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Procédé et appareil pour le fractionnement de mélanges gazeux La présente invention a pour objet : - un procédé et un appareil pour extraire un ou plusieurs composants clés d'un mélange gazeux ou d'un courant gazeux renfermant ces composants; - un procédé et un appareil tels que ceux qu'on uti- lise pour séparer les impuretés d'un mélange gazeux formé d'un ou de plusieurs composants; - un procédé et un appareil utilisés pour obtenir un produit sortant, procédé dans lequel, en enlevant un ou plusieurs composants du mélange original, la concentra- tion centésimale des composants les plus désirables est augmentée dans le produit obtenu.
Une application particulière de l'invention con-
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cerne le séchage d'un mélange gazeux, tel que de l'air, par extraction de la vapeur d'eau. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé et un appareil permettant d'extraire l'azote d'un courant d'air atmosphérique pour élever la concentration en oxygène dans le courant de pro- duit sortant. En outre, l'invention se rapporte à un pro- cédé et à un appareil permettant d'extraire l'oxygène d'un courant d'air atmosphérique, pour augmenter la concentra- tion en aaote dans le produit sortant.
A ce sujet, l'in- vention vise particulièrement un dispositif combiné pour séparer l'air en ses composants principaux qui sont l'azo- te et l'oxygène, en utilisant le procédé et l'appareil de fractionnement décrits dans le présent mémoire. pans de nombreux procédés industriels, il est essentiel de disposer l'air exempt d'humidité ou riche en oxygène ou en azote, pour des processus opératoires satis- faisants. On connaît ou on a proposé, pour atteindre ce résultat, de nombreux procédés et diverses combinaisons d'appareils: Avec la plupart d'entre eux, ou bien la mise en oeuvre est compliquée, ou bien l'appareil est coûteux à installer, et à faire fonctionner.
La présente inven- tion concerne donc un procédé et un appareil simples, que l'on peut utiliser au prix de modifications peu importan- tes, dans une multitude de cas où l'on désire purifier ou concentrer des mélanges gazeux. La présente invention a pour but de réaliser : un dispositif de séparation, tel qu'un dispositif d'adsorption ou un dispositif de diffu- sion pour le séchage de l'air ou d'autres produits gazeux, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un apport de chaleur externe pour régénérer l'adsorbant utilisé dans le dispositif ; dispositif n'exigeant que des quantités relativement faibles d'asorbant pour un fonctionnement
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efficace, et dans lequel, par conséquent, les dépenses d'appareillage sont considérablement réduites;
enfin, un procédé ainsi qu'un appareil permettant de recueillir des produits riches en oxygène et/ou en azote, contenus dans l'air atmosphérique, sans liquéfaction ou autres pro- cédés onéreux et compliqués.
Les termes "gaz" ou "gazeux", tels qu'on les uti- lise dans la description ci-après désignent, non seulement des produits considérés par convention comme des gaz, mais également des produits que l'on considère par convention comme des vapeurs. En outre, l'expression "composant-clé", telle qu'on l'utilise dans la description suivante désigne les composants adsorbés sélectivement dans un courant de produit gazeux initialement envoyé dans le dispositif.
On va se reporter au dessin annexé, sur lequel : la fig. 1 est un schéma montrant un appareil conforme à la présente invention et illustrant les cen- duits et les dispositifs de commande de la circulation, convenant pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention ; la fig. 2 est la représentation graphique d'une opération dans laquelle on utilise un dispositif conforme à l'invention pour enlever l'humidité de l'air atmosphé- rique, et elle montre le conditionnement progressif d'un tel dispositif pour obtenir un débit sensiblement constant d'air séché, en partant d'une teneur initiale en humidité d 4000 parties molaires par million pour obtenir à peu pres 1 partie molaire par million ;
cette figure, on a porté en abscisse des dates (12, 13, 14, 15,16 et 17 septembre) et en ordonnée, la teneur en eau (en parties molaires par million) dans le produit sortant primaire.
Les figures 3 à 3D illustrent schématiquement
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les moyens généraux du fonctionnement auxquels on fait appel dans la mise en pratique de la présente invention; la figure 4 est un graphique montrant comment le conditionnement d'un dispositif conforme à la présente invention agit pour donner un résultat sensiblement tel qu'il est représenté sur la fig. 2 ; sur ce graphique, on a porté en abscisse la longueur des chambres d'adsorption (L et L') et en ordonnée la pression partielle de vapeur d'eau dans le courant d'air, en mm de Hg, les lettres E.C. signifiant "entièrement conditionné";
la fig. 5 est une représentation graphique des résultats obtenus dans une opération conforme à la présen- te invention, dans laquelle on a utilisé le dispositif pour extraire l'azote d'un courant d'air entrant, en vue d'obtenir un produit sortant riche en oxygène, cette fi- gure montrant particulièrement l'effet obtenu quand on modifie l'une des conditions opératoires, tout en en main- tenant l'autre constante ; débit de reflux, en litres/ minute étant porté en abscisse et le pourcentage molécu- laire d'oxygène dans le produit sortant primaire étant porté en ordonnée; la fig. 6 montre graphiquement l'effet produit en inversant les rôles des conditions opératoires modi- fiée et constante dans l'opération représentée sur la fig. 5 ;
on a[ porté en abscisse la récupération en produit sortant primaire, en litre/minute et en.ordonnée le pour- centage molaire d'oxygène dans le produit sortant primaire ; la fig. 7 montre graphiquement comment on déter- mine un résultat optimum dans un dispositif fonctionnant dans les conditions représentées sur la fig. 6, et dans laquelle on a porté la quantité de produit sortant pri- maire en litresminute, en fonction du pourcentage d'enri-
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chissement en oxygène de ce produit sortant, porté en abscisse ;
la fig. 8 montre graphiquement comment on déter- mine un résultat optimum dans un dispositif établi pour concentrer l'azote dans un produit sortant primaire pro- venant d'un mélange gazeux dont l'azote constitue le com- posant principal ; cette figure, on a porté le débit de produit riche en azote en litres/minute, en abscisse, et le volume pour cent de produit riche en oxygène eten azote, en ordonnée; la fig. 9 est une représentation schématique d'un dispositif de fractionnement d'un mélange gazeux ren- fermant au moins deux composants principaux, pour produire deux courants distincts de produits sortants, dont chacun est riche en l'un de ces composants principaux.
Dans l'appareil représenté par la fig. l, cha- cune des références 1 et 2 désigne un adsorbeur faisant partie d'une paire de ces appareils. Chaque adsorbeur peut contenir un produit adsorbant et être sensiblement complè- tement garni de ce produit qui sera décrit plus en détail ci-après. Comme on peut le voir, le garnissage adsorbant de l'adsorbeur 1 est désigné par la référence 3 et celui de l'adsorbeur 2 par la référence 4.
Chaque adsorbeur est muni de conduits assurant le passage des produits gazeux traités et non traités dans les adsorbeurs respectifs et servant à faire circuler ces produits de toute autre manière dans le dispositif. Les références 5 et 6 désignent respectivement des conduits combinés d'entrée et de purge pour les adsorbeurs respec- tifs 1 et 2, et les références 7 et 8 désignent d'une ma- nière correspondante des conduits d'évacuation du produit sortant primaire. Chacun des conduits 5 et 6 est relié,
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par son extrémité extérieure, à un conduit distributeur d'admission commun 9, et chacun des conduits 7 et 8 est à son tour relié à un conduit collecteur d'évacuation com- mun 10.
Un conduit 11 pour introduire dans le dispositif une charge initiale de produit gazeux est relié au dis- tributeur d'admission 9, tandis qu'un conduit 12 est rac- cordé au collecteur d'évacuation 10, en vue de l'évacua- tion d'un premier produit sortant du dispositif.
Les références 13 et 14 désignent les éléments respectifs de deux vannes de changement de direction à trois voies reliées au distributeur 9, de part et d'au- tre de son point de jonction avec le conduit,d alimenta- tion 11, et placés respectivement entre cette jonction et les conduits 5 et 6. Des clapets de retenue 9a et 9b sont également placés dans le distributeur entre sa jonc- tion avec le conduit d'alimentation et les vannes respec- tives 13 et 14. Ces clapets sont conçus de manière à ne permettre un écoulement que dans la direction des vannes
13 et 14. Dans ces dernières, les lumières sont désignées par la référence de la vanne à laquelle s'ajoutent les lettres a, b et c.
Dans chaque vanne, la lumière a est reliée à la partie du distributeur 9 communiquant direc- tement avec le conduit d'alimentation 11 ; lalumière b est reliée à la partie du distributeur communiquant di- rectement avec un conduit d'entrée et de purge correspon-
5 ou dant,6, et la lumière ± communique avec un conduit d'é- vacuation d'un second produit sortant provenant d'un des adsorbeurs.
Comme on peut le voir, les lumières 13a et
14a sont reliées de manière à communiquer,par l'intermé- diaire du distributeur 9, avec le conduit d'alimentation
11 ; les lumières 13b et 14b sont reliées de manière à communiquer, par le distributeur 9, avec les conduits 5 et 6, respectivement, et les lumières 13c et 14c sont reliées aux conduits de décharge 15 et 16, respectivement, pour évacuer un produit sortant secondaire des adsorbeurs
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respectifs 1 et 2. Les conduits 15 et 16 communiquent à leur tour avec un conduit de décharge commun 17 par l'intermédiaire d'un collecteur 18.
Les vannes 13 et 14 sont de préférence établies pour un fonctionnement automatique et cyclique, de manière à relier alternativement un des adsorbeurs 1 et 2, par l'intermédiaire de leurs conduits de liaison respectifs 5 et 6 et du distributeur 9, soit au conduit d'alimenta- tion 11, soit aux conduits de liaison 15 et 16 pour le produit sortant, respectivement. Sur le dessin, les van- nes 13 et 14 sont représentées équipées en vue d'un fonc- tionnement automatique, par exemple à l'aide des solénoi- des 19 et 20, respectivement. Egalement, tels qu'ils sont ainsi équipés, les solénoldes 19 et 20, sont de préférence excités par un dispositif'tel qu'un dispositif de comman- de cyclique non représenté.
Dans l'appareil représenté, on a actionné la vanne 13 de manière à laisser sortir les produits de purge de l'adsorbeur 1, par les conduits 5, 9 et 15, au moyen des lumières 13b et 13c. En même temps, ou un peu avant, la vanne 14 a été cctionnée de manière à laisser entrer une charge gazeuse dans l'adsorbeur 2 par les conduits 11, 9 et 6, au moyen des lumières 14a et 14b. Le fonction- nement ultérieur des vannes suivant un cycle régulier, ainsi qu'on va l'expliquer plus loin, déterminera une position mutuelle inverse des vannes par rapport à leurs conduits respectifs et aux adsorbeurs avec lesquels ils communiquent.
Si l'on se reporte à nouveau aux conduits de liaison comprenant les conduits 7 et 8 et le collecteur 10, tels qu'ils sont représentés, on voit que ce dernier comporte un branchement de liaison 21, dans lequel se
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trouve une vanne de réglage 21a détendant la pression.
Cette vanne peut être une vanne à réglage différentiel, conçue pour maintenir une différence de pression relati- vement constante entre ses lumières d'entrée et de sor- tie. La circulation dans la vanne se fait toujours dans la direction indiquée par les flèches,
La référence 22 désigne un conduit de liaison transversal s'étendant entre les conduits 7 et 8; ce con- duit de liaison transversal comprend des clapets de rete- nue 22a et 22b, dont le rôle est de se fermer pour emoê- cher le passage, depuis les conduits 7 et 8 et de s' ou- vrir pour permettre l'écoulement vers les conduits respes- tifs 7 et 8, Les clapets de retenue 7a et 8a empêchent respectivement le passage par les conduits 7 et 8 vers les adsorbeurs respectifs 1 et 2 avec lesquels ces con- duits communiquent.
En ce qui concerne le garnissage adsorbant dési- gné dans les adsorbeurs 1 et 2 par les références 3 et 4, respectivement, on mentionnera qu'il peut être constitué par un adsorbant quelconque doué d'affinité sélective pour un ou plusieurs des composants du mélange gazeux envoyé dans le dispositif par le conduit 11. Comme on l'a représenté, le produit adsorbant est uniforme et con- tinu d'un bout à l'autre de chaque adsorbeur. Toutefois, si on le désire, les adsorbeurs peuvent être garnis d'un certain nombre d'adsorbants différents disposés en cou- ches. Dans ce cas, on préfère que les couches soient ma- tériellement séparées.
On peut par exemple insérer des plaques de séparation de manière qu'elles s'étendent dia- métralement dans l'adsorbeur, ou bien on peut entasser à l'avance chaque adsorbant dans un récipient approprié et introduire les divers récipients pour former une série
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d'un bout de l'adsorbeur à l'autre.
Suivant ce que l'on se propose de réaliser, l'adsorbant utilise peut être choisi parmi les suivante le charbon active, l'alumine, le gel de silice, la laine de verre, le coton adsorbant, et même du papier mousse- line. Divers oxydes métalliques, des argiles, de la terre à foulon, du noir d'os, etc... ont 4941*ment des proprié- tés adsorbant.. que l'on peut utiliser conformément à la présente invention.
