La présente invention concerne un procédé de production d'hydrogène avec capture du CO ₂ produit simultanément.

L'essentiel de l'hydrogène est fourni à partir de réformage à la vapeur d'hydrocarbures, plus particulièrement de méthane (SMR). Le gaz réformé est généralement envoyé à un réacteur de « shift » (Water gas shift reactor) pour produire plus d'hydrogène. La « water gas shift reaction » est une réaction entre le monoxyde de carbone et l'eau pour former du dioxyde de carbone et de l'eau. Le gaz produit a en général les caractéristiques suivantes :

- Pression de 15 à 40 bar abs,

- Température proche de la température ambiante (après refroidissement), - Composition en pourcentage molaire H ₂ : entre 60 et 80 % ; CO ₂ : entre 15 et 25 % ; CO : entre 0.5 et 5% ; CH4 : entre 3 et 7 % ; N ₂ : entre 0 et 6 %, saturée en eau,

- Débit : de quelques milliers à quelques centaines de milliers de Nm3/h

Un tel gaz est alors généralement envoyé directement à un PSA (Pressure Swing Adsorption = adsorption avec variation de pression) Hydrogène pour produire de l'hydrogène à haute pureté (de 99% à 99.9999 mole %).

Le résiduaire du PSA contient tout le CO ₂ , la grande majorité du CH4 et CO, une grande partie du N ₂ et de l'hydrogène en quantité dépendant du rendement de l'unité PSA (de 75 à 90% suivant l'efficacité désirée).

Ce résiduaire, avec le CO ₂ contenu, est brûlé au niveau du four du reformage à la vapeur. Le gaz résiduaire de cette unité est mis à l'air après récupération d'une partie de la chaleur disponible.

Cependant, les changements climatiques constituent l'un des plus grands défis environnementaux. L'accroissement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère est en très grande partie la cause du réchauffement global. Dans l'optique de la réduction des émissions de CO ₂ , la capture d'au moins une partie du CO ₂ émis doit être envisagée. II est connu de retirer le CO ₂ d'un tel fluide en utilisant un lavage, par exemple aux aminés, à l'amont du PSA.

L'inconvénient d'une telle solution est essentiellement son coût énergétique inadapté à la problématique de capture. D'autres solutions sont basées sur l'adsorption.

Le document EP 0 341 879 Bl traite le résiduaire du PSA H ₂ pour en extraire le CO ₂ via un PSA et une réfrigération.

Le document WO 2006/054008 traite également le résiduaire du PSA H ₂ via un PSA et une unité cryogénique Le document US 5,026,406 décrit la production de deux fractions à haute pureté à l'aide d'un PSA. L'exemple 2 correspond en partie au problème que l'on se pose ici. On obtient une fraction riche en CO ₂ (99.7% molaire) et une fraction contenant environ 90% molaire de H ₂ . En pratique cette fraction devra être traitée dans une deuxième unité, par exemple un PSA type PSA H ₂ , pour obtenir une pureté H ₂ de 99%. L'utilisation de pompes à vide et/ ou de recyclages sont nécessaires pour atteindre les performances visées.

Le document US 2007/0227353 traite également le même problème technique. La solution préconisée est là encore l'utilisation d'un PVSA, c'est-à-dire une unité d'adsorption avec des étapes sous vide. Il est connu que de telles étapes, si elles sont efficaces en termes de performances, sont coûteuses en capital (pompes à vide) et en énergie.

Par ailleurs, le document FR2884304 décrit une unité d'adsorption fonctionnant à une pression maximum de 10 bar absolus, produisant un gaz enrichi en CO ₂ qui est envoyé à une unité cryogénique qui enrichit ce gaz jusqu'à un minimum de 80% molaire. Le gaz appauvri en CO ₂ de l'unité d'adsorption est détendu, après ou non refroidissement, pour fournir la puissance frigorifique de l'unité cryogénique. Au moins une partie du gaz pauvre en CO ₂ de l'unité cryogénique est recyclé vers le PSA, après ou non détente. Au moins une partie du gaz pauvre en CO ₂ de l'unité cryogénique est utilisée comme combustible. Ladite unité d'adsorption peut être un VSA, un VPSA ou un PSA

Le procédé et/ou l'installation envisagée dans le document FR2884304 ne comporte qu'une seule unité d'adsorption. Ce document essentiellement basé sur la récupération de CO ₂ dans un fluide de pression inférieure à 10 bar abs, ne traite pas de la production associée d'hydrogène. En particulier, il ne concerne pas les gaz issus de SMR.

