FR2554011A1 - Systeme de separation de gaz par adsorption a commutation de pression a lit unique - Google Patents

Abstract

UN SYSTEME D'ADSORPTION A COMMUTATION DE PRESSION A LIT UNIQUE 14 A UNE PREMIERE REALISATION A COMPRESSEUR HAUTE PRESSION 12 ET UNE DEUXIEME REALISATION A SOUFFLANTE BASSE PRESSION. IL EST DECRIT DE NOMBREUSES CARACTERISTIQUES, Y COMPRIS UNE TECHNIQUE DE REPONSE A LA PRESSION DANS LAQUELLE LES DUREES REELLES DES STADES A L'INTERIEUR DU CYCLE SONT REGLEES EN FONCTION DE LA DEMANDE. ON UTILISE UNE PRESSION SOUS-ATMOSPHERIQUE POUR AMELIORER LE STADE DE PURGE DU LIT UNIQUE ET POUR ACCROITRE LE RENDEMENT.

Description

Système de séparation de gaz par adsorption à commutation de pression blit unique.

La présente invention concerne l'adsorption d commutation de pression , utilisée pour séparer des mélanges de gaz en leurs constituants.

De façon plus spécifique, l'invention a été développée en liaison avec un tel-systdme dans lequel l'air est séparé en deux courants, un premier courant contenant principalement de l'oxygène et un deuxième courant contenant principalement de l'azote. On utilise habituellement le premier courant et on évacue le deuxième courant dans l'atmosphère, mais d'autres dispositions sont également possibles.

De tels systèmes et les dispositifs utilisés pour les mettre en oeuvre ont été largement utilisés, en particulier dans de très grandes unités qui produisent des tonnes d'oxygène par jour comme c'est nécessaire pour des utilisations industrielles lourdes, par exemple les processus de raffinage pétrochimique et les installations de traitement des eaux usées, etc. Des unités beaucoup plus petites utilisant des cycles d'adsorption à commutation de pression (abrégées ci-aprds en ACP) ont été incorporées dans des installations beaucoup plus petites produisant de l'ordre de seulement quelques litres d'oxygène à la minute comme c'est nécessaire dans des applications médicales, notamment pour des malades souffrant de troubles respiratoires.

Un autre domaine général d'application de la technologie
ACP se trouve dans diverses industries de moyennes dimensions. Celles-ci utilisent des dispositifs avec des cycles
ACP, qui produisent de l'oxygène de grande pureté pour la production sur place d'oxygène dans différentes zones, par exemple sur les plates-formes de production de pétrole en mer. Une autre application industrielle se trouve dans les ateliers de pots d'échappement d'automobiles, dans lesquels on utilise un courant d'oxygène pour alimenter des torches oxy-acétyléniques de découpe.

Dans d'autres applications de cycles et de technologies
ACP, on peut séparer d'autres mélanges de gaz en leurs constituants et on peut utiliser tout gaz sélectionné. Par exemple, on peut séparer l'air de façon à obtenir un courant d'azote de grande pureté, l'azote étant utilisé comme gaz protecteur dans certaines applications de soudure ou dans d'autres applications industrielles. En outre, on peut extraire le gaz carbonique de mélanges de gaz industriels pour conserver le gaz carbonique ou tout autre composant gazeux. Le champ d'application de la technologie ACP, en liaison avec la présente invention, n'est pas limité à la production de courants d'oxygène de grande pureté, même si c'est la réalisation qui sera décrite ici.

Dans toutes ces nombreuses réalisations, la présente invention est applicable à tout le domaine de la technologie ACP.

Certaines techniques ACP fonctionnent sur la base de membranes ou d'autres moyens de séparation sélective. Toutefois, le type le plus courant, type auquel s'applique la présente invention, concerne les techniques ACP basées sur un lit plein de matériaux adsorbants, tels que Res tamis moléculaires. Le matériau adsorbant particulier est choisi pour avoir une préférence pour un gaz particulier dans le mélange de gaz qui constitue la charge d'alimentation du dispositif mettant en oeuvre les cycles ACP considérés.Lorsqu'on désire extraire de l'oxygène de l'air, le matériau adsorbant retient de préférence l'azote en permettant à l'oxygène de circuler plus rapidement à travers le lit et ainsi de sortir sous forme d'un courant d'oxygène d'une pureté relativement grande, ce qui constitue une très grande simplification d'un système physico-chimique par ailleurs extrêmement complexe. Lorsque le lit de matériau adsorbant est saturé par l'azote, il est alors nécessairededépressu- riser et de balayer en sens inverse le lit par de l'oxygène, ce qui évacue l'azote et prépare le lit pour extraire à nouveau l'oxygène de la charge d'alimentation.

A l'intérieur de cette catégorie générale de dispositifs et de systèmes ACP du type à lit adsorbant, la technique antérieure décrit des dispositifs utilisant plusieurs lits et des dispositifs utilisant un seul lit.Lorsque la production est continue, il est extrêmement avantageux d'utiliser au moins deux lits, un lit étant en production tandis que l'autre lit est balayé en sens inverse., de sorte que le système global produit de façon continue de l'oxygène. On utilise un courant secondaire du produit sortant du lit en production comme courant de balayage en sens inverse pour le lit à régénérer.

