FR3120232A3 - Ultra-purification process of a fraction of hydrogen from a PSA H2 - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé d’ultra-purification d’une fraction de l’hydrogène issu d’un PSA H2 (H) compris dans une unité de production d’hydrogène (P) destinée à fournir principalement de l’hydrogène à 99 + % mole, au moyen d’une unité (A), caractérisé en ce que : l’unité (A) est une unité de purification par adsorption à température ambiante, la fraction épurée au moyen de l’unité (A) représente moins de 50% de la production de l’unité (H), préférentiellement une fraction comprise entre 1% et 25%,la fraction résiduaire enrichie en impuretés issue de la dite unité (A) retourne dans l’unité de production d’hydrogène (P) pour y être entièrement valorisée sans mise en œuvre d’un quelconque moyen de compression propre à ce procédé d’ultra-purification. Figure d’abrégé : Fig. 2The invention relates to a process for the ultra-purification of a fraction of the hydrogen resulting from a PSA H2 (H) included in a hydrogen production unit (P) intended to mainly supply hydrogen at 99 + mole %, by means of a unit (A), characterized in that: the unit (A) is a unit for purification by adsorption at ambient temperature, the fraction purified by means of the unit (A) represents less of 50% of the production of unit (H), preferably a fraction of between 1% and 25%, the residual fraction enriched in impurities from said unit (A) returns to the hydrogen production unit ( P) to be fully recovered there without implementing any means of compression specific to this ultra-purification process. Abstract figure: Fig. 2
Description
La présente invention concerne un procédé d’ultra-purification d’une fraction de dihydrogène, que l’on notera par la suite hydrogène ou H2, issu d’un PSA H2 (PSA, pour « Pressure Swing Adsorption ») compris dans une unité de production d’hydrogène destinée à fournir principalement de l’hydrogène à une pureté supérieure ou égale à 99% mole, pureté que l’on notera par la suite 99 + % mole.The present invention relates to a process for the ultra-purification of a dihydrogen fraction, which will be denoted hereinafter hydrogen or H2, resulting from a PSA H2 (PSA, for "Pressure Swing Adsorption") included in a unit hydrogen production intended to supply mainly hydrogen at a purity greater than or equal to 99% mole, a purity which will be noted below as 99+% mole.
La présente invention concerne plus particulièrement un agencement de 2 unités H et A de purification de gaz permettant de produire, à partir d’un gaz d’alimentation, 2 fractions de pureté différente à moindre coût. Elle se limite ici au cas de la production d’hydrogène, l’unité H étant un PSA H2 et l’unité A une unité correspondant à un procédé d’ultra-purification par adsorption. Néanmoins, le principe décrit ici pourrait s’appliquer à d’autres séparations dès lors que la fraction la plus pure représente moins de 50% de la production totale, que l’agencement de l’unité H et de l’unité A ne nécessite aucune machine supplémentaire et n’entraîne pas une perte additionnelle de produit.The present invention relates more particularly to an arrangement of 2 gas purification units H and A making it possible to produce, from a feed gas, 2 fractions of different purity at lower cost. It is limited here to the case of hydrogen production, unit H being a PSA H2 and unit A a unit corresponding to an ultra-purification process by adsorption. Nevertheless, the principle described here could be applied to other separations provided that the purest fraction represents less than 50% of the total production, that the arrangement of unit H and unit A does not require no additional machinery and does not result in additional loss of product.
L’hydrogène est devenu une des matières premières principales dans la chimie ou la pétrochimie mais est également utilisé dans de nombreuses applications comme l’électronique, l’énergie (pile à combustible par exemple).Hydrogen has become one of the main raw materials in chemistry or petrochemistry but is also used in many applications such as electronics, energy (fuel cell for example).
Les sources d’hydrogène sont d’origine variée, provenant soit de gaz résiduaires d’unités industrielles (par exemple, unités de production d’éthylène ou de styrène, « off-gas » de raffinerie, four à coke, électrolyse de chlore….), soit d’unités spécifiquement faites pour produire cet hydrogène (gaz issus de reformage à la vapeur d’hydrocarbures, unité de production de gaz de synthèse, unités de séparation cryogénique hydrogène-monoxyde de carbone, cracking d’ammoniaque, reforming/cracking d’alcools…).The sources of hydrogen are of varied origin, coming either from waste gases from industrial units (for example, ethylene or styrene production units, refinery off-gas, coke oven, chlorine electrolysis, etc. .), or units specifically made to produce this hydrogen (gas from hydrocarbon steam reforming, syngas production unit, cryogenic hydrogen-carbon monoxide separation units, ammonia cracking, reforming/ alcohol cracking…).
La pureté en hydrogène de ces sources est généralement insuffisante pour les applications envisagées et on a alors généralement recours à une unité PSA H2 pour obtenir la spécification demandée.The hydrogen purity of these sources is generally insufficient for the applications envisaged and a PSA H2 unit is then generally used to obtain the required specification.
Les unités PSA H2 produisent de leur côté de l’hydrogène à des puretés très généralement supérieure à 99% mole et pouvant atteindre si nécessaire des teneurs de 99.999% et plus.PSA H2 units, for their part, produce hydrogen at purities very generally greater than 99% mole and which can reach levels of 99.999% and more if necessary.
De manière générale, une unité de production d’hydrogène à partir d’un gaz résiduaire disponible comprendra à l’amont du PSA H2 des équipements tels que séparateur, filtre, compresseur, unité d’épuration spécifique destinée à enlever des constituants tels que l’huile et les hydrocarbures lourds, le mercure, éventuellement l’oxygène pour des raisons de sécurité.In general, a hydrogen production unit from an available residual gas will include, upstream of the PSA H2, equipment such as a separator, filter, compressor, specific purification unit intended to remove constituents such as oil and heavy hydrocarbons, mercury, possibly oxygen for safety reasons.
Les unités produisant de l’hydrogène à partir d’hydrocarbures ou d’alcools sont de leur côté bien connues et comprennent à l’amont du PSA H2, au minimum un four, un ou des réacteurs, des échangeurs.The units producing hydrogen from hydrocarbons or alcohols are for their part well known and include, upstream of the PSA H2, at least one furnace, one or more reactors, exchangers.
Le PSA H2 quant à lui est constituée de plusieurs adsorbeurs qui suivent en décalage dans le temps un cycle de fonctionnement, qui est réparti uniformément en autant de temps de phase qu’il y a d’adsorbeurs en fonctionnement, et qui est formé d’étapes de base, à savoir les étapes :PSA H2, on the other hand, is made up of several adsorbers which follow a time lag in an operating cycle, which is uniformly distributed over as many phase times as there are adsorbers in operation, and which is made up of basic steps, namely the steps:
- d’adsorption à sensiblement une haute pression du cycle ;adsorption at substantially high cycle pressure;
- de dépressurisation à co-courant, généralement depuis la haute pression du cycle ;co-current depressurization, generally from the high pressure of the cycle;
- de dépressurisation à contre-courant, généralement jusqu’à la basse pression du cycle ;counter-current depressurization, generally down to the low pressure of the cycle;
- d’élution à sensiblement la basse pression du cycle ; etelution at substantially the low pressure of the cycle; and
- de repressurisation, depuis la basse pression du cycle jusqu’à la haute pression du cycle.of repressurization, from the low pressure of the cycle to the high pressure of the cycle.
Un point commun à tous ces cycles PSA H2 est qu’une augmentation de la pureté requise pour l’hydrogène se paie en termes d’investissement et/ou de coûts opératoires.A common point to all these PSA H2 cycles is that an increase in the purity required for hydrogen is paid for in terms of investment and/or operating costs.
Par exemple, un PSA produisant de l’hydrogène à 99.999 % mole (10ppm d’impuretés résiduelles) aura un rendement d’extraction de l’ordre de 2 points inférieur au même PSA produisant à 99.9% (1000ppm d’impuretés résiduelles).For example, a PSA producing hydrogen at 99.999% mole (10ppm of residual impurities) will have an extraction yield of around 2 points lower than the same PSA producing at 99.9% (1000ppm of residual impurities).
Pour obtenir le même débit de production, il conviendra pour la pureté la plus élevée de grossir les équipements amont, de consommer plus de gaz de charge.To obtain the same production rate, it will be necessary for the highest purity to enlarge the upstream equipment, to consume more charge gas.
Il pourra être préférable, si possible, de complexifier le PSA lui-même pour récupérer le rendement perdu via la pureté mais là également le surcoût du PSA peut être très élevé.It may be preferable, if possible, to make the PSA itself more complex to recover the yield lost via the purity, but here too the additional cost of the PSA can be very high.
Dans le cas d’une unité de production d’hydrogène destinée à plusieurs applications correspondant à des puretés différentes, un tel surcoût devient d’autant plus inacceptable que la plus grande pureté requise ne concerne qu’une fraction de la production, généralement minoritaire.In the case of a hydrogen production unit intended for several applications corresponding to different purities, such an additional cost becomes all the more unacceptable as the highest purity required concerns only a fraction of the production, generally a minority.
C’est le cas en particulier quand l’hydrogène ultra-pur est destiné à un centre de conditionnement de gaz en bouteilles sous pression (chaque récipient ne contient que quelques Nm3 de gaz), à l’électronique ou pour l’alimentation de piles à combustible.This is particularly the case when the ultra-pure hydrogen is intended for a gas conditioning center in pressurized cylinders (each container contains only a few Nm3 of gas), for electronics or for powering batteries fuel.
Ces consommations de quelques centaines à quelques milliers de Nm3/h sont à comparer aux unités industrielles de 50 000 à plus de 150 000 Nm3/h destinées à fournir les réseaux d’hydrogène destinés aux unités industrielles du pétrole, de la pétrochimie et de la chimie.These consumptions of a few hundred to a few thousand Nm3/h should be compared to industrial units of 50,000 to more than 150,000 Nm3/h intended to supply the hydrogen networks intended for industrial units in the petroleum, petrochemical and chemistry.
La teneur en impuretés de l’hydrogène issu d’un PSA n’est pas parfaitement constante au cours d’un cycle. De façon générale, la teneur en une impureté descend à son minimum quelques instants après le début d’une nouvelle phase d’adsorption puis remonte progressivement jusqu’en fin de phase. La forme et l’amplitude de ces fluctuations dépendent du type de cycle utilisé et des conditions opératoires.The content of impurities in hydrogen from a PSA is not perfectly constant during a cycle. In general, the content of an impurity drops to its minimum a few moments after the start of a new adsorption phase and then gradually rises until the end of the phase. The shape and amplitude of these fluctuations depend on the type of cycle used and the operating conditions.
Néanmoins, il est déjà difficile de récupérer une petite fraction de la production qui aurait deux fois moins d’impureté que la moyenne et aller au-delà ne parait pas réaliste.Nevertheless, it is already difficult to recover a small fraction of the production which would have half as much impurity as the average and going beyond that does not seem realistic.
On a donc été conduit à étudier la possibilité d’ajouter une épuration à l’aval d’un PSA H2 qui permettrait à meilleur coût d’améliorer la pureté de l’hydrogène produit par le PSA.We were therefore led to study the possibility of adding purification downstream of a PSA H2 which would make it possible to improve the purity of the hydrogen produced by the PSA at a lower cost.
L’optimisation consiste alors à trouver la teneur en sortie du PSA qui conduit au meilleur compromis du système PSA avec épuration en aval.The optimization then consists in finding the PSA output content which leads to the best compromise of the PSA system with downstream purification.
