Brevet FR2720294A1 — publié le 19951201

La présente invention concerne un dispositif rotatif d'épuration d'effluents gazeux contenant des substances polluantes. L'invention trouve des applications notamment dans les systèmes de traitement d'air chargé de substances telles que des composés organiques volatils (C.O.V), qui peuvent être fixés par des matériaux adsorbants appropriés. Les procédés connus d'épuration d'effluents comportent par exemple l'utilisation alternée de colonnes chargées d'un lit granulaire fixe de matériau adsorbant (ou adsorbat). Les effluents sont purifiés en passant au travers d'une première colonne, en saturant progressivement l'adsorbat. Quand la saturation est suffisante, on continue la purification en dirigeant les effluents vers une deuxième colonne identique au moyen de vannes, et on procède à la désorption de la première colonne en y faisant circuler un flux de régénération de l'adsorbat. Cette technique néccessite pour sa mise en oeuvre l'utilisation de vannes de grande section permettant la commutation alternée des colonnes. On connait aussi l'utilisation d'épurateurs de type rotatif avec une structure en nid d'abeille contenant par exemple des zéolites ou du charbon actif. Un cloisonnement permet de diriger un flux permanent d'effluents à épurer au travers un secteur angulaire de la structure en rotation continue, parallèlement à son axe de rotation. Dans le même temps, l'adsorbant est désorbé dans un secteur angulaire différent du premier, au moyen d'un autre flux gazeux. Le dispositif selon l'invention permet l'épuration en continu d'effluents gazeux contenant des substances polluantes, en évitant les inconvénients des dispositifs antérieurs. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un tambour constitué d'une enveloppe ou cage, d'une couronne contenant une charge de matériaux solides particulaires adaptés à adsorber les substances polluantes, qui est disposée à l'intérieur de la cage. La couronne peut être divisée en plusieurs zones angulaires par un cloisonnement intérieur ou être agencée pour contenir des paniers pour les matériaux. Des moyens moteurs sont utilisés pour animer la couronne et la cage d'un mouvement de rotation continu l'une relativement à l'autre autour d'un axe vertical. Par un premier circuit, on fait passer les effluents au travers d'un premier secteur d'adsorption de la couronne, (constitué par exemple d'une ou plusieurs zones angulaires), et par un deuxième circuit, on fait passer un flux gazeux de désorption au travers d'un deuxième secteur de désorption de la couronne, constitué aussi par exemple d'une ou plusieurs zones angulaires. Des moyens sont utilisés pour faire circuler les effluents et le flux de désorption dans le premier et le deuxième circuit. Le dispositif comporte par exemple des moyens de chauffage du flux gazeux de désorption disposés sur le circuit secondaire en amont du tambour. Suivant un mode de réalisation, le deuxième secteur de désorption comporte deux sous-secteurs angulaires traversés successivement par le flux de désorption. Les deux sous-secteurs peuvent être connectés directement en série, le flux gazeux de désorption issu du deuxième sous-secteur traversant alors un réacteur d'incinération où les substances polluantes sont brûlées. Ils peuvent encore être connectés en série par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur pour l'échauffement du flux de désorption, la sortie du réacteur étant connectée dans ce cas de préférence à un circuit d'échange thermique de l'échangeur de chaleur. - Le deuxième circuit comporte par exemple des moyens de chauffage des effluents de désorption et des moyens (tels qu'un condenseur et un séparateur) pour récupérer les substances polluantes dans les effluents issus du deuxième sous-secteur angulaire. Dans ce cas, le circuit primaire est connecté à la sortie du séparateur. On utilise avantageusement un réacteur comportant