Encore un autre adsorbant ayant les propriétés envisagées est celui qui est connu sous la marque de commerce "Mobilbedads", qui est un compose siliceux adsorbant l'humidité,@
D'autres produits adsorbants utilisables confor- mément à la présente invention comprennent ceux qui sont connus sous le nom de tamis moléculaire*, Cette'catégorie de produits comprend certains zéolites* tant naturels que synthétiques, dont la structure est cristalline et qui renferment un grand nombre de petites cavités reliées entre elles par de nombreux trous encore plus petits ou pores, ces derniers étant de dimensions exceptionnellement uniformes. Le diamètre des pores peut varier depuis 3 à 5 unités Angstrôm jusqu'à 12 à 15 eu plus.
Toutefois, pour un tamis moléculaire déterminé, les dimensions des pores sont sensiblement uniformes, et en conséquence, le produit sera normalement désigné par la dimension carac- téristique de ses pores,.
L'action adsorbante des zéolites naturels et synthétiques est bien connue. Parmi les zéolites natu- rels possédant cette propriété de tamis, on peut mention- ner les chabasies et l'analcime.
On peut réaliser la synthèse de tamis moléculaires ayant des dimensions de pores uniformes de
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4 à 5 unités Angstr#m en mélangeant une solution aqueuse d'un silicate métallique alcalin dont le rapport oxye de métal alcalin/SiO2 est de 0,8 à 1 environ, ou plus, avec une solution d'aluminate de soude dont le rapport
Na20 à a203 est compris entre 1/1 et 3/1, ce mélange se faisant entre 71 et 102 C. dans des proportions tel- les que le rapport SiO2/A1203 dans le mélange soit com- pria entre 0,5 et 3/1, On maintient le ¯lange aux tempé- rature.
indiquées pendant un lapa de temps suffisant pour former un silico-aluminate de soude cristallin qui constitue un tamis moléculaire ayant des peres de dimen- sions uniformes de 4 unités Angstr#m environ. On peut obtenir dans ce produit une grosseur de pores de 5 unités Angstr#m environ, par échange de bases avec un métal alcalino-terreux tels que du calcium, par exemple sous forme de chlorure de calcium. Dans l'un ou l'autre cas, on lave à l'eau le tamis moléculaire obtenu, puis an l'active en le calcinant.
On peut réaliser la synthèse d'un tamis moléculaire ayant des pores de 13 Anstr#m environ, en mélangeant une solution aqueuse d'un silicate d'un métal alcalin, dont le rapport oxyde de métal alcalin/Si02 est égal à environ 1/1 ou plus, avec une solution d'aluminate de soude dont le rapport Na20/A1203 est compris entre 1/1 et 3/1, entre 71 et 121 C, en proportions telles que le rapport Si02/A1203 dans le mélange soit compris entre 3/1 et 10/1, On maintient alors ce mélange à la tempéra- ture indiquée pendant une heure au moins, et de préféren- ce pendant plus longtemps, et l'on obtient ainsi le ta- mis moléculaire désiré. Le tamis moléculaire recueilli est lavé à l'eau, puis activé par calcination.
Les tamis moléculaires de 4 #, 5 # et
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13 Xs ont certaines affinités Ct1:rAc::t.Jrht.iqu four diz types détermines 11'hyd:ocarhues. A ce point de vue, les caractéristiques d'adsorption des tamis moléculaires de 4 Ó, 5 # et 13 #, figurent dans le tableau suivant
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Adsorbés aur Adsoxbés aur Adaorbéa ni sur Adaorb4a 4 X et a 5 J,N18 pas sux 4 À 4 À ni sur 5 A nur 13 À 1) Ethane 1) hoone et hydro- 1) gydrocarbu#oa 1) Tous les hyedxiua n-palfi- iaoparAffini- dxocarburos nique. supérieure ques bouillant dans la gamme des essence..
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2) éthylène 2) Bu"ènes et 2) Hydrocarburop 2) Hydrocarburea l#'3as IUp4- aromatiques a:rt1que8 1eure8 fortonont adsorbés, 3) Propylée 3) Tous les hydro- 3) Dioléfines
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aubuns cycli- fortement ques avec 4 auto- adsorbées< nias ou plus dans le noyau
Comme le montre ce tableau, on peut utiliser le procède et l'appareil conformes à la présente invention pour séparer des produits tels que l'éthane, l'éthylène ou le propyl1ène, contenus dans un mélange avec du propane et des hydrocarbures paraffiniques normaux supérieurs, ou avec des butènes ou des oléfines normales supérieures, ;
à l'aide de tamis de 4 #. De même, on peut séparer des hydrocarbures isoparaffiniques, aromatiques et tous les hydrocarbures cycliques, ayant 4 atomes ou plus dans le noyau, de l'un quelconque des hydrocarbures énumérés ci- dessus, à l'aide d'un tamis moléculaire de 4 # ou de 5 #.
Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, beaucoup des adsorbants énumérés plus haut sont sélectifs pour plus d'un seul composant clé.
Dans la mise en pratique du procédé, conformé- ment à la présente invention, on fait passer un courant d'un mélange gazeux sous une pression positive, d'une
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manière cyclique et en ordre alterné, dans chacun des deux adsorbeurs montés par paires, l'atmosphère ambiante des adsorbeurs étant sensiblemen+ maintenue à une tempé- rature telle que la charge et les proàuits sortants res- tent en phase vapeur ou en phase gazeuse. Le courant in- troduit dans chacun des adsorbeurs passe sur une masse d'un adsorbant: se trouvant dans l'adsorbeur et traverse cet adsorbant qui possède une affinité sélective pour au moins un composant clé du mélange. Au cours du passage de la charge de mélange initiale dans un adsorbeur, cet adsorbeur fonctionne en cycle d'adsorption.
Au cours de ce cycle, on maintient la pression dans l'ad- sorbeur sensiblement égale à celle de la charge initiale que l'on y introduit. Après avoir traversé l'adsorbeur, un produit gazeux sortant en est évacué à la même pres- sion que le courant initial.
Pendant que l'un ou l'autre des adsorbeurs fonc- tionne en cycle d'adsorption, on abaisse la pression dans l'autre adsorbeur de la paire, par exemple en le mettant en communication avec l'atmosphère, ou avec un autre appareil sous pression réduite. Dans ces conditions, l'autre adsorbeur fonctionne en cycle de désorption. Sen- siblement au même moment, une partie du produit sortant primaire provenant de l'adsorbeur travaillant alors en cycle d'adsorption est prélevée du courant sortant pri- maire total, et cette partie prélevée est introduite dans l'adsorbeur sous pression réduite, qui se travaille alors en cycle de désorption, de manière à passer sur la masse d'adsorbant qui s'y trouve et à travers celle-ci.
Le passage de cette partie prélevée dans l'adsorbeur en cy- cle de désorption se fait en sens inverse du passage du courant initial traversant cet adsorbeur quand il tra-
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vaillait en cycle d'adsorption. Tel qu'il est ainsi intro- duit, le produit sortant primaire est relativement exempt de composant ou de composants-clés retenus par l'adsorbant contenu dans l'adsorbeur en cycle de désorption et se trouvant dans cet adsorbant. En outre, l'adsorbant contenu dans cette zone aura été légèrement chauffé par la cha- leur d'adsorption dégagée au cours d'un cycle d'adsorp- tion précédent.
En réglant convenablement les durées des cycles d'adsorption et de désorption, la chaleur d'adsorp- tion dégagée pendant le cycle sous pression est conservée et reste disponible pour contrebalancer les effets de re- froidissement créés au cours du cycle de désorption.
Un avantage important du présent procédé réside dans le fait que la chaleur dégagée au cours du cycle d'ad- sorption est conservée. Etant donné que le cycle d'adsorp- tion dure peu, la chaleur n'a pas le temps de se dégager au travers du lit.et à travers les parois de l'appareil pour passer dans l'atmosphère environnante. En passant rapidement du cycle d'adsorption au cycle de désorption dans les adsorbeurs respectifs, le cycle de désorption utilise à peu près complètement la chaleur produite au cours du cycle d'aasorption. Ceci est dû au faible T obtenu et au fait que la chaleur d'adsorption n'a pas le temps de se dissiper. En fait, les lits fonctionnent com- me des échangeurs de chaleur à perles, à haut rendement et dont le cycle est rapidement parcouru.
En général, la durée du cycle d'adsorption, conformément à la présente invention, ne dépasse pas 2 à 3 minutes et il est de pré- férence inférieur à 1 minute. Une durée très désirable du cycle d'adsorption est inférieure à 20 secondes, et elle est par exemple de 10 secondes.
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Dans cette description, le produit sortant d'un adsorbeur qui fonctionne en cycle d'adsorption est dénom- mé "produit sortant primaire", tandis que le produit sor- tant d'un adsorbeur qui fonctionne en cycle de désorp- tion est dénommé "produit sortant secondaire". Dans le produit sortant primaire, la concentration en composant ou composants-clés est minima. Dans le produit sortant secondaire, la concentration en composant ou composants- clés est maxima.
Le résultat du lavage à contre-courant pour la désorption du ou des composants-clés des adsorbeurs est que, dans les mélanges gazeux, les composants du produit sortant secondaire correspondent à un certain degré à primaire ceux de la charge initiale. Le produit sortant/constitue normalement le produit vers lequel le procédé est orienté.
Quand le produit sortant secondaire n'a pas d'utilité particulière, comme dans le cas où les composants-clés adsorbés peuvent être tels que de la vapeur d'eau et de petites quantités d'anhydride carbonique, au cours du cycle de désorption, on peut évacuer à l'atmosphère le produit sortant de l'un ou l'autre des appareils ou bien s'en débarrasser comme d'un produit résiduaire. Quand le produit sortant secondaire peut être tel qu'il garantis- se la récupération des composants-clés adsorbés, on peut l'envoyer dans un accumulateur ou dans un appareil de stockage, ou bien l'envoyer directement dans un appareil de traitement ou de récupération, de toute manière con- venable.
L'appareil de la présente invention, illustré sur la fig. 1, est particulièrement utile dans un pro- cédé, tel que celui qui est décrit d'une manière générale ci-dessus pour sécher de l'air. Dans une semblable ap-
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plication, un chronodéclencheur cyclique (non représenté), est relié électriquement de manière à mettre en circuit les solénoldes 19 et 20, et à faire ainsi fonctionner les vannes 13 et 14 à intervalles de trois minutes, chaque vanne étant "ouverte" pendant ce temps, pendant que l'autre est "fermée" pendant le même temps.
Quand une vanne est "ouverte", elle permet le passage entre le conduit d'entrée 11 et l'un des adsor- beurs, par la vanne et les conduits dd liaison. Sur le dessin, la vanne 14 est "ouverte", et permet ainsi le passage, par les parties 14a et 14b et le conduit 6, vers l'adsorbeur 2. L'autre vanne 13 est figurée "fermée"; dans cette position, elle permet le passage entre l'ad- sorbeur 1 et le conduit de sortie 17, par le distribu- teur 9 et les lumières 13b et 13c.
Au cours de l'opéra- tion décrite, ces positions correspondent en sens op- posés, d'une vanne à l'autre',
Chacun des adsorbeurs utilisés mesure environ Om,30 de longueur et environ 37 mm de diamètre ; d'eux a une capacité telle qu'il contient environ 453 grammes de "Mobilbeads", dont chacun est garni pour l'opération dont on donne la description. Tels qu'ils sont utilisés, les "Nobilbeads" mesurent de 2,38 à 6,35 mm.Dans genre d'opération considéré, courante
Dans ce genre d'opération considéré, un courant d'air sous pression, dont la teneur en humidité est d'environ 4000 parties moléculaires par million de par- ties d'air, est envoyé par le conduit 11.
Grâce à l'ex- citation réglée dans le temps des solénoldes 19 et 20, on fait fonctionner les vannes 13 et 14 pour faire pas- ser alternativement de l'air humide dans chacun des ad- sorbeurs 1 et 2. Pendant la durée de travail en cycle,
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on évacue un produit sortant primaire de l'adsorbeur travaillant en cycle par le conduit d'évacuation qui en débouche. On règle le débit d'admission d'air humide par le conduit 11, à l'aide des vannes 21a et 23, pour obtenir un débit total de produit sortant primaire d'en- viron 28,3 litres/minute. Dans le courant entrant dans l'adsorbeur en cycle, on maintient la pression au voi- sinage de 3,8 kg/cm3 L'atmosphère ambiante du dispo- sitif se trouve à peu près à la température ordinaire.
Pendant que l'un ou l'autre des adsorbeurs est hors cycle, on prélevé une partie du produit sortant primaire provenant de l'autre adsorbeur, et on le fait passer dans un conduit de sortie tel que le conduit 8 de la fig. 1. Cette partie sort par exemple par les conduits 21 et 22, par l'intermédiaire de la vanne 21a et du clapet de retenue 22a, puis, par le conduit 7, elle passe dans l'adsorbeur hors cycle, dans le cas présent l'adsorbeur 1.
Le produit sortant primaire sort des conduits 7 et 8 automatique'sent par le jeu de la vanne de réglage 21a et de la pression différentielle dans la vanne, du fait que les vannes 13 ou 14 sont fermées, ce qui a pour effet de relier les adsorbeurs 1 et 2, respectivement, suivant un ordre cyclique réglé dans le temps avec le conduit d'évacuation 17 pour le produit sortant secondaire.
