FR3120546A3 - Method for treating a gas by pressure swing adsorption with low elution ratio - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression au moyen d’une unité comportant au moins quatre bouteilles, l’unité traitant un gaz d’alimentation à une pression inférieure à 14 bara, le procédé mettant en œuvre une pression d’élution supérieure à 0,8 bara, avec un ratio d’élution P/F strictement inférieur à 1. Figure d’abrégé : Fig. 1The invention relates to a process for treating a gas by means of pressure swing adsorption by means of a unit comprising at least four cylinders, the unit treating a feed gas at a pressure below 14 bara, the process implements an elution pressure greater than 0.8 bara, with an elution ratio P/F strictly less than 1. Figure of abstract: FIG. 1

Description

Procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression à faible ratio d’élutionProcess for treating a gas by pressure swing adsorption with low elution ratio

La présente invention concerne un procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression (PSA, pour « Pressure Swing Adsorption ») notamment pour produire un flux gazeux enrichi à partir d’un flux gazeux d’alimentation, et plus particulièrement les unités de traitement de gaz par adsorption à modulation de pression (unité PSA) mettant en œuvre au moins 4 adsorbeurs (ou bouteilles).The present invention relates to a process for treating a gas by pressure swing adsorption (PSA, for "Pressure Swing Adsorption") in particular to produce an enriched gaseous stream from a gaseous supply stream, and more particularly the gas treatment units by pressure modulation adsorption (PSA unit) implementing at least 4 adsorbers (or cylinders).

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec des PSA H2, O2 ou CO2.The invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application with PSAs H2, O2 or CO2.

De manière générale, un procédé par adsorption en phase gazeuse permet de séparer une ou plusieurs molécules d’un mélange gazeux les contenant, en exploitant la différence d’affinité d’un ou plusieurs adsorbants pour les différentes molécules constitutives du mélange. L’affinité d’un adsorbant pour une molécule dépend d’une part de la structure et la composition de l’adsorbant et d’autre part des propriétés de la molécule, en particulier sa taille, sa structure électronique et ses moments multipolaires. Un adsorbant peut être par exemple une zéolite, un charbon actif, une alumine activée éventuellement dopée, un gel de silice, un tamis moléculaire carboné, une structure métallo-organique, un oxyde ou hydroxyde de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ou une structure poreuse contenant de préférence une substance capable de réagir réversiblement avec les molécules, substance telle que amines, solvants physique, complexants métalliques, oxydes ou hydroxydes métalliques par exemple.In general, a gas phase adsorption process makes it possible to separate one or more molecules from a gas mixture containing them, by exploiting the difference in affinity of one or more adsorbents for the different constituent molecules of the mixture. The affinity of an adsorbent for a molecule depends on the one hand on the structure and the composition of the adsorbent and on the other hand on the properties of the molecule, in particular its size, its electronic structure and its multipolar moments. An adsorbent can be for example a zeolite, an activated carbon, an optionally doped activated alumina, a silica gel, a carbonaceous molecular sieve, a metallo-organic structure, an oxide or hydroxide of alkali or alkaline-earth metals, or a structure porous preferably containing a substance capable of reversibly reacting with molecules, substance such as amines, physical solvents, metal complexing agents, metal oxides or hydroxides for example.

Les matériaux adsorbants les plus classiques sont sous forme de particules (billes, bâtonnets, concassés…) mais existent également sous forme structurée tels les monolithes, roues, contacteurs à passages parallèle, tissus, fibres…The most classic adsorbent materials are in the form of particles (beads, sticks, crushed, etc.) but also exist in structured form such as monoliths, wheels, contactors with parallel passages, fabrics, fibers, etc.

On peut distinguer 3 grandes familles de procédé par adsorption : les procédés à charge perdue, les procédés à modulation de température appelés TSA (Température Swing Adsorption) et enfin les procédés PSA (Pressure Swing Adsorption).We can distinguish 3 main families of adsorption process: lost charge processes, temperature modulation processes called TSA (Temperature Swing Adsorption) and finally PSA (Pressure Swing Adsorption) processes.