Un certain nombre de solutions ont été étudiées et certaines utilisées industriellement.A number of solutions have been studied and some used industrially.
Pour une majorité d’applications électroniques, en particulier dans la fabrication de semi-conducteurs, les impuretés résiduelles dans l’hydrogène doivent être largement en dessous du ppm.For a majority of electronic applications, in particular in the manufacture of semiconductors, the residual impurities in hydrogen must be well below ppm.
Le taux de rebut des circuits ou puces élaborés à partir de cet hydrogène et d’autres composés actifs dépend directement de la pureté de ces gaz. Un procédé largement référencé consiste à traiter le débit d’hydrogène issu du PSA dans une épuration cryogénique au niveau de l’azote liquide (-196°C). Il s’agit d’une unité d’épuration par adsorption utilisant gel de silice, charbon actif ou zéolite comme adsorbants. On obtient des teneurs résiduelles en impuretés de l’ordre du ppb.The scrap rate of circuits or chips made from this hydrogen and other active compounds depends directly on the purity of these gases. A widely referenced process consists in treating the flow of hydrogen from the PSA in cryogenic purification at the level of liquid nitrogen (-196°C). It is an adsorption purification unit using silica gel, activated carbon or zeolite as adsorbents. Residual impurity levels of the order of one ppb are obtained.
L’épuration peut comprendre un ou deux adsorbeurs suivant les besoins de l’unité de fabrication électronique. Il s’agit là d’installations complexes, coûteuse en investissement et en frais opératoires (nécessité d’une fourniture d’azote liquide).Purification can include one or two adsorbers depending on the needs of the electronic manufacturing unit. These are complex installations, costly in terms of investment and operating costs (need for a supply of liquid nitrogen).
D’autres procédés cryogéniques utilisent des adsorbants type hopcalite, et des zéolites échangées au lithium ou à l’argent.Other cryogenic processes use hopcalite type adsorbents, and zeolites exchanged with lithium or silver.
L’ajout d’une unité de perméation a été envisagé dès lors qu’on ne recherche plus le ppb mais des teneurs de l’ordre du ppm.The addition of a permeation unit was considered since we are no longer looking for the ppb but for levels of the order of ppm.
La solution la plus immédiate est l’utilisation de membranes sélectives pour l’hydrogène vis-à-vis de l’azote, du CO, du CH4. On peut ainsi extraire du flux d’hydrogène sortant du PSA, une fraction ayant une pureté améliorée. Les perméateurs utilisés à cette fin doivent être particulièrement bien réalisés afin d’éviter tout by-pass entre l’alimentation en haute pression et le gaz épuré récupéré en basse pression comme perméat.The most immediate solution is the use of membranes that are selective for hydrogen with respect to nitrogen, CO, CH4. It is thus possible to extract from the flow of hydrogen leaving the PSA, a fraction having an improved purity. The permeators used for this purpose must be particularly well made in order to avoid any bypass between the high pressure supply and the purified gas recovered at low pressure as permeate.
Un inconvénient de ce procédé est que l’on perd la pression sur la fraction épurée qui doit être recomprimée pour une utilisation sous pression. Un exemple d’épuration d’hydrogène en argon est décrit dans le document FR 2 758 475.A disadvantage of this process is that the pressure is lost on the purified fraction which must be recompressed for use under pressure. An example of hydrogen purification in argon is described in document FR 2 758 475.
Une variante consiste à utiliser une membrane à sélectivité hydrogène inverse, c'est-à-dire que les impuretés diffusent mieux à travers la membrane que l’hydrogène. Outre le fait que ce procédé est peu efficace par manque de sélectivité entre les différents constituants, c’est l’essentiel de la production du PSA qui se retrouverait en basse pression et seulement la partie épurée qui resterait en haute pression.A variant is to use a membrane with inverse hydrogen selectivity, i.e. impurities diffuse better through the membrane than hydrogen. In addition to the fact that this process is not very efficient due to lack of selectivity between the different constituents, it is the essential part of the production of PSA which would be found in low pressure and only the purified part which would remain in high pressure.
On peut rattacher à ce groupe les membranes métalliques à diffusion hydrogène. Une des plus connues est la membrane palladium. La pureté théorique de l’hydrogène est dans ce cas de 100%, seul ce constituant pouvant traverser la barrière que constitue la membrane. Les défauts majeurs résultent des niveaux élevés de température nécessaires, de la fragilité de la membrane et des risques de by-pass qui en résultent et dans son coût élevé.We can attach to this group the metallic membranes with hydrogen diffusion. One of the best known is the palladium membrane. The theoretical purity of hydrogen is in this case 100%, only this constituent being able to cross the barrier constituted by the membrane. The major defects result from the high levels of temperature required, the fragility of the membrane and the resulting risks of bypass and its high cost.
Un autre type d’unité installé à l’aval d’un PSA hydrogène est le réacteur catalytique.Another type of unit installed downstream of a hydrogen PSA is the catalytic reactor.
On peut ainsi diminuer assez simplement la teneur en oxygène par réaction avec l’hydrogène pratiquement à température ambiante.It is thus quite simple to reduce the oxygen content by reaction with hydrogen practically at room temperature.
Compte tenu de la forte teneur en hydrogène et de la grande réactivité, la teneur résiduelle en oxygène peut être très faible, de l’ordre du ppb.Given the high hydrogen content and the high reactivity, the residual oxygen content can be very low, in the order of ppb.
Pour ce faire, on utilisera des réacteurs de géométrie suffisamment sophistiquée pour éviter tout by-pass à la paroi du réacteur et tout chemin préférentiel. Ainsi par exemple, la charge de catalyseur sera fractionnée en deux ou trois lits séparés par des zones de mélange. Il est également recommandé d’augmenter la température de fonctionnement afin de favoriser la réaction.To do this, reactors of sufficiently sophisticated geometry will be used to avoid any by-pass at the wall of the reactor and any preferential path. Thus, for example, the catalyst charge will be split into two or three beds separated by mixing zones. It is also recommended to increase the operating temperature to promote the reaction.
Outre le coût du catalyseur, un inconvénient est bien sur la formation d’eau qui peut nécessiter l’installation d’un sécheur qui lui-même doit être cycliquement régénéré.In addition to the cost of the catalyst, a disadvantage is of course the formation of water which may require the installation of a dryer which itself must be regenerated cyclically.
Il n’en demeure pas moins que c’est un procédé encore utilisé.The fact remains that it is a process still used.
Le monoxyde de carbone étant un poison pour bon nombre de procédés, on s’est attaché à le supprimer de l’hydrogène et à le remplacer par un composé moins néfaste, le méthane.Since carbon monoxide is a poison for many processes, efforts have been made to remove it from hydrogen and replace it with a less harmful compound, methane.
Ceci se fait également par réaction catalytique dans des unités appelées méthanateurs.This is also done by catalytic reaction in units called methanators.
Là également, un des inconvénients est la formation d’un autre constituant à la place du CO.Again, one of the disadvantages is the formation of another constituent instead of CO.
Certaines unités ont été conçues pour piéger in situ le composé formé au lieu que ce dernier ne parte dans le flux hydrogène. On utilise par exemple un métal réduit qui va s’oxyder au contact d’une impureté telle que O2. Outre là encore, le risque de réaction directe sous forme H2O et l’entrainement dans le gaz de ce dernier constituant, il convient de réduire cycliquement le métal et ceci nécessite une procédure relativement complexe pour éviter les risques de pollution en particulier au redémarrage.Some units have been designed to trap the compound formed in situ instead of it leaving in the hydrogen flow. For example, a reduced metal is used which will oxidize on contact with an impurity such as O2. Besides here again, the risk of direct reaction in the form of H2O and entrainment in the gas of this last constituent, it is advisable to reduce the metal cyclically and this requires a relatively complex procedure to avoid the risks of pollution, in particular on restarting.
Lorsque la quantité d’hydrogène que l’on veut épurer est particulièrement faible, on peut utiliser des « getters », sorte de pièges chimiques fonctionnant par chimisorption que l’on doit remplacer régulièrement.When the quantity of hydrogen to be purified is particularly low, “getters” can be used, a type of chemical trap operating by chemisorption that must be replaced regularly.
Un lit de nickel suivi d’un lit d’un alliage Aluminium, Vanadium, Fer à température élevée est sensé produire en sortie de l’hydrogène ultra pur.A bed of nickel followed by a bed of an aluminum, vanadium, iron alloy at high temperature is supposed to produce ultra-pure hydrogen at the outlet.
D’autres procédés mettent en œuvre des métaux tels que Nickel, Zirconium, Titane…Other processes use metals such as Nickel, Zirconium, Titanium, etc.
Le coût en est prohibitif pour des débits au-delà de quelques dizaines de Nm3/h.The cost is prohibitive for flow rates beyond a few tens of Nm3/h.
En résumé, les procédés de purification destinés à être placés à l’aval d’un PSA H2 afin augmenter la pureté d’une fraction de l’hydrogène issu dudit PSA sont coûteux en investissement (métaux nobles, unités complexes…) et/ou énergie dès lors qu’il est par exemple nécessaire de compenser la chute de pression causé par le procédé.In summary, the purification processes intended to be placed downstream of an H2 PSA in order to increase the purity of a fraction of the hydrogen resulting from said PSA are costly in terms of investment (noble metals, complex units, etc.) and/or energy when, for example, it is necessary to compensate for the pressure drop caused by the process.
Souvent, ils ne permettent pas d’obtenir de très grande pureté (sélectivité insuffisante des membranes hydrogène, apparition d’autres espèces en catalyse…).Often, they do not make it possible to obtain very high purity (insufficient selectivity of hydrogen membranes, appearance of other species in catalysis, etc.).
La
En épurant tout ou une partie de flux 2, on peut ainsi obtenir :By purifying all or part of flow 2, we can thus obtain:
- de l’hydrogène (H2) ultra pur en haute pression 11 à l’aide d’une unité cryogénique à température de l’azote liquide 10,- ultra-pure hydrogen (H2) at high pressure 11 using a cryogenic unit at liquid nitrogen temperature 10,
- de l’hydrogène (H2) à haute pureté mais en moyenne ou basse pression 21 via une membrane sélective au H2 20,- hydrogen (H2) at high purity but at medium or low pressure 21 via an H2-selective membrane 20,
- de l’hydrogène (H2) épuré en au moins un constituant et en haute pression 31 via un réacteur type Déoxo ou NiO2 préalablement réduit ou un méthanateur 30,- hydrogen (H2) purified into at least one constituent and at high pressure 31 via a previously reduced Deoxo or NiO2 type reactor or a methanator 30,
- de l’hydrogène (H2) ultra pur et à haute pression 41 à l’aide d’une membrane métallique à haute température type Pd 40 ou en cas de faible débit de l’ordre de quelques dizaines de Nm3/h 51 via un getter 50.- ultra-pure, high-pressure hydrogen (H2) 41 using a high-temperature metallic membrane of the Pd 40 type or, in the event of a low flow rate of the order of a few tens of Nm3/h 51 via a getter 50.
On notera que l’unité de perméation 20 produit un résiduaire sous pression 22 riche en hydrogène qui peut être valorisé.It will be noted that the permeation unit 20 produces a residual under pressure 22 rich in hydrogen which can be recovered.
L’unité cryogénique 10 est très généralement une unité d’adsorption avec des temps de production longs, de l’ordre de plusieurs jours ou plusieurs semaines.The cryogenic unit 10 is very generally an adsorption unit with long production times, of the order of several days or several weeks.