L'utilisation de PSA tel que décrit dans FR2884304 n'est effectivement pas adapté à priori lorsqu'on veut extraire du CO ₂ dans un gaz à pression élevée tel que le gaz de synthèse dès lors que l'on veut également récupérer en priorité la majorité d'un des constituants les moins adsorbables. En effet, le CO ₂ étant un constituant facilement adsorbable, une pression partielle modérée, de l'ordre du bar, est suffisante pour obtenir la quasi saturation des adsorbants utilisés classiquement tels que zéolite ou charbons actifs. L'utilisation d'une pression élevée n'apporte donc rien à l'arrêt du CO ₂ mais est défavorable lorsqu'on veut conserver sous pression des constituants tels que l'hydrogène. Ce dernier constituant s'adsorbant très faiblement, il est surtout présent dans l'adsorbeur dans les phases gaz, qu'il s'agisse des volumes poreux de l'adsorbant, du volume intergranulaire ou des volumes morts en entrée et sortie. A volume donné, la perte en hydrogène est alors proportionnelle à la pression. Dans une telle application, il est normal d'envisager plutôt de traiter le résiduaire du PSA H ₂ pour séquestrer le CO ₂ sachant qu'il s'agit d'un débit basse pression, enrichi en CO2 et appauvri en hydrogène. WO 2006/054008 et EP 0 341 879 Bl sont basés sur ces considérations.

Une solution envisagée pour contourner partiellement ces inconvénients est, comme on l'a vu, l'utilisation de cycle PSA complexe mettant en œuvre le vide pour extraire le CO2. Dans ces conditions, l'adsorbant peut être utilisé de façon efficace et l'utilisation de recyclages internes permet alors de limiter la perte en hydrogène. Cela se paye en termes d'investissement et de consommation d'énergie.

Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un procédé capable de produire de façon économique de l'hydrogène avec capture du CO2 et sans perte sensible d'hydrogène.

Une solution de l'invention est un procédé de production d'hydrogène à partir d'un mélange gazeux 21 comprenant de l'hydrogène (H2), du dioxyde de carbone (CO2), du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH4) et de l'eau (H2O), mettant en œuvre une unité PSA CO2 30, une unité cryogénique 40 et une unité PSA H2 50, dans lequel : a) on introduit ledit mélange gazeux 21 dans une unité PSA CO ₂ 30, produisant une fraction 32 enrichie en CO ₂ et une fraction 31 appauvrie en CO ₂ ; b) on introduit la fraction 32 riche en CO ₂ dans une unité cryogénique 40, produisant une fraction 41 enrichie en CO2 et une fraction 43 enrichie en H2 ; c) on recycle la fraction 43 enrichie en H2 en amont de l'unité PSA H2 50 ; et d) on introduit la fraction 31 appauvrie en CO2 dans l'unité PSA H2 50, produisant un flux 51 enrichie en hydrogène et un gaz résiduaire 52.

Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la fraction 43 enrichie en H2 représente plus de 90% de la quantité d'hydrogène contenu dans fraction 32 riche en CO2.

- entre l'étape a) et l'étape b), la fraction 32 enrichie en CO2 est comprimée à une pression supérieure à la pression du mélange gazeux 21.

- le PSA CO2 30 comprend au moins un adsorbeur avec au moins un adsorbant et en ce ledit adsorbeur est soumis à un cycle de pression comprenant une étape de balayage de l' adsorbant par une partie de la fraction 32 enrichie en CO2 et comprimée.

- entre l'étape a) et l'étape b), la fraction 32 enrichie en CO2 est au moins partiellement séchée à l'aide d'un sécheur 35.