un catalyseur choisi pour provoquer une réaction exothermique en présence des substances polluantes. Le dispositif comporte par exemple des moyens de nettoyage de la masse d'adsorbtion. Les moyens moteurs peuvent être associés soit à la couronne, la cage étant fixe, soit à la cage qui est mobile relativement à la couronne et dans ce cas, les conduits d'amenée et d'évacuation sont fixés à la cage et tournent avec elle. Avec son tambour rotatif, le dispositif selon l'invention se prête à des opérations séparées ou combinées de désorption de substances polluantes. Le tambour peut être facilement inclus dans des circuits extérieurs d'incinération et/ou de récupération des substances polluantes, pour la réalisation de processus continus d'épuration. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins annexés où la Fig.l montre une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation du tambour, avec une couronne tournante; - la Fig.2 montre une vue schématique en coupe simplifiée d'un deuxième mode de réalisation du tambour avec une cage susceptible de tourner autour de la couronne; la Fig.3 montre une vue éclatée du tambour tournant pour illustrer schématiquement les circulations des effluents à l'intérieur du tambour rotatif; - la Fig.4 montre schématiquement un premier mode de mise en oeuvre du dispositif tambour rotatif utilisé comme échangeur de matière; la Fig.5 montre schématiquement un deuxième mode de mise en oeuvre du dispositif; la Fig.6 montre une variante de réalisation du mode précédent de mise en oeuvre; la Fig.7 montre un autre mode de mise en oeuvre comportant l'utilisation de moyens pour récupérer les substances polluantes. Suivant le mode de réalisation des Fig.1, 2, 3, le dispositif comporte un tambour DR constitué d'une couronne 1 à axe vertical disposée à l'intérieur d'une enveloppe ou cage extérieure métallique 2 de forme cylindrique par exemple. La cage comporte un premier bras 3 et un deuxième bras 4 auxquels se raccordent respectivement un conduit 5 d'amenée des effluents gazeux à épurer, et un conduit 6 d'évacuation pour des flux de désorption. Suivant un mode de réalisation, la couronne 1 est pourvue d'un cloisonnement intérieur constitué d'un ensemble d'aubes droites ou courbes 7 régulièrement réparties, ou d'un certain nombre de paniers. Un cloisonnement sépare la zone centrale 8 de la couronne en deux conduites 9, 10. Un premier secteur angulaire A d'adsorption délimité par une ou plusieurs aubes, canalise les effluents issus du conduit 5 vers la conduite 9 de la zone centrale 8 (flux Fe sur la Fig.3). Un deuxième secteur angulaire B de désorption fait communiquer la conduite 10 de la zone centrale 8 avec le conduit d'évacuation 6 (flux Fs sur la Fig.3). Suivant un autre mode de réalisation, la couronne est agencée pour servir de support à plusieurs paniers. A l'intérieur de la couronne 1, entre les aubes ou dans les paniers) est répartie une masse active M constituée d'un matériau adsorbant solide particulaire. Pour constituer cette masse M, on peut utiliser les produits ou matériaux suivants: silice, charbon actif, alumine, silice aluminée, zéolites de ratio SI/AL atomique entre 10 et 100 à caractère oléophile, résines échangeuses, ou bien encore des adsorbants déposés en couches minces sur des supports métalliques ou céramiques alvéolaires ou tricotés etc. Des joints 1 1 sont disposés entre la cage 2 et la couronne 1 pour assurer l'étanchéité verticale et isoler l'un de l'autre les deux espaces en amont et en aval de la zone centrale ou zone de transit 8, de façon que tous les effluents entrants soient pratiquement canalisés vers celle-ci. Ces joints 1 1 sont agencés de façon que la perte de charge résiduelle entre la couronne 1 et la cage 2, soit au moins égale à la perte de charge subie par les gaz dans le circuit principal traversant le tambour DR. D'autres joints (non représentés) de type à lèvre ou à balai, à joint