Le produit sortant primaire est prélevé à rai- son de 14,15 litres/minute. Le produit sortant résiduel sort par le conduit 17. Le produit prélevé, après avoir traversé l'adsorbant, dans l'un ou l'autre des adsor- beurs 1 et 2, et après avoir sensiblement purgé l'ad- sorbant qui s'y trouve de l'humidité provenant de la période de fonctionnement en cycle antérieur, sort du
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dispositif comme produit sortant secondaire, par les conduits 5 et 6, les vannes 13 et 14, les conduits 15 et 16, le collecteur 18 et le conduit de sortie 17 correspondants pour passer dans une zone de pression plus basse constitua dans le cas présent, par l'at- mosphère.
Si l'on considère comme sensiblement typiques le procédé et les appareil- décrits dans le cas parti- culier du séchage d'un courant d'air humide, une fois atteintes des conditions de fonctionnement stable, on peut calculer la condition de fonctionnement stabilisée, en appliquant la formule suivante :
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Dans cette équation, R= le débit de reflux, de recyclage ou de purge en litres/minute D- le produit sortant primaire sec recueilli dans l'installation, en litres par minute, et P1/P0 = le rapport entre la pres- sion dans le cycle d'adsorption et la pression dans le cycle de désorption, en valeurs absolues.
Conformément à cette équation, lorsque le débit de purge et le pro- duit sortant primaire recueillis satisfont l'équation, l'humidité enlevée dans le produit sortant secondaire dans chaque cycle de désorption est égale à l'humidité enlevée du gaz de charge au cours du cycle d'adsorption.
Si, dans l'équation ci-dessus, le volume de produit sortant primaire recueilli, conformément à l'exemple pratique donné ci-dessus, remplace D dans l'opération, les rapports de pressions étant ceux qui sont indiqués, l'équation s'écrit :
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R = ¯(R + 0 = 5,24 litres/minute. 3,7
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En d'autres termes, lorsqu'une condition opéra- toire stable est atteinte, il faut un débit de purge de 5,24 litres/minute pour maintenir cette condition.
Comme on peut le voir en se reportant aux conditions opératoires exposées dans l'exemple ci-dessus, le débit de purge y est un peu supérieur à celui qui est exigé d'après l'équation. Cet excès de débit de purge est essentiel au début, pour accélérer l'établissement de l'équilibre matériel désiré. A partir de là, on peut, en règlant la vanne 21a recueillir une quantité de pro- duit sortant primaire plus importante, ou, quand les circonstances l'exigent, s'adapter à une soudaine aug- mentation de la teneur en composant-clé dans le courant d'alimentation.
La figure 2 représente graphiquement le résul- tat obtenu en faisant fonctionner le dispositif de la manière décrite ci-dessus L'air envoyé dans le disposi- tif a une teneur en humidité initiale de 4000 parties molaires par million. Après un jour de fonctionnement continu avec inversion cyclique du débit dans les ad- sorbeurs pour obtenir un intervalle de travail en cycle et hors cycle de 3 minutes pour chaque adsorbeur, la teneur en humidité du produit sortant dans les conduits 7 et 8 est abaissée jusqu'entre 15 et 30 parties mo- laires par million. Pendant les quatre jours suivants, et en maintenant sensiblement constantes les conditions de fonctionnement initiales, la teneur en humidité du produit primaire sortant des adsorbeurs 1 et 2 est abaissée à environ une partie molaire par million, et elle se stabilise à cette valeur.
On peut, si on le désire, diminuer considérable- ment la durée nécessaire pour atteindre des conditions
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de fonctionnement stabilisées, en prélevant ou en détour- nant la totalité du produit primaire sortant d'un adsor- beur qui est en cycle pour l'envoyer vers celui qui est hors cycle. On peut accroître la capacité des adsorbeurs en augmentant le rapport entre les pressions pendant le et hors cycle des adaorbeura. On peut aussi 1'accroître fonctionnement en cycle/en abaissant la durée du cycle, bien que. dans le séchage de l'air, on préfère une durée de cycle comprise entra une et cinq minutes environ, un changement trop rapide du sens d'écoulement constituant une mauvaise utilisation de la charge.
Cependant, dans le cas où il s'agit d'éliminer de la vapeur d'eau et de l'anhydride carbonique d'un courant d'air, il est préfé- rable d'utiliser de l'alumine activée ayant des dimen- sions comprises entre 2,38 mm et 6,35 mm et un cycle de changement de direction du courant d'une demi-minute en- viron. On peut naturellement accroître aussi la capacité des adsorbeurs en augmentant leur volume et par consé- quent la quantité* adsorbant qu'ils renferment. En géné- ral, la capacité augmente proportionnellement au volume d'adsorbant. Par exemple, si le volume d'adsorbant dou- ble, la capacité double.
Dans une opération telle que celle décrite, en utilisant comme adsorbant des perles de 2,38 à 6,35 mm pour adsorber la vapeur d'eau contenue dans l'air, un débit volumétrique maximum préféré dans les adsorbeurs est d'environ 15 fois le volume brut de l'adsorbant, pen- dant chaque cycle. Quand on utilise comme adsorbant de la laine de verre fine, le débit volumétrique maximum dans les adsorbeurs est de préférence de 0,9 fois environ le volume brut d'adsorbant. Quand les composants-clés à éliminer simultanément sont l'anhydride carbonique et la vapeur d'eau, et qu'on utilise à cet effet de l'alu-
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mine activée, le débit volumétrique maximum dans les ad- sorbeurs est de préférence égal à 2,6 fois environ le vo- lume brut de l'adsorbant.
Toutes ces conditipns de débit sont rapportées et calculées pour la température et pour la pression du cycle d'adsorption, et dans les conditions de température ambiante pour le dispositif, température qui est sensiblement celle de l'atmosphère.
Comme on l'a indiqué plus haut, la fig. 3 et les fig. 3A à 3D montrent schématiquement comment on peut obtenir des conditions de marche stables avec un disposi- ces tif tel que celui qui est envisagé. Parmi%figures, la fig. 3 représente un dispositif d'adsorption simple, cons- titué par une seule chambre, dans le but de montrer l'idée fondamentale de base sur laquelle repose la mise en pra- tique de la présente invention. Les fig. 3A à 3D illus- trent l'application de cette idée à un dispositif d'ad- sorption à deux chambres, tel que celui qui est représenté sur la fig. 1 ; dans ce cas, le dispositif est initiale- ment stabilisé ou conditionné par un recyclage à contre- courant répété, d'une chambre à l'autre, de la totalité du produit sortant primaire.
Ces figures montrent égale- ment le caractère progressif d'un tel processus de con- ditionnement, y compris la naissance d'un front d'humidi- té ou de tension de vapeur dans le lit d'adsorbant de chaque chambre.
On va maintenant se reporter à la fig. 3 et supposer que la chambre adsorbante 31 est remplie d'un lit 33 d'un adsorbant sélectif pour un composant-clé tel que de la vapeur de l'eau contenue dans l'air. Si l'on fait passer un courant d'air renfermant de la vapeur d'eau avec une tension de vapeur de 16 mm de mercure pour une pression absolue de 4,2 kg/cm2, dans la chambre et'dans
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l'adsorbant qu'elle renferme, respectivement par les con- duits d'entrée et de sortie 35 et 37, avec un débit cons- tant en litres par minute, l'eau retenue par l'adsorbant atteint finalement une tension de vapeur en équilibre avec celle de l'air passant sur l'adsorbant, dans lequelle elle a une tension de vapeur de 16 mm de mercure'.
Or, si la pression absolue du courant d'air en- trant est réduite à 1,05 kg/cm2, le débit pondéral et la concentration en vapeur d'eau restant constants, la va- peur d'eau dans le courant a une pression partielle de 4 mm de mercure. Cependant, au moment du changement de pression, leau retenue par l'adsorbant a encore une pres- sion de vapeur de 16 mm de mercure. Exposée à un milieu de 4 mm de mercure, l'eau retenue se mettra aux conditions de ce milieu en cédant de la vapeur d'eau à l'air passant sur l'adsorbant. L'adsorbant devient ainsi plus sec. Ini- tialement, le produit sortant de la chambre renferme de la vapeur d'eau à une pression partielle de 16 mm de mercure.
Au fur et à mesure que l'écoulement continue, cette pres- sion diminue jusqu'à un point d'équilibre final à 4 mm de mercure:
Si la pression absolue du courant d'air entrant revient alors à sa valeur initiale de 4,2 kg/cm2, la va- peur d'eau qu'il contient est-de nouveau à une pression partielle de 16 mm de mercure'. Du fait que cette vapeur d'eau entre en contact avec de l'adsorbant retenant de l'eau avec.une pression partielle de 4 mm de mercure, l'eau du courant d'air est adsorbée jusqu'à atteindre'à nouveau un état d'équilibre. Le courant d'air sortant contient donc, initialement de la vapeur d'eau, à une pres- sion partielle de 4 mm de mercure.
Au fur et à mesure que l'écoulement se poursuit, cette pression partielle aug- menter
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Donc, pendant une courte durée dans chaque cycle sous pression, la concentration de la vapeur d'eau dans le courant d'air sortant de la chambre par le con- duit 37 augmente à mesure que la pression du courant s'a- baisse et diminue quand la pression du courant s'élève.
Le phénomène décrit est utilisé conformément à la présen- te invention, et est encore démontré par le conditionne- ment d'un dispositif à deux chambres décrit en se réfé- rant aux figures 3A à 3D.
Dans l'appareil représenté sur lew fig. 3A à 3D, les références 41 et 42 désignent respectivement deux chambres d'adsorption. Ces chambres sont munies respec- tivement de conduits de liaison 45 et 47, et 46 et 50, servant à la fois à l'entrée et à la sortie. Les conduits 47 et 46 sont sensiblement continus grâce à une vanne de liaison commune 51. Les références 43 et 44 désignent les lits d'adsorbant sélectif des chambres 41 et 42, respec- tivement.
En supposant que la vanne 51 est ouverte en grand, si un courant d'air renfermant de la vapeur d'eau ayant une tension partielle de 16 mm de mercure, pour une pression initiale absolue de 4,2 kg/cm2, entre par le conduit 45 et sort par le conduit 50, les deux lits adsorbants 43 et 44 atteignent un équilibre, l'eau qui y est retenue étant à une tension de vapeur de 16 mm de mer- cyre. Les lits respectifs étant dans un tel état d'équili- bre, si l'on règle alors la vanne 51 pour avoir une chute de pression de 3,15 kg/cm2, la tension partielle de la vapeur d'eau contenue dans l'air traversant le lit 44 sera de 4 mm de mercure. Finalement, le lit 44 se mettra en équilibre à cette tension partielle, en cédant de l'eau à l'air qui sort avec celle-ci par le conduit 50.
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La chambre 41 étant en équilibre, la tension de vapeur de.,l'eau qui y est retenue étant de 16 mm de mercure, et la chambre 42 étant en équilibre avec l'eau qui y est retenue à une tension de vapeur de 4 mm de mer- cure, si l'on inverse le sens de la circulation dans les chambres de la manière indiquée sur la fig. 3B, la vapeur d'eau se trouvant dans le courant à une pression de 4,2 kg/cm2 absolue, entrant dans la chambre 42 par le conduit 50, a une tension partielle de 16 mm de Hg. L'adsorbant 44 commence à enlever de l'eau du courant d'air entrant, pour tenter d'atteindre un équilibre, en créant ainsi un front de tension de vapeur désigné par la lettre 2a. Ce front se déplace dans le lit, dans la direction du cou- rant.
Pendant qu'il se déplace ainsi, l'air renfermant de la vapeur d'eau à une tension partielle de 4 mm de mercure se déplace en avant du front et traverse la van- ne 51. Etant donné que la pression absolue de cet air est réduite dans le rapport de 4 :1 traversant la van- ne, la tension partielle de la vapeur qu'il contient se trouve réduite de la même manière. Le résultat est qu'el- le entre dans la chambre 41 avec une tension partielle de 1 mm de mercure, et crée un front de tension de vapeur indiqué par la lettre b en avant duquel de l'air avec une tension partielle de vapeur d'eau de 16 mm est évacué par le conduit 45.
Si l'on inverse à nouveau le sens du courant, comme le montre la fig. 3C, des fronts de tension de va- peur, comme indiqué,se déplacent à nouveau en traversant les lits correspondants 43 et 44. Pendant ce cycle, la vapeur d'eau qui est contenue dans l'air venant de la chambre 41 et qui a une tension partielle de 1 mm de mer- cure dans la chambre 41, entre dans la chambre 42 avec
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une tension partielle de 0,25 mm de mercure, derrière le front indiqué par la lettre c.
La fig. 3D montre l'effet d'une nouvelle inver- sion de sens du courant dans les chambres 41 et 42, dans .lesquelles il s'établit encore un autre front de tension de vapeur d. La vapeur d'eau derrière ce front a alors une tension partielle de 0,0625 mm de mercure, en raison de la diminution dans un rapport de 4:1 résultant du passage dans la vanne 51. En inversant continuellement et fréquem- ment le sens du courant, les fronts fusionnent finalement pour créer dans toute la traversas de chaque chambre un gradient de concentration de vapeur d'eau. Ce gradient est mis en évidence par le front quelque peu diffus mais relativement bien défini, qui se déplace dans les chambres dans la direction du courant.
