FR3122339A3 - procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption avec variation de température - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption avec variation de température, l’unité comportant : au moins deux adsorbeurs (5,6) fonctionnant de manière alternée selon une pluralité de cycles, pour épurer le gazau moins un échangeur de refroidissement (3) placé en amont des deux adsorbeurs et agencé pour refroidir le gaz à épurer, le procédé comportant les étapes de :configurer l'échangeur (3), pendant la majorité du temps d’un cycle, pour que le gaz à épurer ait une température inférieure à 0°C, en sortie de l’échangeur (3),configurer l'échangeur (3), pendant le reste du temps d’un cycle, pour que le gaz à épurer ait une température supérieure à 0°C, en sortie de l’échangeur (3), pour permettre le dégivrage de l’échangeur (3). Figure d’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention est relative à un procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption avec variation de température.
Il est connu que l’air atmosphérique contient des composés devant être éliminés avant son introduction dans les échangeurs thermiques de la boîte froide d’une unité de séparation d’air, notamment la vapeur d’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), les oxydes d’azote et les hydrocarbures.
En effet, en l’absence d’un tel traitement de l’air pour en éliminer ses impuretés H20 et CO2, on assiste à une solidification de ces impuretés lors du refroidissement de l’air à température cryogénique typiquement inférieure à -150°C, d’où il peut résulter des problèmes de colmatage de l’équipement, notamment les échangeurs thermiques, les colonnes de distillation.
En outre, il est également d’usage d’éliminer au moins partiellement les impuretés hydrocarbures et oxydes d’azote susceptibles d’être présentes dans l’air afin d’éviter leur trop forte concentration dans le bas de la ou des colonnes de distillation, et de pallier ainsi tout risque de dégradation des équipements.
Actuellement, ce prétraitement de l’air est effectué, selon le cas, par procédé PSA (pour « Pressure Swing Adsorption », ou adsorption à pression modulée) ou par procédé TSA (pour « Temperature Swing Adsorption » ou adsorption avec variation de température). Ces procédés se différencient par la manière de conduire la régénération de l’adsorbant, à savoir par l’effet lié à la pression dans le cas où ladite régénération s’effectue grâce à une pression inférieure à la pression d’adsorption ou par l’effet lié à la température quand elle s’effectue à une température supérieure à celle de l’adsorption. Il convient de noter qu’il peut y avoir également un effet de réduction de pression dans une unité de type TSA et que différentes appellations peuvent être utilisées dans ce cas. Dans ce document, on utilise le terme « TSA » dès lors qu’on utilise un effet de température pour régénérer, qu’il y ait ou pas un effet additionnel lié à la pression.
Classiquement, un cycle de procédé TSA de purification d’air comporte les étapes suivantes :
- purification de l’air à pression super-atmosphérique et à température ambiante, éventuellement de l’ordre de 5 à 10°C en cas d’utilisation d’un moyen de réfrigération à l’amont de l’unité ;
- dépressurisation de l’adsorbeur jusqu’à la pression atmosphérique ;
- régénération de l’adsorbant à pression atmosphérique, notamment par de l’azote impur provenant de l’unité de séparation d’air et réchauffé jusqu’à une température habituellement entre 90 et 250°C au moyen d’un échangeur généralement du type réchauffeur électrique ou réchauffeur à vapeur ;
- refroidissement à température ambiante de l’adsorbant, notamment en continuant à y introduire ledit gaz résiduaire issu de l’unité de séparation d’air mais non réchauffé ;
- repressurisation de l’adsorbeur avec de l’air atmosphérique ou de l’air purifié, par exemple issu de l’adsorbeur se trouvant en phase de production.
Généralement, les installations de prétraitement d’air comprennent deux adsorbeurs, fonctionnant de manière alternée, c'est-à-dire que l’un des adsorbeurs est en phase de production pendant que l’autre est en phase de régénération.
