WO1994029000A1 - Dispositif de separation par adsorption d'elements d'un melange gazeux - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to devices for separating elements of a gaseous mixture, of the type comprising at least two adsorbers each defining an internal volume having a lower end zone and an upper end zone and means of communication. selective of the upper and lower end zones of the adsorbers with fluid circuits.
  • Separation devices of this type are used essentially, in technologies of pressure or temperature variation called PSA or TSA, for the production, from a gaseous mixture, of a gaseous constituent of this mixture, in particular of a component of air, oxygen or nitrogen, or for the purification of a gaseous mixture, in particular of air supplying a cryogenic air separation unit, also for the production of a component of l air, oxygen and / or nitrogen and / or argon, and generally use at least one of the adsorbents chosen from the group comprising zeolites, activated carbon, alumina or silica gels.
  • the object of the present invention is to provide a device for separation by adsorption having a particularly compact and compact configuration and suitable for various applications.
  • the adsorbers are superimposed.
  • the means for communicating with the fluid circuits comprise, for each adsorber, a vertical central tube having one end communicating with an end zone, lower or upper, of the internal volume, and the other end of which is connected to one of said fluid circuits;
  • the central tubes are mechanically connected to each other and are mechanically connected to each other and to the vertically opposite end walls of the device.
  • the present invention also relates to the applications of such devices for the production by separation of a constituent of a gaseous mixture, in particular of hydrogen from a mixture of gases containing hydrogen, oxygen or nitrogen. from air, or, for the purification of carbon oxides and water from air supplied to a cryogenic air separation unit.
  • FIG. 1 is a schematic view in vertical section of a first embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view in vertical section of a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic view in vertical section of a third embodiment of a device according to the invention.
  • the device comprises three superimposed adsorbers 1A, 1B, 1C, identical and each consisting of a peripheral cylindrical wall 2 ⁇ and of transverse end walls in the form of upper domes 3j and lower 4 ⁇ .
  • the upper dome 3j typically has an opening 5j for filling the adsorber to form at least one bed of adsorbent therein.
  • the adsorbers are connected to each other by cylindrical skirts 6C and 6B providing a spacing between the adjacent adsorbers, the assembly being supported on a lower skirt 6A secured to the lower adsorber 1A.
  • each adsorber comprises a central coaxial tube vertical 7 ⁇ opening into the upper zone of the internal volume of each adsorber and crossing the lower bottom 4 ⁇ of the adsorber to extend into a section of horizontal duct 8j extending in the space below each adsorber for the connection to a fluid circuit.
  • Each adsorber also includes a tube 9j passing through the lower wall and opening into the lower zone of each adsorber, also for connection to a fluid circuit.
  • the superimposed arrangement of the adsorbers and the concentric arrangement of the tubes 7 considerably reduces the footprint of the device and greatly facilitates its installation on production or use sites.
  • this vertical arrangement it is the small surfaces (rounded ends) of the adsorbers which are adjacent, which makes it possible to reduce the thermal interference between two adjacent adsorbers. This interference can moreover be easily almost eliminated by placing in the connecting skirts 6B and 6C at least one thermally insulating material as shown at 10 in the figure.
  • the two central tubes 7A and 7B are mechanically coupled to one another in the space defined in the skirt 6B between the convex bottoms opposite 3A and 4B and open respectively in the lower region of the lower adsorber 1A and in the upper region of the upper adsorber 1 B.
  • Each tube 7 ⁇ communicates, via a valve, with a tube 11 j for connection to the fluid circuits and with each other by a bypass tube 12 provided with a valve.
  • the tube 9B which communicates with the lower zone of the upper adsorber
  • the tube 9A which here passes through the upper wall 3A of the lower adsorber 1A to communicate with the upper zone of the latter, communicate, via valves, with a common tube 12 for connection to the fluid circuit.
  • FIG. 3 exploiting the symmetrical arrangement of the adsorber beds making it unnecessary to arrange thermal insulation between the two adsorbers, uses a central tube single 7, the ends of which are connected to the opposite end walls 3B and 4A of the upper 1B and lower 1A beds, the upper bed 1B having no lower wall (4B), the separation with the lower bed 1A being ensured by the upper wall convex 3A of the lower bed 1A.
  • the peripheral walls 2 and the skirts 6j are replaced by a single ferrule 6.
  • the tube 7, the opposite ends of which always communicate with the zones of opposite ends of the adsorbers 1A and 1B, is closed centrally by a wall 13, the bypass pipe 12 here being advantageously provided directly between the tubes 11A and 11 B.
  • the other tubes 9'A and 9'B communicate respectively with the upper and lower parts of the lower adsorbers 1A and above 1 B through the ferrule 6.