- à l'amont de l'étape a), le mélange gazeux 21 est au moins partiellement séché à l'aide d'un sécheur 25.

- à l'amont de l'étape a), le mélange gazeux 21 est au moins partiellement séchée à l'aide d'un sécheur 25 et en ce qu'à l'étape c) on réalise les sous-étapes suivantes : au moins une partie de la fraction 43 enrichie en H2 est réchauffée dans un réchauffeur 44 ; ladite partie de la fraction 43 réchauffée est utilisée pour régénérer le sécheur 35 ou le sécheur 25, puis ladite partie de la fraction 43 est recyclée en amont de l'unité PSA H2 50, après réfrigération et séparation de l'eau condensée.

- à l'étape c) on recycle au moins une partie de la fraction 43 enrichie en H2 à l'amont de l'unité PSA CO ₂ 30.

- le gaz résiduaire 52 est en partie recyclé en amont du PSA H ₂ 50 ; - le PSA H ₂ 50 est régénéré à une pression inférieure ou égale à la pression atmosphérique.

- le mélange gazeux 21 est un gaz réformé et shifté. - la fraction 41 enrichie en CO ₂ comprend plus 90% de CO ₂ , préférentiellement plus de 97% de CO ₂ , de préférence encore plus de 99% de CO ₂ .

- la fraction 41 enrichie en CO2 est conditionnée en bouteille ou réservoir ou alimente une canalisation de CO2 pour un usage industriel ou un stockage en sous-sol, ou est produite sous forme liquide.

L'invention a également pour objet une installation de production d'hydrogène à partir d'un mélange gazeux 21 comprenant de l'hydrogène H2, du dioxyde de carbone CO2, du monoxyde de carbone CO, du méthane CH4 et de l'eau H2O, caractérisé en ce que ladite installation comprend un PSA CO ₂ 30 et PSA H ₂ 50 en série, le PSA CO ₂ 30 étant en amont du PSA H ₂ 50 et combiné à une unité cryogénique 40.

Selon le cas, l'installation peut présenter au moins une des caractéristiques suivantes :

- le PSA CO ₂ 30 comprend au moins 5 adsorbeurs comprenant au moins du gel de silice comme adsorbant ; - dans chaque adsorbeur du PSA CO ₂ 30, le gel de silice représente au minimum 50% du volume total d'adsorbant et une zéolite de type A ou X au maximum 25% du volume total ;

- l'unité cryogénique comprend un dispositif de stripage d'au moins une partie de la fraction 32 de CO ₂ , préalablement liquéfiée, pour en extraire l'hydrogène, et de façon générale les incondensables, dissous dans cette dite fraction. L'invention va à présent être décrite au moyen des figures 1 et 2.

La figure 1 représente une installation selon l'invention avec différentes options de recyclage des flux issus de l'unité cryogénique.

Le gaz naturel (ou de façon plus générale les hydrocarbures) 1 et la vapeur 2 sont introduits dans l'unité de réformage 10. Le gaz réformé comprenant de l'hydrogène (H ₂ ), du dioxyde de carbone (CO ₂ ), du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH4), éventuellement de l'argon (Ar) et de l'azote (N ₂ ), et de l'eau (H ₂ O) est shifté dans un réacteur de shift 20, où au moins une partie du monoxyde de carbone réagit avec au moins une partie de l'eau pour former de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Le gaz ainsi réformé et shifté correspond au mélange gazeux 21. Le mélange gazeux 21 alimente le PSA CO ₂ 30. Le fluide 32 est le résiduaire riche en CO ₂ du PSA CO ₂ 30. Ce fluide est en basse pression, c'est-à-dire à une pression inférieure à 3 bar abs, généralement autour de la pression atmosphérique. Etant comprimé pour alimenter l'unité cryogénique 40, ce fluide pourrait se retrouver en légère dépression (par exemple 0.9 bar abs) sans sortir de l'enseignement de l'invention.

L'unité cryogénique 40 permet d'une part de fournir le CO ₂ à la pureté requise (41) pour son utilisation (séquestration, injection dans les puits de pétrole ou de gaz, chimie, alimentaire...) et d'autre part de recycler 43 l'essentiel (plus de 90%, pref plus de 95, préférentiellement encore plus de 99%) de l'hydrogène contenu dans le flux 32.