hydraulique annulaire avec chicanage dans un bain d'huile, etc, sont disposés de façon à réaliser l'étanchéité péri métrique (horizontalement). La cage 2 et la couronne 1, sont animées par des moyens moteurs (non représentés) d'un lent mouvement de rotation l'une relativement à l'autre. La cage 2 comporte aussi au moins une ouverture dans sa paroi latérale dans chacun des secteurs angulaires C, D intermédiaires entre les secteurs A et B, où débouchent des conduits 12, 13 connectés à des moyens d'aspiration 14 (Fig.3). Les fuites périphériques de gaz entre la couronne 1 et la cage 2, sont aspirées par les conduits 12, 13 (flux de reprise Fr de la Fig.3) et réinjectées dans le conduit d'amenée 5 (flux entrant Fe). Dans un des deux secteurs angulaires intermédiaires C, D, (Fig.3), la cage 2 peut comporter également des ouvertures où débouchent un ou plusieurs conduits 15 (Fig. 1-2) pour réaliser d'autres fonctions. Il peut s'agir d'injecter un inhibiteur chimique pour éviter une éventuelle réaction chimique parasite, ou bien la formation de bouchons. Il peut s'agir d'une action mécanique: aspiration ou soufflage dans le but de nettoyer la charge d'adsorbat, etc. Suivant un mode préféré de réalisation, la cage 2 est fixe (Fig.l) et la couronne 1 est entraînée en rotation. Suivant un autre mode de réalisation (Fig.2), c'est la couronne 1 qui est fixe et la cage 2 entraînant avec elle les conduits 5, 6, qui peut tourner autour de son axe. Dans la zone centrale 8 de la cage 2, est disposé un cache intermédiaire 16 à ouvertures sélectives. Ce cache 16 tourne en même temps que la cage 2 et sert à guider le flux entrant (Fe sur la Fig.3) vers la zone centrale 8 et le flux sortant vers une chambre de convergeance 17 d'où part une cheminée d'évacuation 18 agencée pour pouvoir suivre la rotation de la cage 2. Selon la masse de la couronne qui dépend de la nature de la charge M d'adsorbat ou les applications et/ou le volume d'effluents à traiter, on opte pour le mode de réalisation de la Fig.l ou pour celui de la Fig.2. Un flux gazeux F1 (Fig.4) constitué par exemple d'air contenant des composés organiques volatils (COV) dans la proportion de quelques mg/m3, est injecté avec un débit D1 par la conduite 5 (Fig.1). Après traversée de la zone angulaire d'adsorption A, il ressort purifié par le conduit 9 (flux F2). Un flux gazeux F3 est injecté par un conduit central 10 dans le secteur angulaire de désorption B . Ce flux F3 est constitué d'un flux d'air frais (avec un débit D2 compris entre 0,02. D1 et 0,2. D1 par exemple) qui a été chauffé au préalable dans un échangeur de chaleur 20, auquel on mêle dans une proportion contrôlable un flux d'air froid (flux F5), pour réguler sa température. La température T2 du flux F3 entrant dans la zone angulaire de désorption B, est comprise entre 100"C et 220"C par exemple. Le flux F4, issu de la zone de désorption B, est dirigé par le conduit 6 (Fig.l) vers un réacteur thermique 19 adapté à incinérer les substances polluantes qu'il contient. Ce réacteur est par exemple de type catalytique. Il peut comporter par exemple un brûleur auxiliaire 1 9A pour réchauffer si néccessaire les gaz du flux F4 avant leur passage sur un lit catalytique 19B à une température T3 comprise entre 180 et 400"C par exemple. Une zone de mélange 19C entre les deux zones 19A et 19C, sert à l'homogénéisation des températures sur le lit catalytique. Le flux F4 d'air purifié par incinération dans le réacteur 19, est dirigé vers l'échangeur thermique 20 où il sert à échauffer le flux d'air frais F3, avant de s'échapper dans l'atmosphère. La circulation des flux servant à la désorption, est forcée au moyen d'un ventilateur (non représenté). Suivant la variante de réalisation de la Fig. 5, le secteur angulaire de désorption B, peut aussi être constitué de deux soussecteurs B1 et B2 réunis par une conduite périphérique 21 et que le flux F3 traverse successivement. Le flux