Dans les procédés à charge perdue, on met en place une nouvelle charge lorsque celle en cours d’utilisation est saturée par les impuretés ou plus généralement quand elle ne peut plus jouer son rôle de protection de manière suffisante.In lost charge processes, a new charge is placed when the one in use is saturated with impurities or more generally when it can no longer play its protective role sufficiently.

Dans les procédés de type TSA, l’adsorbant en fin d’utilisation est régénéré in situ, c'est-à-dire que les impuretés arrêtées sont évacuées afin que le dit adsorbant récupère l’essentiel de ses capacités d’adsorption et puisse recommencer un cycle d’épuration, l’effet de régénération essentiel étant dû à une élévation de température.In TSA-type processes, the adsorbent at the end of its use is regenerated in situ, i.e. the arrested impurities are evacuated so that the said adsorbent recovers most of its adsorption capacity and can restart a purification cycle, the essential regeneration effect being due to a rise in temperature.

Enfin, dans les procédés de type PSA, l’adsorbant en fin de phase de production est régénéré par la désorption des impuretés obtenue au moyen d’une baisse de leur pression partielle. Cette baisse de pression peut être obtenue par une baisse de la pression totale et/ ou par balayage avec un gaz exempt ou contenant peu d’impuretés.Finally, in PSA-type processes, the adsorbent at the end of the production phase is regenerated by the desorption of the impurities obtained by means of a drop in their partial pressure. This pressure drop can be obtained by lowering the total pressure and/or by flushing with a gas that is free or contains few impurities.

Les procédés par adsorption modulée en pression sont utilisés aussi bien pour éliminer des traces d’impuretés, par exemple de teneur inférieure à un pourcent dans le gaz d’alimentation, que pour séparer des mélanges contenant des dizaines de pourcents de différents gaz. Dans le premier cas, on parle généralement d’épuration (par exemple un séchage de gaz) et de séparation dans le second cas (par exemple une production d’oxygène ou d’azote à partir d’air atmosphérique).Pressure swing adsorption processes are used both to remove traces of impurities, for example with a content of less than one percent in the feed gas, and to separate mixtures containing tens of percent of different gases. In the first case, we generally speak of purification (for example gas drying) and separation in the second case (for example production of oxygen or nitrogen from atmospheric air).

Dans le cadre de la présente invention, on désigne par le terme PSA, tout procédé d’épuration ou de séparation de gaz mettant en œuvre une variation cyclique de la pression que voit l’adsorbant entre une pression haute, dite pression d’adsorption, et une pression basse, dite pression de régénération. Ainsi, cette appellation générique de PSA est employée indifféremment pour désigner les procédés cycliques suivants, auxquels il est aussi courant de donner des noms plus spécifiques en fonction des niveaux de pression mis en jeu ou du temps nécessaire à un adsorbeur pour revenir à son point initial (temps de cycle) :In the context of the present invention, the term PSA designates any gas purification or separation process implementing a cyclic variation of the pressure seen by the adsorbent between a high pressure, called adsorption pressure, and a low pressure, called regeneration pressure. Thus, this generic name of PSA is used interchangeably to designate the following cyclic processes, to which it is also common to give more specific names depending on the pressure levels involved or the time required for an adsorber to return to its initial point (cycle time) :

  • les procédés VSA dans lesquels l’adsorption s’effectue sensiblement à la pression atmosphérique, préférentiellement entre 0.95 et 1.25 bar abs et la pression de désorption est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement de 50 à 400 mbar abs ;VSA processes in which the adsorption takes place substantially at atmospheric pressure, preferably between 0.95 and 1.25 bar abs and the desorption pressure is below atmospheric pressure, typically from 50 to 400 mbar abs;
  • les procédés MPSA ou VPSA dans lesquels l’adsorption s’effectue à une pression haute supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 1.5 et 6 bar abs, et la désorption à une pression basse inférieure à la pression atmosphérique, généralement comprise entre 200 et 600 mbar abs ;MPSA or VPSA processes in which the adsorption takes place at a high pressure above atmospheric pressure, typically between 1.5 and 6 bar abs, and the desorption at a low pressure below atmospheric pressure, generally between 200 and 600 mbar abs;
  • les procédés PSA proprement dits dans lesquels la pression haute est sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 3 et 50 bar abs et la pression basse sensiblement égale ou supérieure à la pression atmosphérique, généralement entre 1 et 9 bar abs ;actual PSA processes in which the high pressure is substantially greater than atmospheric pressure, typically between 3 and 50 bar abs and the low pressure substantially equal to or greater than atmospheric pressure, generally between 1 and 9 bar abs;
  • les procédés RPSA (Rapid PSA) pour lesquels la durée du cycle de pression est typiquement inférieure à la minute ;RPSA (Rapid PSA) processes for which the duration of the pressure cycle is typically less than one minute;
  • les procédés URPSA (Ultra Rapid PSA) pour lesquels la durée du cycle de pression est de l’ordre de quelques secondes maximum.URPSA (Ultra Rapid PSA) processes for which the duration of the pressure cycle is of the order of a few seconds maximum.