L’hydrogène servant à la régénération, chargé en impuretés est alors habituellement envoyé à la torche.The hydrogen used for regeneration, loaded with impurities, is then usually sent to the torch.
Une adsorption à température cryogénique, correspondant donc à des capacités d’adsorption très importantes, permet de limiter la fréquence des régénérations et de rendre acceptable la perte en hydrogène.Adsorption at cryogenic temperature, corresponding therefore to very high adsorption capacities, makes it possible to limit the frequency of regenerations and to make the loss of hydrogen acceptable.
La présente invention consiste quant à elle à disposer à l’aval du PSA H2, une seconde unité d’épuration par adsorption à température ambiante, traitant seulement le débit nécessaire pour obtenir la production d’H2 ultra pur requise avec un agencement tel que l’inconvénient ci-dessus est totalement supprimé.The present invention consists in arranging downstream of the PSA H2, a second purification unit by adsorption at room temperature, treating only the flow rate necessary to obtain the production of ultra-pure H2 required with an arrangement such that the above drawback is totally removed.
L’invention diffère des divers procédés comportant deux unités en série pour l’arrêt successif d’impuretés différentes ou pour la production de gaz de composition notablement différente. On peut citer par exemple pour illustrer ce type de procédés, une unité de déshydratation suivie d’une unité destinée à arrêter des COV ou bien un enchainement de PSA destiné à produire d’une part une fraction enrichie en méthane et d’autre part une fraction enrichie en hydrogène. Il existe aussi des procédés d’enrichissement en un constituant présent en faible teneur dans le gaz d’alimentation comportant plusieurs unités en cascade mais dans ce cas il y a un seul flux de production (par exemple production d’argon, d’hélium…).The invention differs from the various processes comprising two units in series for the successive stopping of different impurities or for the production of gases of notably different composition. One can cite for example to illustrate this type of process, a dehydration unit followed by a unit intended to stop VOCs or else a sequence of PSA intended to produce on the one hand a fraction enriched in methane and on the other hand a hydrogen-enriched fraction. There are also enrichment processes in a constituent present in low content in the feed gas comprising several units in cascade but in this case there is a single production flow (for example production of argon, helium, etc. ).
La solution préconisée ici consistant à rajouter une épuration en série immédiatement à l’aval du PSA n’est à priori pas utilisée car comme on vient de le dire, comme toute unité de purification par adsorption, elle nécessite un gaz de régénération, ici de l’hydrogène, qui se retrouve en basse ou moyenne pression et/ou pollué par les impuretés retirées de la fraction épurée. Ce flux qui peut représenter de 10 à 50% du débit produit ultra pur obtenu est une perte qui devient rapidement inacceptable économiquement sauf recyclage. L’hydrogène étant produit à l’aval de l’unité de production, recyclage va normalement signifier moyen de compression dont le coût va généralement être très élevé par rapport à l’épurateur lui-même et ce d’autant qu’il faudra normalement éviter toute pollution à l’huile, et avoir une étanchéité extrême vis-à-vis de l’extérieur pour éviter tout risque d’inflammation.The solution recommended here consisting of adding purification in series immediately downstream of the PSA is not a priori used because, as we have just said, like any purification unit by adsorption, it requires a regeneration gas, here hydrogen, which is found at low or medium pressure and/or polluted by the impurities removed from the purified fraction. This flow, which can represent 10 to 50% of the ultra-pure product flow obtained, is a loss that quickly becomes economically unacceptable except for recycling. Hydrogen being produced downstream of the production unit, recycling will normally mean compression means, the cost of which will generally be very high compared to the purifier itself, especially since it will normally take avoid any oil pollution, and have extreme sealing vis-à-vis the outside to avoid any risk of ignition.
Une caractéristique importante de l’invention va consister à intégrer cette nouvelle unité d’adsorption dans l’unité globale de production d’hydrogène afin de profiter des équipements ou procédés déjà en place et d’éviter ainsi :An important characteristic of the invention will consist in integrating this new adsorption unit into the overall hydrogen production unit in order to take advantage of the equipment or processes already in place and thus avoid:
- soit tout investissement de compression propre à cette nouvelle unité qui serait nécessaire comme on vient de le voir, pour effectuer un recyclage des flux enrichis en impuretés ;either any compression investment specific to this new unit which would be necessary, as we have just seen, to carry out a recycling of the streams enriched in impurities;
- soit toute perte d’hydrogène vers un quelconque réseau fuel-gas.or any loss of hydrogen to any fuel-gas network.
On notera qu’installer une unité d’épuration finale sur de l’hydrogène à plus de 99% mole ne constitue pas une innovation en soi mais lorsque cette unité existe, elle est installée sur le lieu de conditionnement ou d’utilisation de l’hydrogène et non sur le site de la production qui, dans le cas de distribution par pipe-line peut alors être très éloigné. Il n’y a donc pas dans ce cas d’intégration possible avec l’unité de production.It should be noted that installing a final purification unit on hydrogen at more than 99 mol% does not constitute an innovation in itself, but when this unit exists, it is installed at the place of conditioning or use of the hydrogen and not on the production site which, in the case of pipeline distribution, can then be very far away. In this case, there is therefore no possible integration with the production unit.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé d’ultra-purification d’une fraction de l’hydrogène issu d’un PSA H2 compris dans une unité de production d’hydrogène destinée à fournir principalement de l’hydrogène à 99+% mole, au moyen d’une unité A, caractérisé en ce que :The present invention aims to effectively remedy these drawbacks by proposing a process for the ultra-purification of a fraction of the hydrogen resulting from a PSA H2 included in a hydrogen production unit intended to supply mainly hydrogen at 99+% mole, by means of an A unit, characterized in that:
- l’unité est une unité de purification par adsorption à température ambiante, appelée également par la suite « unité d’adsorption »,the unit is a purification unit by adsorption at room temperature, also called hereafter "adsorption unit",
- la fraction épurée au moyen de l’unité représente moins de 50% de la production de l’unité H, préférentiellement une fraction comprise entre 1% et 25%,the fraction purified by means of the unit represents less than 50% of the production of unit H, preferably a fraction between 1% and 25%,
- la fraction résiduaire enrichie en impuretés issue de la dite unité retourne dans l’unité de production d’hydrogène pour y être entièrement valorisée sans mise en œuvre d’un quelconque moyen de compression propre à ce procédé d’ultra-purification.the residual fraction enriched in impurities from said unit returns to the hydrogen production unit to be fully recovered there without the use of any compression means specific to this ultra-purification process.
On rappelle que par hydrogène à 99+%, on entend de l’hydrogène à une pureté minimale de 99% mole et par procédé ou unité d’ultra-purification, un procédé ou une unité qui permet d’améliorer la pureté de l’hydrogène issu du PSA. Par unité de production d’hydrogène, on entend un ensemble d’équipements permettant de récupérer ou produire des flux contenant de l’hydrogène puis de les épurer pour obtenir une fraction très riche en H2, ici d’une d’au moins 99% mole. Par opposition au flux directement issu du PSA, on appelle fraction épurée, le flux qui a été traité par l’unité d’ultra-purification. L’autre flux issu de l’unité contient les impuretés qui ont été arrêtées et l’hydrogène nécessaire à la régénération. Par entière valorisation de ce flux, on veut signifier qu’aucune molécule d’H2 n’est perdue mais que la totalité en est recyclée dans l’unité de production d’hydrogène. Ce recyclage est fait ici sans nécessiter d’installer une machine de compression. Cela signifie que l’hydrogène impur est injecté à un endroit adéquat de l’unité de production d’hydrogène en fonction de sa pression et de sa composition. On ne retient donc pas ici le fait que l’hydrogène résiduaire puisse être brûlé pour fournir une partie des besoins calorifiques.It is recalled that by hydrogen at 99+%, we mean hydrogen at a minimum purity of 99% mole and by ultra-purification process or unit, a process or a unit which makes it possible to improve the purity of the hydrogen from PSA. By hydrogen production unit, we mean a set of equipment making it possible to recover or produce flows containing hydrogen and then to purify them to obtain a fraction very rich in H2, here at least 99% mole. As opposed to the flow directly from the PSA, the purified fraction is the flow that has been treated by the ultra-purification unit. The other stream from the unit contains the impurities that have been stopped and the hydrogen needed for regeneration. By fully recovering this flow, we mean that no molecule of H2 is lost but that all of it is recycled in the hydrogen production unit. This recycling is done here without the need to install a compression machine. This means that the impure hydrogen is injected at an appropriate location in the hydrogen production unit depending on its pressure and composition. We therefore do not retain here the fact that the residual hydrogen can be burned to provide part of the calorific needs.
Par unité de purification à température ambiante, on entend que l’alimentation de cette unité se fait, en fonction des conditions climatiques locales dans la plage allant d’environ -10°C à +50°C, et ce par opposition aux épurations cryogéniques (T < -40°C) ou à température élevée (T > 150°C).By purification unit at ambient temperature, it is meant that the supply of this unit is done, according to the local climatic conditions in the range going from approximately -10°C to +50°C, and this as opposed to cryogenic purifications (T < -40°C) or at high temperature (T > 150°C).
Selon une réalisation, toutes les molécules d’hydrogène de la fraction résiduaire de l’unité sont réinjectées dans l’unité de production d’hydrogène à fin d’assurer la production requise.According to one embodiment, all the hydrogen molecules of the residual fraction of the unit are reinjected into the hydrogen production unit in order to ensure the required production.
Selon une réalisation, la pression de l’hydrogène épuré issu de l’unité est sensiblement la même (aux pertes de charge à travers l’unité d’adsorption près) que la pression de l’hydrogène issu du PSA H2 alimentant ladite unité.According to one embodiment, the pressure of the purified hydrogen from the unit is substantially the same (except for pressure drops across the adsorption unit) as the pressure of the hydrogen from the PSA H2 supplying said unit.
Selon une réalisation, le flux riche en hydrogène issu du PSA H2 de l’unité de production d’hydrogène comprend au moins un constituant X autre que l’hydrogène à une teneur Y (mole) et que la teneur en X dans l’hydrogène épuré produit par l’unité d’adsorption est alors inférieure ou égale à Y/5, préférentiellement à Y/10, encore préférentiellement inférieure ou égale à Y/50.According to one embodiment, the hydrogen-rich stream from the PSA H2 of the hydrogen production unit comprises at least one constituent X other than hydrogen at a content Y (mole) and that the content of X in the hydrogen purified product produced by the adsorption unit is then less than or equal to Y/5, preferably Y/10, even more preferably less than or equal to Y/50.
Selon une réalisation, le constituant X fait partie du groupe constitué par CO, CH4, N2, Ar, O2, préférentiellement le constituant X étant du CO et/ou du N2.According to one embodiment, constituent X is part of the group consisting of CO, CH4, N2, Ar, O2, preferably constituent X being CO and/or N2.
Selon une réalisation, le CO est présent à une teneur égale ou supérieure à 10 ppm dans l’hydrogène issu de et à une teneur inférieure ou égale à 0.5 ppm dans l’hydrogène épuré.According to one embodiment, the CO is present at a content equal to or greater than 10 ppm in the hydrogen resulting from and at a content less than or equal to 0.5 ppm in the purified hydrogen.
Selon une réalisation, la production d’hydrogène épuré peut être continue ou périodique suivant la demande ou le procédé d’épuration mis en œuvre.According to one embodiment, the production of purified hydrogen can be continuous or periodic depending on the demand or the purification process implemented.