Toutefois, dans certains cas, un lit unique est extremement souhaitable. Le système à lit unique présente le grand avantage que son coût est plus faible, sa fiabilité est plus élevée du fait d'un nombre beaucoup moins grand de pièces dans le dispositif mettant en oeuvre le cycle, et son poids est plus faible. Meme si la demande est plus ou moins continue, la production intermittente dlun type de système à lit unique, que concerne #la présente invention, peut être rendue plus ou moins continue par l'addition d'un réservoir tampon dans le dispositif. Cette caractéristique est utilisée dans la présente invention, mais- plusieurs variantes peuvent lui etre appliquées qui constituent une partie du perfectionne- ment de la présente invention par rapport à la technique antérieure.

Les systèmes ACP à lit unique de l'art antérieur présentent en commun le problème que la capacité du compresseur subit une perte de pratiquement 50%. Autrement dit, lorsque le compresseur amène de l'air au lit d'adsorption dans le cycle de production, la capacité du compresseur est employée à plein.Toutefois, lorsque le lit est dans la partie régénération du cycle, la production du compresseur est souvent simplement évacuée dans l'atmosphère ou perdue de toute autre façon. En variante, on pourrait démarrer et arreter le compresseur, mais ceci est bien entendu un service extrêmement sévère pour le compresseur, qui raccourcit de ce fait sa durée de vie. En outre, le démarrage et l'arrêt répétés du compresseur dans un cycle ACP soulèvent de nombreux problèmes mécaniques et techniques.Lorsqu'on utilise une source centralisée d'air comprimé, comme par exemple lorsqu' il y a des besoins importants d'air comprimé dans une seule usine, telle qu'un grand atelier de pots d'~chap- pement comportant de nombreux halls de service, le problème est alors simplifié du fait que la source d'air comprimé centrale a son propre réservoir-tampon et que l'air est utilisé à un endroit s'il ne l'est pas à un autre. Toutefois, même dans ce cas, la présente invention sous l'une de ses formes procure un avantage en ce que le système à lit unique est aisément adapté, ce qui permet àl'utilisateur de profiter des avantages intrinsèques de ces systèmes à lit unique.

Dans de nombreux cas où il y a une source d'air centrale, le dispositif ACP tend à comporter- plusieurs lits et, de ce fait, à être important. Ainsi,- l#invention permet un nouveau pas en avant en ce qu'elle enseigne un procédé pour utiliser un dispositif ACP à lit unique dans une usine à multiples utilisateurs, ayant une source d'air comprimé centrale.

Par ailleurs, il était courant dans la technique antérieure de fonctionner en mode ACP entre la pression atmosphérique et une pression supérieure à la pression atmosphérique, c'est-à-dire la pression de travail du compresseur. Sous l'un de ses aspects, la présente invention est basée sur la découverte que le cycle particulier utilisé dans un système ACP à lit unique selon l'invention fonctionne de façon plus efficace entre la pression du compresseur et une pression inférieure à la pression atmosphérique. Cette augmentation du rendement de fonctionnement est un autre avantage de la présente invention par rapport à la technique antérieure, ce qui est un avantage inattendu.

La présente invention résoud de nombreux autres problèmes de la technique antérieure par ses diverses combinaisons de cycles qui procurent des avantages dans la technique
ACP et notamment dans les systèmes d'adsorption à lit unique.

Un premier aspect de la présente invention concerne un cycle ACP particulièrement adapté au système d'adsorption à lit unique : ceci sera détaillé ci-après.

Il y a fondamentalement deux réalisations dans lesquelles le cycle est utilisé, et plusieurs caractéristiques et combinaisons de ces caractéristiques sont applicables aux deux réalisations.

Pour des raisons de commodité, les deux réalisations sont appelées version à haute pression et version à basse pression.

La version à haute pression est basée sur une source d'air comprimé classique. Ce peut entre, soit un compresseur spécialisé faisant partie du dispositif dans lequel est établi le cycle ACP, ou ce peut etre une source centrale d'air comprimé, comme on en trouve habituellement dans les installations à plusieurs utilisateurs.

La seconde réalisation, appelée réalisation à basse pression, comporte une soufflante comme source du gaz d'alimentation.

Une caractéristique particulière de cette application, qui est réalisée autour de la soufflante à pression relativement basse, est l'utilisation des deux côtés de la soufflante, le refoulement à une pression supérieure à la pression atmosphérique et l'admission à une pression sous-atmosphét rique. On utilise de façon très avantageuse ces deux pressions à différents points dans le cycle. L'un des avantages est que la soufflante est utilisée à 100% du temps et qu'elle peut fonctionner de façon continue. Ceci est à comparer avec les systèmes antérieurs à lit unique, dans lesquels le compresseur ou la source d'air comprimé travaillait à vide pendant environ 50% du cycle, c'est-à-dire pendant la régénération du lit.

Outre les deux réalisations principales, la présente invention décrit également un certain nombre de caractéristiques qui, dans certains cas, sont applicables aux deux réalisa- tions et qui, dans d'autres cas,ne sont applicables qu'à la version à haute pression.

Parmi ces caractéristiques, on peut citer des moyens pour que l'appareil dans lequel sont incorporés le système et le cycle de l'invention ne fonctionne que sur demande, ce qui constitue un notable pas en avant dans la:technique.

Jusqu'ici, les appareils ACP comportaient souvent une minuterie, qui fonctionnait quelle que soit la demande.

Autrement dit, une fois la machine mise en route, elle effectuait le premier stade pendant tant de secondes, le deuxième stade pendant tant de secondes, etc, et continuait le cycle de cette manière, qu'il y ait ou non ';une demande et quelle que soit l'importance de la demande. Dans la présente invention, il est prévu un commutateur piézo- sensible en étroite association avec le réservoir de maintien afin de commander le cycle en fonction de la demande.