Il convient de noter que ces diverses appellations ne sont pas standardisées et que les limites sont sujettes à variation.It should be noted that these various designations are not standardized and the limits are subject to variation.

On rappelle que sauf avis contraire, l’utilisation du terme PSA recouvre ici toutes ces variantes.It is recalled that unless otherwise stated, the use of the term PSA here covers all these variants.

Un adsorbeur va donc commencer une période d’adsorption jusqu’à ce qu’il soit chargé dans le ou les constituants à arrêter à la pression haute puis va être régénéré par dépressurisation et extraction des composés adsorbés avant d’être remis en état pour recommencer une nouvelle période d’adsorption. L’adsorbeur a alors effectué un cycle de pression et le principe même du procédé PSA est d’enchaîner ces cycles les uns après les autres ; il s’agit donc d’un procédé cyclique. Le temps que met un adsorbeur pour revenir dans son état initial est appelé temps de cycle. Par principe, chaque adsorbeur suit le même cycle avec un décalage temporel qu’on appelle temps de phase ou plus simplement phase. On a donc la relation : temps de phase = temps de cycle / nombre d’adsorbeurs. On voit que le nombre de phases est égal au nombre d’adsorbeurs.An adsorber will therefore begin a period of adsorption until it is loaded with the constituent(s) to be stopped at high pressure, then will be regenerated by depressurization and extraction of the adsorbed compounds before being restored to start again. a new period of adsorption. The adsorber then carried out a pressure cycle and the very principle of the PSA process is to chain these cycles one after the other; it is therefore a cyclical process. The time it takes for an adsorber to return to its initial state is called cycle time. In principle, each adsorber follows the same cycle with a time shift called phase time or more simply phase. We therefore have the relationship: phase time = cycle time / number of adsorbers. We see that the number of phases is equal to the number of adsorbers.

Ce cycle comporte généralement des périodes parmi :This cycle generally includes periods among:

  • Production ou Adsorption au cours de laquelle le gaz d’alimentation est introduit par une des extrémités de l’adsorbeur, les composés les plus adsorbables sont adsorbés préférentiellement et le gaz enrichi en composés les moins adsorbables (gaz produit) est extrait par la seconde extrémité. L’adsorption peut se faire à pression montante, à pression sensiblement constante, voire à pression légèrement descendante ;Production or Adsorption during which the feed gas is introduced through one end of the adsorber, the most adsorbable compounds are preferentially adsorbed and the gas enriched in the least adsorbable compounds (product gas) is extracted through the second end . Adsorption can take place at rising pressure, at substantially constant pressure, or even at slightly falling pressure;
  • Dépressurisation au cours de laquelle l’adsorbeur qui n’est plus alimenté en gaz d’alimentation est évacué par au moins une de ses extrémités d’une partie des composés contenus dans l’adsorbant et les volumes libres. En prenant comme référence le sens de circulation du fluide en période d’adsorption, on peut définir des dépressurisations à co-courant, à contre-courant ou simultanément à co-courant et contre-courant ;Depressurization during which the adsorber, which is no longer supplied with feed gas, is evacuated by at least one of its ends of some of the compounds contained in the adsorbent and the free volumes. By taking as a reference the direction of circulation of the fluid during the adsorption period, it is possible to define co-current, counter-current or simultaneously co-current and counter-current depressurizations;
  • Elution ou Purge, au cours de laquelle un gaz enrichi en les constituants les moins adsorbables (gaz de purge) circule à travers le lit d’adsorbant afin d’aider à la désorption des composés les plus adsorbables. La Purge se fait généralement à contre-courant ;Elution or Purge, during which a gas enriched in the less adsorbable constituents (purge gas) is circulated through the adsorbent bed to help desorb the more adsorbable compounds. The Purge is generally done against the tide;
  • Repressurisation au cours de laquelle l’adsorbeur est au moins partiellement repressurisé avant de reprendre une période d’Adsorption. La repressurisation peut se faire à contre-courant et/ou à co-courant ;Repressurization during which the adsorber is at least partially repressurized before resuming a period of Adsorption. The repressurization can be done counter-current and/or co-current;
  • Temps mort au cours de laquelle l’adsorbeur reste dans le même état. Ces temps morts peuvent faire partie intégrante du cycle, permettant la synchronisation d’étapes entre adsorbeurs ou faire partie d’une étape qui s’est terminée avant le temps imparti. Les vannes peuvent être fermées ou rester en l’état, selon les caractéristiques du cycle.Dead time during which the adsorber remains in the same state. These dead times can be an integral part of the cycle, allowing the synchronization of steps between adsorbers or be part of a step that ended before the allotted time. The valves can be closed or left as they are, depending on the characteristics of the cycle.