Un système d’adsorption de type TSA fonctionne d’autant mieux qu’il est à basse température. C’est notamment le cas pour une épuration en tête d’une unité de séparation d'air (ou ASU pour « Air Separation Unit » en anglais) pour l’arrêt de l’eau, du CO2 et des impuretés secondaires de l’air. Cependant, quand le gaz à épurer contient de l’eau, il est difficile de faire fonctionner l’épuration en tête à une température négative à cause de la formation de givre los du refroidissement du gaz à épurer.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption à modulation de pression, l’unité comportant :
- au moins deux adsorbeurs fonctionnant de manière alternée selon une pluralité de cycles, pour épurer le gaz
- au moins un échangeur de refroidissement placé en amont des deux adsorbeurs et agencé pour refroidir le gaz à épurer, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- configurer l'échangeur, pendant la majorité du temps d’un cycle, pour que le gaz à épurer ait une température inférieure à 0°C, en sortie de l’échangeur,
- configurer l'échangeur, pendant le reste du temps d’un cycle, pour que le gaz à épurer ait une température supérieure à 0°C, en sortie de l’échangeur, pour permettre le dégivrage de l’échangeur.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La représente une unité de traitement d’un gaz par adsorption avec variation de température. Cette unité comporte :
- au moins deux adsorbeurs 5,6 fonctionnant de manière alternée selon une pluralité de cycles, pour épurer le gaz
- au moins un échangeur de refroidissement 3 placé en amont des deux adsorbeurs et agencé pour refroidir le gaz à épurer.
En amont de l’échangeur de refroidissement 3, se trouve un filtre à air 1 et un compresseur d’air 2. Ainsi, le gaz à épurer passe par le filtre 1, puis par le compresseur 2, avant d’entrer dans l’échangeur 3.
En sortie de l’échangeur, se trouve un pot séparateur 4 pour séparer l’eau dans les phases de dégivrage de l'échangeur 3.
Le procédé de gestion d’une telle unité de traitement d’un gaz par adsorption avec variation de température a pour objectif de faire fonctionner l’épuration en tête :
- à une température négative la majorité du temps de cycle, en givrant de façon contrôlée l’échangeur de refroidissement.
- à une température légèrement positive à certains moments du cycle, permettant le dégivrage de l’échangeur de refroidissement.
Par exemple, dans le cadre d’un arrêt de l’eau et du CO2 sur une ASU, cela permet de dimensionner l’épuration en tête, en première approche :
- pour l’arrêt de l’eau sur alumine, sur la quantité d’eau moyenne entrée dans l’épuration, sachant qu’une grande partie aura été arrêtée sous forme de glace
- pour l’arrêt de CO2 sur 13X, sur la température minimum en fin de cycle (à savoir, ici la température négative).
Ceci permet une réduction important de la quantité d’alumine et de tamis 13X par rapport à un cas de référence fonctionnant avec une température constante légèrement positive en entrée d’épuration.
Cela permet aussi de réduire le débit de régénération, et ainsi réduire la consommation énergétique dédiée à l’arrêt de l’eau et du CO2. On peut aussi choisir de conserver un débit de régénération constant et de réduire le temps de cycle, diminuant encore plus la quantité d’alumine et de tamis 13X.
Ceci est d’autant plus intéressante pour une épuration basse pression, par exemple proche de la pression atmosphérique, car la quantité d’eau contenue dans le gaz à épurer est alors très importante.
L’épuration en tête est placée en aval de l’échangeur de refroidissement 3. Cet échangeur 3 refroidit le gaz à épurer à une température négative, typiquement entre -3°C et -20°C. L’eau contenu dans le gaz à épurer va se déposer sous forme de givre ou de glace sur l’échangeur 3. L’échangeur 3 est dimensionné de tel sorte que le givre/glace puise être stocké sans le boucher, sans réduire la surface d’échange nécessaire à sa performance thermique et/ou sans générer trop de perte de charge.
Le froid est apporté par un fluide frigorigène provenant par exemple d’un groupe frigorifique.
Une ou plusieurs fois lors du cycle d’adsorption, l’échangeur 3 est dégivré en remontant la température à sa sortie à une valeur positive, typiquement 3-5°C. Ceci peut être fait par apport de chaleur externe, par exemple en augmentant provisoirement la température du fluide frigorigène (directement au niveau du groupe frigorifique ou à l’aide d’un by-pass).