Ainsi, les durées de chaque stade dans le cycle peuvent varier considérablement et varient en fonction de la dimension du lit d'adsorption, de la capacité de la soufflante d'alimentation, ainsi que de l'importance de la demande. Ces moyens sensibles à la demande peuvent s'appliquer aux deux réalisations de l'invention.

Un avantage important de l'invention à cet égard est qu'on peut complètement éliminer le coût, le temps d'assemblage, le poids et d'autres caractéristiques inhérentes à l'utilisation d'une telle minuterie, souvent une minuterie à came ou une minuterie électronique.

Un autre avantage de cette deuxième réalisation est que la soufflante à basse pressionrelatkvement simple est beaucoup moins coûteuse et moins complexe qu'un compresseur d'air classique avec ses nombreuses parties mobiles.

Une autre caractéristique de l'invention,qu1 peut s'appliquer à la fois à la réalisation à haute pression et à la réalisation à basse pression, est un agencement de deux réservoirs, un premier réservoir étant prévu pour amener dans le système un gaz de purge et/ou d'égalisation, et un deuxième me réservoir étant prévu comme réservoir de maintien dlali- mentation afin d'assurer à l'utilisateur une alimentation constante sans pointe. Un clapet de retenue est prévu àin d'assurer ce mode de fonctionnement.

La caractéristique suivante ne s'applique qu'à la première réalisation à haute pression. Cette caractéristique comporte une valve d'alir,len'-ation disposée essentiellement au niveau de l'entrée de l'air comprimé dgalimentation dans le système.

Cette valve n'est pas souhaitable lorsque le système fonc- tionne avec un compresseur spécialisé, c'est-à-dire un compresseur qui est construit pour alimenter l'appareil de l'invention et n'a pas d'autre fonction que celle-ci, et qu'ensuite il est important de décharger le compreseur lorsque le lit est régénéré afin d'éviter que le compresseur travaille contre une valve fermée. Une telle configuration, c'est-à-dire le compresseur travaillant contre une valve fermée, endommagerait rapidement le compresseur. En outre, lorsque le compresseur est déchargé, il consomme moins d'énergie, ce qui estunautre avantage de l'invention Toutefois, cette caractéristique présente l'inconvénient, en commun avec l'art antérieur, de gaspiller la capacité du compresseur.Cette valve d'alimentation est nécessaire lorsque l'invention est utilisée dans une installation à multiples usages, c'est-à-dire avec un compresseur central, du fait qu'alors le compresseur ne fonctionne jamais contre une valve fermée, mais alimente un réservoir central.

Comme on l'a dit précédemment, la présente invention est basée en partie sur la découverte que le fonctionnement d'un cycle ACP entre une pression sous-atmosphérique et une pression supérieure à la pression atmosphérique, par opposition à un cycle fonctionnant entre la pression atmosphérique etune pression supérieure à la pression atmosphérique, comme il est courant dans la technique antérieure, conduit à un cycle de fonctionnement ayant un meilleur rendement. Dans la deuxième réalisation, ce but est obtenu par l'utilisation des deux côtés de la soufflante. Même dans la première réalisation, ce mode de fonctionnement est obtenu par l'installation d'un venturi disposé à la sortie des gaz usés du lit unique et fonctionnant avec l'air à pression relativement élevée de la charge d'alimentation afin de créer à cette sortie une condition sous-atmosphérique, qui aspire alors littéralement le gaz usé hors du lit sans utilisation d'une source individuelle quelconque de de- pression.

Une autre caractéristique de l'invention est à envisager avec l'échangeur thermique rencontré dans les appareils antérieurs. En effet, si un volume contenant une masse suffisante avec des caractéristiques de transfert thermique et de capacité thermique appropriées est installé de telle sorte que l'air d'alimentation chaud passe à travers lui et ensuite l'azote perdu dans la direction inverse, il s'établit un équilibre thermique qui élimine ou réduit la nécessité d'un échangeur thermique de l'air d'alimentation.

Cette technique élimine également potentiellement la nécessité d'un séparateur individuel d'eau.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée, donnée ciwaprès à titre d'exemple seulement, de plusieurs réalisations préférées, en liaison avec le dessin joint sur lequel - la figure 1 est un schéma de la première réalisation de la présente invention; - la figure 2 est un diagramme illustrant le cycle et les autres caractéristiques de la première réalisation de la figure 1; les pressions indiquées étant celles correspondant à la fin des stades du cycle; - la figure 3 est une courbe de pression montrant le fonctionnement du lit dans la première réalisation; - la figure 4 est une vue similaire à la figure 1, illustrant schématiquement une deuxième réalisation de la présente invention; - la figure 5 est un schéma du cycle, similaire à la figure 2, illustrant le fonctionnement de la deuxième réalisation;et - la figure 6 est une courbe de p r e s s i o n similaire à la figure 3, mais illustrant le fonctionnement de la deuxième réalfstion.

On se reporte d'abord aux figures 1, 2 et 3, sur lesquelles on voit une première réalisation de l'invention, qui comporte un compresseur 12, dont le refoulement alimente à travers la valve 10 le lit unique d'ACP 14 de l'invention.

Le compresseur 12 a une pression de refoulement relativement élevée, de l'ordre de 414 kPa de pression relative. Toutes les pressions considérées ci-après et indiquées sur le dessin sont des pressions relatives, la pression atmosphérique étant considérée comme égale à zéro. Le compresseur 12 est un compresseur spécialisé pour le système de la figure 1, c'est-à-dire que c'est un compresseur séparé qui peut être autonome dans l'appareil, mais qui n'a pas d'autre fonction que d'alimenter le lit 14. Ceci est à comparer aux installations à utilisateurs multiples, dans lesquelles une source d'air comprimé unique et importante dessert plusieurs "consommateurs".