Dans les cycles PSA, il est d’usage courant d’utiliser une ou des étape(s) d’alimentation-élution consistant à dépressuriser à co-courant une bouteille afin de fournir le gaz utilisé pour éluer une ou plusieurs autres bouteilles du PSA.In PSA cycles, it is common practice to use one or more feed-elution step(s) consisting of co-current depressurizing a bottle in order to supply the gas used to elute one or more other bottles from the PSA .

Il est connu que la quantité de gaz d’élution prélevée au cours des étapes d’alimentation-élution impacte les performances du procédé. Il est classique d’utiliser le ratio d’élution P/F qui est le rapport, en mètres cubes réels, c’est-à-dire dans les conditions opératoires respectives de pression et de température, de la quantité de gaz d’élution utilisée P sur la quantité de gaz d’alimentation F entrée dans l’adsorbeur pendant le cycle. De nombreux documents indiquent que le ratio d’élution P/F doit être supérieur à 1 pour obtenir un gaz produit substantiellement pur.It is known that the amount of elution gas sampled during the feed-elution steps impacts the performance of the process. It is conventional to use the elution ratio P/F which is the ratio, in real cubic meters, that is to say under the respective operating conditions of pressure and temperature, of the quantity of elution gas used P on the amount of feed gas F entering the adsorber during the cycle. Many documents state that the P/F elution ratio must be greater than 1 to achieve substantially pure product gas.

On peut citer par exemple « Pressure Swing Adsorption » de Ruthven, Farooq et Knaebel (chapitre 6.1.4) qui indique un minimum théorique de P/F égal à 1 et une valeur minimum recommandée de 1,15 dans le cas d’un PSA sécheur d’air.We can cite for example "Pressure Swing Adsorption" by Ruthven, Farooq and Knaebel (chapter 6.1.4) which indicates a theoretical minimum of P/F equal to 1 and a recommended minimum value of 1.15 in the case of a PSA air dryer.

On peut citer en outre « Adsorption Technology and Design » de Crittenden et Thomas (chapitre 5.7) qui recommande un ratio P/F entre 1 et 2 pour les PSA en général.We can also cite “Adsorption Technology and Design” by Crittenden and Thomas (chapter 5.7) which recommends a P/F ratio between 1 and 2 for PSAs in general.

Des ratios P/F sont souvent utilisés dans la littérature avec des définitions différentes.P/F ratios are often used in the literature with different definitions.

Par exemple, le document US5248321 appelle P/F le rapport du débit molaire d’élution sur celui d’alimentation. Le P/F estimé selon notre définition reste légèrement inférieur à 1, mais il s’agit d’un procédé VSA avec régénération sous vide poussé (0,03 bara).For example, document US5248321 calls P/F the ratio of the molar rate of elution to that of supply. The P/F estimated according to our definition remains slightly lower than 1, but it is a VSA process with regeneration under high vacuum (0.03 bara).

