient de débit corrigé étant utilisé pour commander l’ouverture de la vanne,
caractérisé en ce qu’il comporte les étapes de :
- déterminer, pour chaque rampe de pression, un écart moyen entre le coefficient de débit corrigé de la vanne et le coefficient de débit théorique de la vanne,
- déterminer un coefficient d’ajustement à partir de cet écart moyen,
- corriger la valeur du coefficient de débit théorique d’une des rampes de pression par rapport au coefficient d’ajustement déterminé en lien avec la rampe de pression précédente.
L’invention permet de compenser les dérives d’une vanne de contrôle ou de compenser les conditions dans lesquelles sont utilisées les vannes (température, ...). L'invention permet ainsi d’améliorer la stabilité d’un PSA et par conséquent, de permettre la production d’un flux gazeux enrichi avec un débit stable. Un autre avantage est d’accélérer la phase de démarrage d’une unité PSA.
Selon une réalisation, le coefficient de débit théorique est déterminé en fonction d'une durée de la rampe et/ou d'une pression en début de rampe et/ou d'une pression en fin de rampe et/ou de la nature d'un fluide traversant la vanne.
Selon une réalisation, le coefficient de débit théorique est déterminé à plusieurs reprises et pendant toute la durée de la rampe.
Selon une réalisation, le coefficient de débit théorique est déterminé sensiblement chaque seconde, pendant toute la durée de la rampe.
Selon une réalisation, le coefficient de débit corrigé est déterminé par un correcteur, notamment proportionnel intégral, le correcteur étant commandé par un écart entre une pression de consigne et une pression mesurée au niveau de l’adsorbeur, notamment par un capteur de mesure.
Selon une réalisation, le dispositif de commande est configuré pour commander l’ouverture de la vanne par l’utilisation d’une table de conversion du coefficient de débit corrigé en une valeur d’ouverture de la vanne, la table étant notamment choisie pour un modèle de vanne prédéterminé.
Selon une réalisation, le coefficient d’ajustement est compris entre 0,2 et 3,5.
Selon une réalisation, le coefficient d’ajustement est pondéré en fonction d’un paramètre de réglage de la vanne.
Selon une réalisation, l’unité comporte une pluralité d’adsorbeurs, le nombre d’adsorbeurs étant de préférence supérieur ou égal à 3, notamment compris entre 3 et 18.
Selon une réalisation, l’unité comporte entre 1 et 6 vannes de contrôle pour contrôler les rampes de pression de chaque adsorbeur, le nombre de vannes étant par exemple compris entre 3 et 6.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La Figure 1 représente des courbes relatives au fonctionnement de quatre vannes de contrôle a), b), c), d) associées chacune à un adsorbeur spécifique. Pour toutes les courbes alignées selon une même colonne a), b), c), d), on a représenté successivement de haut en bas, la rampe de pression de la vanne a), b), c), d), le coefficient d’ajustement de la vanne a), b), c), d) et le débit de production ou du gaz résiduaire de l’unité PSA.
Dans le représenté à la Figure 1, on a représenté le débit de production de l’unité PSA lorsque les vannes sont commandées par un procédé selon l’état de l’art.
Dans cet exemple, l’unité comporte 4 adsorbeurs. Le cycle de pression d’un adsorbeur est contrôlé par au moins une vanne de contrôle (ici, la vanne a) pour le premier adsorbeur, la vanne b) pour le deuxième adsorbeur, la vanne c) pour le troisième adsorbeur et la vanne d) pour le quatrième adsorbeur). Ces vannes a), b), c), d) sont des vannes de dépressurisation (ou « blow down » en anglais). Ces vannes a), b), c), d) sont des vannes de contrôle qui sont commandées par une unité de commande. Dans l’exemple considéré, une seule unité de commande permet de commander toutes les vannes de contrôle de l’unité PSA.
Le cycle de pression de chaque adsorbeur est défini par une pluralité de rampes de pression et chaque vanne de contrôle est commandée de sorte à définir la pluralité de rampes de pression. La rampe est caractérisée par la courbe de pression de l’adsorbeur contrôlée par la vanne de contrôle a), b), c), d) sur une durée déterminée.
Dans l’exemple des vannes a), b), c), d), la rampe de pression est relative à une descente en pression, partant d’une pression initiale supérieure à la pression en fin de rampe.