Dans certains systèmes antérieurs, qui se veulent des systèmes spécialisés, il y a un réservoir-tampon à l'endroit de la valve 10 de la figure 1. Ceci permet des prélèvements du réservoir-tampon pour d'autres utilisations, mais présente le même inconvénient de capacité de compresseur gaspillé et de coût, du fait que le compresseur travaille en permanence contre la pression relativement élevée dans un tel réservoir-tampon. En conséquence, on ne devrait utiliser le réservoir-tampon à la sortie du compresseur que si on avait une autre utilisation pour l'air. Toutefois, si on a d'autres utilisations pour l'air, alors ce n'est plus réellement un système spécialisé au sens où ce terme est utilisé ici.

Une variante de cette première réalisation est une configuration dans laquelle la valve 10, valve d'alimentation, est complêtement supprimée. Dans ce cas, l'ouverture de la valve 20 dans la phase de purge 2 permet à l'adsorbeur de se dépressuriser jusqu'à la pression atmosphérique et en même temps la sortie du compresseur est déchargée ou s'évacue dans l'atmosphère. Ainsi, lorsque la valve 10 est supprimée dans la figure 1, le compresseur ne travaille jamais contre une valve fermée, du fait que, aussi longtemps que le système effectue des cycles, la sortie du compresseur, ou bien est évacuée à travers la valve 20, ou est utilisée pour alimenter le lit 14, du fait que la valve 30 est ouverte.

Autrement dit, en considérant la colonne 2'valves ouvertes de la figure 2, l'une des valves 20 ou 30 est toujours ouverte et de ce fait le compresseur ne travaille jamais contre une valve fermée.

Dans ce cas, c'est-à-dire lorsque la valve 10 est supprimée, l'invention empêche le compresseur de travailler contre une valve fermée dans tous les cas. En même temps, en déchargeant le compresseur, on consomme moins d'énergie du fait qu'au moment où la valve de purge 20 est ouverte, le compresseur refoule simplement dans l'atmosphère au lieu de refouler contre une charge. Dans les systèmes à haute pression sans compresseur spécialisé, on prévoirait#la valve 10 pour isoler l'alimentation d'air et économiser flair d'alimentation.

Lorsqu'on l'utilise, la valve 10 est du type normalement fermé; elle n'est pas utilisée avec un compresseur spécialisé.

Si, pour certaines raisons, elle était utilisée avec un compresseur spécialisé, elle resterait excitée et complètement ouverte pendant tout le processus cyclique.

Ainsi,le compresseur 12 refoule de l'air par la canalisation 16, alternativement vers le lit 14, ou vers 1'atmosphAre par la canalisation 18 et la valve 20. Une autre canalisation 24 va de llextrémité opposée du lit 14 à travers la valve 30, similaire à la valve 20, jusqu'à un réservoir-tampon d'alimentation 28. Un orifice de limitatio:n de purge 26 est monté en parallèle à la valve 30. La sortie finale du produit est réglée par une valve d'étranglement 34 et un régulateur de pression 36.

Les valves 10, 20 et 30 sont commandées par un élément piézosensible 22 ou par un dispositif de rythme prédéterminé, par l'intermédiaire des canalisations de commande en 40-10, 40-20 et 40-30 respectivement.

L'utilisation du commutateur de pression 22 est un pas en avant du fait que ceci peut éliminer la nécessité d'utiliser des dispositifs de rythme coûteux et permet un ralentissement automatique du compresseur en fonction de la demande. Autrement dit, le compresseur n1 aurait à fournir de l'air pressurisé qu'en réponse à l'utilisation du produit.

L'exemple suivant est destiné à une meilleure compréhension: le commutateur de pression 22 est du type différentiel à réarmement réglable. En service, si son point de réglage supérieur est 414 kPa de pression relative, il commute la position électrique å ce moment. Si son point préréglé est 380 kPa de pression relative, la pression dans le réservoirtampon 28 doit tomber à ce point pour réarmer le commutateur de pression 22. En fonctionnement normal, le commutateur de pression 22 permet à la valve 20 d'être fermée et à la valve 30 d'être ouverte lors de la pressurisation du lit 14 et du réservoir-tampon 28. Lorsque la pression monte jusqu'au point de réglage de 414 kPa de pression relative du
commutateur de pression 22, la position de la valve s lin- verse, la valve 20 s'ouvre et la valve 30 se ferme. La pression dans le lit 14 tombe alors à la pression atmosphérique et une purge en sens inverse du gaz produit commence par l'orifice 26, ce qui dépressurise lentement le réservoir-tampon 28. Si aucun produit n'est enlevé par la valve d'étranglement 34, il faut environ cinq minutes par exemple pour atteindre le point de réglage inférieur de 380 kPa de pression relative du commutateur de pression 22. Pendant ce temps, le compresseur s'évacue à l'air libre à travers la valve 20, ne nécessitant qutun minimum de courant électrique.Si la durée de pressurisation est seulement de 15 secondes et si l'intervalle de purge (puissance minimale) est de 5 minutes, on réalise un "ralentissement de 300/315), soit 95% lorsqu'il n'y a pas de charge de produit. Ceci ne veut pas dire que le courant consommé est seulement 5% du courant nominal, mais que, pendant 95% du temps, le compresseur fonctionne sans charge c'est-à-dire qu'il consomme son courant de charcje nulle; ce dernier varie de 15% du nominal à un peu plus en fonction du type de compresseur choisi.