Les résultats de ce processus de conditionne- ment que l'on vient de décrire sont encore illustrés gra- phiquement sur la fig. 4. La succession de quatre cycles décrite ci-dessus est représentée sur la fig. 4 par le graphique montrant la progression des fronts de tension de vapeur dans toute la longueur des chambres d'adsorption.
Les fronts représentés sont identifiés par les mêmes let- tres que ceux qui sont représentés sur les fig. 3B à 3D.
Sur la fig. 4, les fronts établis quand les chambres ont été totalement conditionnées et quand une fusion des fronts préliminaires a été atteinte, sont désignés par la lettre e. Les fronts qui se sont créés entre le front d du quatrième cycle et le front e du cycle final ont été omis sur la représentation de la fig. 4 qui montre une récession progressive du front de tension de vapeur pro- venant du conduit d'évacuation du produit sortant au cours du processùs de conditionnement.
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Quand ce processus complet de conditionnement du débit est appliqué au dispositif illustré sur la fig. l, et quand les courants de produit primaire sortants évacués par les conduits 7 et 10 ne présentent aucune quantité mesurable d'adsorbat du composant-clé, on peut régler la vanne 21a de réglage de pression de manière à obtenir par le conduit 12 n'importe quelle récupération désire de produit primaire sortant. A partir de ce moment, les du- rées des cycles sous pression seront réglées dans le temps de manière à assurer un mouvement oscillant du front de tension de vapeur, comme celui qui est représenté par sur la fig. 4, dans une partie des lits intermédiaires entre leurs extrémités'.
En agissant ainsi, on évite la rupture de l'adsorbat au cours du cycle d'adsorption, ou du produit primaire sortant, au cours du cycle de désorp- tion. Dans de telles conditions, le produit primaire sor- tant recueilli aura une pression partielle sensiblement constante et extrêmement basse du composant-clé qui s'y trouvait initialement contenu.
Dans certains cas, on peut quelque peu modi- fier le processus de conditionnement, en réglant le débit de produit primaire sortant recyclé d'une chambre à l'au- tre à une valeur quelque peu inférieure au minimum exigé d'après la formule donnée ci-dessus. Le résultat obtenu donnera un produit sortant primaire renfermant un pour- centage donné de la teneur en eau de la charge initiale.
Si l'on désire que cette teneur en eau soit maintenue à taux d'humidité constant et absolu, il faut alors régler la teneur en eau de la charge initiale pour donner l'humi- dité absolue désirée dans le produit primaire sortant.
Dans une autre opération, on utilise un appa- reil sensiblement identique à celui qui est représenté
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sur la fig. 1, pour obtenir, à partir d'air atmosphéri- que, un produit sortant primaire dont la concentration en oxygène est plua forte que celle du courant d'air primitif.
A cet effet, on garnit deux adsorbeura de 33 cm de long sur 7,3 cm de diamètre de 1000 grammes chacun de tamil moiéculaire de SA. On envoie de l'air stmos- phérique dans le dispositif tous une pression de 5,25 kg/cm2, Le dispositif est à température ambiante (21 à 27 C) et il fonctionne sensiblement comme on l'a expli- que ci-dessus, avec cette différence que la fonctionne- ment cyclique des vannes 13 et 14 est règle pour donner un débit cyclique à intervalles d'environ 40 secondes.
En outre, pour obtenir un débit de produit primaire sor- tant sensiblement constant, on règle la commande des vannes dans le temps de manière à obtenir un chevauche- ment du débit cyclique, dans lequel la mise en cycle d'un adsorbeur commence environ cinq secondes avant la fin du débit cyclique de l'autre adsorbeur de la paire d'ad- sorbeurs utilisés. Dans cette opération, en utilisant un tamis moléculaire de 5 A comme produit adsorbant, on préfère que le débit volumétrique maximum du mélange ga- zeux pendant ne période en cycle quelconque soit à peu près égal au volume brut de l'adsorbant, dans les condi- tions de pression et de température indiquées ci-dessus dans le cas de l'adsorption de la vapeur d'eau dans l'air.
Avant de procéder à une opération normale, on fait fonctionner le dispositif pour déterminer l'amélio- ration que procure la technique de balayage en sens in- verse, objet de la présente invention. Les résultats de cette opération préliminaire sont indiqués sur le gra- phique de la fig. 5.
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On mesure la concentration en oxygène 'ci l'aide d'un analyseur d'oxygène paramagnétique (0 à 22%), arpès dilution quantitative avec de l'azote. En outre, on me- sure la concentration en oxygène avec un analyseur chromatographique de gaz, calibre pour 0 à 100% d'oxy- gène dans l'azote. La teneur en humidité du produit ri- che en oxygène varie entre 2 et 6 parties par million (p:p.m.) quand on la mesure à l'aide d'un analyseur électrique d'humidité. L'humidité de l'air des conduits est comprise entre 3.000 et 6.000 p.p.m. Non seulement l'appareil concentre l'oxygène, mais encore il sèche le produit.
Comme le montra la fig. 5, avec un débit de reflux relativement grand de produit sortant primaire, la capacité propre du produit adsorbant se trouve ac- crue. Comme on peut le voir, avec le fonctionnement cy- cliques mais sans aucun reflux, la concentration en oxy- gène du produit sortant est augmentée depuia une concen- tration normale d'environ 21 moles pour cent dans l'air jusqu'à environ 30 moles pour cent dans le produit sor- tant primaire. Quand on commence le reflux, la concen- tration en oxygène dans le produit sortant primaire aug- mente énormément. Avec un débit de reflux d'environ 28,3 litres/minute, on obtient une concentration maxima de 75 moles pour cent environ.
Bien qu'une augmentation plus forte du débit de reflux tout en maintenant à une valeur constante le produit sortant primaire recueilli, ait pour conséquence une diminution de la concentration en oxygène, la plus petite concentration trouvée, avec un débit de reflux de 11,3 1/min. est voisine de 55 mo- , soit une amélioration de 25 mois pour cent sont les pour cent/environ. Les resultats tels qu'ils sont représentés graphiquement, montrent que l'effet du re-
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flux de produit sortant primaire est de diminuer nette- meht la concentration en composant-clé du produit sor- tant. Dans le cas présent, le composant-clé est l'azote.
Bien entendu, dans une application industrielle de l'invention, les exigences en ce qui concerne le pro- duit sortant primaire recueilli peuvent varier entre une quantité importante,de produit recueilli avec une faible concentration en composants non¯adsorbés, et une faible quantité de produit recueilli avec une forte concentra- tion en composants non adsorbés. La fig..6 montre les résultats obtenus avec un débit de reflux constant et une quantité variable de produit sortant primaire recueil- li riche en oxygène. On suppose que la légère déviation de la courbe, quand le produit sortant recueilli est voisin de zéro, est due à une variation des gradients de concentration dans les lits adsorbants, due à l'action cyclique de la pression du dispositif.
En se reportant à la fig. 7, on voit que la concentration en oxygène dans le produit sortant pri- maire recueilli est portée en fonction du débit de produit sortant primaire recueilli. Les ordonnées du graphique re- présentent numériquement le débit total de produit en litres, moins le débit de reflux, multiplié par la dif- férence entre le pourcentage molaire d'oxygène dans l'air introduit dans le dispositif et le pourcentage mo- laire d'oxygène déterminé dans le produit sortant.
On a porté en abscisses la quantité de produit sortant re- cueillie exprimée en litres/minute. Comme on peut le voir, on atteint une récupération optima avec une concen- tration optima en oxygène, pour/un taux de récupération de produit sortant d'environ 3,1 litres/minute, avec un débit d'admission total d'air d'environ 28,3 litres/
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minute, et un taux de récupération de produit sortant secondaire d'environ 22,6 litres (y compris un débit de reflux de 5,5 litres/minute). Ce produit sortant secondaire renferme une concentration de composant-clé - l'azote - supérieure à celle de l'air introduit dans le dispositif.
On peut, si on le désire, accumuler le produit sortant secondaire pour en récupérer ultérieurement l'oxygène, ou pour récupérer l'azote ou bien on peut l'envoyer pour cela directement dans des dispositifs additionnels de récupération prévus à cet effet.
On peut également utiliser l'appareillage et le procédé conformes à la présente invention, pour concentrer l'azote dans le produit sortant primaire. Dans ce genre d'opération, les adsorbeurs sont garnis de tamis molécu- laires de 4 A,En outre, la vanne 21a est complètement fermée.
On obtient l'effet de balayage en arrière ou de recyclage à contre-courant du produit sortant primaire en limitant la durée des cycles d'adsorption et de désorption à un temps extrêmement court, ce qui permet de restreindre entre des limites resserrées, entre les extrémités du lit d'adsorbant et de la chambre, les oscillations du gradient de concentration dans l'adsorbant. Quand on opère ainsi, la partie de la chambre voisine du conduit d'évacua- tion du produit sortant primaire sert de zone d'accumula- tion pour ce produit, et elle est ainsi disponible pour un balayage en arrière par contre-courant, quand on diminue la pression dans la chambre. Ceci comprend les parties du produit qui peuvent être retenues dans les pores de l'adsor- bant, tout comme dans les interstices du lit, en arrière du front de gradient oscillant.
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A titre d'exemple du procédé de concentration de l'azote dans un produit sortant primaire, on remplit deux chambres de 33 cm de long et de 7,3 cm de diamètre, de o 100c grammes de tamis moléculaire de 4 A. On envoie de l'air atmosphérique par le conduit d'entrée 11 de l'appa- reil de la figure 1, sous la pression absolue de 5,95 kg/cm3. Les chronodéclencheurs de cycle 19 et 20 sont réglés de manière à faire fonctionner les vannes 13 et 14 à intervalles de dix secondes ; débit d'air envoyé dans l'appareil est dirigé alternativement dans les chambres adsorbantes 1 et 2, et de telle façon que, pendant qu'une des chambres est en cycle, l'autre soit hors cycle et ouverte à l'atmosphère sous une pression absolue d'environ 1,05 kg/cm2 en faisant agir convenable- ment les vannes, comme on l'a expliqué plus haut.
On obtient un produit sortant primaire riche en azote, dans lequel le produit sortant primaire renferme aussi peu que 0,75% d'oxygène. L'efficacité de l'opération est illustrée graphiquement par la fig. 8. En réglant convenablement la vanne 23 du conduit 12 de l'appareil de la fig. 1, on fait varier le débit du produit sortant primaire entre 0 et 33,9 litres/minute. Comme on peut le voir, la concentration en azote dans le produit sortant primaire est comprise entre 99,25 et 65% environ du produit sortant primaire, comme on le détermine d'après le pourcen- tage d'oxygène présent dans le produit sortant primaire.
Sur la figure 8, les lignes en pointillé partant de points des abscisses et des ordonnées et se coupant sur la courbe du graphique, indiquent les¯¯conditions optima. Comme on peut voir sur le graphique, dans des conditions optima, le débit de produit est de 22,6 1/min. et il renferme 10,5% d'oxygène. Dans ces conditions, le débit de produit
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sortant secondaire déchargé par le conduit 17 est de
5,66 litres/minuté pour chaque cycle de désorption. Par conséquent, à raison de six cycles/minute, il sort 34 litres/minute de produit sortant secondaire, au total.
Ainsi, le courant total déchargé constitué par les produits sortants primaire et secondaire de 34,0 plus 22,6, plus
56,6 litres/minute, ce qui est sensiblement égal au débit d'alimentation en air atmosphérique. La teneur en azote de l'air entrant est d'environ 78%, soit 44,1 litres/minute, sur les 56,6 litres/minute introduits dans le dispositif.
Comme le montre la figure 7, dans les conditions optima, le produit sortant primaire renferme 10,5% d'oxygène.
Il peut en outre renfermer 1% d'argon, soit au total 11,5% de diluants. Ainsi, le produit sortant primaire renferme 88,5% d'azote environ, soit 20,1.litres/minute du total des 22,6 litres/minute de produit sortant primaire.
Si l'on rapporte cette récupération aux 44,1 litres/minute d'aeote se trouvant dans le courant d'air d'alimentation, le taux de récupération d'azote dans ce procédé est donc d'environ 45%, ce qui dénote une technique de séparation extrêmement efficace, n'obligeant pas à avoir recours à des conditions de pression et de température extrêmes.
Bien que les calculs ci-dessus soient uniquement basés sur la teneur en azote, en oxygène et en argon dans le courant d'alimentation entrant, il faut remarquer que tant la vapeur d'eau que l'anhydride carbonique de la charge primitive seront séparés par l'adsorbant, et sortiront avec le produit sortant secondaire.
La figure 9 représente schématiquement un dispositif que l'on peut faire fonctionner conformément au procédé de la présente invention, permettant de concentrer à la de fois/l'oxygène et de l'azote à partir d'air atmosphérique et dans lequel le produit sortant secondaire déchargé
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provenant de la séparation par concentration de l'azote et de l'oxygène est utilise pour enrichir l'air envoya dans le dispositif. Dans la combinaison d'appareils représentée sur la fig. 9, on utilise une série d'adsorbeurs semblables à celui qui est illustré sur la fige l.