Comme visible sur la Figure 1, les courbes de pression P (en bar a) représentent :
- en trait pointillé, la rampe de pression de consigne Pc (c’est-à-dire la rampe de pression idéale ou théorique qui est calculée pour la vanne considérée et pour la période considérée au sein du cycle de pression), et
- en trait plein, la rampe de pression réelle Pr qui est mesurée par un capteur physique.
Les courbes de coefficient de débit Cv (sans unité) représentent :
- en trait pointillé, le coefficient de débit théorique CvT, que le dispositif de commande prédétermine pour chaque vanne, et
- en trait plein, le coefficient de débit corrigé CvC, que le dispositif de commande détermine en fonction des conditions réelle, par la mise en œuvre d’un correcteur proportionnel intégral ou proportionnel intégral dérivé.
Enfin, la courbe de débit D (en NM3/h) du gaz représente le débit du gaz de production ou du gaz résiduaire de l’unité PSA.
Le dispositif de commande détermine le coefficient de débit théorique CvT pour chaque vanne a), b), c), d) tout au long de la rampe de pression. Ce coefficient de débit théorique CvT est déterminé en fonction des paramètres de la rampe (durée de la rampe, pression initiale, pression finale) mais aussi en fonction d’autres paramètres comme la composition théorique du gaz mis en jeu au niveau de la vanne concernée, le moment concerné au sein du cycle de pression et au sein de la rampe.
Or, en fonction des conditions réelles, et pendant toute la durée de la rampe, il peut exister un écart entre la consigne de pression et la pression réelle mesurée au niveau du fluide traversant la vanne. En effet, même pour deux vannes identiques (même taille, même modèle, ...) il peut exister un comportement différent selon le réglage de la vanne, sa dérive dans le temps, ou encore en fonction des conditions réelles d’utilisation (température extérieure, ...).
Dans le procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression de l’état de l’art de la Figure 1, le dispositif de commande met ainsi en œuvre un correcteur proportionnel intégral ou proportionnel intégral dérivé afin de faire un asservissement afin de corriger le coefficient de débit théorique CvT. Le dispositif de commande détermine alors un coefficient de débit corrigé CvC qui est utilisé pour commander le niveau d’ouverture de la vanne, à la place du coefficient de débit théorique CvT.
Comme visible sur les courbes représentant les rampes de pression, ce procédé permet d’atteindre la pression de consigne en fin de rampe, mais ne permet pas de limiter les écarts de pression tout au long de chaque rampe de pression.
La figure 2 représente les mêmes courbes que décrites en lien avec la figure 1, les vannes étant ici commandées par le procédé selon l’invention.
Les courbes de pression P (en bar a) représentent en trait pointillé, la rampe de pression de consigne Pc, et en trait plein, la rampe de pression réelle Pr qui est mesurée par un capteur physique. Les courbes de coefficient de débit Cv (sans unité) représentent en trait pointillé, le coefficient de débit théorique CvT et en trait plein, le coefficient de débit corrigé CvC. La courbe de débit D (en NM3/h) du gaz représente le débit du gaz de production ou du gaz résiduaire de l’unité PSA.
Ces courbes sont obtenues par la mise en œuvre du procédé selon l’invention tel que décrit ci-après.
L’unité PSA comporte :
- une pluralité d’adsorbeurs (dans l’exemple de la figure 2, quatre adsorbeurs) suivant chacun au moins un cycle de pression définit par une pluralité de rampes de pression successives, les rampes de pression étant contrôlées par au moins une vanne de contrôle (dans l’exemple de la figure 2, la vanne a) pour le premier adsorbeur, la vanne b) pour le deuxième adsorbeur, la vanne c) pour le troisième adsorbeur et la vanne d) pour le quatrième adsorbeur),
- un dispositif de commande des vannes de contrôle pour définir la pluralité de rampes de pression.
De la même manière que pour le procédé décrit en lien avec la figure 1, le dispositif de commande détermine le coefficient de débit théorique CvT pour chaque vanne a), b), c), d) tout au long de la rampe de pression. Ce coefficient de débit théorique CvT est déterminé en fonction de la pression de consigne prédéterminée pour réaliser le cycle de pression.
Le dispositif de commande met en œuvre un correcteur proportionnel intégral ou proportionnel intégral dérivé afin de faire un asservissement afin de corriger le coefficient de débit théorique CvT. Le correcteur proportionnel ou proportionnel intégral est commandé par un écart entre la pression de consigne Pc et la pression réelle Pr, mesurée au niveau de l’adsorbeur, notamment par un capteur de mesure.