Ce "ralentissement de 95%" peut être réalisé pour la condition de charge nulle en fonction d'une optimisation du diamètre de l'orifice de purge 26. Lorsqu'un produit gazeux est retiré du réservoir-tampon 28 en plus du gaz de purge,la pression dans le réservoir-tampon tombe plus rapidement. Pour un débit nominal du produit, par exemple, le point de réarmement de 380 kpa de pression relative peut être atteint en 15 secondes. Dans ce cas, le rapport de ralentissement pour le débit de produit nominal ou maximal serait 15/50 ou 50%.

il faut constater que, dans le cas d'une demande variable du produit, on peut réaliser des économies de courant substantielles.

Comme mentionné précédemment, on peut utiliser un rythmeur préréglé à la place du comLmutateur de pression 22,mais il doit être réglé de façon à satisfaire les exigences de durée à pleine charge du produit.

Comme il sera décrit plus en détail ciWaprèsellinvention comporte deux caractéristiques additionnelles que l'on peut également utiliser à volonté dans l'appareil de la figure 1.Ces deux caractéristiques sont l'extracteur venturi de gaz usés 42 et le réservoir additionnel 56 et le clapet de retenue (voir figure 4) pour assurer un approvisionnement régulier.

L'extracteur venturi facultatif 42 fonctionne pour créer une aide locale à basse pression lors du stade de purge en utilisant le refoulement du compresseur par ailleurs évacué à l'atmosphère. Autrement dit, au stade 2, c'est-à-dire au stade de purge, le refoulement du compresseur est simplement évacué à travers le venturi 42. Ainsi, l'air comprimé sort à travers la canalisation 18 et la valve 20,mais, grâce au dispositif de venturi 42 qui facilite et accélère le stade de purge en aspirant les gaz usés, notamment l'azote, hors du lit 14. Comme il sera discuté plus en détail ci-après en ce qui concerne la deuxième réalisation, on a constaté de façon inattendue qu'un fonctionnement entre une pression supérieure à la pression atmosphérique et une pression inférieure à la pression atmosphérique augmentait le rendement et la facilité de mise en oeuvre de cycles fonctionnant de cette manière.Ceci est à comparer avec la technique antérieure classique, dans laquelle ces systèmes fonctionnaient entre la pression atmosphérique et des pressions supérieures à la pression atmosphérique.

On se reporte maintenant à la figure 2, sur laquelle la durée de chaque stade est approximative. Ces durées sont réglées en réponse à la demande réelle à laquelle est soumis le système, comme il est décrit ci-dessus en ce qui concerne le commutateur de pression 22.

Le cycle comporte trois stades, le stade "4" étant en fait le début d'un autre cycle et étant identique au stade 1.

Comme il est indiqué en bas de la figure 2, les pressions indiquées sont les pressions à la fin de chaque stade et sont des pressions relatives, la pression atmosphérique correspondant à zéro. Le stade 1 est un stade de production, le lit produit de l'oxygène qui est envoyé à travers la valve ouverte 30 au réservoir 28. Ceci continue jusqu'à ce que la pression dans le réservoir 28 arrive au point de commutation préréglé, à savoir 380 kPa dans l'exemple considéré. A ce moment, le cycle avance au stade 2, dans lequel on laisse un courant auxiliaire arrivant par l'orifice 26 passe en sens inverse à travers le lit 14, vers le bas sur la.

figure 1, pour balayer l'azote hors du lit, par la canalisation 18, l'extracteur 42, la valve maintenant ouverte 20 pour s'évacuer à l'atmosphère.

Ce stade continue pendant un temps relativement court, 15 secondes dans l'exemple considéré. Le stade suivant 3 est un stade d'égalisation, dans lequel la valve 20 est fermée, la valve 10 est réonverte pour amener du gaz de charge au lit 14, et le système se remet en pression jusqu'à égalisation. Après égalisation, le courant s'inverse automatiquement à travers la canalisation 24 et la valve 30 maintenant ouverte pour commencer les stades de production 1 et 4.

En se reportant à la figure 3, on voit la pression dans le lit 14 pendant tout le cycle. il est significatif que la chute très brutale qui survient au point 30 secondes, c'est-à-dire au moment de la purge, survient très rapidement.

Ceci permet une utilisation plus efficace du gaz de purge
Cette chute brutale est obtenue par l'utilisation de valves relativement grandes pour obtenir cette chasse rapide.

Comme il apparaît des figures I et 2 et de la description précédente, on peut voir que la valve 20 a deux buts.

Lors du stade de purge 2, dans cette première réalisation dans laquelle le gaz comprimé est à pression élevée, la valve 20 permet d la fois la dépressurisation du lit 14 jusqu'à la pression la plus basse (qui est la pression atmosphérique sur la figure 2 ou qui peut être sousatmosphérique si l'extracteur-venturi facultatif de gaz usés 42 est prévu;, et également l'évacuation à l'atmos- phare du refoulement du compressellr 12. Les deux fonctions de "purge" du lit et de "déchargement" du compresseur sont effectuées simultanément et par l'intermédiaire de cette seule valve 20.

Ce double service de la valve 20 est un autre pas important en avant de l'invention et augmente par comparaison avec la technique antérieure les avantages de cette invention à savoir :faible coût, moins de pièces, fiabilité plus grande, poids réduit, moindre coût de fabrication, etc.

En se référant maintenant à la figure 4, on va décrire en détail la deuxième réalisation. Les parties identiques, équivalentes ou similaires à celles décrites ci-dessus en relation avec la figure 1 sont repérées par les mêmes repères, augmentés de 100.