Préférentiellement, la chaleur proviendra directement du gaz à épurer que l’on refroidit en limitant voire arrêtant le fluide frigorigène dans l’échangeur 3.
Le gaz à épurer se refroidit en faisant fondre le givre/glace. L’eau liquide ainsi obtenue est séparée, puis éliminée en amont de l’épuration, par exemple dans le pot séparateur 4.
Le ou les cycles de dégivrage sont placés dans la première partie du cycle d’adsorption de façon à ce que, compte tenu de l’inertie thermique de l’épuration, la température en fin de cycle d’adsorption en sortie d’épuration corresponde à la température négative, utilisée pour dimensionner le volume de l’adsorbant, notamment d’un adsorbant de type 13X.
Ces cycles de dégivrages restent courts par rapport au cycle d’adsorption (quelques pourcents), du fait de la chaleur importante (gaz à épurer) disponible pour le dégivrage.
Dans un premier mode de réalisation représenté à la , l’épuration d’air est faite à basse pression (1.3 bara). La durée de dégivrage est de 8 min et de givrage de 142 min, pour un cycle d’adsorption de 150 min. Environ 20% de l’eau est arrêté sous forme de glace, au-delà de ce qui s’est déjà condensé sous forme liquide à température positive. Ceci permet de réduire la quantité d’alumine de 20% environ. L’adsorbant de type 13X est dimensionné pour un arrêt à (-3°C + delta t1), delta t1 étant un premier écart de température lié à l’adsorption de l’eau sur l’alumine, au lieu de (+3°C + delta t2), delta t2 étant un deuxième écart de température lié à l’adsorption de l’eau sur l’alumine, avec la relation : delta t2 > delta t1. Ceci permet un gain substantiel sur le volume de l'adsorbant.
Dans un deuxième mode de réalisation représenté à la , l’épuration d’air est faite à basse pression (1.3 bara). La durée de dégivrage est de 7 min et de givrage de 143 min, pour un cycle d’adsorption de 150 min. Environ 75% de l’eau est arrêté sous forme de glace, au-delà de ce qui s’est déjà condensé sous forme liquide à température positive : ceci permet de réduire la quantité d’alumine de 75% environ. L’adsorbant de type 13X est dimensionné pour un arrêt à (-20°C + delta t1), delta t3 étant un troisième écart de température lié à l’adsorption de l’eau sur l’alumine, au lieu de (+3°C + delta t4), delta t4 étant un quatrième écart de température lié à l’adsorption de l’eau sur l’alumine, avec la relation : delta t4 > delta t3. Ceci permet un gain substantiel sur le volume de l'adsorbant, notamment un gain de plus de 50%. Le débit de régénération est divisé par 2. On peut aussi choisir de maintenir le débit de régénération à une valeur « classique » et réduire le temps de cycle, permettant encore de gagner sur le volume d’alumine et de 13X.
La représente un troisième mode de réalisation. Dans cet exemple, on réalise trois cycles de dégivrages de courte durée. L’intérêt de faire 3 cycles de dégivrages répartis sur la première partie du cycle est de diviser par 3 la quantité de givre/glace maximum accumulé dans l’échangeur avant dégivrage, limitant aussi son bouchage. Les gains sont du même ordre de grandeur que dans l’exemple de la .
Claims (1)
- Procédé de gestion d’une unité de traitement d’un gaz par adsorption avec variation de température, l’unité comportant :
- au moins deux adsorbeurs (5,6) fonctionnant de manière alternée selon une pluralité de cycles, pour épurer le gaz
- au moins un échangeur de refroidissement (3) placé en amont des deux adsorbeurs et agencé pour refroidir le gaz à épurer, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- configurer l'échangeur (3), pendant la majorité du temps d’un cycle, pour que le gaz à épurer ait une température inférieure à 0°C, en sortie de l’échangeur (3),
- configurer l'échangeur (3), pendant le reste du temps d’un cycle, pour que le gaz à épurer ait une température supérieure à 0°C, en sortie de l’échangeur (3), pour permettre le dégivrage de l’échangeur (3).
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