Le document US8901359 décrit un procédé de séchage d’éthanol de l’art antérieur avec un P/F typique de 0,07 et explique que la valeur recommandée est généralement proche de 1, mais que le ratio P/F est limité par le temps disponible pour l’étape d’élution dans un cycle PSA à 2 ou 3 bouteilles.US8901359 describes a prior art ethanol drying process with a typical P/F of 0.07 and explains that the recommended value is usually close to 1, but the P/F ratio is time limited. available for the elution step in a 2 or 3 bottle PSA cycle.

Le document US8901359 consiste à augmenter le ratio P/F à une valeur proche de 1 en augmentant le temps alloué à l’élution afin d’améliorer la performance du procédé de séchage.The document US8901359 consists in increasing the P/F ratio to a value close to 1 by increasing the time allocated to the elution in order to improve the performance of the drying process.

Il en découle que, dans le cas d’un PSA avec au moins 4 bouteilles où le temps alloué à l’élution peut être plus grand, un P/F d’environ 1 donnerait de meilleures performances.It follows that, in the case of a PSA with at least 4 bottles where the time allocated to elution can be greater, a P/F of around 1 would give better performance.

Dans certains cas de séparation à réaliser, comprimer le gaz à séparer à une pression élevée représente un coût énergétique prohibitif (élimination du CO2 dans un gaz de haut fourneau). Il est alors préférable de concevoir un PSA fonctionnant à moyenne pression. Dans ce cas, la contrainte de maintenir un ratio P/F supérieur à 1 induit une limitation des performances. En effet, le volume réel correspondant à une même quantité (massique ou molaire) de gaz d’alimentation est inversement proportionnel à la pression, ce qui conduit automatiquement dès lors qu’on utilise une pression de fonctionnement plus basse, à même ratio P/F et à pression d’élution constante, à augmenter en proportion le débit d’élution. Ce débit supplémentaire de gaz d’élution correspond à une perte de produit valorisable qui part avec le résiduaire.In certain cases of separation to be carried out, compressing the gas to be separated to a high pressure represents a prohibitive energy cost (elimination of CO2 in a blast furnace gas). It is then preferable to design a PSA operating at medium pressure. In this case, the constraint of maintaining a P/F ratio greater than 1 induces a limitation in performance. Indeed, the real volume corresponding to the same quantity (mass or molar) of supply gas is inversely proportional to the pressure, which leads automatically when a lower operating pressure is used, at the same ratio P/ F and at constant elution pressure, to increase the elution rate proportionally. This additional flow of elution gas corresponds to a loss of recoverable product which leaves with the residual.

Dans le cas d’un gaz de haut fourneau dont on souhaite retirer du CO2, on a étudié les performances d’un PSA à 8 bouteilles et 2 équilibrages à différentes pressions et P/F.In the case of a blast furnace gas from which we want to remove CO2, we studied the performance of a PSA with 8 cylinders and 2 balances at different pressures and P/F.

Il en ressort que, contrairement aux attentes, pour une pression opératoire inférieure à 14 bara, le ratio P/F donnant le rendement optimal est inférieur à 1.It shows that, contrary to expectations, for an operating pressure lower than 14 bara, the P/F ratio giving the optimal performance is lower than 1.

On observe également qu’augmenter la pression opératoire au-dessus de 14 bara conduit à un rendement optimal du PSA moins bon.It is also observed that increasing the operating pressure above 14 bara leads to a lower optimal yield of the PSA.

La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression au moyen d’une unité de traitement de gaz par adsorption à modulation de pression comportant au moins quatre adsorbeurs, l’unité traitant un gaz d’alimentation à une pression inférieure à 14 bara, le procédé mettant en œuvre une pression d’élution supérieure à 0,8 bara, avec un ratio d’élution P/F strictement inférieur à 1, ledit ratio représentant la quantité de gaz d’élution utilisée P sur la quantité de gaz d’alimentation F entrée dans l’adsorbeur pendant un cycle de pression, ladite quantité de gaz d’élution utilisée P et ladite quantité de gaz d’alimentation F étant exprimées chacune en mètres cubes réels, c’est-à-dire dans des conditions opératoires respectives de pression et de température.The present invention aims to effectively remedy these drawbacks by proposing a gas treatment unit by pressure swing adsorption by means of a gas treatment unit by pressure swing adsorption comprising at least four adsorbers, the unit treating a feed gas at a pressure lower than 14 bara, the method implementing an elution pressure higher than 0.8 bara, with an elution ratio P/F strictly lower than 1, said ratio representing the quantity of used elution gas P to the quantity of feed gas F entering the adsorber during a pressure cycle, said quantity of used elution gas P and said quantity of feed gas F being each expressed in meters real cubes, that is to say under respective operating conditions of pressure and temperature.