L'unité cryogénique 40 peut éventuellement produire un flux 42 enrichi en méthane qui sera recyclé dans l'unité 1 ou utilisé par ailleurs. La fraction 43 enrichie en H ₂ peut être recyclé à divers endroits de l'unité 1 :

- par le chemin 44 à l'amont de l'unité de réformage, et/ou

- par le chemin 45 à l'amont du shift, et/ou

- par le chemin 46 à l'aval du shift et à l'amont du PSA CO ₂ 30, et/ou

- par le chemin 47 directement au niveau du PSA CO ₂ 30, et/ou - par le chemin 48 à l'amont du PSA H ₂ , et/ou

- par le chemin 49 directement au niveau du PSA H ₂ 50.

Suivant la spécification de l'hydrogène - ou s'il existe par ailleurs des besoins en hydrogène impur -, tout ou partie du flux enrichi en hydrogène 43 peut être soit utilisé -62- dans une autre unité ou mélangé -61- à la production principale d'hydrogène 51. Un traitement complémentaire 60, par exemple perméation ou catalyse (méthanation..), peut être envisagé pour adapter la pureté de ce flux aux besoins.

Les flux 46 et/ou 48 peuvent être mélangés aux flux d'alimentation principaux, respectivement 21 et 31 ou constituer une seconde alimentation.

Les flux 47 et/ou 49 peuvent être utilisés de façon interne aux PSA par exemple pour effectuer tout ou partie de la purge ou de la repressurisation. Dans le cas où ce flux serait injecté au niveau du PSA autrement que comme alimentation principale ou secondaire, à une pression inférieure à la pression d'adsorption, on a la possibilité d'intercaler une unité de perméation pour enrichir en hydrogène une partie du flux.

La fraction 31, produite par le PSA CO ₂ 30 est appauvrie en CO ₂ et alimente le PSA H2 50. Celui-ci produit une fraction riche en H ₂ 51 qui constitue la production principale de l'unité et un résiduaire 52 qui comprend la fraction non produite d'hydrogène, le CO ₂ résiduel et l'essentiel du CH4, CO, N ₂ , Ar contenus dans l'alimentation 31 du PSA H ₂ 50.

Le résiduaire 52 du PSA H ₂ peut être recyclé en totalité au niveau du réformeur 10, comme combustible et/ou comme réactif 71 après compression dans le compresseur 70. On peut également recycler une partie de ce résiduaire au niveau du PSA H ₂ lui-même, voire utiliser tout ou partie de ce flux dans une unité extérieure. Ces variantes qui ne modifient en rien l'esprit de l'invention, ne sont pas représentées sur la Figure 1.

En effet, de façon générale, le procédé selon l'invention utilise une unité de capture du CO ₂ par adsorption de type PSA, c'est-à-dire ne faisant pas appel à une régénération sous vide, couplée à une unité cryogénique qui permet à la fois d'obtenir la pureté requise pour le CO ₂ et de recycler la majorité de l'hydrogène contenue dans la fraction CO ₂ 32 issue du PSA CO ₂ 30, vers la ligne de gaz réformé. Autrement dit, l'hydrogène extrait au niveau du PSA CO ₂ est réinjecté dans le circuit haute pression allant de l'alimentation du SMR à la production hydrogène, c'est-à-dire à une pression allant d'une quinzaine de bars abs à 40 bars maximum. Le couplage avec une unité cryogénique permet ainsi de compenser les performances moyennes du PSA (par rapport à une unité faisant appel à une régénération sous vide) grâce à une épuration plus poussée du CO ₂ et un recyclage amélioré des incondensables. Par incondensable, on entend H ₂ , N ₂ , CH4, CO, Ar. Il s'avère que les modifications apportées à l'unité cryogénique - par rapport à une unité classique d'épuration et de production de CO ₂ - telles que le choix d'une pression opératoire élevée adaptée au recyclage, un re-bouillage partiel du CO ₂ liquide pour en chasser l'hydrogène dissout, une détente partielle du CO ₂ liquide pour récupérer la fraction vapeur riche en incondensables... sont d'un coût largement inférieur au choix du vide comme moteur de la régénération de l'unité d'adsorption. Il n'entre pas dans le cadre de la dite invention de décrire en détail les unités cryogéniques associées au PSA permettant d'obtenir les performances requises tant pour la capture du CO ₂ que pour le recyclage des incondensables, plus particulièrement de l'hydrogène. On retiendra que l'unité cryogénique sera alimentée à une pression supérieure à la pression de la production hydrogène, en pratique toujours supérieure à 15 bar abs et comprendra de préférence un dispositif dit de « stripage » de l'hydrogène contenu dans le CO ₂ - et de façon plus générale des incondensables : N ₂ , CH4, CO, Ar- dispositif mettant enjeu une baisse de pression et/ou un réchauffage et/ou une injection de gaz dans une fraction de CO ₂ liquéfié.