Ces dispositifs sont confines et utilises dans le but de fractionner de l'air atmosphérique, pour produire deux courants de produit, dont l'un est riche en oxygène et l'autre est riche en azote* Dans le procède envisage dans cette combinaison, le produit sortant secondaire d'un seul dispositif de concen- tration à adsorbeurs est partiellement recycle, de manière à fournir au moins une partie de la charge de l'autre dispo- sitif de concentration par adsorbeurs.
Dans le dispositif combiné Illustre, on utilise quatre dispositifs adsorbeurs. Dans chaque dispositif, les parties constitutives sont désignées par des références directement comparables à celles qui désignent des parties semblables du dispositif illustré sur la fige l, avec cette différence que la désignation numérique appartient à l'une des séries 100, 200, 300 ou 400. Ainsi, le dispositif pour concentrer l'oxygène est dans la série 300, tandis que le dispositif pour concentrer l'azote est dans la série 400, Les dispo- sitifs pour enlever l'humidité et l'anhydride carbonique de la charge de chacun des dispositifs de conçentration d'azote et d'oxygène sont respectivement numérotés dans la série 100 et 200.
Ainsi, la charge du dispositif de concentration en azote traverse un dispositif de séchage portant une référence de la série 100, tandis que la charge du dispositif de concentration en oxygène traverse un dispositif de séchage portant une référence de la série 200.
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Chacun des dispositifs de séchage comprend un conduit d'entrée 111 et 211, respectivement, relié à la sortie d'un compresseur ou d'une pompe Jack et 200b, respectivement.
Les admissions des pompas correspondantes sont relises à des conduits qui comprennent des réservoirs de volant à air sans mélange, 100a et 200a, respectivement. Chacun de ces réservoirs est garni d'un produit granuleux ou fibreux, non tasse, tel que de la laine de verre, des perles de verre, des granules d'aluminium, etc.... qui opposent une forte résistance au mélange. Lea réservoirs sont ouverts à l'atmosphère par une de leurs extrémités et, comme indique, ils sont relira par l'autre extrémité à l'admission d'une pompe ou d'un compresseur 100b ou 200b. Le produit sortant primaire provenant de chacun des adsorbeurs des séries 100 ou 200 est envoyé par les conduits 112 et 212 correspondants, respectivement dans les chambres d'accumulation 100c et 200c.
De là, ces produits sortants primaires sont envoyés dans les dispositifs de concentration d'azote et d'oxygène respectifs, par les conduits d'alimentation 411 et 311, respectivement. Dans la combinaison d'appareils illustrée, on a prévu une circulation transversale du produit de sortie secondaire de chacun des dispositifs des séries 300 et 400, par une connexion transversale des conduits 317 et 417 du produit sortant secondaire avec les entrées des compresseurs 100b et 200b, respectivement, entre ces com- presseurs et entre leurs réservoirs de volants associés 100a et 200a.
Dans la combinaison d'appareils représentée par la fig. 9, les deux pompes de compresseur 100b et 200b aspirent de l'air de l'atmosphère, par l'intermédiaire des réservoirs volants respectifs 100a et 200a. La pompe 100b alimente le dispositif de séchage dans lequel les parties constitutives sont désignées par àes références de la série 100. Le cou- rant de charge provenant de la pompe 100b pénètre dans
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le dispositif par le conduit 111, sous une pression absolue de 4,55 kg/cm2, et on le fait circuler entre les adsorbeurs 101 et 102 sensiblement de la manière décrite dans le cas de la fig. !. Dans ce dispositif, l'adsorbant est de préfé- rence sélectif pour la vapeur d'eau, l'anhydride carbonique et les traces d'impuretés telles que les vapeurs d'hydro- carbures.
Un adsorbant approprié à cet effet est l'alumine activée. Dans ce dispositif, on utilise également un courant de purge de recyclage ou de reflux prélevé sur le produit sortant primaire provenant de l'adsorbeur fonctionnant en cycle, pour balayer en retour l'adsorbant de l'adsorbeur qui est hors de cycle. Dans ce dispositif, le produit sortant secondaire est constitué par un mélange d'air, de vapeur d'eau, d'anhydride carbonique et d'autres impuretés à l'état de traces, et on l'envoie directement à l'atmosphère par les vannes 113 et 114: suivant l'adsorbeur qui est en cycle de désorption.
En même temps, le compresseur 200b aspire un courant d'air atmosphérique, par le conduit qui comprend le réservoir de volant 200a, en envoyant de l'air, sous une pression absolue de 4,55 kg/cm2 environ, dans le conduit d'entrée 211 du dispositif de séchage dont les parties consti- tutives sont numérotées dans la série 200. Dans ce dispositif, les adsorbeurs 201 et 202 sont également garnis d'alumine activée afin de fractionner ou de séparer l'eau, l'anhydride carbonique et autres traces d'impuretés, de la même manière que dans le dispositif d'adsorption de la série 100 et d'évacuer le composant-clé séparé de la charge comme produit sortant secondaire, par les vannes et les conduits de liaison comprenant les vannes 213 et 214.
Les dispositifs de séchage respectifs débitent un produit sortant primaire, qui est de l'air dont on a éliminé l'eau, l'anhydride carbonique et autres impuretés, par
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leurs conduits de sortie correspondants 112 et 212. Le conduit 112 communique avec la chambre d'accumulation 100c, tandis que le conduit 212 communique avec une chambre d'accumulation séparée 200c.
Des accumulateurs 100c et 200c, le produit sortant primaire provenant des dispositifs de séchage correspondants des séries 100 et 200, est envoyé respectivement dans les dispositifs de concentration d'azote et d'oxygène. Comme on l'a indiqué plus haut, on a constaté que les tamis molcu- laires de 4 A constituent un excellent adsorbant pour extraire sélectivement l'oxygène de l'air et pour concentrer ainsi l'azote dans le produit sortant primaire provenant du dispositif. Dans l'appareil représenté sur la fig. 8, les adaorbeurs 401 et 402 sont de préférence garnis de ce produit.
Le produit sortant primaire envoyé dans l'accumulateur 200c par le conduit de sortie 212 passe de là, par les conduits 311, dans l'entrée du dispositif d'adsorption pour concentrer l'oxygène. Dans ce dispositif, les adsorbeurs 3 01 et 302 peuvent être garnis de tamis moléculaires, soit de 5 #, soit de 13 #, ces tamiossédant, comme on l'a indiqué ci-dessus, une affinité sélective pour l'azote et, ainsi, le produit sortant primaire déchargé par le conduit 312 est un produit riche en oxygène.
Dans chacun des dispositifs de concentration d'azote et d'oxygène, le produit sortant secondaire qui, dans le premier cas, est relativement riche en oxygène et, dans le second cas, est relativement riche en azote, est recyclé transversalement vers l'admission de la pompe à compression, en constituant la charge initiale pour les dispositifs d'adsorp- tion d'oxygène et d'azote, respectivement.
Ainsi, le produit sortant secondaire venant des adsorbeurs 4Jl et 402 est évacué par les conduits 415 et 416,418 et 417, parmi les- q uels le dernier est relié à l'admission du compresseur 200b, en aval de la chambre volant 200a, Le produit sortant
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secondaire venant des adsorbeurs 301 et 302 est évacué par les conduits 315, 316, 318 et 317, parmi lesquels le dernier est relié à l'entrée de la pompe à compresseur 100b, en aval du réservoir volant 100a. Les réservoirs volant 100a et 200a sont étudiés pour éviter les pertes de produit sortant secondaire provenant des concentrateurs d'oxygène et d'azote correspondants.
On envisage de donner à chaque réservoir un volume approprié pour le volume de gaz en litres qui est évacué de l'un ou l'autre des adsorbeurs des dispositifs de concentration d'azote et d'oxygène, quand on diminue la pression dans l'adsorbeur, depuis la pression d'adsorption (d'une valeur quelconque) jusqu'à une pression voisine de celle de l'atmosphère.
Comme on l'a indiqué plus haut, chacun des adsorbeurs de l'appareil combiné de la fig. 9 est comparable au dispo- sitif illustré sur la figure 1. De même, les dispositifs de séchage, dans cette combinaison, fonctionnent suivant le procédé exposé dans le cas de la fig. l, comme les dispositifs de concentration d'oxygène et d'azote. Chaque dispositif peut être pourvu de son propre chronodéclencheur de cycles (non figuré) et on peut régler la durée des cycles pour obtenir les meilleures conditions opératoires.
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Method and apparatus for fractionation of gas mixtures The present invention relates to: - a method and apparatus for extracting one or more key components from a gas mixture or from a gas stream comprising these components; - a method and apparatus such as those used to separate impurities from a gas mixture formed from one or more components; - a method and apparatus used to obtain an output product, which process, by removing one or more components from the original mixture, the centesimal concentration of the most desirable components is increased in the product obtained.
A particular application of the invention is
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encompasses the drying of a gas mixture, such as air, by extracting water vapor. More particularly, the invention relates to a method and apparatus for removing nitrogen from an atmospheric air stream to increase the oxygen concentration in the outgoing product stream. Further, the invention relates to a method and apparatus for extracting oxygen from a stream of atmospheric air, in order to increase the oxygen concentration in the exiting product.
In this connection, the invention is particularly directed to a combined device for separating air into its main components which are nitrogen and oxygen, using the fractionation process and apparatus described herein. . In many industrial processes, it is essential to have air free of humidity or rich in oxygen or nitrogen, for satisfactory operating processes. Numerous methods and various combinations of apparatus are known or have been proposed to achieve this result: With most of them, either the implementation is complicated, or the apparatus is expensive to install, and to operate.
The present invention therefore relates to a simple method and apparatus which can be used with little modification in a multitude of cases where it is desired to purify or concentrate gas mixtures. The object of the present invention is to provide: a separation device, such as an adsorption device or a diffusion device for drying air or other gaseous products, without it being necessary to using an external heat input to regenerate the adsorbent used in the device; device requiring only relatively small amounts of absorbent for operation
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efficient, and in which, therefore, the expenses of the apparatus are considerably reduced;
finally, a process as well as an apparatus making it possible to collect products rich in oxygen and / or nitrogen, contained in atmospheric air, without liquefaction or other expensive and complicated processes.
The terms "gas" or "gaseous", as used in the description below denote not only products considered by convention as gases, but also products which are conventionally considered as gases. vapors. Further, the term "key component" as used in the following description refers to components selectively adsorbed in a product gas stream initially supplied to the device.
Reference will be made to the appended drawing, in which: FIG. 1 is a diagram showing an apparatus in accordance with the present invention and illustrating the traffic control devices and devices suitable for carrying out the method in accordance with the invention; fig. 2 is the graphic representation of an operation in which a device in accordance with the invention is used to remove humidity from the atmospheric air, and it shows the progressive conditioning of such a device to obtain a substantially constant flow rate. of dried air, starting from an initial moisture content of 4000 molar parts per million to obtain about 1 molar part per million;
In this figure, the dates (12, 13, 14, 15, 16 and 17 September) are plotted on the abscissa and the water content (in molar parts per million) in the primary output product on the ordinate.
Figures 3 to 3D illustrate schematically
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the general means of operation which are called upon in the practice of the present invention; Fig. 4 is a graph showing how the packaging of a device according to the present invention acts to give a result substantially as shown in fig. 2; on this graph, we plotted on the abscissa the length of the adsorption chambers (L and L ') and on the ordinate the partial pressure of water vapor in the air stream, in mm of Hg, the letters EC signifying " fully conditioned ";
fig. 5 is a graphical representation of the results obtained in an operation according to the present invention, in which the device has been used for extracting nitrogen from an incoming air stream, with a view to obtaining an outgoing product rich in oxygen, this figure showing in particular the effect obtained when one of the operating conditions is modified, while keeping the other constant; reflux flow rate, in liters / minute being plotted on the abscissa and the molecular percentage of oxygen in the primary exiting product being plotted on the ordinate; fig. 6 graphically shows the effect produced by reversing the roles of the modified and constant operating conditions in the operation shown in FIG. 5;
the recovery of primary output product is plotted on the abscissa, in liters / minute and the molar percentage of oxygen in the primary output product on the ordinate; fig. 7 shows graphically how an optimum result is determined in a device operating under the conditions shown in FIG. 6, and in which the quantity of primary outgoing product in liters per minute, as a function of the percentage of en-
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oxygen loss of this exiting product, plotted on the abscissa;
fig. 8 shows graphically how an optimum result is determined in a device established for concentrating nitrogen in a primary output product from a gas mixture of which nitrogen is the main component; In this figure, the flow rate of product rich in nitrogen is plotted in liters / minute, on the abscissa, and the volume percent of product rich in oxygen and nitrogen, on the ordinate; fig. 9 is a schematic representation of a device for fractionating a gas mixture containing at least two main components, to produce two distinct streams of output products, each of which is rich in one of these main components.
In the apparatus represented by FIG. 1, each of the references 1 and 2 designates an adsorber forming part of a pair of these devices. Each adsorber may contain an adsorbent material and be substantially completely packed with such material which will be described in more detail below. As can be seen, the adsorbent packing of the adsorber 1 is designated by the reference 3 and that of the adsorber 2 by the reference 4.