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.

La est un graphique représentant le rendement d’une unité en fonction du ratio d’élution P/F, pour différentes pressions opératoires. The is a plot of unit yield versus P/F elution ratio for different operating pressures.

Comme visible sur la , on a représenté 4 courbes montrant chacune, l’évolution du rendement d’une unité comportant 4 adsorbeurs. Chaque courbe est relative à une pression opératoire spécifique (respectivement 8, 11, 14 et 18 bara). La pression opératoire est la pression du gaz d’alimentation de l’unité. Pour chacune de ces courbes, la pression d’élution est supérieure à 0,8 bara.As seen on the , 4 curves are shown, each showing the evolution of the efficiency of a unit comprising 4 adsorbers. Each curve relates to a specific operating pressure (respectively 8, 11, 14 and 18 bara). The operating pressure is the unit supply gas pressure. For each of these curves, the elution pressure is greater than 0.8 bara.

On constate que l’on obtient un rendement optimal, pour des pressions opératoires inférieures à 14 bara et lorsque le ratio d’élution P/F est strictement inférieur à 1.It can be seen that an optimal yield is obtained for operating pressures below 14 bara and when the P/F elution ratio is strictly less than 1.

On constate que pour chacune des pressions, on obtient un rendement optimal pour une valeur particulière de P/F. Cette courbe en cloche (rendement vs ratio P/F) est habituelle, signifiant qu’à gauche de la valeur optimale de P/F, on ne régénère pas suffisamment l’adsorbant alors qu’inversement à droite, on utilise plus de gaz d’élution que nécessaire.It can be seen that for each of the pressures, an optimal efficiency is obtained for a particular value of P/F. This bell-shaped curve (yield vs P/F ratio) is usual, meaning that to the left of the optimal value of P/F, the adsorbent is not regenerated sufficiently, while conversely, to the right, more gas is used. elution as necessary.

On constate également qu’en fonction de la pression du gaz d’alimentation, la valeur maximale du rendement suit également une courbe en cloche avec le meilleur rendement obtenu pour 11 bara.It can also be seen that depending on the pressure of the supply gas, the maximum value of efficiency also follows a bell curve with the best efficiency obtained for 11 bara.

Le fait d’obtenir une valeur maximale du rendement pour une pression aussi basse est relativement surprenant car cet effet se rencontre d’ordinaire lorsqu’on opère à des pressions nettement plus élevées, telles que l’adsorbant soit proche d’être totalement saturé, c’est-à-dire qu’il a alors atteint son taux de remplissage théorique limite. On notera aussi qu’un fonctionnement à 8 bara, pression pour laquelle on perd peu en rendement par rapport à la meilleure solution possible, peut être intéressant dès lors que cela conduit à limiter la compression du gaz d’alimentation avec des gains correspondant en énergie et en investissement.Obtaining a maximum efficiency value for such a low pressure is relatively surprising because this effect is usually encountered when operating at much higher pressures, such that the adsorbent is close to being totally saturated, that is to say that it has then reached its theoretical limit filling rate. It should also be noted that operation at 8 bara, a pressure for which there is little loss in efficiency compared to the best possible solution, can be interesting since this leads to limiting the compression of the supply gas with corresponding gains in energy. and in investment.

On constate également de façon surprenante que les rendements optimaux sont atteints, pour des pressions opératoires inférieures à 14 bara, lorsque le ratio d’élution P/F est strictement inférieur à 1 et ce même pour des pressions de fonctionnement particulièrement basse, comme par exemple avec un P/F optimal de l’ordre de 0,75 à 8 bara.It is also surprisingly observed that optimal yields are achieved, for operating pressures below 14 bara, when the elution ratio P/F is strictly less than 1, even for particularly low operating pressures, such as for example with an optimal P/F of the order of 0.75 to 8 bara.