La figure 2 correspond à une installation préférentielle de l'invention.

La fraction 32 enrichie en CO ₂ et alimentant l'unité cryogénique 40 sera comprimée via le compresseur 34 à une pression supérieure à la pression du mélange gazeux 21 de façon à pouvoir recycler sans autre moyen de compression le gaz riche en hydrogène 43. Le gaz riche en CO ₂ 32 issu du PSA CO ₂ contenant de la vapeur d'eau, ce fluide sera au moins partiellement séché avant ou après compression et refroidissement (ou en sortie d'un étage intermédiaire de compression après refroidissement). La teneur résiduelle en eau sera compatible avec le bon fonctionnement de l'unité cryogénique, la bonne utilisation des matériaux retenus (corrosion) et la spécification de pureté du CO2. Sur la Figure 2, par souci de clarté, seule la position après compression 34 a été représentée pour la dite dessiccation 35. La régénération de la dite unité de séchage peut s'effectuer avec une fraction du fluide 32 séchée, ou avec un fluide extérieur tel que de l'azote, ou avec le résiduaire du PSA H2 50, mais préférentiellement avec tout ou partie de la fraction recyclée riche en hydrogène 43. Pour assurer la régénération de l'unité de dessiccation 35, qui sera préférentiellement de type TSA (Température Swing Adsorption), le flux 43 pourra être cycliquement réchauffé dans l'échangeur 44 (électrique, à vapeur, à récupération de calories sur un fluide chaud) puis refroidi dans l'échangeur 45 avec évacuation de l'eau condensée. Ce flux 46 est alors réintroduit dans le gaz réformé.

Le sécheur peut être d'un type quelconque, mais préférentiellement de type TSA comme indiqué plus haut. Les adsorbeurs peuvent être de type cylindrique à axe vertical, cylindriques à axe horizontal ou de type radial pour les plus gros débits. La technologie des adsorbeurs radiaux pourra être celle utilisée pour les épurations en tête devant les unités cryogéniques de séparation d'air ou celle des VSA 02.

Le résiduaire 32 du PSA CO2 peut également alimenter un gazomètre 33 -ou une capacité tampon- avant d'être comprimé 34 puis séché 35. Ce stockage a alors le double effet d'homogénéiser la composition du résiduaire et de réguler son débit.

Le gaz réformé et shifté 21 est mélangé au gaz 46 enrichi en H2 et issu de l'unité cryogénique qui renferme tout l'hydrogène contenu dans la fraction riche en CO2 (32), du CO2 - en fonction des équilibres thermodynamiques atteints dans l'unité cryo- du méthane, du monoxyde de carbone et éventuellement de l'azote et de l'argon. Ces teneurs dépendent essentiellement de la pureté requise pour le CO ₂ .

La fraction 31 appauvrie en CO ₂ , issue du PSA CO ₂ 30 a une teneur résiduelle en CO ₂ généralement comprise dans la fourchette allant de 0.5 à 7.5% molaire, plus généralement encore de 1.5 à 3.5%.

Le PSA H ₂ 50 épure ledit gaz en CO ₂ , CH ₄ , CO, N ₂ ... et produit l'hydrogène pur 51, c'est-à-dire avec une pureté supérieure à 98% et généralement comprise entre 99 et 99.9999 %.