Selon une réalisation, l’unité d’adsorption est une unité de type PSA.According to one embodiment, the adsorption unit is a PSA type unit.
Selon une réalisation, l’élution et/ou la repressurisation de l’unité est effectué au moins en partie par du gaz épuré issu de ladite unité.According to one embodiment, the elution and/or the repressurization of the unit is carried out at least in part by purified gas from said unit.
Selon une réalisation, le gaz résiduaire de l’unité est recyclé dans le PSA H2 comme gaz d’élution et/ou de repressurisation.According to one embodiment, the waste gas from the unit is recycled in the PSA H2 as elution and/or repressurization gas.
Selon une réalisation, l’unité d’adsorption est une unité de type TSA.According to one embodiment, the adsorption unit is a TSA type unit.
Selon une réalisation, le gaz utilisé pour la régénération de l’unité, pour l’étape de refroidissement et/ou l’étape de chauffage et/ou une éventuelle étape de repressurisation est une fraction du gaz épuré.According to one embodiment, the gas used for the regeneration of the unit, for the cooling step and/or the heating step and/or a possible repressurization step is a fraction of the purified gas.
Selon une réalisation, le gaz de régénération et d’éventuelle dépressurisation de l’unité est recyclé dans le PSA H2 comme gaz d’élution et/ou de repressurisation.According to one embodiment, the gas for regeneration and any depressurization of the unit is recycled in the PSA H2 as elution and/or repressurization gas.
Selon une réalisation, le gaz utilisé pour l’étape de chauffage de l’unité est une fraction du gaz issu du PSA H2 et en ce qu’elle est ensuite réinjectée dans la ligne de production issue du PSA H2 à l’aval du piquage alimentant l’unité.According to one embodiment, the gas used for the heating step of the unit is a fraction of the gas from the PSA H2 and in that it is then reinjected into the production line from the PSA H2 downstream of the tapping powering the unit.
L’invention concerne en outre une installation de production d’hydrogène comportant en série un PSA H2 et une unité d’ultra-purification par adsorption à température ambiante caractérisée en ce que :The invention also relates to a hydrogen production installation comprising in series a PSA H2 and an ultra-purification unit by adsorption at ambient temperature, characterized in that:
- l’unité traite une fraction minoritaire inférieure à 50% et préférentiellement de 1% à 25% du flux H2 issu du PSA,the unit treats a minority fraction of less than 50% and preferably 1% to 25% of the H2 flow from the PSA,
- au moins un des constituants présents dans le flux issu du PSA H2 a sa teneur divisée par au moins un facteur 5 en sortie de l’épuration,at least one of the constituents present in the flow from the PSA H2 has its content divided by at least a factor of 5 at the purification outlet,
- le gaz résiduaire chargé en impureté de ladite épuration est entièrement valorisé dans l’unité de production d’hydrogène, sans nécessiter un moyen de compression qui lui serait propre.the residual gas loaded with impurities from said purification is fully recovered in the hydrogen production unit, without requiring its own compression means.
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.The invention will be better understood on reading the following description and on examining the accompanying figures. These figures are given only by way of illustration but in no way limit the invention.
On a vu que l’unité d’ultra-purification permettait d’augmenter la pureté d’une fraction de l’hydrogène issu du PSA. On pourra par exemple avoir respectivement des teneurs de 99.9 % et 99 .995 ou des teneurs respectives de 99.995 et 99.999 ou encore 99.999 et 99.9999.We have seen that the ultra-purification unit makes it possible to increase the purity of a fraction of the hydrogen from the PSA. It is possible, for example, to have respectively contents of 99.9% and 99.995 or respective contents of 99.995 and 99.999 or even 99.999 and 99.9999.
L’augmentation de pureté peut également porter sur un seul constituant, par exemple obtenir de l’hydrogène avec moins de 50 ppm d’azote à partir d’une production principale en contenant 1000.The increase in purity can also relate to a single constituent, for example obtaining hydrogen with less than 50 ppm of nitrogen from a main production containing 1000.
Le principe de l’invention est représenté sur la
L’alimentation 1 de l’unité de production d’hydrogène P peut être une source contenant de l’hydrogène, tel un gaz résiduaire issu d’une unité pétrochimique, comprimée et/ou prétraitée dans l’unité S ou un hydrocarbure par exemple réformé à la vapeur dans l’unité S pour donner un gaz de synthèse (« syngas » en anglais) riche en hydrogène, ou encore par exemple du méthanol donnant également par réaction dans l’unité S un flux contenant de l’hydrogène.The feed 1 of the hydrogen production unit P can be a source containing hydrogen, such as a waste gas from a petrochemical unit, compressed and/or pretreated in the unit S or a hydrocarbon for example reformed with steam in the unit S to give a synthesis gas (“syngas” in English) rich in hydrogen, or even for example methanol also giving by reaction in the unit S a stream containing hydrogen.
Le résiduaire 30 de l’unité d’épuration finale A contient outre l’hydrogène les impuretés contenues dans la fraction 21 du gaz issu du PSA H envoyée vers l’unité A avec une teneur dépendant du facteur de concentration lié au fonctionnement de ladite unité.The residual 30 from the final purification unit A contains, in addition to the hydrogen, the impurities contained in the fraction 21 of the gas from the PSA H sent to the unit A with a content depending on the concentration factor linked to the operation of said unit. .
Sur ce schéma, on a fait figurer les différentes possibilités d’injection et de valorisation de ce résiduaire 30 : dans l’alimentation 1 de l’unité P via la ligne 35, au niveau de l’unité de prétraitement via la ligne 34, à l’amont du PSA H via la ligne 33 s’il existe déjà un moyen de compression, dans le PSA H via la ligne 32, dans la production principale d’hydrogène à 99+% mole via la ligne 31.This diagram shows the different possibilities for injecting and recovering this waste 30: in supply 1 of unit P via line 35, at the level of the pre-treatment unit via line 34, upstream of PSA H via line 33 if there is already a compression means, in PSA H via line 32, in the main production of hydrogen at 99+% mole via line 31.
On peut également s’il y a un intérêt réinjecter cette fraction en 2 endroits distincts en fonction de sa composition ou pression.We can also, if there is interest, reinject this fraction in 2 separate places depending on its composition or pressure.
L’hydrogène contenu dans la fraction 30 enrichie en impuretés issue de l’unité A retourne donc en totalité dans l’unité de production d’hydrogène P pour y être valorisée sans mise en œuvre d’un quelconque moyen de compression qui serait propre à ce recyclage.The hydrogen contained in the fraction 30 enriched in impurities from unit A therefore returns in full to the hydrogen production unit P to be recovered there without the use of any compression means which would be specific to this recycling.
Comme décrit, cela signifie alors que le gaz enrichi en impuretés va :As described, this then means that the impurity-enriched gas will:
- soit être utilisé dans un des équipements de l’unité de production d’hydrogène (P) à la pression de disponibilité en lieu et place ou en complément d’un autre flux du procédé, en particulier dans le PSA (H) ;either be used in one of the equipment of the hydrogen production unit (P) at the availability pressure instead of or in addition to another process stream, in particular in the PSA (H);
-
soit être injecté à l’aspiration ou à un étage intermédiaire d’un moyen de compression déjà existant dans l’unité de production d’hydrogène P (on a ainsi représenté trois compresseurs potentiels qui pourraient être utilisés à cette fin, les compresseurs étant représentés sous la forme d’un triangle sur la
- soit être produit sous pression et constituer la totalité ou une fraction de la production d’hydrogène la moins pure.or be produced under pressure and constitute all or a fraction of the least pure hydrogen production.
Quant à l’hydrogène épuré issu de l’unité A, sa pression va être sensiblement la même (aux pertes de charge à travers l’unité d’adsorption A près) que la pression de l’hydrogène issu du PSA H2 H alimentant ladite unité A. La différence de pression entre les 2 flux H2 peut être rendue inférieure à 50 mbar par exemple.As for the purified hydrogen from unit A, its pressure will be substantially the same (to the pressure drops through the adsorption unit A near) as the pressure of the hydrogen from the PSA H2 H supplying said unit A. The pressure difference between the 2 H2 streams can be reduced to less than 50 mbar for example.
Le flux riche en hydrogène issu du PSA H2 H de l’unité de production d’hydrogène P comprend au moins un constituant X autre que l’hydrogène à une teneur Y (mole) et la teneur en X dans l’hydrogène épuré produit par l’unité d’adsorption A est alors inférieure ou égale à Y/5, préférentiellement à Y/10, encore préférentiellement inférieure ou égale à Y/50. Le PSA aura donc été optimisé pour produire par exemple de l’hydrogène avec 50 ppm du constituant X, ce qui correspond à la demande du Client pour la majeure partie du flux alors que la spécification pour une fraction de la production d’hydrogène pourra être de 10ppm, 5PPM, voire inférieure à 1 ppm. Le rendement d’un PSA dimensionné pour produire de l’hydrogène avec une teneur en impureté X de 50ppm est sensiblement supérieur (un à deux points par exemple) à celui d’un PSA dimensionné pour une teneur inférieure au ppm.The hydrogen-rich stream from the PSA H2 H of the hydrogen production unit P comprises at least one constituent X other than hydrogen at a content Y (mole) and the content of X in the purified hydrogen produced by adsorption unit A is then less than or equal to Y/5, preferably Y/10, even more preferably less than or equal to Y/50. The PSA will therefore have been optimized to produce, for example, hydrogen with 50 ppm of constituent X, which corresponds to the Customer's request for the major part of the flow, whereas the specification for a fraction of the hydrogen production could be 10ppm, 5PPM, or even less than 1 ppm. The yield of a PSA sized to produce hydrogen with an impurity content X of 50ppm is significantly higher (one to two points for example) than that of a PSA sized for a content lower than one ppm.
Le constituant X fait partie du groupe constitué par le CO, CH4, N2, Ar, O2, préférentiellement le constituant X étant de l’azote et surtout du CO souvent présent à une teneur égale ou supérieure à 10 ppm dans l’hydrogène issu de H et à une teneur inférieure ou égale à 0.5 ppm dans l’hydrogène épuré.Constituent X is part of the group consisting of CO, CH4, N2, Ar, O2, preferably constituent X being nitrogen and especially CO often present at a content equal to or greater than 10 ppm in the hydrogen from H and at a content less than or equal to 0.5 ppm in the purified hydrogen.
Le CO est souvent incompatible avec certains procédés utilisateurs d’hydrogène et pour ces applications, les spécifications le concernant sont donc généralement les plus contraignantes. C’est donc ce constituant qui est souvent le constituant « dimensionnant » pour le PSA. Relâcher sa spécification permet de faire des économies sur l’unité de production d’H2 H.CO is often incompatible with certain hydrogen-using processes and for these applications, the specifications concerning it are therefore generally the most restrictive. It is therefore this constituent which is often the "dimensioning" constituent for the PSA. Relaxing its specification saves money on the H2H production unit.
La fraction d’hydrogène épuré issue de l’unité d’adsorption A représente moins de 50% de la quantité d’hydrogène issu du PSA H2 H de l’unité de Production d’hydrogène P, préférentiellement moins de 25%, encore préférentiellement moins de 10%. La majorité des applications potentielles se trouveront dans la plage allant de 1% à 25%.The fraction of purified hydrogen from the adsorption unit A represents less than 50% of the quantity of hydrogen from the PSA H2 H of the hydrogen production unit P, preferably less than 25%, even more preferably less than 10%. The majority of potential applications will be in the 1% to 25% range.