La réalisation de la figure 4 est construite autour d'une soufflante 44 qui peut être l'une quelconque de divers types différents.

La figure 3 montre les variations de la pression dans le lit 14 et se rattache directement au schéma de cycle de la figure 2. La figure 3 se comprend relativement bien d'elle-même et on voit distinctement la brutale chute la pression totale à la pression de purge au niveau du point 32 secondes.

En se reportant maintenant à la figure 4, cette version à basse pression est construite autour de la soufflante 44.

L'air atmosphérique est aspiré du côté admission de la soufflante par une canalisation 46 à travers laquelle le débit d'air est réglé par une valve 110, laquelle est commandée par le commutateur de pression et de commande 122. Entre le côté aspiration de la soufflante 44 etlavalve 110, une canalisation 48 pénètre dans la canalisation 46 comme variante pour amener de l'air au côté admission de la soufflante. Le débit à travers la canalisation 48 est réglé par une valve 70, elle-même commandée par le commutateur 122.

Le côté refoulement ou super-atmosphérique de la soufflante 44 fournit son débit par l'intermddiaire d'une canalisation 116 qui pénètre dans un échangeur thermique 52. La canalisation de mise à l'air libre du système 118 est dérivée de la canalisation 116 entre la soufflante 44 et l'échangeur thermique 52. La mise à air libre est commandée par une valve 120, elle-même commandée par le commutateur 122.

Après l'échangeur thermique 52, le débit dans la canalisation 116 est réglé par une valve 60, laquelle alimente la canalisation 48, laquelle revient au côté admission de la soufflante 44, comme il est représenté. En outre, la valve 60 dans la canalisation 116 règle le débit arrivant à l'entrée du lit 114.

Le débit dans la canalisation de sortie du lit 124 est réglé par une valve 130 qui, à son tour est commandée par le commutateur 122. L'orifice 126 est indiqué en tirets, car c'est une caractéristique facultative dans la réalisation de cette figure 4.

Du fait qu'un sy#stème ACP à un seul lit a des sautes et a des irrégularités dans le débit du produit de sortie, l'invention comporte une caractéristique facultative pour fournir une alimentation constante et pour régulariser la four- niture du produit. Dans ce but, il est prévu une valve de retenue 54 dans la canalisation 124 et un réservoir d'égalisation 56 entre les valves 54 et 130. Le réservoir d1éga- lisation 56 se branche dans la canalisation 12a entre ces deux valves 130 et 54.

Après le réservoir-tampon 128, les composants sont les mêmes que ceux décrits dans la réalisation de la figure 1, les repères ayant été augmentés de 100.

En se reportant maintenant à la figure 5, on voit un diagramme de cycle pour l'appareil de la figure 4. Ce diagramme de cycle correspond de façon générale à la première réalisa tion du système de l'invention représentée sur la figure 2.

il a en commun avec lui que les temps indiqués ne sont qu'approximatifs, ces temps étant évidemment commandés par t e c o m m u t a t e ur de pression et de commande 122, de la même manière qu'il a été décrit ci-dessus en ce qui concerne le composant similaire 22 sur la figure 1.

Dans le premier stade, le système étant en production, la valve 110 est ouverte et la valve 70 est fermée, de ce fait la soufflante 44 aspire dans l'air atmosphérique. La valve 120 est fermée et de ce fait le courant va par la canalisation 116 et la valve ouverte 60 jusqu'au lit 114 qui produit le gaz recherché. La valve 130 est ouverte pour permettre au produit gazeux de passer au réservoir d'égalisation 56 et au réservoir-tampon 128. Le clapet de retenue 54 sert à empêcher un retour hors du réservoir-tampon lorsque le cycle entame le deuxième stade, à savoir la purge. Le réservoir d'égalisation 56 fournit alors du gaz dans ce but et le clapet de retenue 54 isole le réservoir-tampon 128 dans le but de servir le consommateur.Du fait que les réservoirs 56 et 128 sont à la même pression, la sortie du réservoir 56 ne peut pas ouvrir le clapet de retenue 54 contre la pression égale dans le réservoir 128 et, de ce fait, ce gaz est utilisé pour purger le lit 114.

Au stade de purge 2, les valves 110, 60 et 130 se ferment et les valves 70 et 120 s'ouvrent; de ce fait, la soufflante aspire de l'air du réservoir d'égalisation 56 à travers l'orifice 126, en sens inverse à travers le lit, puis à travers la valve 70 jusqu'au côté admission de la soufflante 44 et de là à travers la valve de mise à air libre maintenant ouverte 120.

On peut ainsi voir comment fonctionne la soufflante 144 avec un rendement de 100%, c1 est-à-dire qu'elle fonctionne en continu. Dans le premier stade, elle fournit seul'air à une pression supérieure à la pression atmosphérique, qui est amenée au lit 114. Au stade de purge suivant, on utilise le côté admission de la soufflante 44 et les gaz usés sont littéralement aspirés hors#du lit 114 et envoyés à l'atmos- phère à travers la valve de mise à air libre 120. On doit en outre noter que, et ceci apparat plus clairement sur la figure 6, le stade de purge est effectué en partant à une pression super-atmosphérique de 103 kpa de pression relative et que la pressiondescend jusqu a une pression sous-atmosphérique de -55 kpa. -On a constaté que le fonctionnement entre une pression super-atmosphérique et une pression sous-atmosphérique augmente le rendement de fonctionnement, le débit en général et améliore le cycle ACP fonctionnant de cette manière. Cette amélioration est un pas notable en avant par rapport à la technique antérieure, notamment lorsqu'elle est couplée avec la soufflante à basse pression et à faible coût 44 de cette réalisation

Claims (39)

Revendications.