Le résiduaire 52 basse pression du PSA H ₂ est utilisé généralement comme combustible (four du SMR) et/ou comme charge du SMR après compression.

Le gaz de charge du PSA H ₂ ayant été déballasté en CO ₂ , sa teneur en hydrogène peut être égale ou dépasser 85% molaire. Il peut être alors intéressant économiquement de comprimer une partie de ce résiduaire afin de le recycler au niveau du PSA H ₂ augmentant ainsi la production d'hydrogène. Ce principe de recyclage est décrit par exemple dans les documents US 5,254,154 et

6,315,818.

Comme décrit précédemment, ce recyclage peut être mélangé à l'alimentation principale (31) ou constituer une seconde alimentation.

On notera que le résiduaire 52 du PSA H ₂ étant sec - l'eau ayant été retirée au niveau du PSA CO ₂ - et pauvre en CO ₂ - pour la même raison-, la compression de ce résiduaire ne présente aucun problème particulier. Ce n'est évidemment pas le cas en l'absence du PSA CO ₂ ou on se retrouve avec un flux contenant simultanément de l'eau et du CO ₂ (problème de corrosion).

Le fait d'utiliser le PSA CO ₂ comme moyen de sécher le gaz réformé avant d'alimenter le PSA H ₂ est un des avantages liés à ce procédé. Le résiduaire 52 du PSA H ₂ étant sec, on peut envisager à coûts réduits l'amélioration des performances dudit PSA non seulement via un recyclage tel que décrit plus haut mais également en baissant la pression de ce résiduaire. En effet, dans le cas d'un PSA H ₂ classique, le résiduaire du PSA est envoyé aux brûleurs du four du SMR. Les moyens de réglage et les pertes de charge dans les tuyauteries et accessoires font que la pression basse du cycle PSA est de l'ordre de

1.350 bar abs. Or les performances d'un tel PSA sont très sensibles à la pression basse de régénération. Il a donc été envisagé de contre -balancer les diverses pertes de charge du circuit allant vers les brûleurs par l'utilisation d'un surpresseur de type ventilateur ou Roots. La présence simultanée de CO ₂ et d'humidité fait que soit la maintenance, soit l'utilisation de matériaux nobles résistant à la corrosion contrebalance les gains liés à une augmentation du rendement d'extraction en hydrogène. Le fait de pouvoir utiliser de l'acier carbone ordinaire diminue considérablement l'investissement de telles machines et peut justifier leur utilisation. De la sorte, la pression de régénération du PSA H ₂ peut être au niveau de la pression atmosphérique, voire légèrement en dessous de cette pression.

L'unité cryogénique est classique, du type à condensation partielle comme utilisé pour la production de CO ₂ liquide à usage industriel ou alimentaire. Un premier exemple figure dans le document EP 0341 879 Bl . Un exemple plus complexe est montré dans la Figure 6 du document FR 2 884 304. Enfin, le document WO 2006/054008 décrit des variantes d'unité cryogénique En fonction du niveau de pression et température utilisés, l'unité pourra comprendre un dispositif permettant d'extraire l'hydrogène dissous dans le CO ₂ liquide afin de rendre négligeable les pertes. Ce dispositif peut consister à faire un re- bouillage partiel de CO ₂ liquide, les constituants légers se retrouvant alors préférentiellement en phase gazeuse. Cette unité cryogénique sera donc caractérisée par sa pression de fonctionnement supérieure ou égale à la pression du gaz shifté c'est-à-dire en pratique toujours supérieure à 15 bar abs et par un recyclage en hydrogène supérieur à 90%, préférentiellement supérieur à 95%, encore préférentiellement égal ou supérieur à 99% de l'hydrogène contenu dans le résiduaire 32 du PSA CO2.

Le recyclage HP 43 contenant l'hydrogène est utilisé pour régénérer le sécheur 35 après passage dans le réchauffeur 44 pour apporter l'énergie de désorption de l'eau. Ce fluide est ensuite refroidi 45 pour élimination de l'eau condensée et injection dans le flux principal 21.