Les unités de production d’hydrogène les plus récentes fournissent généralement de très gros débit d’H2 soit pour des unités pétrochimiques où généralement, une teneur de 99.5 ou 99.9 % mole est suffisante, soit pour un réseau avec des teneurs de l’ordre de 99.99% et une contrainte sur le CO, généralement comprise entre 50 et 10ppm.The most recent hydrogen production units generally supply very large H2 flows either for petrochemical units where generally a content of 99.5 or 99.9 mol% is sufficient, or for a network with contents of the order of 99.99% and a constraint on CO, generally between 50 and 10ppm.
Les teneurs supérieures, 99.999 voire 99.9999+, ou présentant une contrainte particulière pour un constituant particulier, comme le CO, sont plutôt le fait d’unités particulières nécessitant quelques centaines ou quelques milliers de Nm 3/h ; Il peut aussi s’agir d’alimenter un centre de conditionnement (gaz en bouteilles ou cylindres) et là aussi les débits mis en jeu sont du même ordre.The higher contents, 99.999 or even 99.9999+, or presenting a particular constraint for a particular constituent, such as CO, are rather due to particular units requiring a few hundred or a few thousand Nm 3/h; It can also be a question of supplying a packaging center (gas in bottles or cylinders) and here too the flow rates involved are of the same order.
Les piles à combustible sont quant à elles également très sensibles au CO et ce constituant doit être inférieur au ppm pour assurer un fonctionnement suffisant.Fuel cells are also very sensitive to CO and this constituent must be lower than the ppm to ensure sufficient operation.
Par rapport à des unités produisant plus de 100 000 Nm3/h, la production de gaz pur peut ne représenter que quelques pourcents. Il est alors d’autant plus intéressant d’utiliser une unité de purification finale sur un petit débit et de produire l’essentiel du gaz juste à la spécification requise.Compared to units producing more than 100,000 Nm3/h, the production of pure gas may only represent a few percent. It is then all the more interesting to use a final purification unit on a small flow and to produce most of the gas just to the required specification.
On notera que la production d’hydrogène à haute pureté peut être continue ou périodique suivant la demande ou le procédé d’épuration mis en œuvre, la quantité d’hydrogène issu du PSA H2 H disponible variant alors en conséquence. Ce sera en particulier le cas si cet hydrogène alimente un centre de conditionnement ou sert à remplir des réservoirs roulant destinés à des clients particuliers.It should be noted that the production of high-purity hydrogen can be continuous or periodic depending on the request or the purification process implemented, the quantity of hydrogen from the PSA H2 H available then varying accordingly. This will be the case in particular if this hydrogen supplies a packaging center or is used to fill rolling tanks intended for private customers.
Selon une des variantes les plus fréquentes, l’unité de production d’hydrogène P comprend au moins une unité de production de gaz de synthèse, préférentiellement une unité de reformage à la vapeur d’hydrocarbures, et une unité PSA H2 et en ce que la fraction enrichie en impuretés issue de l’unité A est envoyé comme combustible dans l’unité de production de gaz de synthèse remplaçant ainsi du gaz naturel, et/ou comme gaz complémentaire à l’aspiration (ou à un étage intermédiaire) d’un compresseur de recyclage de gaz vers la ligne de gaz de procédé sous pression à l’amont du PSA H2 H.According to one of the most frequent variants, the hydrogen production unit P comprises at least one synthesis gas production unit, preferably a hydrocarbon steam reforming unit, and a PSA H2 unit and in that the fraction enriched in impurities from unit A is sent as fuel to the syngas production unit, thus replacing natural gas, and/or as complementary gas to the suction (or to an intermediate stage) of a gas recycling compressor to the pressurized process gas line upstream of the PSA H2 H.
Cette dernière solution va par exemple correspondre au cas où une partie du résiduaire du PSA est recyclé dans le gaz d’alimentation du PSA pour augmenter la production d’hydrogène, ce recyclage se faisant directement ou par l’intermédiaire d’une unité de perméation.This last solution will for example correspond to the case where part of the PSA residual is recycled in the PSA feed gas to increase the production of hydrogen, this recycling being done directly or via a permeation unit. .
Selon une autre variante, l’unité de production d’hydrogène P précédente comprend également une unité de capture au moins partielle du CO2 coproduit et la fraction enrichie en impuretés issue de l’unité A est alors recyclée au moyen d’un compresseur utilisé dans le cadre de cette capture.According to another variant, the preceding hydrogen production unit P also comprises a unit for at least partial capture of the co-produced CO2 and the fraction enriched in impurities from unit A is then recycled by means of a compressor used in the frame of this capture.
Lorsque ce que l’unité P de production est alimentée à partir d’une source de gaz contenant déjà de l’hydrogène disponible en quantité suffisante mais à une pression P1 inférieure à la pression P2 requise pour la production principale d’hydrogène, elle comprend entre autres équipements, un compresseur comprimant le gaz de la dite source au moins jusqu’à la pression d’alimentation du PSA H2 H et la fraction enrichie en impuretés issue de l’unité A, à une pression égale ou supérieure à P1, peut être envoyée comme gaz complémentaire à l’aspiration (ou à un étage intermédiaire) du compresseur.When the production unit P is supplied from a source of gas already containing hydrogen available in sufficient quantity but at a pressure P1 lower than the pressure P2 required for the main production of hydrogen, it comprises among other equipment, a compressor compressing the gas from said source at least up to the supply pressure of the PSA H2 H and the fraction enriched in impurities from unit A, at a pressure equal to or greater than P1, can be sent as complementary gas to the suction (or to an intermediate stage) of the compressor.
Ce sera généralement le cas quand la source brute d’hydrogène est le gaz résiduaire d’une unité d’électrolyse destinée à produire du chlore.This will generally be the case when the raw source of hydrogen is the waste gas from an electrolysis unit intended to produce chlorine.
On dispose alors à une pression P1 voisine de la pression atmosphérique d’un flux très riche en H2 mais contenant des traces de mercure, de chlore, d’oxygène (et d’azote) du fait d’entrée d’air, de micro poussière de sel. Une partie de ces impuretés est arrêtée dans un prétraitement situé avant et/ou après compression. La compression se fait en plusieurs étages jusqu’à la pression P2 et le gaz résiduaire de l’épuration A est alors injecté à l’aspiration ou à un inter-étage de ce compresseur.We then have at a pressure P1 close to atmospheric pressure a flow very rich in H2 but containing traces of mercury, chlorine, oxygen (and nitrogen) due to air ingress, micro salt dust. A part of these impurities is stopped in a pretreatment located before and/or after compression. The compression is done in several stages up to the pressure P2 and the waste gas from purification A is then injected at the suction or at an inter-stage of this compressor.
Comme décrit précédemment, l’unité d’ultra-purification A proposée ici est une unité de séparation de gaz par adsorption. L’adsorption permet en effet de pouvoir obtenir un arrêt quasi-total des impuretés résiduelles de l’hydrogène. Deux procédés sont susceptibles d’être utilisés : l’unité A peut être soit une unité de type PSA, soit une unité de type TSA.As described previously, the ultra-purification unit A proposed here is a gas separation unit by adsorption. Adsorption makes it possible to obtain an almost total stoppage of the residual impurities of hydrogen. Two processes are likely to be used: unit A can be either a PSA-type unit or a TSA-type unit.
L’homme du métier choisira la meilleure solution en fonction du débit à traiter, des impuretés à arrêter, du fonctionnement périodique ou continu de l’unité A d’ultra-purification, des possibilités de recyclage de la fraction H2 impur dans l’unité de production P.Those skilled in the art will choose the best solution depending on the flow to be treated, the impurities to be stopped, the periodic or continuous operation of the ultra-purification unit A, the possibilities of recycling the impure H2 fraction in the unit production p.
Un TSA sera probablement la meilleure solution en cas d’un faible débit à épurer, par exemple de quelques pourcents seulement du flux issu du PSA H, de fonctionnement discontinu. A l’inverse, on utilisera plutôt un PSA en cas de débit plus important, de fonctionnement en continu, d’une quantité conséquente d’impuretés à arrêter, par exemple si on doit diviser par 50 la teneur en une impureté.A TSA will probably be the best solution in the event of a low flow to be purified, for example only a few percent of the flow from the PSA H, in discontinuous operation. Conversely, a PSA will be used instead in the event of a higher flow rate, continuous operation, a substantial quantity of impurities to be stopped, for example if the content of an impurity must be divided by 50.
On a déjà décrit le fonctionnement d’une unité de type PSA.The operation of a PSA type unit has already been described.
Quant à elle, une unité de type TSA (pour Temperature Swing Adsorption) se caractérise par une étape d’adsorption à la pression du gaz d’alimentation à épurer et en une étape de régénération plus ou moins complexe mais faisant appel à une augmentation de température pour désorber les impuretés précédemment arrêtées par l’adsorbant généralement à température ambiante.As for a unit of the TSA (Temperature Swing Adsorption) type, it is characterized by an adsorption stage at the pressure of the feed gas to be purified and a more or less complex regeneration stage but calling for an increase in temperature to desorb the impurities previously stopped by the adsorbent generally at room temperature.
Le chauffage peut se faire à une pression quelconque, en particulier à une pression voisine de la pression d’adsorption (aux pertes de charge près) ou en basse pression, ce qui facilite la régénération. Dans ce dernier cas, le cycle TSA comporte alors une sous étape de dépressurisation (de la pression d’adsorption à la pression de régénération) et en fin de cycle une sous étape de repressurisation. Il y a en outre généralement une sous étape de refroidissement qui suit le chauffage.The heating can be done at any pressure, in particular at a pressure close to the adsorption pressure (within pressure drops) or at low pressure, which facilitates regeneration. In the latter case, the TSA cycle then includes a depressurization sub-step (from the adsorption pressure to the regeneration pressure) and at the end of the cycle a repressurization sub-step. There is also usually a cooling sub-step following the heating.
Le gaz résiduaire de l’unité A de type PSA ou le gaz de régénération- et d’éventuelle dépressurisation- de l’unité A de type TSA est recyclé préférentiellement dans le PSA H2 H, c'est-à-dire qu’on utilise le fait que le PSA H2 ait des étapes à des pressions variées entre la haute et la basse pression du cycle pour injecter le gaz chargé en impuretés issu de l’unité d’épuration A.The waste gas from PSA-type unit A or the gas for regeneration- and possible depressurization- of TSA-type unit A is preferentially recycled in the H2H PSA, i.e. uses the fact that the PSA H2 has stages at various pressures between the high and the low pressure of the cycle to inject the gas loaded with impurities from the purification unit A.
Préférentiellement, le gaz résiduaire de l’unité A de type PSA ou le gaz de régénération et d’éventuelle dépressurisation de l’unité A de type TSA est utilisé au moins en partie comme gaz d’élution du PSA H2 H.Preferably, the waste gas from unit A of the PSA type or the gas for regeneration and possible depressurization of the unit A of the TSA type is used at least in part as the elution gas of the PSA H2H.
Le gaz résiduaire de l’unité A de type PSA ou le gaz de régénération (et d’éventuelle dépressurisation) de l’unité A de type TSA peut être également utilisé au moins en partie comme gaz de repressurisation du PSA H2 H.The waste gas from PSA-type unit A or the regeneration (and possible depressurization) gas from TSA-type unit A can also be used, at least in part, as repressurization gas for the PSA H2H.