Each adsorber is provided with conduits ensuring the passage of the treated and untreated gaseous products in the respective adsorbers and serving to circulate these products in any other way in the device. The references 5 and 6 denote respectively combined inlet and purge conduits for the respective adsorbers 1 and 2, and the references 7 and 8 designate in a corresponding manner evacuation conduits for the primary outgoing product. Each of the conduits 5 and 6 is connected,
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by its outer end, to a common inlet distributor duct 9, and each of the ducts 7 and 8 is in turn connected to a common exhaust manifold duct 10.
A duct 11 for introducing into the device an initial charge of gaseous product is connected to the inlet distributor 9, while a duct 12 is connected to the exhaust manifold 10, with a view to the evacuation. a first product leaving the device.
The references 13 and 14 denote the respective elements of two three-way direction change valves connected to the distributor 9, on either side of its point of junction with the supply duct 11, and placed respectively between this junction and the conduits 5 and 6. Check valves 9a and 9b are also placed in the distributor between its junction with the supply conduit and the respective valves 13 and 14. These valves are designed in such a way. to allow flow only in the direction of the valves
13 and 14. In the latter, the lights are designated by the reference of the valve to which are added the letters a, b and c.
In each valve, the light a is connected to the part of the distributor 9 communicating directly with the supply duct 11; light b is connected to the part of the distributor communicating directly with a corresponding inlet and purge duct.
5 or dant, 6, and the light ± communicates with an evacuation duct of a second product exiting from one of the adsorbers.
As we can see, lights 13a and
14a are connected so as to communicate, via the distributor 9, with the supply duct
11; the lights 13b and 14b are connected so as to communicate, by the distributor 9, with the conduits 5 and 6, respectively, and the ports 13c and 14c are connected to the discharge conduits 15 and 16, respectively, to discharge a secondary outgoing product adsorbers
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respective 1 and 2. The conduits 15 and 16 in turn communicate with a common discharge conduit 17 via a collector 18.
The valves 13 and 14 are preferably set up for automatic and cyclic operation, so as to alternately connect one of the adsorbers 1 and 2, by means of their respective connecting ducts 5 and 6 and of the distributor 9, or to the duct d 'feed 11 or to connecting conduits 15 and 16 for the outgoing product, respectively. In the drawing, the valves 13 and 14 are shown equipped for automatic operation, for example by means of the solenoids 19 and 20, respectively. Also, as so equipped, the solenoids 19 and 20 are preferably energized by a device such as a cyclic control device, not shown.
In the apparatus shown, the valve 13 has been actuated so as to let out the purge products from the adsorber 1, through the conduits 5, 9 and 15, by means of the openings 13b and 13c. At the same time, or a little before, the valve 14 has been cctionned so as to let a gas charge enter the adsorber 2 through the conduits 11, 9 and 6, by means of the openings 14a and 14b. The subsequent operation of the valves on a regular cycle, as will be explained later, will determine an inverse mutual position of the valves with respect to their respective conduits and to the adsorbers with which they communicate.
If we refer again to the connecting conduits comprising the conduits 7 and 8 and the collector 10, as shown, we see that the latter comprises a connecting branch 21, in which
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finds a regulating valve 21a relieving the pressure.
This valve may be a differential adjustment valve, designed to maintain a relatively constant pressure difference between its inlet and outlet ports. Circulation in the valve is always in the direction indicated by the arrows,
Reference 22 designates a transverse connecting duct extending between ducts 7 and 8; this transverse connecting duct comprises check valves 22a and 22b, the role of which is to close in order to block the passage, from the ducts 7 and 8 and to open to allow the flow towards the respective conduits 7 and 8, the check valves 7a and 8a respectively prevent the passage through the conduits 7 and 8 towards the respective adsorbers 1 and 2 with which these conduits communicate.
As regards the adsorbent packing designated in adsorbers 1 and 2 by the references 3 and 4, respectively, it will be mentioned that it can be constituted by any adsorbent endowed with selective affinity for one or more of the components of the mixture. gaseous sent into the device via line 11. As has been shown, the adsorbent product is uniform and continuous from one end of each adsorber to the other. However, if desired, the adsorbers can be packed with a number of different adsorbents arranged in layers. In this case, it is preferred that the layers are physically separated.
For example, separator plates can be inserted so that they extend diametrically into the adsorber, or each adsorbent can be packed in advance into a suitable container and the various containers introduced to form a series.
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from one end of the adsorber to the other.
Depending on what one proposes to achieve, the adsorbent used can be chosen from among the following: activated carbon, alumina, silica gel, glass wool, adsorbent cotton, and even foam paper. . Various metal oxides, clays, fuller's earth, bone black, etc. have 4941 * adsorbent properties which can be used in accordance with the present invention.
Yet another adsorbent having the contemplated properties is that which is known by the trade mark "Mobilbedads", which is a siliceous moisture adsorbing compound.
Other adsorbents suitable for use in accordance with the present invention include those which are known as molecular sieves *. This class of products includes certain zeolites *, both natural and synthetic, which are crystalline in structure and which contain a large amount of material. number of small cavities interconnected by numerous even smaller holes or pores, the latter being of exceptionally uniform dimensions. The pore diameter can vary from 3 to 5 Angstrom units up to 12 to 15 or more.
However, for a given molecular sieve, the pore sizes are substantially uniform, and therefore the product will normally be referred to by the characteristic size of its pores.
The adsorbing action of natural and synthetic zeolites is well known. Among the natural zeolites possessing this sieve property, mention may be made of chabasies and analcime.
The synthesis of molecular sieves having uniform pore sizes of
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4 to 5 Angstr # m units by mixing an aqueous solution of an alkali metal silicate having an alkali metal oxide / SiO2 ratio of approximately 0.8 to 1, or more, with a sodium aluminate solution having the ratio
Na20 to a203 is between 1/1 and 3/1, this mixture taking place between 71 and 102 C. in proportions such that the SiO2 / Al203 ratio in the mixture is between 0.5 and 3 / 1, Maintain the mixture at temperature.
indicated for a lapa sufficient time to form a crystalline sodium silicoaluminate which constitutes a molecular sieve having uniformly sized pearls of approximately 4 Angstr # m units. A pore size of about 5 Angstr # m units can be obtained in this product by exchange of bases with an alkaline earth metal such as calcium, for example in the form of calcium chloride. In either case, the molecular sieve obtained is washed with water and then activated by calcining it.
The synthesis of a molecular sieve having pores of about 13 Anstr # m can be carried out by mixing an aqueous solution of an alkali metal silicate, the alkali metal oxide / SiO2 ratio of which is equal to about 1 /. 1 or more, with a sodium aluminate solution whose Na20 / A1203 ratio is between 1/1 and 3/1, between 71 and 121 C, in proportions such that the Si02 / A1203 ratio in the mixture is between 3/1 and 10/1. This mixture is then maintained at the temperature indicated for at least one hour, and preferably for a longer period of time, thereby obtaining the desired molecular rate. The collected molecular sieve is washed with water and then activated by calcination.
Molecular sieves of 4 #, 5 # and
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13 Xs have certain affinities Ct1: rAc :: t.Jrht.iqu four ten types determined 11'hyd: ocarhues. From this point of view, the adsorption characteristics of the 4 Ó, 5 # and 13 # molecular sieves are shown in the following table.
EMI11.2
Adsorbed at Adsoxbés at Adaorbéa ni on Adaorb4a 4 X and a 5 J, N18 not sux 4 To 4 To nor on 5 A nur 13 To 1) Ethane 1) hoone and hydro- 1) gydrocarbu # oa 1) All hyedxiua n- palfi- iaoparAffini- dxocarburos nique. superior ques boiling in the range of gasoline.
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2) ethylene 2) Bu "enes and 2) Hydrocarburop 2) Hydrocarburea l # '3as IUp4- aromatics a: rt1que8 1eure8 forton are adsorbed, 3) Propylated 3) All hydro- 3) Diolefins
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strongly cyclic aubuns with 4 or more self-adsorbs <nias in the nucleus
As shown in this table, the process and apparatus according to the present invention can be used to separate products such as ethane, ethylene or propylene, contained in a mixture with propane and higher normal paraffinic hydrocarbons. , or with butenes or higher normal olefins,;
using a 4 # sieve. Likewise, isoparaffinic, aromatic and all cyclic hydrocarbons, having 4 or more atoms in the nucleus, can be separated from any of the hydrocarbons listed above, using a 4 # molecular sieve. or 5 #.
As noted above, many of the adsorbents listed above are selective for more than a single key component.
In practicing the process according to the present invention, a stream of a gas mixture is passed under positive pressure, of a positive pressure.
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cyclically and in alternating order, in each of the two adsorbers mounted in pairs, the ambient atmosphere of the adsorbers being substantially maintained at a temperature such that the feed and the outgoing products remain in the vapor phase or in the gas phase. The current introduced into each of the adsorbers passes over a mass of an adsorbent: located in the adsorber and passes through this adsorbent which has a selective affinity for at least one key component of the mixture. During the passage of the initial mixture charge through an adsorber, this adsorber operates in an adsorption cycle.
During this cycle, the pressure in the adsorber is maintained substantially equal to that of the initial load which is introduced therein. After passing through the adsorber, a gaseous product exiting therefrom is discharged at the same pressure as the initial stream.
While one or the other of the adsorbers is operating in the adsorption cycle, the pressure in the other adsorber of the pair is lowered, for example by putting it in communication with the atmosphere, or with another device. under reduced pressure. Under these conditions, the other adsorber operates in a desorption cycle. At substantially the same time, part of the primary output product coming from the adsorber then working in the adsorption cycle is taken from the total primary output stream, and this removed part is introduced into the adsorber under reduced pressure, which is then worked in a desorption cycle, so as to pass over the mass of adsorbent therein and through it.
The passage of this part taken from the adsorber in the desorption cycle is done in the opposite direction to the passage of the initial current passing through this adsorber when it passes through.
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was worth in adsorption cycle. As so introduced, the primary output is relatively free of any component or key components retained by the adsorbent contained in the desorption cycle adsorber and residing in that adsorbent. In addition, the adsorbent contained in this zone will have been slightly heated by the adsorption heat given off during a previous adsorption cycle.
By properly adjusting the times of the adsorption and desorption cycles, the heat of adsorption given off during the pressurized cycle is retained and remains available to counteract the cooling effects created during the desorption cycle.
An important advantage of the present process is that the heat given off during the adsorption cycle is retained. Since the adsorption cycle is short, heat does not have time to escape through the bed and through the walls of the apparatus to pass into the surrounding atmosphere. By rapidly changing from the adsorption cycle to the desorption cycle in the respective adsorbers, the desorption cycle almost completely utilizes the heat generated during the aasorption cycle. This is due to the low T obtained and the fact that the heat of adsorption does not have time to dissipate. In fact, the beds function as high efficiency bead heat exchangers which cycle quickly.
In general, the duration of the adsorption cycle, according to the present invention, does not exceed 2-3 minutes and is preferably less than 1 minute. A very desirable duration of the adsorption cycle is less than 20 seconds, for example 10 seconds.
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In this description, the product leaving an adsorber which operates in an adsorption cycle is referred to as "primary output", while the product leaving an adsorber which operates in a desorption cycle is referred to as " secondary output product ". In the primary output product, the concentration of component or key components is minimum. In the secondary output product, the concentration of component or key components is maximum.
The result of the backwashing for the desorption of the key adsorber component (s) is that in gas mixtures the components of the secondary output product correspond to some degree to those of the initial charge to some degree. The output product / is normally the product to which the process is directed.
When the secondary output product has no particular utility, as in the case where the key adsorbed components may be such as water vapor and small amounts of carbon dioxide, during the desorption cycle, the product leaving one or other of the devices can be evacuated to the atmosphere or it can be disposed of as a waste product. When the secondary output product can be such as to guarantee the recovery of the adsorbed key components, it can be sent to an accumulator or to a storage device, or else it can be sent directly to a treatment or storage device. recovery, in any suitable way.
The apparatus of the present invention, illustrated in FIG. 1, is particularly useful in a method, such as that generally described above, for drying air. In a similar app-
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Plication, a cyclic chronotrigger (not shown), is electrically connected so as to switch on solenoid 19 and 20, and thereby operate valves 13 and 14 at three minute intervals, each valve being "open" during this time. , while the other is "closed" at the same time.
When a valve is "open", it allows passage between the inlet duct 11 and one of the adsorbers, through the valve and the connecting ducts. In the drawing, the valve 14 is "open", and thus allows passage, through the parts 14a and 14b and the conduit 6, to the adsorber 2. The other valve 13 is shown "closed"; in this position, it allows passage between the adsorber 1 and the outlet duct 17, through the distributor 9 and the slots 13b and 13c.
During the operation described, these positions correspond in opposite directions, from one valve to another ',
Each of the adsorbers used is about 30 meters in length and about 37 mm in diameter; of them has a capacity such that it contains about 453 grams of "Mobilbeads", each of which is filled for the operation described above. As they are used, the "Nobilbeads" measure from 2.38 to 6.35 mm. In type of operation considered, common
In this type of operation considered, a stream of pressurized air, the moisture content of which is about 4000 molecular parts per million parts of air, is sent through duct 11.
Thanks to the time-regulated excitation of the solenoid valves 19 and 20, the valves 13 and 14 are operated to pass humid air alternately through each of the adsorbers 1 and 2. During the period of cycle work,
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a primary product leaving the adsorber working in a cycle is evacuated via the evacuation duct which opens therefrom. The wet air intake rate is adjusted through line 11, using valves 21a and 23, to obtain a total flow rate of primary outgoing product of about 28.3 liters / minute. In the stream entering the cycled adsorber, the pressure at the vicinity of 3.8 kg / cm3 is maintained. The ambient atmosphere of the device is at about room temperature.