Associé à l'unité cryogénique, le PSA CO2 30 peut fonctionner selon un cycle de type PSA H ₂ .

De préférence, le PSA CO ₂ 30 comporte au moins deux équilibrages, préférentiellement encore 3 ou 4 équilibrages, et est susceptible de produire sous pression un gaz riche en hydrogène contenant de 0.5 à 7.5% de CO ₂ , préférentiellement de 1.5 à 3.5% molaire de CO ₂ , de 0.5 à 7% de CO, de 3 à 10% de CH ₄ , de O à 10% de N ₂ . Ce gaz est essentiellement sec, c'est-à-dire qu'il contient en moyenne moins de 1 ppm d'eau.

Le gaz résiduaire 32 produit en basse pression est riche en CO ₂ (de 80 à 95% molaire), le reste étant constitué de H ₂ , CO, CH ₄ , éventuellement d'azote. Ce gaz contient également de la vapeur d'eau.

Le taux d'extraction global du CO ₂ est dans une fourchette allant approximativement de 70 à 98%, préférentiellement autour de 85 à 90%.

En fonction du débit traité, il comprendra de 5 à 14 et plus adsorbeurs. Les temps de phase seront généralement compris entre 20 et 120 secondes en fonction du nombre d' adsorbeurs utilisés. On rappelle que le temps de cycle correspond au temps T que met un adsorbeur à revenir dans un état donné et que pour un cycle à N adsorbeurs, le temps de phase est par définition égal à TYN.

A titre d'exemple, on va décrire un cycle 10-3-4, qui est suivant la terminologie classiquement admise, un cycle d'adsorption de type PSA mettant en jeu 10 adsorbeurs identiques chacun suivant un cycle comprenant 3 phases de production et 4 équilibrages. Un tel cycle peut se représenter selon le tableau ci-dessous :

Un tel tableau signifie d'une part qu'un adsorbeur donné va suivre chronologiquement toutes les étapes en partant de la case supérieure gauche jusqu'à la case inférieure droite et que d'autre part, à un moment donné, les 10 adsorbeurs se trouvent dans un état correspondant à une colonne. Une ligne correspond à une phase telle que définit précédemment. On voit que chaque phase comprend plusieurs étapes qui correspondent à des temps particulier dans le système de contrôle-commande (le passage d'une étape à l'autre implique généralement au moins un mouvement de vanne pour le PSA). Plus particulièrement, le cycle 10-3-4 décrit ici comprend donc :

• 3 phases successives d'adsorption (A) • Une phase constituée successivement d'un équilibrage(El), d'un temps mort

(I : adsorbeur isolé par exemple), d'un second équilibrage(E2)

• Une phase relative aux troisième et quatrième équilibrages (E3 et E4)

• Une phase de « purge providing » (PP), c'est-à-dire produisant une fraction riche en hydrogène et constituant léger (CO, CH ₄ , N ₂ ) qui sert comme gaz d'élution pour un adsorbeur alors en basse pression

• Une phase constituée de la dépressurisation finale à contre-courant (Blow Down) jusqu'à la basse pression, suivie d'étapes de balayage(Purge)

• Une phase comprenant la fin du balayage (P) et le début de la repressurisation via le quatrième équilibrage (E '4) • Une phase avec le troisième (E'3) et deuxième (E'2) équilibrages

• Une dixième phase constituée du premier équilibrage (E' 1) et de la repressurisation finale.

On notera qu'à partir du moment où l'on recomprime le résiduaire 32, il est potentiellement possible de rajouter une étape de balayage sous haute ou moyenne pression de l'adsorbant. Une telle étape -souvent appelée RINSE- est par exemple décrite dans Pressure Swing Adsorption de Ruthven and ail, 1994, page 69 table3.1.

Une telle étape permet de purger en partie l'adsorbeur de l'hydrogène qu'il contient permettant d'obtenir un résiduaire plus riche en CO ₂ . Une telle étape est intégrée au cycle pendant la dépressurisation et avant l'étape de « Blow Down ». L'amélioration des performances ainsi obtenue est à comparer avec la plus grande complexité du PSA CO ₂ .