Par repressurisation, on entend ici les étapes dites de repressurisation elles-mêmes mais aussi éventuellement les étapes d’équilibrage.By repressurization, we mean here the so-called repressurization steps themselves but also possibly the balancing steps.
Lorsqu’on fait le choix d’une unité de type PSA pour l’unité de purification A, on va de préférence choisir un cycle simple, favorisant l’investissement. Compte tenu que l’on réutilise et valorise d’une façon ou d’une autre le résiduaire de ladite unité A, le rendement de cette dernière unité est secondaire.When choosing a PSA type unit for purification unit A, it is preferable to choose a simple cycle, favoring investment. Given that the waste from said unit A is reused and recovered in one way or another, the performance of this latter unit is secondary.
De la sorte, l’élution de l’unité A de type PSA est effectué au moins en partie par du gaz épuré issu de ladite unité A.In this way, the elution of unit A of the PSA type is carried out at least in part by purified gas from said unit A.
De même, la repressurisation de l’unité A de type PSA est faite au moins en partie par du gaz épuré.Similarly, the repressurization of unit A of the PSA type is done at least in part by purified gas.
L’unité A de type PSA peut comprendre de 1 à 6 adsorbeurs, préférentiellement de 1 à 4 adsorbeurs.Unit A of the PSA type can comprise from 1 to 6 adsorbers, preferably from 1 to 4 adsorbers.
En variante, l’unité A peut comprendre autant d’adsorbeurs que l’unité PSA H2 principale. Cela peut faciliter de la sorte son intégration dans le système de contrôle-commande ou même son intégration physique dans l’adsorbeur principal. Ce point sera détaillé au niveau des exemples.As a variant, unit A can comprise as many adsorbers as the main PSA H2 unit. This can facilitate its integration into the control-command system or even its physical integration into the main adsorber. This point will be detailed in the examples.
L’unité A de type PSA contient un matériau adsorbant comprenant au moins un des adsorbants du groupe alumine activée, gel de silice, charbon, zéolite et parmi les zéolites préférentiellement les zéolites échangées de type A ou X telles que CaX, CaLSX, LiX, LilSX, BaX, BaLSX ainsi que des zéolites échangées à l’argent et/ou au cuivre.The PSA type unit A contains an adsorbent material comprising at least one of the adsorbents of the activated alumina, silica gel, charcoal, zeolite group and among the zeolites preferentially the exchanged zeolites of type A or X such as CaX, CaLSX, LiX, LilSX, BaX, BaLSX as well as silver and/or copper exchanged zeolites.
Le gaz utilisé pour la régénération de l’unité A de type TSA, pour l’étape de refroidissement et/ou l’étape de chauffage est généralement une fraction du gaz épuré mais en variante, le gaz utilisé pour l’étape de chauffage de l’unité A de type TSA peut être une fraction du gaz issu du PSA H2 H qui est ensuite réinjectée dans la ligne de production issue du PSA H2 H.The gas used for the regeneration of the TSA type unit A, for the cooling step and/or the heating step is generally a fraction of the purified gas but alternatively, the gas used for the heating step of the TSA type unit A can be a fraction of the gas from the PSA H2 H which is then reinjected into the production line from the PSA H2 H.
Le chauffage se fait alors sous pression.The heating then takes place under pressure.
Le gaz utilisé pour la repressurisation éventuelle de l’unité A de type TSA est une fraction du gaz épuré.The gas used for possible repressurization of unit A of the TSA type is a fraction of the purified gas.
L’unité A de type TSA comporte de 1 à 3 adsorbeurs, préférentiellement 2 adsorbeurs.Unit A of the TSA type comprises 1 to 3 adsorbers, preferably 2 adsorbers.
L’unité A de type TSA contient un matériau adsorbant comprenant au moins un des adsorbants du groupe alumine activée, gel de silice, charbon, zéolite A et/ou X et parmi les zéolites, préférentiellement les zéolites échangées CaX, CaLSX, LiX, LilSX, BaX, BaLSX ainsi que des zéolites échangées à l’argent et/ou au cuivre.Unit A of the TSA type contains an adsorbent material comprising at least one of the adsorbents of the activated alumina group, silica gel, carbon, zeolite A and/or X and among the zeolites, preferentially the exchanged zeolites CaX, CaLSX, LiX, LilSX , BaX, BaLSX as well as silver and/or copper exchanged zeolites.
Le procédé selon l’invention va être à présent expliqué en détail à partir des exemples suivants.The method according to the invention will now be explained in detail based on the following examples.
La
L’unité de production d’hydrogène P comprend une source S d’hydrogène impur sous pression 1 qui peut être une unité de production de gaz de synthèse ou de prétraitement et compression d’un gaz résiduaire d’une unité pétrochimique qui fournit le gaz d’alimentation 10 à l’unité PSA H2 H,2 qui produit l’hydrogène 20 de pureté 99+%, qui après filtration éventuelle à un seuil inférieur à 50 microns à travers le filtre 3 alimentera 27, 28 le réseau hydrogène 90. Ce débit 28 représente ici 90% du débit issu du PSA H et correspond à une première spécification de l’hydrogène de teneur en CO inférieure ou égale à 10ppm autorisant un rendement d’extraction H2 du PSA H de 89.5% très proche du rendement maximum atteignable.The hydrogen production unit P comprises a source S of pressurized impure hydrogen 1 which can be a unit for the production of synthesis gas or for the pretreatment and compression of a waste gas from a petrochemical unit which supplies the gas supply 10 to the PSA H2 H,2 unit which produces hydrogen 20 of 99+% purity, which after possible filtration to a threshold below 50 microns through filter 3 will supply 27, 28 the hydrogen network 90. This flow 28 here represents 90% of the flow from the PSA H and corresponds to a first specification of the hydrogen with a CO content less than or equal to 10 ppm allowing an H2 extraction yield from the PSA H of 89.5% very close to the maximum yield attainable.
L’unité P produit également 10% d’hydrogène avec une deuxième spécification correspondant à une teneur maximale en CO de 0.5ppm et injecté via 24 dans le réseau ultra-pur 100.Unit P also produces 10% hydrogen with a second specification corresponding to a maximum CO content of 0.5ppm and injected via 24 into the ultra-pure network 100.
Cette épuration secondaire A est effectuée par une unité TSA 4 comportant dans cet exemple, trois adsorbeurs : 41 en phase d’épuration, 42 en phase de régénération-chauffage et 43 en phase de refroidissement.This secondary purification A is carried out by a TSA 4 unit comprising, in this example, three adsorbers: 41 in the purification phase, 42 in the regeneration-heating phase and 43 in the cooling phase.
Un débit correspondant à 13% du débit total d’hydrogène issu du PSA H est soutiré via la ligne 21. La majorité de ce débit (10% du débit issu du PSA H) est dirigé via la ligne 22 vers l’adsorbeur 41 à travers lequel il est épuré de sorte que la teneur résiduelle en CO soit inférieure à 0.5 ppm.A flow corresponding to 13% of the total flow of hydrogen from PSA H is withdrawn via line 21. The majority of this flow (10% of the flow from PSA H) is directed via line 22 to adsorber 41 at through which it is purified so that the residual CO content is less than 0.5 ppm.
Ce débit passe par la ligne 23 et refroidit l’adsorbeur 43 préalablement régénéré. En sortie, ce flux constitue l’hydrogène ultra-pur et via la ligne 24 rejoint le réseau client Haute Pureté 100.This flow passes through line 23 and cools the previously regenerated adsorber 43. At the output, this flow constitutes ultra-pure hydrogen and via line 24 joins the High Purity 100 customer network.
Les 3% restant d’hydrogène prélevé de la production du PSA H passent via la ligne 25 à travers le réchauffeur 5 puis régénère à une température de l’ordre de 80 / 120°C l’adsorbeur 42 préalablement saturé lors du temps de phase précédent. Le gaz chargé en impuretés, principalement en CO dans cet exemple, est réinjecté, via la ligne 26 dans l’essentiel de la production du PSA H et l’ensemble constitue la production principale d’hydrogène (90% du débit du PSA) qui rejoint le réseau hydrogène H2 90. La perte de charge du circuit de régénération/chauffage est très faible et la réinjection dans le flux principal va être généralement énergétiquement gratuite. C’est d’autant plus vrai que normalement l’hydrogène issu du PSA H est filtré (à 50 µ ou moins) et que ce filtre 3 cause des pertes de charge sur la ligne directe de production 27 supérieures à celles du circuit de régénération permettant la circulation du débit requis à travers l’unité d’adsorption A.The remaining 3% of hydrogen taken from the production of PSA H passes via line 25 through heater 5 then regenerates at a temperature of the order of 80/120°C adsorber 42 previously saturated during the phase time previous. The gas loaded with impurities, mainly CO in this example, is reinjected, via line 26, into most of the PSA H production and the whole constitutes the main production of hydrogen (90% of the PSA flow) which joins the H2 90 hydrogen network. The pressure drop of the regeneration/heating circuit is very low and the reinjection into the main flow will generally be energetically free. This is all the more true as normally the hydrogen from the PSA H is filtered (to 50 μ or less) and this filter 3 causes pressure drops on the direct production line 27 greater than those of the regeneration circuit allowing the required flow rate to flow through adsorption unit A.
Le flux dérivé est quant à lui filtré dans les filtres intégrés aux adsorbeurs 44, 45, 46.The diverted flow is filtered in the filters integrated into the adsorbers 44, 45, 46.
Le débit de régénération ne représentant que 30% du débit d’adsorption (et de refroidissement), on comprend que les pertes de charge soient négligeables.The regeneration flow representing only 30% of the adsorption (and cooling) flow, it is understandable that the pressure drops are negligible.
Pour produire 1000 Nm3/h d’hydrogène ultra-pur, on a estimé qu’il faudrait dans ce cas installer trois adsorbeurs d’environ 3 m3, pour un temps de phase de 150 minutes. L’investissement et la consommation énergétique sont nettement plus faibles que ceux d’une épuration cryogénique, d’une membrane métallique et plus généralement de tout système demandant l’adjonction d’un compresseur.To produce 1000 Nm3/h of ultra-pure hydrogen, it was estimated that in this case it would be necessary to install three adsorbers of about 3 m 3 , for a phase time of 150 minutes. The investment and energy consumption are significantly lower than those of cryogenic purification, a metal membrane and more generally any system requiring the addition of a compressor.
Il convient également de faire un certain nombre de remarques :A number of remarks should also be made:
- Si le PSA H produisait de l’hydrogène à une teneur exactement de 10 ppm, la production principale aurait une teneur de l’ordre de 11ppm du fait de l’épuration complémentaire ; il faut donc dans ce cas que le PSA produise avec une teneur en CO de 9 ppm pour respecter la spécification de pureté. Cela ne change pas en pratique le gain qu’on peut attendre d’une épuration par adsorption additionnelle en comparaison d’une production à 0.5 ppm pour la totalité du débit ; le calcul de la pureté requise en sortie du PSA H en fonction des puretés et débits respectifs de l’hydrogène 99+% et de l’hydrogène ultra-pur est évident et ne sera ici pas plus détaillé ;If the PSA H produced hydrogen at a content of exactly 10 ppm, the main production would have a content of around 11 ppm due to the additional purification; in this case, therefore, the PSA must produce with a CO content of 9 ppm to meet the purity specification. In practice, this does not change the gain that can be expected from purification by additional adsorption compared to production at 0.5 ppm for the entire flow; the calculation of the purity required at the PSA H outlet according to the respective purities and flow rates of 99+% hydrogen and ultra-pure hydrogen is obvious and will not be further detailed here;
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- Il peut exister des cycles discontinus avec un seul adsorbeur enchaînant successivement les différentes phases, des cycles à 2 adsorbeurs avec une phase d’adsorption et une phase de chauffage / refroidissement ; de même, le refroidissement peut s’effectuer avec seulement une partie du flux épuré ; si les pertes de charge le permettent, le flux de régénération peut successivement refroidir un adsorbeur puis chauffer le dernier ; en pratique, on peut utiliser un quelconque des cycles TSA connus dans la littérature.There may be discontinuous cycles with a single adsorber successively linking the different phases, cycles with 2 adsorbers with an adsorption phase and a heating/cooling phase; similarly, the cooling can be carried out with only part of the purified flow; if the pressure drops allow it, the regeneration flow can successively cool an adsorber then heat the last one; in practice, any of the TSA cycles known in the literature can be used.