  • the embodiment of FIG. 3 has a great compactness and increased rigidity, the through tube 7 making it possible to take up the pressure forces on the opposite walls 4A, 3B of the adsorbers and thus suitable for applications using high pressures.

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Abstract

Le dispositif de séparation par adsorption comprend au moins deux adsorbeurs (1A, 1B, 1C) disposés les uns au-dessus des autres et comprenant chacun un tube central coaxial (7A, 7B, 7C) permettant la mise en communication d'une des zones d'extrémité verticale de l'adsorbeur avec des circuits de fluides. Application à l'épuration ou à la séparation de mélanges gazeux.

Description

Dispositif de séparation par adsorption d'éléments d'un mélange gazeux
La présente invention concerne les dispositifs de séparation d'éléments d'un mélange gazeux, du type comprenant au moins deux adsorbeurs définissant chacun un volume interne ayant une zone d'extrémité inférieure et une zone d'extrémité supérieure et des moyens de mise en communication sélective des zones d'extrémité supérieure et inférieure des adsorbeurs avec des circuits de fluides.
Les dispositifs de séparation de ce type sont utilisés essentiellement, dans des technologies de variation de pression ou de température dites PSA ou TSA, pour la production, à partir d'un mélange gazeux, d'un constituant gazeux de ce mélange, notamment d'un constituant de l'air, oxygène ou azote, ou pour la purification d'un mélange gazeux, notamment d'air d'alimentation d'une unité de séparation cryogénique de l'air, également pour la production d'un constituant de l'air, oxygène et/ou azote et/ou argon, et mettent généralement en oeuvre au moins un des adsorbants choisis dans le groupe comprenant les zéolithes, le charbon actif, l'alumine ou les gels de silice. Des exemples de ces technologies sont décrits notamment dans les documents US-5.223.004, EP-092.153, US-3.338.030 ou US-5.137.548. Dans les dispositifs connus, comprenant généralement de deux à quatre adsorbeurs, ces derniers sont disposés verticalement les uns à côté des autres, en batterie, avec de nombreuses tuyauteries pourvues de vannages reliant les parties inférieure et supérieure des différents adsorbeurs aux circuits de fluides. De plus, dans les applications mettant en oeuvre l'alternance des gaz chauds et froids, les adsorbeurs, qui ne sont dans la pratique pas isolés thermiquement, doivent être disposés à une certaine distance horizontale les uns des autres.
La présente invention a pour objet de proposer un dispositif de séparation par adsorption présentant une configuration particulièrement compacte et ramassée et convenant à diverses applications.
Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, les adsorbeurs sont superposés.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- les moyens de mise en communication avec les circuits de fluides comprennent, pour chaque adsorbeur, un tube central vertical ayant une extrémité communiquant avec une zone d'extrémité, inférieure ou supérieure, du volume interne, et dont l'autre extrémité est reliée à l'un desdits circuits de fluides ;
- les tubes centraux sont reliés mécaniquement l'un à l'autre et sont reliés mécaniquement l'un à l'autre et aux parois d'extrémité verticalement opposées du dispositif.
La présente invention concerne également les applications de tels dispositifs pour la production par séparation d'un constituant d'un mélange gazeux, notamment d'hydrogène à partir d'un mélange de gaz contenant de l'hydrogène, d'oxygène ou d'azote à partir de l'air, ou, pour l'épuration en oxydes de carbone et en eau d'air fourni à une unité de séparation cryogénique de l'air.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 3 est une vue schématique en coupe verticale d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 , le dispositif comporte trois adsorbeurs superposés 1A, 1B, 1C, identiques et constitués chacun d'une paroi cylindrique périphérique 2\ et de parois transversales d'extrémité en forme de coupoles supérieure 3j et inférieure 4\. La coupole supérieure 3j comporte typiquement une ouverture 5j de remplissage de l'adsorbeur pour y constituer au moins un lit d'adsorbant. Les adsorbeurs sont reliés les uns aux autres par des jupes cylindriques 6C et 6B ménageant un espacement entre les adsorbeurs adjacents, l'ensemble étant supporté sur une jupe inférieure 6A solidaire de l'adsorbeur inférieur 1A. Dans le mode de réalisation représenté, chaque adsorbeur comporte un tube central coaxial vertical 7\ débouchant dans la zone supérieure du volume interne de chaque adsorbeur et traversant le fond inférieur 4\ de l'adsorbeur pour se prolonger en un tronçon de conduit horizontal 8j s'étendant dans l'espace au-dessous de chaque adsorbeur pour la connection à un circuit de fluide. Chaque adsorbeur comporte également un tube 9j traversant la paroi inférieure et débouchant dans la zone inférieure de chaque adsorbeur, également pour connection à un circuit de fluide.