1. Cycle d'adsorption à commutation de pression (ACP) utilisé dans un système à un seul lit, caractérisé en ce que ce cycle fonctionne entre une pression élevée, une pression basse et une pression intermédiaire, ce système comportant des moyens de réservoir (28, 128) pour recevoir le produit gazeux sortant de ce lit unique (14, 114), ce cycle comportant un stade de production dans lequel les pressions dans le lit et dans les moyens de réservoir sont augmentées depuis la pression intermédiaire jusqu'à la pression élevée, un stade de purge dans lequel la pression dans le lit est rapidement diminuée depuis la pression#élevée jusqu'à la pression basse, et un stade d'égalisation des pressions, dans lequel les pressions dans le lit et dans les moyens de réservoir sont rendues égales à la pression intermédiaire.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la basse pression est sous-atmosphérique.

3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de soufflante (44) sont prévus pour créer à la fois la pression élevée au niveau du côté refoulement (116) de la soufflante et la basse pression au niveau du côté admission (46) de cette soufflante.

4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire chuter rapidement la pression dans le lit lors du stade de purge.

5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens dtalimentation en air comprimé (12), des moyens d'extraction des gaz usés par venturi (42) et des moyens pour faire circuler l'air comprimé depuis ces moyens d'alimentation à travers les moyens d'extraction des gaz usés pour que les moyens dXextraction par venturi aspirent les gaz usés hors du lit (14).

6. Système selon la revendication 1, caractérisé par une valve d'alimentation normalement fermée (10) en amont du lit unique (14).

7. Système selon la revendication 1, caractérisé par des moyens de rythme pour régler la durée de chaque stade dans le cycle.

8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de réservoir d'égalisation de pression (56) sont associés à la sortie du produit gazeux du lit unique.

9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'airestle gaz travaillant dans le cycle ACP et l'oxygène est le produit gazeux.

10. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'échangeur thermique (52) et des moyens pour positionner ces moyens d'échangeur thermique de façon qu'il y ait échange thermique entre le gaz amené au lit unique et le gaz de purge dirigé en sens inverse de ce lit unique.

11. Système ACP ayant un seul lit et des moyens de réservoir tampon, ce système comportant un cycle ACP, ce cycle comportant une multiplicité de stades, caractdrisd en ce qu'il comporte des moyens de valve pour régler le débit du gaz à travers le système au fur et à mesure que le cycle progresse à travers cette multiplicité de stades, des moyens détecteurs de pression pour mesurer la pression dans le réservoirtampon, des moyens pour amener du produit gazeux hors du réservoir-tampon, et des moyens pour faire progresser ce cycle à travers la multiplicité de stades en réponse à la pression dans le réservoir-tampon, d'où il résulte que le cycle progresse à travers ces stades en réponse à la demande d'un produit gazeux plutôt qu'en fonction de périodes fixées pour chaque stade.

12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation en air comprimé (12), des moyens d'extraction de gaz usés par venturi (42) et des moyens (16, 10, 18) pour faire passer l'air comprimé des moyens d'alimentation à travers les moyens d'extraction des gaz usés pour que ces moyens d'extraction par venturi aspirent les gaz usés hors du lit (14).

13. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une valve d'alimentation normalement fermée (10) en amont du lit unique.

14. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que des moyens de réservoir d'égalisation de pression (56) sont associés au produit gazeux sortant du lit unique.

15. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'échangeur thermique (52) et des moyens pour positionner cet échangeur thermique de telle sorte qu'il se produit un échange thermique entre le gaz amené au lit et le gaz de purge sortant de ce lit.

16. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que des moyens de rythme commandent la durée de chaque stade dans le cycle.

17. Système selon la revendication t1, caractérisé en ce que l'air est le gaz traité par le cycle d'adsorption par commutation de pression et l'oxygène est le produit gazeux.

18. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que le lit unique est soumis à des pressions haute, basse et intermédiaire et que la pression basse est sousatmosphérique.

19. Dispositif ACP ayant un seul lit, ce seul lit comportant une première et une deuxième ouverture pour les gaz, caractérisé en ce que chacune de la première et de la deuxième ouverture fonctionne alternativement comme arrivée de gaz et comme sortie de gaz de ce lit unique, des moyens de conduits pour amener du gaz d'alimentation comprimé au lit par la première ouverture, ce dispositif comportant des moyens de mise à air libre, les moyens de conduits raccordant également les moyens de mise à air libre à la première ouverture, des moyens de valve dans les moyens de conduits, et des moyens pour amener du gaz de purge à la deuxième ouverture du lit unique, grace à quoi, lors de la purge du lit, les moyens de valve agissent pour mettre simultanément à l'air libre le gaz d'alimentation comprimé provenant des moyens d'alimentation et le gaz de purge provenant du lit unique.

20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que le lit est soumis à une pression haute, une pression basse et une pression élevée, et que la pression basse est sous-atmosphérique.

21. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'échangeur thermique et des moyens pour positionner ces moyens d'échangeur thermique de telle sorte qu'il existe un échange thermique entre le gaz amené au lit et le gaz de purge sortant de ce lit.

22. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'air est le gaz traité par ce cycle ACP -et que l'og- gène est le produit gazeux.

23. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il fonctionne selon un cycle ACP à plusieurs stades et que des moyens de rythme commandent la durée de chaque stade dans le cycle.