On signalera en variante (
L’épuration additionnelle pourra dans ce cas se faire à la pression P2 et le débit de régénération 26 être injecté à l’aspiration du compresseur à la pression P1 (ou éventuellement à une pression inter-étage), voire à l’entrée du PSA H respectivement via les lignes en pointillés 60 ou 61.The additional purification can in this case be done at the pressure P2 and the regeneration flow 26 be injected at the suction of the compressor at the pressure P1 (or possibly at an inter-stage pressure), or even at the inlet of the PSA H respectively via the dotted lines 60 or 61.
Le point commun de l’exemple et des variantes citées est :The common point of the example and the variants quoted is:
- que le PSA H est dimensionné sur la pureté la moins contraignante, en prenant éventuellement en compte la présence des impuretés retirées du flux épuré, c'est-à-dire avec les meilleures performances possibles, par exemple 89.5 % de rendement d’extraction, au lieu d’un rendement de l’ordre de 87% ou moins si l’hydrogène devait être produit à 0.5 ppm de CO ; etthat the PSA H is sized on the least restrictive purity, possibly taking into account the presence of impurities removed from the purified flow, that is to say with the best possible performance, for example 89.5% extraction yield, instead of a yield of the order of 87% or less if the hydrogen were to be produced at 0.5 ppm of CO; and
- que l’hydrogène servant à la régénération du TSA est entièrement utilisé, conduisant à zéro perte.that the hydrogen used for the regeneration of the TSA is fully used, leading to zero losses.
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L’unité de production d’hydrogène P comprend une unité de production de gaz de synthèse 1 qui fournit le gaz d’alimentation 10 à l’unité PSA H2 H qui produit l’hydrogène 20 qui après filtration éventuelle à un seuil inférieur à 50 microns alimentera le réseau 90 hydrogène 99+% via le flux 28.The hydrogen production unit P comprises a synthesis gas production unit 1 which supplies the feed gas 10 to the PSA H2 H unit which produces the hydrogen 20 which, after optional filtration, at a threshold below 50 microns will feed the 90 grid with 99+% hydrogen via stream 28.
Ce débit représente 90% du débit issu du PSA H et correspond à une première spécification de l’hydrogène de teneur en CO inférieure ou égale à 10ppm autorisant un rendement d’extraction H2 du PSA H de 89.5% (on appelle rendement d’extraction, ou plus simplement rendement, le rapport de la quantité d’hydrogène compté pur contenue dans la production sur la quantité d’hydrogène contenue dans le gaz d’alimentation).This flow represents 90% of the flow from the PSA H and corresponds to a first specification of the hydrogen with a CO content less than or equal to 10 ppm allowing an H2 extraction yield from the H PSA of 89.5% (the extraction yield is called , or more simply efficiency, the ratio of the quantity of pure counted hydrogen contained in the production to the quantity of hydrogen contained in the feed gas).
L’unité P produit également 10% d’hydrogène avec une deuxième spécification correspondant à une teneur maximale en CO de 0.5ppm et injecté via 24 dans le réseau ultra-pur 100.Unit P also produces 10% hydrogen with a second specification corresponding to a maximum CO content of 0.5ppm and injected via 24 into the ultra-pure network 100.
Cette épuration complémentaire est effectuée par une unité TSA 4 comportant deux adsorbeurs : 47 en phase d’épuration et 48 en phase de régénération, dont on ne détaillera pas ici le fonctionnement.This additional purification is carried out by a TSA 4 unit comprising two adsorbers: 47 in the purification phase and 48 in the regeneration phase, the operation of which will not be detailed here.
Le résiduaire de cette épuration est produit en basse pression via la ligne 26.The waste from this treatment is produced at low pressure via line 26.
Le recyclage de ce flux dans l’unité de gaz de synthèse 1 peut se faire de différentes façons.The recycling of this stream in the syngas unit 1 can be done in different ways.
Dans une variante préférentielle, le flux de résiduaire est recyclé dans le flux de gaz principal (appelé aussi « gaz process ») entre l’alimentation du SMR 11 et l’entrée du PSA H en profitant d’un moyen de compression existant.In a preferred variant, the residual flow is recycled in the main gas flow (also called "process gas") between the supply of the SMR 11 and the inlet of the PSA H by taking advantage of an existing compression means.
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Le perméat 80 enrichi en hydrogène est réinjecté à l’entrée du PSAH permettant d’augmenter la production d’hydrogène. Dans ce cas, le résiduaire de l’unité d’adsorption 4, le flux 26 est injecté à l’aspiration du compresseur 7.The hydrogen-enriched 80 permeate is reinjected at the PSAH inlet, increasing hydrogen production. In this case, the residual from the adsorption unit 4, the stream 26 is injected at the suction of the compressor 7.
Via le perméat 80 de la membrane, il rejoint alors l’entrée du PSA H.Via the permeate 80 of the membrane, it then joins the inlet of the PSA H.
On notera que ce procédé de recyclage du résiduaire du PSAH existe aussi sans utilisation du perméateur 8.It will be noted that this PSAH residual recycling process also exists without using the permeator 8.
Dans ce cas, seule une fraction du résiduaire est recyclée de la sorte, le reste constituant la purge. Ce type de procédé est décrit par exemple dans les documents FR 2682611 B1 ou EP 1023934 B1.In this case, only a fraction of the residual is recycled in this way, the remainder constituting the purge. This type of process is described for example in the documents FR 2682611 B1 or EP 1023934 B1.
Le point important est qu’il existe alors un compresseur et que ce dernier peut être utilisé pour recycler l’hydrogène résiduaire de l’épuration complémentaire A.The important point is that there is then a compressor and that the latter can be used to recycle the residual hydrogen from the complementary purification A.
On notera dans le deuxième exemple que l’unité de purification finale par adsorption peut aussi bien être une unité de type PSA, le flux 26 correspondant alors au résiduaire de ce PSA et que les PSA H comportant la recycle directe d’une fraction du résiduaire ou la recycle via une unité de perméation sont particulièrement favorables à la réinjection du résiduaire de l’épuration complémentaire A même produit en basse pression et donc à la production d’une fraction H2 ultra-pure à côté de la production principale d’hydrogène.It will be noted in the second example that the final purification unit by adsorption can also be a unit of the PSA type, the stream 26 then corresponding to the residual of this PSA and that the PSA H comprising the direct recycling of a fraction of the residual or recycles it via a permeation unit are particularly favorable for the reinjection of the residual from the additional purification A, the same product at low pressure and therefore for the production of an ultra-pure H2 fraction alongside the main production of hydrogen.
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Dans ce troisième exemple, l’unité de production d’hydrogène P comprend une unité de capture du CO2.In this third example, the hydrogen production unit P includes a CO2 capture unit.
Parmi le grand nombre de schémas proposés, on a retenu, pour décrire l’intégration de l’unité d’adsorption 4 selon l’invention, celui correspondant au brevet EP 2 432 732 B1. Le résiduaire du PSA H est comprimé via le compresseur 11 avant d’être envoyé à l’entrée du PSA CO2 12. Le gaz appauvri en CO2 15 passe à travers la membrane 18 ; le gaz enrichi en hydrogène, côté perméat est envoyé au second compresseur 26 et est injecté à l’amont du PSA H.Among the large number of diagrams proposed, to describe the integration of the adsorption unit 4 according to the invention, the one corresponding to patent EP 2 432 732 B1 has been retained. The residual PSA H is compressed via the compressor 11 before being sent to the inlet of the PSA CO2 12. The CO2-depleted gas 15 passes through the membrane 18; the hydrogen-enriched gas, on the permeate side, is sent to the second compressor 26 and is injected upstream of the PSA H.
Avec ce schéma de capture du CO2, le résiduaire de l’unité d’adsorption 4 peut être injecté préférentiellement en basse ou moyenne pression selon le procédé de l’ultra-épuration à l’aspiration du compresseur 26 via la ligne 30 ou éventuellement en basse pression à l’aspiration du compresseur 11 via la ligne 31. Dans ce dernier cas, l’hydrogène réinjecté va traverser en étant non adsorbé le PSA CO2 puis va perméer dans la membrane 18.With this CO2 capture scheme, the residual from the adsorption unit 4 can be injected preferentially at low or medium pressure according to the ultra-purification process at the suction of the compressor 26 via the line 30 or possibly by low pressure at the suction of compressor 11 via line 31. In the latter case, the reinjected hydrogen will pass through the PSA CO2 while being unadsorbed and then will permeate into the membrane 18.
Dans une autre variante, ledit résiduaire de l’unité complémentaire d’adsorption A est injecté à l’aspiration du compresseur 21 via la ligne 32 puis va rejoindre l’alimentation de l’unité de réformage à la vapeur produisant le gaz de synthèse riche en hydrogène.In another variant, said residual from the complementary adsorption unit A is injected into the suction of the compressor 21 via line 32 and then joins the supply of the steam reforming unit producing the rich synthesis gas in hydrogen.
De façon générale, les unités de capture du CO2 comprennent au moins une des unités du groupe : boîte froide cryogénique, PSA, membrane sélective H2, membrane sélective CO2, et le plus souvent au moins deux de ces unités.In general, the CO2 capture units comprise at least one of the units of the group: cryogenic cold box, PSA, H2-selective membrane, CO2-selective membrane, and most often at least two of these units.
Quel que soit le schéma, il existe un compresseur permettant de recycler de façon utile le résiduaire de l’unité d’adsorption 4 et ce même s’il est disponible en basse pression.Whatever the diagram, there is a compressor making it possible to recycle the residual material from the adsorption unit 4 in a useful way, even if it is available at low pressure.
On pourra noter que dans quelques cas, l’unité de capture du CO2 est placée à l’amont du PSA H comme décrit par exemple dans le document US 8746009 B2.It may be noted that in some cases, the CO2 capture unit is placed upstream of the PSA H as described for example in document US 8746009 B2.
Dans ces cas également, il existe un compresseur autorisant le recyclage du résiduaire de l’épuration finale 4.In these cases too, there is a compressor allowing the recycling of the residual from the final purification 4.
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On s’est limité à représenter sur la
L’unité 4 qu’on suppose ici du type PSA comporte un adsorbeur repéré 4j lui-même en phase d’élution.Unit 4, assumed here to be of the PSA type, comprises an adsorber marked 4j itself in the elution phase.
Le gaz d’élution de l’adsorbeur 4j provient d’un autre adsorbeur 4k en phase de fourniture de gaz d’élution lors de sa dépressurisation à co-courant.The elution gas from adsorber 4j comes from another adsorber 4k in the phase of supplying elution gas during its co-current depressurization.