Cette boucle de régulation permet au dispositif de commande de déterminer ainsi un coefficient de débit corrigé CvC qui est utilisé pour commander le niveau d’ouverture de la vanne, à la place du coefficient de débit théorique CvT.
Le procédé comporte en outre une étape de :
- déterminer, pour chaque rampe de pression, un écart moyen entre le coefficient de débit corrigé CvC de la vanne et le coefficient de débit théorique CvT de la vanne,
- déterminer un coefficient d’ajustement à partir de cet écart moyen,
- corriger la valeur du coefficient de débit théorique CvT d’une des rampes de pression par rapport au coefficient d’ajustement déterminé en lien avec la rampe de pression précédente.
Le coefficient de débit théorique est déterminé en fonction d'une durée de la rampe et de la nature d'un fluide traversant la vanne.
Le coefficient de débit théorique CvT est déterminé par le dispositif de commande, à plusieurs reprises et pendant toute la durée de chaque rampe.
Le dispositif de commande est configuré pour commander l’ouverture de la vanne par l’utilisation d’une table de conversion du coefficient de débit corrigé CvC en une valeur d’ouverture de la vanne, la table étant notamment choisie pour un modèle de vanne prédéterminé. Ceci permet d’adapter simplement le dispositif de commande pour qu’il soit en mesure de commander différents types de vannes.
Comme visible sur la figure 2, les rampes de pression de chaque vanne suivent plus précisément les rampes de pression théoriques.
On peut noter que tant à la figure 1 qu’à la figure 2, on est dans un régime établi ce qui montre bien que le procédé selon l’invention permet non seulement, pour chaque rampe en régime établi, d’obtenir la pression de fin de rampe désirée, mais aussi que tout au long de la rampe de pression, l’écart entre la pression réelle Pr et la pression de consigne Pc soit fortement réduit.
Ainsi, le débit D du gaz de production ou du gaz résiduaire gagne en stabilité (comme visible sur la courbe de débit D).
Claims (9)
- Procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression au moyen d’une unité comportant :
- au moins un adsorbeur suivant au moins un cycle de pression définit par une pluralité de rampes de pression successives, les rampes de pression étant contrôlées par au moins une vanne de contrôle,
- un dispositif de commande de la vanne de contrôle pour définir la pluralité de rampes de pression,
caractérisé en ce qu’il comporte les étapes de :- déterminer, pour chaque rampe de pression, un écart moyen entre le coefficient de débit corrigé (CvC) de la vanne et le coefficient de débit théorique (CvT) de la vanne,
- déterminer un coefficient d’ajustement à partir de cet écart moyen,
- corriger la valeur du coefficient de débit théorique (CvT) d’une des rampes de pression par rapport au coefficient d’ajustement déterminé en lien avec la rampe de pression précédente.
- Procédé selon la revendication précédente, le coefficient de débit théorique (CvT) étant déterminé en fonction d'une durée de la rampe et/ou d'une pression en début de rampe et/ou d'une pression en fin de rampe et/ou de la nature d'un fluide traversant la vanne.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, le coefficient de débit théorique (CvT) étant déterminé à plusieurs reprises, et pendant toute la durée de la rampe.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, le coefficient de débit corrigé (CvC) étant déterminé par un correcteur, notamment proportionnel intégral, le correcteur étant commandé par un écart entre une pression de consigne et une pression mesurée au niveau de l’adsorbeur, notamment par un capteur de mesure.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, le dispositif de commande étant configuré pour commander l’ouverture de la vanne par l’utilisation d’une table de conversion du coefficient de débit corrigé (CvC) en une valeur d’ouverture de la vanne, la table étant notamment choisie pour un modèle de vanne prédéterminé.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, le coefficient d’ajustement étant compris entre 0,2 et 3,5.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, le coefficient d’ajustement étant en outre pondéré en fonction d’un paramètre de réglage de la vanne.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, l’unité comportant une pluralité d’adsorbeurs, le nombre d’adsorbeurs étant de préférence supérieur ou égal à 3, notamment compris entre 3 et 18.
- Procédé selon la revendication précédente, l’unité comportant entre 1 et 6 vannes de contrôle pour contrôler les rampes de pression de chaque adsorbeur.
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