Comme on le voit bien sur la figure 1 , la disposition superposée des adsorbeurs et l'aménagement concentrique des tubes 7 permet de réduire considérablement l'emprise au sol du dispositif et facilite grandement son installation sur des sites de production ou d'utilisation. De plus, dans cette disposition verticale, ce sont les petites surfaces (extrémités arrondies) des adsorbeurs qui sont voisines, ce qui permet de réduire les interférences thermiques entre deux adsorbeurs adjacents. Ces interférences peuvent en outre être aisément quasiment supprimées en disposant dans les jupes de liaison 6B et 6C au moins un matériau thermiquement isolant comme représenté en 10 sur la figure.
Une plus grande compacité et une réduction encore plus efficace des interférences thermiques, même sans isolation, entre deux adsorbeurs est obtenue avec le mode de réalisation représenté sur la figure 2. Dans ce mode de réalisation à deux adsorbeurs 1A et 1B, les deux tubes centraux 7A et 7B sont couplés mécaniquement l'un à l'autre dans l'espace défini dans la jupe 6B entre les fonds bombés en regard 3A et 4B et débouchent respectivement dans la zone inférieure de l'adsorbeur inférieur 1A et dans la zone supérieure de l'adsorbeur supérieur 1 B. Chaque tube 7\ communique, via une vanne, avec une tubulure 11 j de raccordement aux circuits de fluides et l'un avec l'autre par une tubulure de bipasse 12 munie d'une vanne. De façon symétrique, la tubulure 9B, qui communique avec la zone inférieure de l'adsorbeur supérieur, et la tubulure 9A, qui traverse ici la paroi supérieure 3A de l'adsorbeur inférieur 1A pour communiquer avec la zone supérieure de ce dernier, communiquent, via des vannes, avec une tubulure commune 12 de raccordement au circuit de fluide.
Le mode de réalisation de la figure 3, exploitant la disposition symétrique des lits d'adsorbeur rendant inutile l'aménagement d'une isolation thermique entre les deux adsorbeurs, utilise un tube central unique 7 dont les extrémités sont reliées aux parois d'extrémité opposées 3B et 4A des lits supérieur 1B et inférieur 1A, le lit supérieur 1B étant dépourvu de paroi inférieure (4B), la séparation avec le lit inférieur 1A étant assurée par la paroi supérieure bombée 3A du lit inférieur 1A. Dans ce mode de réalisation, les parois- périphériques 2 et les jupes 6j sont remplacées par une virole unique 6. Le tube 7, dont les extrémités opposées communiquent toujours avec les zones d'extrémités opposées des adsorbeurs 1A et 1 B, est obturé centralement par une paroi 13, la conduite de bipasse 12 étant ici avantageusement prévue directement entre les tubulures 11A et 11 B. Dans ce mode de réalisation, les autres tubes 9'A et 9'B communiquent respectivement avec les parties supérieure et inférieure des adsorbeurs inférieur 1A et supérieur 1 B au travers de la virole 6. Le mode de réalisation de la figure 3 présente une grande compacité et une rigidité accrue, le tube traversant 7 permettant de reprendre les efforts de pression sur les parois opposées 4A, 3B des adsorbeurs et convenant ainsi pour les applications mettant en oeuvre des pressions élevées.
Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de séparation d'éléments d'un mélange gazeux, comprenant au moins deux adsorbeurs (1j) définissant chacun un volume interne ayant une zone d'extrémité inférieure et une zone d'extrémité supérieure, et des moyens (7, 9, 11, 13) de mise en communication sélective des zones d'extrémité avec des circuits de fluides, caractérisé en ce que les adsorbeurs (1 j) sont superposés.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mise en communication comportent, pour chaque adsorbeur (1 j) un tube centrai vertical (7) ayant une extrémité communiquant avec une desdites zones d'extrémité du volume interne et dont l'autre extrémité est reliée à l'un desdits circuits de fluide.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes centraux (7) des adsorbeurs sont reliés mécaniquement l'un à l'autre.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les tubes centraux (7) des adsorbeurs (1) sont reliés mécaniquement aux parois d'extrémité verticalement opposées (3B, 4A) du dispositif.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les adsorbeurs (1) sont disposés dans une même enveloppe cylindrique (6).
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mise en communication comportent des vannes dont au moins une partie est disposée dans l'espace entre deux adsorbeurs (1) superposés adjacents.
7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les tubes centraux (7) de deux adsorbeurs adjacents (1A, 1B) communiquent avec les zones d'extrémité opposées desdits adsorbeurs.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois adsorbeurs superposés (1A, 1B, 1C).
9. Application d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes à la production par séparation d'un constituant gazeux d'un mélange gazeux.
10. Application d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, à l'épuration d'air fourni à une unité de séparation cryogénique de l'air.
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