Selon le principe de l’invention, le gaz en sortie de l’adsorbeur 4j va être utilisé pour assurer au moins en partie l’élution de l’adsorbeur 2i et rentrer de la sorte dans le cycle normal du PSA H.According to the principle of the invention, the gas at the outlet of the adsorber 4j will be used to ensure at least in part the elution of the adsorber 2i and thus return to the normal cycle of the PSA H.
On notera que l’on peut choisir un cycle très simple pour le PSA 4 car le rendement importe peu dans ce cas. L’hydrogène perdu au niveau de l’unité 4 est utilisé dans l’unité amont H. Le PSA correspondant à l’unité d’épuration finale 4 pourra ainsi avoir de 2 à 4 adsorbeur, voire un seul adsorbeur si la production d’hydrogène ultra-pur peut être discontinue. L’élution peut se faire, dans les cycles les plus simples, avec une fraction de l’hydrogène ultra-pur. Suivant la complexité du PSA (et donc son coût), on pourra obtenir des rendements d’extraction en gaz ultra-pur de 90 à environ 50%.It should be noted that a very simple cycle can be chosen for the PSA 4 because the yield does not matter in this case. The hydrogen lost at the level of unit 4 is used in the upstream unit H. The PSA corresponding to the final purification unit 4 may thus have from 2 to 4 adsorber, or even a single adsorber if the production of ultra-pure hydrogen can be discontinuous. The elution can be done, in the simplest cycles, with a fraction of ultra-pure hydrogen. Depending on the complexity of the PSA (and therefore its cost), ultra-pure gas extraction yields of 90 to around 50% can be obtained.
On notera également :We will also note:
- que l’on peut réinjecter de la même manière le résiduaire d’une épuration finale qui serait de type TSA ;that we can reinject in the same way the waste from a final purification which would be of the TSA type;
- qu’en fonction de la pression de ce résiduaire (de l’unité d’épuration finale de type PSA ou TSA), on peut le faire participer au moins en partie à la repressurisation d’au moins un adsorbeur de l’unité PSA H, conjointement ou en remplacement de former du gaz d’élution ;that depending on the pressure of this residual (from the final purification unit of the PSA or TSA type), it can be made to participate at least in part in the repressurization of at least one adsorber of the PSA H unit , together or in lieu of forming eluting gas;
- que le rendement d’extraction de l’unité complémentaire A n’étant pas fondamental puisque tout l’hydrogène perdu à ce niveau est recyclé, des cycles PSA rapides (RPSA), c'est-à-dire avec des temps de cycle de l’ordre de la minute ou des PSA ultra rapide (VRPSA) avec des temps de cycle de quelques secondes, en particulier des PSA rotatifs peuvent être avantageusement envisagés ;that the extraction yield of the complementary unit A not being fundamental since all the hydrogen lost at this level is recycled, rapid PSA cycles (RPSA), that is to say with cycle times of the order of a minute or ultra-rapid PSAs (VRPSAs) with cycle times of a few seconds, in particular rotary PSAs can advantageously be envisaged;
- que pour la même raison, dans le cas de TSA, on pourrait se permettre des débits de régénération plus élevés que la coutume, par exemple des débits de l’ordre de 50% du gaz d’alimentation de ladite unité et par là utiliser des cycles courts, par exemple des temps de cycle (épuration + régénération) de moins d’une heure.that for the same reason, in the case of TSA, one could afford higher regeneration flow rates than usual, for example flow rates of the order of 50% of the supply gas of said unit and therefore use short cycles, for example cycle times (purification + regeneration) of less than one hour.
L’intérêt des deux derniers points cités est évidemment une réduction de la taille de l’unité d’adsorption complémentaire A et par là de l’investissement correspondant.The advantage of the last two points mentioned is obviously a reduction in the size of the additional adsorption unit A and therefore in the corresponding investment.
Comme déjà explicité, le point commun de ces exemples et des variantes citées est :As already explained, the common point of these examples and the variants cited is:
- que le PSA H est dimensionné sur la pureté la moins contraignante, en prenant en compte si nécessaire la présence des impuretés retirées du flux épuré et éventuellement réinjectées dans le flux principal, c'est-à-dire avec les meilleures performances possibles, par exemple d’au moins 89.5 % de rendement d’extraction , au lieu d’un rendement de l’ordre de 87% et moins si l’hydrogène devait être produit à 0.5 ppm de CO ;that the PSA H is sized on the least restrictive purity, taking into account if necessary the presence of impurities removed from the purified stream and possibly reinjected into the main stream, that is to say with the best possible performance, for example at least 89.5% extraction yield, instead of a yield of the order of 87% and less if the hydrogen were to be produced at 0.5 ppm of CO;
- que l’hydrogène servant à la régénération du TSA 4 ou l’hydrogène constituant le résiduaire du PSA 4 est entièrement utilisé dans l’unité de production d’hydrogène, conduisant à zéro pertes ;that the hydrogen used for the regeneration of TSA 4 or the hydrogen constituting the residue of PSA 4 is entirely used in the hydrogen production unit, leading to zero losses;
- qu’en cas de recyclage nécessitant une augmentation de la pression du résiduaire de l’unité d’ultra-purification A, celui-ci est effectué en utilisant un moyen de compression existant évitant ainsi un investissement important. Ce sera en particulier le cas dans les unités où une partie du résiduaire du PSA H2 est recyclé à l’entrée dudit PSA H2, directement ou via une unité de perméation, dans le cas ou ce résiduaire est recyclé à l’alimentation même de l’unité de production d’hydrogène ; c’est également le cas des unités de production d’hydrogène avec capture même partielle du CO2 coproduit.that in the event of recycling requiring an increase in the pressure of the residual from the ultra-purification unit A, this is carried out using an existing compression means, thus avoiding a significant investment. This will be the case in particular in units where part of the residual PSA H2 is recycled at the inlet of said PSA H2, directly or via a permeation unit, in the case where this residual is recycled to the very supply of the hydrogen production unit; this is also the case for hydrogen production units with even partial capture of the co-produced CO2.
Les Figures 7a et 7b représentent une intégration particulière de l’unité d’épuration finale A de type PSA correspondant au quatrième exemple.Figures 7a and 7b represent a particular integration of the final purification unit A of the PSA type corresponding to the fourth example.
Le matériau adsorbant de ladite épuration (par exemple le lit 40i) est placé à la partie supérieure des adsorbeurs du PSA H2 H (par exemple au-dessus du lit 20i).The adsorbent material of said purification (for example bed 40i) is placed at the upper part of the PSA H2H adsorbers (for example above bed 20i).
Les flux principaux entrent et sortent via la sortie intermédiaire s1.The main streams enter and leave via the intermediate output s1.
L’hydrogène ultra pur est produit en tête via s2.Ultra-pure hydrogen is produced at the top via s2.
Cette tubulure sert également à faire une élution et une repressurisation par de l’hydrogène ultra-pur de la zone de tête.This tubing is also used to perform elution and repressurization by ultra-pure hydrogen of the head zone.
Une telle configuration permet d’éviter la nécessité d’avoir une seconde unité par adsorption mais le fonctionnement global est un peu plus complexe. En pratique, seulement une partie des adsorbeurs du PSA H pourrait être ainsi modifiés.Such a configuration avoids the need for a second adsorption unit, but the overall operation is a little more complex. In practice, only part of the PSA H adsorbers could be modified in this way.
La régulation la plus simple consiste à installer un lit additionnel par adsorbeur principal, à soutirer le gaz ultra-pur des adsorbeurs en production, à laisser se dérouler naturellement les étapes de dépressurisation et à injecter un débit de gaz ultra-pur pendant la remontée en pression afin d’éviter que du gaz venant de s1 ou de l’adsorbeur principal ne remonte dans la partie additionnelle.The simplest regulation consists of installing an additional bed per main adsorber, drawing off the ultra-pure gas from the adsorbers in production, letting the depressurization stages take place naturally and injecting a flow of ultra-pure gas during the rise in pressure in order to prevent gas coming from s1 or the main adsorber from rising in the additional part.
Le couplage de deux PSA est connu de l’homme de l’Art et les divers moyens et/ou procédés que l’on peut mettre en œuvre pour produire les deux fractions requises ne vont pas être plus détaillés ici.The coupling of two PSAs is known to those skilled in the art and the various means and/or processes that can be implemented to produce the two required fractions will not be further detailed here.
Le débit d’hydrogène ultra-pur étant généralement plus faible que le débit à 99+%, la section de tête peut être réduite comme représenté à la
L’adsorbant 40i peut être sous la forme de contacteur (monolithe, roue, etc.).The adsorbent 40i can be in the form of a contactor (monolith, wheel, etc.).
On rappelle en conclusion que le principe de l’invention se limite ici à la production d’hydrogène mais qu’il pourrait s’appliquer à d’autres gaz, en particulier pour la fourniture d’une fraction ultra-pure d’argon, d’hélium ou de gaz divers dès lors que la fraction à purifier ne représente qu’une faible fraction de la production totale, en particulier de l’ordre de 1 à 25%.
It is recalled in conclusion that the principle of the invention is limited here to the production of hydrogen but that it could be applied to other gases, in particular for the supply of an ultra-pure fraction of argon, helium or various gases when the fraction to be purified represents only a small fraction of the total production, in particular of the order of 1 to 25%.
Claims (2)
- l’unité (A) est une unité de purification par adsorption à température ambiante,
- la fraction épurée au moyen de l’unité (A) représente moins de 50% de la production de l’unité (H), préférentiellement une fraction comprise entre 1% et 25%,
- la fraction résiduaire enrichie en impuretés issue de la dite unité (A) retourne dans l’unité de production d’hydrogène (P) pour y être entièrement valorisée sans mise en œuvre d’un quelconque moyen de compression propre à ce procédé d’ultra-purification.
- unit (A) is a room temperature adsorption purification unit,
- the fraction purified by means of unit (A) represents less than 50% of the production of unit (H), preferably a fraction of between 1% and 25%,
- the residual fraction enriched in impurities from said unit (A) returns to the hydrogen production unit (P) to be fully recovered there without the use of any compression means specific to this ultra -purification.
- l’unité (A) traite une fraction minoritaire inférieure à 50% et préférentiellement de 1% à 25% du flux H2 issu du PSA (H),
- au moins un des constituants présents dans le flux issu du PSA H2 (H) a sa teneur divisée par au moins un facteur 5 en sortie de l’épuration (A),
- le gaz résiduaire chargé en impureté de ladite épuration (A) est entièrement valorisé dans l’unité de production d’hydrogène, sans nécessiter un moyen de compression qui lui serait propre.
- unit (A) processes a minority fraction of less than 50% and preferably 1% to 25% of the H2 stream from the PSA (H),
- at least one of the constituents present in the flow from the PSA H2 (H) has its content divided by at least a factor of 5 at the purification outlet (A),
- the residual gas charged with impurity from said purification (A) is fully recovered in the hydrogen production unit, without requiring a compression means of its own.
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---|---|---|---|
FR2109946A FR3120232B3 (en) | 2021-09-22 | 2021-09-22 | Ultra-purification process of a fraction of hydrogen from a PSA H2 |
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FR2109946A FR3120232B3 (en) | 2021-09-22 | 2021-09-22 | Ultra-purification process of a fraction of hydrogen from a PSA H2 |
FR2109946 | 2021-09-22 |
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