While one or the other of the adsorbers is out of cycle, part of the primary output product from the other adsorber is taken off, and it is passed through an outlet duct such as duct 8 of FIG. 1. This part leaves for example through the conduits 21 and 22, through the valve 21a and the check valve 22a, then, through the conduit 7, it passes into the adsorber out of cycle, in this case the 'adsorber 1.
The primary output product leaves the conduits 7 and 8 automatically through the play of the adjustment valve 21a and the differential pressure in the valve, due to the fact that the valves 13 or 14 are closed, which has the effect of connecting the adsorbers 1 and 2, respectively, in a cyclical order regulated in time with the discharge duct 17 for the secondary outgoing product.
The primary output product is withdrawn at a rate of 14.15 liters / minute. The residual product exiting through line 17. The product withdrawn, after having passed through the adsorbent, in one or the other of the adsorbers 1 and 2, and after having substantially purged the adsorbent which s' finds moisture there from the period of operation in the previous cycle, leaves the
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device as a secondary outgoing product, through the conduits 5 and 6, the valves 13 and 14, the conduits 15 and 16, the collector 18 and the outlet conduit 17 corresponding to pass into a lower pressure zone constituted in the present case, by the atmosphere.
If we consider as substantially typical the process and apparatus described in the particular case of drying a stream of humid air, once the stable operating conditions have been reached, the stabilized operating condition can be calculated, by applying the following formula:
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In this equation, R = the reflux, recycling or purge flow rate in liters / minute D- the dry primary output product collected in the installation, in liters per minute, and P1 / P0 = the ratio between the pressure in the adsorption cycle and the pressure in the desorption cycle, in absolute values.
According to this equation, when the purge flow rate and the primary output product collected satisfy the equation, the moisture removed in the secondary output product in each desorption cycle is equal to the moisture removed from the feed gas during of the adsorption cycle.
If, in the above equation, the volume of primary output product collected, in accordance with the practical example given above, replaces D in the operation, the pressure ratios being those indicated, the equation s 'writes:
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R = ¯ (R + 0 = 5.24 liters / minute. 3.7
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In other words, when a stable operating condition is reached, a purge flow rate of 5.24 liters / minute is required to maintain this condition.
As can be seen by referring to the operating conditions set out in the example above, the purge flow rate is a little higher than that required according to the equation. This excess purge flow rate is essential in the beginning to speed up the establishment of the desired material equilibrium. From this it is possible, by adjusting valve 21a, to collect a larger quantity of the primary output product, or, when circumstances demand it, to adapt to a sudden increase in the content of the key component. in the power supply.
Figure 2 graphically shows the result obtained by operating the device as described above. The air supplied to the device has an initial moisture content of 4000 molar parts per million. After one day of continuous operation with cyclical reversal of the flow rate in the adsorbers to obtain a cycle and non-cycle working interval of 3 minutes for each adsorber, the moisture content of the product leaving in ducts 7 and 8 is lowered to between 15 and 30 mol parts per million. During the next four days, and keeping the initial operating conditions substantially constant, the moisture content of the primary product exiting adsorbers 1 and 2 is lowered to about one molar part per million, and it stabilizes at this value.
We can, if desired, considerably reduce the time required to reach conditions.
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stabilized operating conditions, by taking or diverting all of the primary product leaving an adsorber which is in cycle to send it to one which is out of cycle. The capacity of the adsorbers can be increased by increasing the ratio between the pressures during and off the adsorber cycle. It is also possible to increase cycling by lowering the cycle time, though. in air drying, a cycle time of between about one and about five minutes is preferred, too rapid a change in flow direction constituting misuse of the load.
However, in the case where it is a question of removing water vapor and carbon dioxide from an air stream, it is preferable to use activated alumina having dimensions. sions between 2.38 mm and 6.35 mm and a cycle of change of direction of the current of about half a minute. The capacity of the adsorbers can of course also be increased by increasing their volume and hence the amount of adsorbent they contain. In general, the capacity increases in proportion to the volume of adsorbent. For example, if the adsorbent volume doubles, the capacity doubles.
In an operation such as that described, using 2.38 to 6.35 mm beads as adsorbent to adsorb water vapor contained in air, a preferred maximum volumetric flow rate in the adsorbers is about 15 times the gross volume of the adsorbent, during each cycle. When using fine glass wool as the adsorbent, the maximum volumetric flow rate in the adsorbers is preferably about 0.9 times the gross volume of adsorbent. When the key components to be removed simultaneously are carbon dioxide and water vapor, and aluminum is used for this purpose
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When activated, the maximum volumetric flow rate in the adsorbers is preferably about 2.6 times the gross volume of the adsorbent.
All these flow conditions are reported and calculated for the temperature and for the pressure of the adsorption cycle, and under ambient temperature conditions for the device, which temperature is substantially that of the atmosphere.
As indicated above, FIG. 3 and fig. 3A to 3D show schematically how stable operating conditions can be obtained with a device such as the one envisaged. Among% figures, fig. 3 shows a simple adsorption device, consisting of a single chamber, for the purpose of showing the basic fundamental idea upon which the practice of the present invention is based. Figs. 3A to 3D illustrate the application of this idea to a two-chamber adsorption device, such as that shown in FIG. 1; in this case, the device is initially stabilized or conditioned by repeated countercurrent recycling, from one chamber to another, of all of the primary output product.
These figures also show the gradual nature of such a conditioning process, including the development of a moisture or vapor pressure front in the adsorbent bed of each chamber.
We will now refer to FIG. 3 and assume that the adsorbent chamber 31 is filled with a bed 33 of an adsorbent selective for a key component such as water vapor in air. If we pass a stream of air containing water vapor with a vapor pressure of 16 mm of mercury for an absolute pressure of 4.2 kg / cm2, in the chamber and in
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the adsorbent which it contains, respectively through the inlet and outlet pipes 35 and 37, with a constant flow rate in liters per minute, the water retained by the adsorbent finally reaches a vapor pressure in equilibrium with that of the air passing over the adsorbent, in which it has a vapor pressure of 16 mm of mercury.
Now, if the absolute pressure of the incoming air stream is reduced to 1.05 kg / cm2, the weight flow rate and the water vapor concentration remaining constant, the water vapor in the stream has a partial pressure of 4 mm of mercury. However, at the time of the pressure change, the water retained by the adsorbent still has a vapor pressure of 16 mm Hg. Exposed to a medium of 4 mm of mercury, the retained water will come to the conditions of this medium by giving up water vapor to the air passing over the adsorbent. The adsorbent thus becomes drier. Initially, the product leaving the chamber contains water vapor at a partial pressure of 16 mm of mercury.
As the flow continues, this pressure decreases to a final equilibrium point at 4 mm Hg:
If the absolute pressure of the incoming air stream then returns to its original value of 4.2 kg / cm 2, the water vapor therein is again at a partial pressure of 16 mm Hg. Because this water vapor comes into contact with the adsorbent retaining water with a partial pressure of 4 mm Hg, the water in the air stream is adsorbed until it again reaches a state of equilibrium. The outgoing air stream therefore initially contains water vapor at a partial pressure of 4 mm of mercury.
As the flow continues, this partial pressure will increase
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Thus, for a short time in each pressure cycle, the concentration of water vapor in the air stream exiting the chamber through conduit 37 increases as the pressure of the stream decreases and decreases as the current pressure rises.
The phenomenon described is used in accordance with the present invention, and is further demonstrated by the conditioning of a two-chamber device described with reference to Figures 3A-3D.
In the apparatus shown in lew fig. 3A to 3D, the references 41 and 42 respectively denote two adsorption chambers. These chambers are respectively provided with connecting conduits 45 and 47, and 46 and 50, serving both for the inlet and the outlet. The conduits 47 and 46 are substantially continuous by virtue of a common connecting valve 51. The references 43 and 44 denote the beds of selective adsorbent of the chambers 41 and 42, respectively.
Assuming that the valve 51 is fully open, if an air stream containing water vapor having a partial tension of 16 mm Hg, for an initial absolute pressure of 4.2 kg / cm2, enters through the conduit 45 and exits via conduit 50, the two adsorbent beds 43 and 44 reach equilibrium, the water retained therein being at a vapor pressure of 16 mm of mercury. With the respective beds in such a state of equilibrium, if one then sets the valve 51 to have a pressure drop of 3.15 kg / cm2, the partial pressure of the water vapor contained in the valve. air passing through bed 44 will be 4 mm of mercury. Finally, the bed 44 will come into equilibrium at this partial tension, yielding water to the air which leaves with it through the duct 50.
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The chamber 41 being in equilibrium, the vapor pressure of., The water which is retained therein being 16 mm of mercury, and the chamber 42 being in equilibrium with the water which is retained therein at a vapor pressure of 4 mm of mercury, if the direction of circulation in the chambers is reversed as shown in fig. 3B, the water vapor in the stream at a pressure of 4.2 kg / cm2 absolute, entering chamber 42 through line 50, has a partial tension of 16 mm Hg. The adsorbent 44 begins to build up. removing water from the incoming air stream, in an attempt to achieve equilibrium, thereby creating a vapor pressure front designated by the letter 2a. This front moves in the bed in the direction of the current.
As it moves in this way, the air containing water vapor at a partial pressure of 4 mm Hg moves forward from the front and passes through valve 51. Since the absolute pressure of this air is reduced in the ratio of 4: 1 passing through the valve, the partial pressure of the vapor it contains is reduced in the same way. The result is that it enters chamber 41 with a partial pressure of 1 mm of mercury, and creates a vapor pressure front indicated by the letter b, before which air with a partial vapor pressure d 16 mm water is discharged through line 45.
If the direction of the current is reversed again, as shown in fig. 3C, steam voltage fronts, as shown, move again through the corresponding beds 43 and 44. During this cycle, the water vapor which is contained in the air coming from the chamber 41 and which has a partial tension of 1 mm of mercury in chamber 41, enters chamber 42 with
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a partial tension of 0.25 mm of mercury, behind the front indicated by the letter c.
Fig. 3D shows the effect of a new reversal of the direction of the current in the chambers 41 and 42, in which yet another vapor pressure front d is established. The water vapor behind this front then has a partial tension of 0.0625 mm of mercury, due to the decrease in a ratio of 4: 1 resulting from the passage through valve 51. By continually and frequently reversing the direction of the current, the fronts finally merge to create a water vapor concentration gradient across the entire length of each chamber. This gradient is evidenced by the somewhat diffuse but relatively well defined front, which moves in the chambers in the direction of the current.
The results of this conditioning process which has just been described are further illustrated graphically in FIG. 4. The succession of four cycles described above is shown in FIG. 4 by the graph showing the progression of the vapor pressure fronts throughout the length of the adsorption chambers.
The fronts shown are identified by the same letters as those shown in Figs. 3B to 3D.
In fig. 4, the fronts established when the chambers have been fully conditioned and when a fusion of the preliminary fronts has been achieved, are designated by the letter e. The fronts which are created between the front d of the fourth cycle and the front e of the final cycle have been omitted in the representation of FIG. 4 which shows a gradual recession of the vapor pressure front coming from the discharge duct of the product leaving during the conditioning process.
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When this complete flow conditioning process is applied to the device shown in fig. 1, and when the outgoing primary product streams discharged through conduits 7 and 10 show no measurable amount of adsorbate of the key component, the pressure control valve 21a can be adjusted so as to obtain through conduit 12 n ' any desired recovery of outgoing primary product. From this moment, the durations of the cycles under pressure will be regulated in time so as to ensure an oscillating movement of the vapor pressure front, like that represented by in fig. 4, in a part of the intermediate beds between their ends'.
By doing so, breakage of the adsorbate during the adsorption cycle, or of the primary product exiting, during the desorption cycle is avoided. Under such conditions, the collected primary product will have a substantially constant and extremely low partial pressure of the key component initially contained therein.
In some cases, it is possible to modify the conditioning process somewhat, by adjusting the flow rate of primary product recycled out from one chamber to another to a value somewhat lower than the minimum required according to the given formula. above. The result will give a primary output product containing a given percentage of the water content of the initial charge.
If it is desired that this water content be maintained at a constant and absolute humidity level, then the water content of the initial charge must be adjusted to give the desired absolute humidity in the outgoing primary product.
In another operation, an apparatus substantially identical to that shown is used.
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in fig. 1, to obtain, from atmospheric air, a primary output product whose oxygen concentration is greater than that of the primary air current.
For this purpose, two adsorbers 33 cm long by 7.3 cm in diameter of 1000 grams each of SA tamil moiéculaire are packed. Stmospheric air is sent into the device all at a pressure of 5.25 kg / cm2. The device is at room temperature (21 to 27 C) and it operates substantially as explained above. , with the difference that the cyclic operation of valves 13 and 14 is adjusted to give a cyclic flow at intervals of about 40 seconds.
Further, to achieve a substantially constant primary product output rate, the valve control is adjusted over time to achieve an overlap of the cyclic rate, in which the cycling of an adsorber begins about five times. seconds before the end of the cyclic flow of the other adsorber of the pair of adsorbers used. In this operation, using a 5 A molecular sieve as the adsorbent, it is preferred that the maximum volumetric flow rate of the gas mixture during any cycle period is approximately equal to the gross volume of the adsorbent, under the conditions. - pressure and temperature conditions indicated above in the case of the adsorption of water vapor in air.
