Contribution à la modélisation dynamique simplifiée d'un procédé d'adsorption modulée en pression (P.S.A.)

Abstract

One of the objectives of this study was to build a model able topredict the transient comportment and to quickly estimate thestate of the Pressure Swing Adsorption (P.S.A.) processes at thecyclic steady state. Computing time problems are still encounteredtoday, whereas a fast and reliable simulator is necessary for theprocess,optimal dimensioning and even for its control.Two approaches were so adopted. The first one consists inaccelerating the simulation of each step of the cycle bysimplifying the model of bidispersed pellet of adsorbent. Theapproach used to simplify the pellet model is close to the oneused to establish the traditional model of « Linear DrivingForce ». The influence on the model structure of the statevariables choice, as well as the influence of space distributionof resistances to the mass transfer in the pellet have beenstudied . The column global model based on this pellet model ledto simulations of breakthrough curves in good agreement with thosein the literature.The second approach is based on the approximation of the cyclicprocess by an equivalent continuous process. The simulatorobtained can estimate almost instantly the transient comportmentand the cyclic steady state of the system. For kineticseparations, simulations using this model are in good agreementwith those obtained using a traditional cyclic model.The other objective of this work was to design a P.S.A. pilot,entirely controlled by computer, which allows to follow the outletcompositions, as well as temperature profiles in each column. Anexperimental study has been done on this pilot. It relates to theseparation of methane and carbon dioxide mixtures on a zeolite 5A.This study, associated with the experimental results in theliterature, validates our first model.L'un des objectifs de cette étude était de proposer un modèlecapable de prédire le régime transitoire et d'estimer rapidementl'état des procédés cycliques de séparation de gaz par adsorptionmodulée en pression (P.S.A.) en régime établi. En effet, desproblèmes de temps de calcul se posent encore de nos jours, alorsqu'un simulateur rapide et fiable est nécessaire audimensionnement optimal du procédé, voire son contrôle.Dans ce but, deux approches ont été adoptées. La première consisteà accélérer la simulation de chacune des étapes du cycle ensimplifiant le modèle de grains d'adsorbant bidisperses. Ladémarche suivie pour simplifier le modèle intra-granulaire estproche de celle employée pour établir le modèle classique de« Linear Driving Force ». Une étude a été menée concernant lechoix des variables d'état et la répartition spatiale desrésistances au transfert de matière dans le grain. Ces deuxparamètres ont en effet tous deux une influence sur la structuredu modèle. Le modèle global de colonne basé sur ce modèleintra-granulaire conduit à des simulations de courbes de perçageen bon accord avec celles de la littérature.La seconde approche repose sur l'approximation du procédé cycliquepar un procédé continu équivalent. Le simulateur basé sur cemodèle permet d'estimer à la fois la mise en régime et l'état dusystème en régime établi de façon quasi-instantanée. Pour desséparations de type cinétique, les simulations obtenues avec cemodèle sont en bon accord avec celles obtenues avec un modèlecyclique classique.L'autre objectif de ce travail était de concevoir un pilote deprocédé P.S.A. intégralement contrôlé par informatique, permettantde suivre les compositions de sortie, ainsi que les profils detempérature dans chaque colonne. Une étude expérimentale a étémenée sur ce pilote. Elle porte sur la séparation de mélanges deméthane et de dioxyde de carbone sur une zéolithe 5A. Cette étude,associée aux résultats expérimentaux de la littérature, permet devalider notre premier modèle