On devra utiliser, dans le PSA CO ₂ 30, des adsorbants présentant un compromis entre la capacité d'adsorption et la facilité de désorption puisqu'on n'utilise pas le vide à fin de désorption. Plus précisément, l'emploi de zéolites de type X ou A, largement préconisé pour cette application devra être proscrit ou tout du moins limité, de préférence comme couche finale en sortie d' adsorbeur, là où la teneur en CO ₂ est réduite. De manière préférentielle, cette couche de zéolite A ou X représentera moins de 25% du volume total d'adsorbant. Un des meilleurs adsorbants testés pour cette application est le gel de silice, par exemple le produit fabriqué par BASF sous la référence LE 32. Il pourra être appliqué en particulier en association avec de l'alumine activée (de 5 à 25% du volume total d'adsorbant ) placée préférentiellement en amont, avec du charbon actif ( de 5 à 20%). Certains tamis moléculaires (NaY..) présentant une affinité limitée avec le CO ₂ pourront être utilisés pour optimiser les performances en fonction de l'objectif d'extraction du CO ₂ retenu. Des adsorbants récemment synthétisés tels les MOF (Métal Organic Frame) correspondent également aux critères de choix.

La géométrie des adsorbeurs, du PSA CO ₂ 30, peut être de type variée. On utilisera préférentiellement des adsorbeurs cylindriques à axe vertical pour les petits débits, jusqu'à quelques milliers ou dizaines de milliers de Nm3/h de débit de charge puis des adsorbeurs cylindriques à axe horizontal ou des adsorbeurs radiaux pour les plus gros débits. La technologie des adsorbeurs radiaux pourra être celle utilisée pour les épurations en tête devant les unités cryogéniques de séparation d'air ou celle des VSA 02. Le PSA H ₂ 50 est un PSA H ₂ classique avec répartition des adsorbants adaptée à la composition d'alimentation. Il peut comporter un cycle particulier préprogrammé en cas de changement de composition lié par exemple à la mise hors service du PSA CO ₂ . Le principe de tels cycles additionnels est décrit dans le document US 1 ,255,121. S'agissant à priori de PSA H ₂ de grosse capacité pour être associé à une capture du CO ₂ , on utilisera des cycles comportant plusieurs adsorbeurs, généralement 8 et plus. Le rendement d'extraction en hydrogène pourra être de l'ordre de 90%, de l'ordre de 92% avec surpresseur sur le résiduaire allant vers les brûleurs, de l'ordre de 92 à 95% avec un recyclage.

Une variante représentée sur la Figure 3 consiste à sécher le gaz de synthèse dans une unité 25 après l'unité de shift 20 et avant le PSA CO ₂ 30. Cela permet de supprimer le sécheur 35. L'intérêt d'une telle unité 25 est qu'elle permet d'utiliser des matériaux standards à l'aval, en particulier au niveau du PSA CO ₂ , du compresseur 34 (cf Fig 2).

Un tel sécheur 25 permet également d'éviter toutes interférences eau/ CO ₂ au niveau des adsorbants du PSA CO ₂ et de faciliter ainsi l'arrêt du CO ₂ . En revanche, l'unité 25 doit traiter tout le débit de gaz de synthèse. Le choix de la solution de base ou de ladite variante va dépendre des conditions opératoires, des conditions économiques locales... Ce choix fait partie du travail d'optimisation de l'homme de l'Art. On a représenté sur la Figure 3 la variante dans laquelle la dessiccation 25 est de type TSA et est régénéré sous pression par le flux 43 cycliquement chauffé dans l'échangeur 44 (jusqu'à une température de l'ordre de 100 à 250 ⁰ C) puis après désorption de l'eau retenue dans 25, refroidi dans l'échangeur 45 où l'eau condensée est éliminée. Le flux résultant 46 est alors réinjecté à l'amont de la dessiccation 25.

On notera que placer le sécheur en cette position (25) permet évidement de conserver les avantages du séchage effectué simultanément avec l'arrêt du CO ₂ , avantages décrits précédemment.