Les résultats de cette étude montrent de façon plus générale que dans la recherche d’une solution optimale, il convient de ne pas se limiter ni à l’enseignement de règles anciennes, établies souvent dans des cas plus simples que ceux rencontrés à présent, ni à l’enseignement tiré d’un cas particulier et généralisé trop hâtivement.The results of this study show more generally that in the search for an optimal solution, it is advisable not to be limited either to the teaching of old rules, often established in simpler cases than those encountered at present, nor to the lesson drawn from a particular case and generalized too hastily.

On vient en effet de voir ici que des unités de type PSA pouvaient, contrairement à une idée très répandue, non seulement fonctionner avec un purge ratio inférieur à 1, mais encore que cela pouvait correspondre à un optimum. Il n’est effectivement pas aisé de pouvoir justifier à priori de façon théorique et quantitative un tel résultat.We have just seen here that units of the PSA type could, contrary to a very widespread idea, not only operate with a purge ratio of less than 1, but also that this could correspond to an optimum. It is indeed not easy to be able to justify a priori in a theoretical and quantitative way such a result.

On conçoit cependant que dès lors qu’il y a plusieurs constituants à arrêter, à savoir un premier constituant et un deuxième constituant, afin de produire un flux enrichi dans le constituant le moins adsorbable à partir d’une alimentation renfermant ces trois constituants (le constituant le moins adsorbable et les premier et deuxième constituants), l’utilisation d’un ratio global du type P/F tel que défini précédemment ne peut qu’être approximatif.It is however conceivable that when there are several constituents to be stopped, namely a first constituent and a second constituent, in order to produce a flow enriched in the least adsorbable constituent from a feed containing these three constituents (the the least adsorbable constituent and the first and second constituents), the use of an overall ratio of the P/F type as defined previously can only be approximate.

En effet dans le cas général, on utilisera dans ce type de procédé un PSA multi-lits avec une première couche d’adsorbant dédiée essentiellement à retenir le premier constituant et une deuxième couche d’adsorbant dédiée à l’arrêt du deuxième constituant. Le débit de gaz d’alimentation traversant l’adsorbeur et sa composition varient de l’entrée à la sortie et il en est de même pour le gaz d’élution.In fact, in the general case, a multi-bed PSA will be used in this type of process with a first layer of adsorbent dedicated essentially to retaining the first constituent and a second layer of adsorbent dedicated to stopping the second constituent. The feed gas flow through the adsorber and its composition varies from inlet to outlet and so does the elution gas.

C’est vrai en particulier si l’on considère séparément les première et deuxième couches d’adsorbant : le gaz traversant la deuxième couche d’adsorbant ne contient plus le premier constituant arrêté préalablement dans la première couche d’adsorbant alors que le gaz de purge qui va éluer cette première couche d’adsorbant va comprendre outre la quantité initiale de gaz d’élution injectée à travers la deuxième couche d’adsorbant (en pratique, un flux constitué essentiellement du constituant le moins adsorbable) la fraction désorbée du deuxième constituant.This is particularly true if the first and second adsorbent layers are considered separately: the gas passing through the second adsorbent layer no longer contains the first constituent previously stopped in the first adsorbent layer whereas the purge which will elute this first layer of adsorbent will include, in addition to the initial quantity of elution gas injected through the second layer of adsorbent (in practice, a stream consisting essentially of the least adsorbable constituent), the desorbed fraction of the second constituent .

On conçoit que l’estimation de la puissance réelle de régénération va être différente d’une couche d’adsorbant à l’autre et, de ce fait est plus complexe que dans le cas du simple arrêt de traces d’une impureté dans un gaz peu adsorbable pour lequel une approche théorique peut effectivement conduire à utiliser un purge factor un peu supérieur à 1.It is understood that the estimation of the real power of regeneration will be different from one layer of adsorbent to another and, therefore, is more complex than in the case of the simple stoppage of traces of an impurity in a gas. not very adsorbable for which a theoretical approach can effectively lead to the use of a purge factor slightly greater than 1.