F3 est admis par un conduit central 22 dans le sous-secteur B1, et il ressort du soussecteur B2 par un autre conduit central 23. Suivant la variante de réalisation de la Fig.6, la désorption de la charge active M qui a servi à adsorber les substances polluantes du flux F1, s'effectue de la manière suivante. Le flux d'air de désorption (flux F3) est canalisé comme précédemment par le conduit 21 vers un premier sous-secteur angulaire B1 de la couronne 1. Il se réchauffe au contact de l'absorbat et le désorbe en partie. Le flux F3 traverse ensuite l'échangeur de chaleur 20 où il prend la température de désorption requise (180 à 2200C). On peut aussi lui mélanger directement un certaine proportion de fumées chaudes. A sa sortie, il est guidé vers le deuxième soussecteur angulaire B2 de désorption où il se charge en composés polluants COV. Comme précédemment, l'air de désorption est dirigé alors vers le réacteur thermique 19 où il subit une combustion catalytique complète. Les gaz épurés par la combustion traversent l'échangeur de chaleur 20 précédent avant d'être évacués à l'extérieur. Le réacteur peut comporter aussi un brûleur auxiliaire 19A pour maintenir le lit catalytique dans la fourchette de température requise. On y fait brûler par exemple du GNL ou du GPL puis on mélange les gaz de combustion avec les gaz de désorption. Le brûleur d'appoint 19A est néccessaire au moins en période de démarrage de l'installation ou bien au cas où les produits polluants sont réfractaires: composés sulfurés ou azotés par exemple. Le réacteur catalytique utilisé dans les modes de réalisation des Fig.S ou 6, peut être remplacé par un incinérateur thermique où règne une température supérieure à 8000C par exemple, pour brûler les composés COV. L'air de désorption est chauffé jusqu'à 700"C par passage dans l'échangeur 20 (Fig.5,6) et ensuite refroidi jusuqu'à 200"C par exemple par adjonction d'air froid, avant son admission dans la zone de désorption B. Une variante de réalisation peut consister aussi à mélanger en partie les deux flux circulant dans l'échangeur thermique 20, de façon que les gaz pénétrant dans le sous-secteur B2 soient à une température de désorption élevée qui reste cependant éloignée de la température d'auto-inflammation. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit, présente l'avantage que le flux F3 admis dans le sous-secteur angulaire B1 permet de refroidir au passage l'adsorbat M et aussi d'utiliser au mieux la chaleur disponible dans la masse active et les gaz de combustion. L'échangeur thermique 20 utilisé est d'un type connu à plaques ou à tubes. On peut utiliser également pour remplir cette fonction, le tambour tournant D garni d'une masse de matériaux à grande surface d'échange thermique tel que décrit dans la demande de brevet EN 94/ du demandeur. Le schéma fonctionnel de la Fig.7, est une variante des schémas précédents 5 et 6. L'air de désorption F2 est réchauffé à son passage au travers d'un échangeur thermique 20 et éventuellement d'un élément de chauffage additionnel 25 pour compenser les pertes thermiques dans l'échangeur 20 et dans les conduits, ainsi que la chaleur de désorption des substances polluantes (COV). Le flux F3 qui a servi à la désorption du secteur angulaire B, cède sa chaleur dans l'échangeur 20 puis dans un condenseur 26. Un séparateur 27 permet de recueillir les substances polluantes avant leur transfert à un élément de stockage 28. L'air sortant du séparateur 27 est appliqué à un compresseur 29 et renvoyé vers le secteur angulaire A d'entrée du flux pollué F1. La puissance thermique de l'échangeur 20 est choisie suffisante pour que la température de la phase gazeuse issue du séparateur 27 soit proche de celle régnant à l'entrée de la zone A d'adsorption. Exemple 1 d'adsorption, désorption et combustion catalytique Pour réaliser des essais, on a utilisé une unité-pilote comportant un tambour D avec un diamètre extérieur