Before proceeding with normal operation, the device is operated to determine the improvement afforded by the reverse scanning technique, object of the present invention. The results of this preliminary operation are shown in the graph in fig. 5.
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The oxygen concentration is measured using a paramagnetic oxygen analyzer (0 to 22%), after quantitative dilution with nitrogen. In addition, the oxygen concentration is measured with a gas chromatographic analyzer calibrated for 0 to 100% oxygen in nitrogen. The moisture content of the oxygen-rich product varies between 2 and 6 parts per million (w: w) when measured with an electric moisture analyzer. The humidity of the air in the ducts is between 3,000 and 6,000 p.p.m. The device not only concentrates the oxygen, but also dries the product.
As shown in fig. 5, with a relatively large reflux rate of the primary output product, the inherent capacity of the adsorbent product is increased. As can be seen, with cyclic operation but without any reflux, the oxygen concentration of the output product is increased from a normal concentration of about 21 mole percent in air to about 30. mole percent in the primary output. When reflux is started, the oxygen concentration in the primary output product increases dramatically. With a reflux rate of about 28.3 liters / minute, a maximum concentration of about 75 mole percent is obtained.
Although a greater increase in the reflux rate while maintaining a constant value of the primary output product collected, results in a decrease in the oxygen concentration, the smallest concentration found, with a reflux rate of 11.3 1 / min. is close to 55 mo-, an improvement of 25 percent percent are the percent / approximately. The results as they are represented graphically, show that the effect of the re-
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The primary output product stream is to significantly decrease the key component concentration of the output product. In this case, the key component is nitrogen.
Of course, in an industrial application of the invention, the requirements with regard to the primary output product collected can vary between a large amount of product collected with a low concentration of non-adsorbed components, and a low amount of. product collected with a high concentration of non-adsorbed components. Fig. 6 shows the results obtained with a constant reflux flow rate and a variable amount of collected primary output product rich in oxygen. It is assumed that the slight deviation of the curve, when the outgoing product collected is close to zero, is due to a variation in the concentration gradients in the adsorbent beds, due to the cyclic action of the pressure of the device.
Referring to fig. 7, it can be seen that the oxygen concentration in the primary output product collected is increased as a function of the flow rate of primary output product collected. The ordinates in the graph numerically represent the total product flow rate in liters, minus the reflux flow rate, multiplied by the difference between the molar percentage of oxygen in the air introduced into the device and the molar percentage d oxygen determined in the outgoing product.
The quantity of output product collected, expressed in liters / minute, was plotted on the abscissa. As can be seen, optimum recovery is achieved with optimum oxygen concentration, for / an outgoing product recovery rate of about 3.1 liters / minute, with a total air intake rate of d. 'approximately 28.3 liters /
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minute, and a secondary product recovery rate of about 22.6 liters (including a reflux rate of 5.5 liters / minute). This secondary output product contains a concentration of the key component - nitrogen - greater than that of the air introduced into the device.
It is possible, if desired, to accumulate the secondary outgoing product in order to subsequently recover the oxygen therefrom, or to recover the nitrogen, or else it can be sent for this directly to additional recovery devices provided for this purpose.
The apparatus and the process according to the present invention can also be used to concentrate the nitrogen in the primary output product. In this type of operation, the adsorbers are packed with 4 A molecular sieves. In addition, the valve 21a is completely closed.
The effect of backwashing or countercurrent recycling of the primary output product is obtained by limiting the duration of the adsorption and desorption cycles to an extremely short time, which allows to restrict between tight limits, between ends of the adsorbent bed and the chamber, the oscillations of the concentration gradient in the adsorbent. When this is done, the part of the chamber adjacent to the discharge duct of the primary outgoing product serves as an accumulation zone for this product, and is thus available for back sweeping by counter-current, when the pressure in the chamber is reduced. This includes those parts of the product which may be retained in the pores of the adsorbent, as well as in the interstices of the bed, behind the oscillating gradient front.
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As an example of the process of concentrating nitrogen in a primary output product, two chambers 33 cm long and 7.3 cm in diameter are filled with 100 c grams of 4 A molecular sieve. atmospheric air through the inlet duct 11 of the apparatus of FIG. 1, under the absolute pressure of 5.95 kg / cm3. Cycle chronotriggers 19 and 20 are set to operate valves 13 and 14 at ten second intervals; air flow sent into the apparatus is directed alternately in the adsorbent chambers 1 and 2, and in such a way that, while one of the chambers is in cycle, the other is out of cycle and open to the atmosphere under a absolute pressure of about 1.05 kg / cm2 with proper operation of the valves, as explained above.
A nitrogen-rich primary output is obtained in which the primary output contains as little as 0.75% oxygen. The efficiency of the operation is graphically illustrated in fig. 8. By properly adjusting the valve 23 of the duct 12 of the apparatus of FIG. 1, the flow rate of the primary outgoing product is varied between 0 and 33.9 liters / minute. As can be seen, the nitrogen concentration in the primary output is between about 99.25 and 65% of the primary output, as determined from the percentage of oxygen present in the primary output. .
In figure 8, the dotted lines starting from the abscissa and ordinate points and intersecting on the curve of the graph, indicate the ¯optimum conditions. As can be seen from the graph, under optimum conditions the product flow rate is 22.6 l / min. and it contains 10.5% oxygen. Under these conditions, the product flow
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secondary outlet discharged through line 17 is
5.66 liters / minute for each desorption cycle. Therefore, at the rate of six cycles / minute, 34 liters / minute of secondary output product are released in total.
Thus, the total discharged current constituted by the primary and secondary outgoing products of 34.0 plus 22.6, plus
56.6 liters / minute, which is substantially equal to the atmospheric air supply rate. The nitrogen content of the incoming air is approximately 78%, or 44.1 liters / minute, out of the 56.6 liters / minute introduced into the device.
As shown in Figure 7, under optimum conditions, the primary output product contains 10.5% oxygen.
It may also contain 1% argon, or a total of 11.5% diluents. Thus, the primary output product contains approximately 88.5% nitrogen, or 20.1 liters / minute of the total 22.6 liters / minute of primary output product.
If we relate this recovery to the 44.1 liters / minute of aeote in the feed air stream, the nitrogen recovery rate in this process is therefore about 45%, which denotes an extremely efficient separation technique, which does not require the use of extreme pressure and temperature conditions.
Although the above calculations are only based on the nitrogen, oxygen and argon content in the incoming feed stream, it should be noted that both water vapor and carbon dioxide from the feedstock will be separated. by the adsorbent, and will come out with the secondary outgoing product.
Figure 9 shows schematically a device which can be operated in accordance with the process of the present invention, allowing both oxygen and nitrogen to be concentrated from atmospheric air and in which the exiting product secondary discharged
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from the concentration separation of nitrogen and oxygen is used to enrich the air sent into the device. In the combination of devices shown in fig. 9, a series of adsorbers similar to the one illustrated in Fig. 1 is used.
These devices are confined and used for the purpose of fractionating atmospheric air, to produce two product streams, one of which is rich in oxygen and the other is rich in nitrogen * In the process envisaged in this combination, the secondary product leaving a single adsorber concentrator is partially recycled, so as to provide at least part of the feed for the other adsorber concentrator.
In the illustrated combined device, four adsorber devices are used. In each device, the constituent parts are designated by references directly comparable to those which designate similar parts of the device illustrated in fig 1, with the difference that the numerical designation belongs to one of the 100, 200, 300 or 400 series. Thus, the device for concentrating oxygen is in the 300 series, while the device for concentrating nitrogen is in the 400 series. Devices for removing moisture and carbon dioxide from each load nitrogen and oxygen concentrator devices are numbered in the 100 and 200 series respectively.
Thus, the load of the nitrogen concentration device passes through a drying device bearing a reference of the 100 series, while the load of the oxygen concentration device passes through a drying device bearing a reference of the series 200.
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Each of the drying devices includes an inlet duct 111 and 211, respectively, connected to the outlet of a compressor or a pump Jack and 200b, respectively.
The corresponding pump inlets are connected to conduits which include unmixed flywheel reservoirs, 100a and 200a, respectively. Each of these reservoirs is lined with a granular or fibrous product, not a cup, such as glass wool, glass beads, aluminum granules, etc., which oppose a strong resistance to the mixture. The tanks are open to the atmosphere at one of their ends and, as indicated, they will be connected by the other end to the inlet of a pump or a compressor 100b or 200b. The primary exiting product from each of the adsorbers of the 100 or 200 series is sent through the corresponding conduits 112 and 212, respectively into the accumulation chambers 100c and 200c.
From there, these primary output products are sent to the respective nitrogen and oxygen concentration devices, through the supply conduits 411 and 311, respectively. In the combination of devices illustrated, provision has been made for a transverse circulation of the secondary output product of each of the devices of the 300 and 400 series, by a transverse connection of the conduits 317 and 417 of the secondary output product with the inlets of the compressors 100b and 200b. , respectively, between these compressors and between their associated flywheel reservoirs 100a and 200a.
In the combination of devices shown in FIG. 9, the two compressor pumps 100b and 200b suck air from the atmosphere, through the respective flying tanks 100a and 200a. The pump 100b supplies the drying device in which the constituent parts are designated by the references of the series 100. The charge current from the pump 100b enters the chamber.
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the device via line 111, under an absolute pressure of 4.55 kg / cm2, and it is circulated between the adsorbers 101 and 102 substantially in the manner described in the case of FIG. !. In this device, the adsorbent is preferably selective for water vapor, carbon dioxide and traces of impurities such as hydrocarbon vapors.
A suitable adsorbent for this purpose is activated alumina. In this device, use is also made of a recycle or reflux purge stream taken from the primary output product from the adsorber operating in cycle, to sweep the adsorber back from the adsorber which is out of cycle. In this device, the secondary output product consists of a mixture of air, water vapor, carbon dioxide and other trace impurities, and is sent directly to the atmosphere by valves 113 and 114: depending on the adsorber which is in the desorption cycle.
At the same time, the compressor 200b sucks a current of atmospheric air, through the duct which includes the flywheel reservoir 200a, by sending air, under an absolute pressure of approximately 4.55 kg / cm2, into the duct d. inlet 211 of the drying device, the constituent parts of which are numbered in the 200 series. In this device, the adsorbers 201 and 202 are also lined with activated alumina in order to fractionate or separate the water, carbon dioxide. and other traces of impurities, in the same manner as in the 100 series adsorption device and to evacuate the key component separated from the feed as a secondary outgoing product, through the valves and connecting ducts including the valves 213 and 214.
The respective drying devices deliver a primary output product, which is air from which water, carbon dioxide and other impurities have been removed, by
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their corresponding outlet ducts 112 and 212. The duct 112 communicates with the accumulation chamber 100c, while the duct 212 communicates with a separate accumulation chamber 200c.
From the accumulators 100c and 200c, the primary output product coming from the corresponding drying devices of the 100 and 200 series, is sent respectively to the devices for concentrating nitrogen and oxygen. As noted above, the 4 A molecular sieves have been found to be an excellent adsorbent for selectively removing oxygen from the air and thereby concentrating nitrogen in the primary output from the device. . In the apparatus shown in FIG. 8, the adsorbers 401 and 402 are preferably packed with this product.
The primary output product sent to the accumulator 200c through the outlet duct 212 passes from there, through the ducts 311, into the inlet of the adsorption device to concentrate the oxygen. In this device, the adsorbers 301 and 302 can be packed with molecular sieves, either 5 # or 13 #, these tamiossédants, as indicated above, a selective affinity for nitrogen and, thus. , the primary output product discharged through line 312 is a product rich in oxygen.
In each of the nitrogen and oxygen concentration devices, the secondary output product which, in the first case, is relatively rich in oxygen and, in the second case, is relatively rich in nitrogen, is recycled transversely to the inlet of the compression pump, constituting the initial charge for the oxygen and nitrogen adsorbers, respectively.
Thus, the secondary output product coming from the adsorbers 4Jl and 402 is discharged through the conduits 415 and 416, 418 and 417, among which the last is connected to the inlet of the compressor 200b, downstream of the flywheel chamber 200a, The product going out
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secondary coming from the adsorbers 301 and 302 is discharged through the conduits 315, 316, 318 and 317, among which the last is connected to the inlet of the compressor pump 100b, downstream of the flying tank 100a. The flying tanks 100a and 200a are designed to avoid losses of secondary output product coming from the corresponding oxygen and nitrogen concentrators.
It is envisioned to give each tank an appropriate volume for the volume of gas in liters which is discharged from either of the adsorbers of the nitrogen and oxygen concentrators, when the pressure in the tank is reduced. adsorber, from the adsorption pressure (of any value) to a pressure close to that of the atmosphere.
As indicated above, each of the adsorbers of the combined apparatus of FIG. 9 is comparable to the device illustrated in FIG. 1. Likewise, the drying devices, in this combination, operate according to the method set out in the case of FIG. l, such as oxygen and nitrogen concentrating devices. Each device can be provided with its own cycle chronotrigger (not shown) and the duration of the cycles can be adjusted to obtain the best operating conditions.