On peut faire ce type de raisonnement, certes qualitatif et approximatif, avec d’autres paramètres influençant les performances des unités de type PSA pour lesquels il existe également des à priori pouvant conduire le concepteur de l’unité sur une mauvaise piste. Ainsi, il ne devrait plus être surprenant pour l’homme du métier de s’apercevoir par exemple que dans certains cas :We can make this type of reasoning, certainly qualitative and approximate, with other parameters influencing the performance of PSA type units for which there are also a prioris that can lead the designer of the unit on the wrong track. Thus, it should no longer be surprising for those skilled in the art to notice, for example, that in certain cases:

  • rajouter des étapes d’équilibrage n’améliore pas le rendement ;adding balancing steps does not improve performance;
  • augmenter la pression d’alimentation ou le ratio HP/BP n’est pas toujours favorable et qu’il peut exister un optimum comme le démontre la présente étude ;increasing the supply pressure or the HP/LP ratio is not always favorable and that there may be an optimum as demonstrated by this study;
  • rallonger certaines étapes pour être à l’équilibre (adsorption, élution…) et en raccourcir d’autres pour créer une limitation cinétique (équilibrages…) peut être intéressant ;lengthening certain steps to be at equilibrium (adsorption, elution, etc.) and shortening others to create a kinetic limitation (balancing, etc.) can be interesting;
  • utiliser un gaz d’alimentation trop pur conduit à une baisse du rendement d’extraction ;using a feed gas that is too pure leads to a drop in the extraction efficiency;
  • baisser le rendement ne permet pas d’augmenter la pureté.lowering the yield does not increase the purity.

Appliquer ce type d’approche a pour conséquence lors de la recherche de la solution d’élargir les plages de valeur dans lesquelles on veut faire varier un paramètre donné jouant sur les performances d’une unité (par exemple explorer un ratio P/F allant de 0,5 à 1,5 au lieu de 1,05 à 1,25) et de rajouter des paramètres (par exemple raccourcir une étape en la prolongeant par un temps mort que l’on fera varier).Applying this type of approach has the consequence, when looking for the solution, of widening the value ranges in which we want to vary a given parameter affecting the performance of a unit (for example exploring a P/F ratio ranging from 0.5 to 1.5 instead of 1.05 to 1.25) and to add parameters (for example, shorten a step by extending it with a dead time that will be varied).

Cela peut conduire à une multiplication des cas possibles qui ne serait plus compatible ni avec les moyens informatiques disponibles ni avec le temps imparti au projet.This can lead to a multiplication of possible cases which would no longer be compatible with the computer resources available or with the time allocated to the project.

Il convient alors de coupler le simulateur de procédé d’adsorption avec un logiciel de recherche d’optimum dans un système multi-paramètres. Avec un tel système, il n’y a pas besoin de déterminer toutes les possibilités pour retenir la meilleure, le logiciel trouvant de lui-même le cheminement pour arriver beaucoup plus rapidement au résultat.
It is then necessary to couple the adsorption process simulator with an optimum search software in a multi-parameter system. With such a system, there is no need to determine all the possibilities to retain the best one, the software finding the path itself to arrive at the result much more quickly.

Claims (1)

Procédé de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression au moyen d’une unité de traitement de gaz par adsorption à modulation de pression comportant au moins quatre adsorbeurs, l’unité traitant un gaz d’alimentation à une pression inférieure à 14 bara, le procédé mettant en œuvre une pression d’élution supérieure à 0,8 bara, avec un ratio d’élution P/F strictement inférieur à 1, ledit ratio représentant la quantité de gaz d’élution utilisée P sur la quantité de gaz d’alimentation F entrée dans l’adsorbeur pendant un cycle de pression, ladite quantité de gaz d’élution utilisée P et ladite quantité de gaz d’alimentation F étant exprimées chacune en mètres cubes réels, c’est-à-dire dans des conditions opératoires respectives de pression et de température.A method of treating gas by pressure swing adsorption using a pressure swing adsorption gas treatment unit having at least four adsorbers, the unit treating a feed gas at a pressure below 14 bara, the method implementing an elution pressure greater than 0.8 bara, with an elution ratio P/F strictly less than 1, said ratio representing the quantity of elution gas used P over the quantity of gas of feed F entering the adsorber during a pressure cycle, said quantity of elution gas used P and said quantity of feed gas F being each expressed in real cubic meters, that is to say in respective operating conditions of pressure and temperature.
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