24. Dispositif slo la revendication 9 caractérise en ce qu'une valve d'alimentatlon normalement fermée est montée en amont du lit.

25. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation en air comprimé, des moyens d'extraction par venturi des gaz usés, et des moyens pour faire circuler de l'air comprimé depuis les moyens d'alimentation à travers les moyens d'extraction des gaz usés pour que les moyens d'extraction par venturi aspirent les gaz usés hors du lit.

26. Machine d'adsorption à commutation de pression caractérisée en ce qu'elle comporte un seul lit (114) et des moyens d'alimentation en gaz, ces moyens d'alimentation en gaz comprenant une soufflante basse pression (44).

27. Machine selon la revendication 26, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour effectuer un cycle ACP, ce cycle comportant au moins un premier stade dans lequel on fournit du gaz d1alimentation#à un lit unique et un deuxième stade dans lequel on fait circuler du gaz de purge hors de ce lit unique, des moyens pour utiliser la soufflante pendant pratiquement 100% de son temps de fonctionnement, cette soufflante comportant un côté d'alimentation à pression relativement plus élevée et un côté d'aspiration à pression relativement plus faible, cette machine comportant des moyens de mise à air libre, des moyens de conduits raccordant le côté de la soufflante à pression relativement plus élevée au lit unique pour effectuer le premier stade d'alimentation, et des moyens de conduitspour raccorder le côté de la soufflante à pression relativement plus faible au lit unique et aux moyens de mise à air libre pour effectuer le deuxième stade de purge.

28. Machine selon la revendication 26, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour que la diminution de pression qui suaient dans le lit lors de la purge au second stade ait lieu rapidement.

29. Machine selon la revendication 26,caractérisée en ce qu'elle fonctionne selon un cycle d'adsorption par commutation de pression à stades multiples et en ce que des moyens de rythme sont prévus pour commander la durée de chaque stade dans le cycle.

30. Machine selon la revendication 26, caractérisée en ce que le lit unique est soumis à une pression élevée, à une pression basse et à une pression intermédiaire et que sa pression basse est sous-atmosphérique.

31. Machine selon la revendication 26, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'échangeur thermique et des moyens pour positionner cet échangeur thermique de telle sorte qu'ait lieu un échange thermique entre le gaz amené au lit unique et le gaz de purge sortant de ce lit.

32. Machine selon la revendication 26, caractérisée en ce que des moyens de réservoir d'égalisation de pression sont associés à la sortie du produit gazeux du lit unique.

33. Machine selon la revendication 26, caractérisée en ce que l'airestle gaz traité par ce cycle ACP et en ce que l'oxygène est le produit gazeux.

34. tchine à adsorption à commutation de pression pour séparer l'oxygène de l'air, caractérisée en ce qu'elle comporte un lit unique de matériau adsorbant, un réservoirtampon, une soufflante basse pression ayant un côté alimentation et un côté aspiration pour fournir de l'air ambiant a' ce lit unique depuis son côt d'alimentation, le lit unique ayant une première extrémité et une deuxième extrémité, ces deux extrémités pouvant servir h la fois

d'arrivée du gaz et de sortie du gaz du lit unique, des moyens de mise a' air libre, des moyens de conduitsraccordant enseSble la soufflante,les moyens de mise n air libre et la première extrémité du lit; des moyens de valve dans les moyens de condui#.des moyens de commande pour ces moyens de valve, des moyens pour enlever l'oxygène de ce lit unique par l'intermédiaire de la deuxième extrémité, les moyens de conduits étant disposés et commandés par les moyens de valve de telle sorte que le côté aspiration de la soufflante soit raccordé au lit unique lors d'un stade de purge pour aspirer les gaz usés hors du lit et diriger ces gaz usés vers les moyens de mise à air libre, d'où il résulte que la soufflante est utilisée pratiquement 100% du temps que la machine ACP fonctionne, en agissant à la fois pour fournir de l'air lors dzsstadN de production et pour enlever les gaz usés lors des stades de purge.

35. Machine selon la revendication 34, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de réservoir de produit gazeux et en ce que les moyens de commande comportent des moyens pour mesurer la pression du produit gazeux dans ces moyens de réservoir, d'où il résulte que la machine fonctionne en réponse à la demande de produit gazeux provenant des moyens de réservoir plutôt qu'en fonction de durées prédéterminées pour chaque stade de son cycle de fonctionnement.

36. Machine selon la revendication 34, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour faire fonctionner le cycle entre la pression élevée, la pression basse et la pression intermédiaire, le système comportant des moyens de réservoir pour recevoir le produit gazeux sortant du lit unique, le cycle comportant un stade de production dans lequel la pression dans le lit et dans les moyens de réservoir est augmentée depuis la pression intermédiaire jusqu'à la pression élevée, un stade de purge dans lequel la pression dans le lit est diminuée de cette pression élevée jusqu'à la pression basse, et un stade d'égalisation des pressions, dans lequel les pressions dans le lit et dans les moyens de réservoir sont rendues égales à la pressions#intermédiaire.

37. Machine selon la revendication 34, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'échangeur de chaleur et des moyens pour positionner ces moyens d'échangeur de chaleur de façon qu'un échange de chaleur ait lieu entre le gaz amené au ! lit unique et le gaz de purge sortait de ce lit unique.

38. Machine selon la revendication 34, caractérisée en cl qu'elle comporte des moyens de rythme pour commander la durée de chaque stade dans le cycle.

39. Machine selon la revendication 34, caractérisée en ce que des moyens de réservoir d'égalisation de pression sont associés à la sortie du produit gazeux du lit unique.