de 0,90 m, un diamètre intérieur et une hauteur de 0,4 m, chargé de 190 litres de zéolite Y désaluminée répartie uniformément dans 2 6 secteurs identiques. Les zones d'adsorption et de désorption A et B comportent respectivement 12 et 4 secteurs. Suivant le mode de réalisation de la Fig.5, le secteur angulaire de désorption B comporte, entre trois secteurs tampons tl, t2, t3 fermés à leur périphérie, deux parties B1, B2 connectées en série par le conduit 21. On a injecté avec un débit horaire de 2000m3, un flux d'air à 25 "C contenant 180 ppm de butane et 95 ppm (en volume) de xylène. Le tambour D effectue une rotation complète en 1h 45m. On a utilisé un flux de désorption F3 avec un débit de 200 m3/h, chauffé à 2100C avant d'être envoyé sur la zone B de désorption puis sur le lit catalytique de la zone 19B, lui-même préchauffé électriquement au démarrage des opérations. On a utilisé 20 litres d'un catalyseur constitué d'extrudés de 1,2 m m de diamètre et 5 mm de longueur moyenne, composé de 0,4% de platine déposé sur de la silice aluminée à 10%, formant un lit de 10 cm d'épaisseur. Les résultats observés après six jours de fonctionnement de l'unité, sont les suivants. La teneur en xylène à la sortie du secteur angulaire A d'adsorption est maintenue en permanence inférieure à 1 ppm et celle de butane inférieure à 2ppm. On observe sur le catalyseur une élévation de température des gaz d'environ 2300C. A une température de sortie voisine de 450"C, il n'y a plus trace d'hydrocarbures dans les effluents issus du réacteur 19. REVENDICATIONS 1) Dispositif rotatif d'épuration d'effluents gazeux contenant des substances polluantes, caractérisé en ce qu'il comporte un tambour (T) constitué d'une enveloppe ou cage (2), d'une couronne (1) contenant une charge (M) de matériaux solides particulaires adaptés à adsorber les substances polluantes, qui est disposée à l'intérieur de la cage, et de moyens moteurs pour animer la couronne et la cage d'un mouvement de rotation continu l'une relativement à l'autre autour d'un axe vertical, au moins un premier circuit (5,9) pour faire passer lesdits effluents (F1) au travers d'une premier secteur d'adsorption (A) de la couronne (1), au moins un deuxième circuit (6,10) pour faire passer un flux gazeux de désorption (F3) au travers d'un deuxième secteur de désorption (B) de la couronne (1), et des moyens pour faire circuler les effluents et le flux de désorption dans lesdits circuits. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage du flux gazeux de désorption disposé sur le circuit secondaire en amont du tambour (T). 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième secteur de désorption comporte deux sous-secteurs angulaires (B1, B2) traversés successivement par le flux (F2) de désorption 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux sous-secteurs (B1, B2) sont connectés directement en série, le dispositif comportant un réacteur d'incinération (19) pour brûler les substances dans le flux gazeux de désorption (F4) issu du deuxième sous-secteur (B2). 5) Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les deux sous-secteurs (B1, B2) sont connectés en série par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur (20) pour l'échauffement du flux (F3) de désorption, le dispositif comportant un réacteur thermique (19) pour brûler les substances dans le flux gazeux (F4) de désorption issus du deuxième sous-secteur (B2), la sortie dudit réacteur (19) étant connectée à un circuit d'échange thermique de l'échangeur de chaleur (20). 6) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le deuxième circuit comporte des moyens de chauffage (20,25) des effluents de désorption et des moyens pour récupérer les susbtances polluantes dans les effluents issus du deuxième soussecteur angulaire (B2). 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour récupérer les substances polluantes comportent un condenseur (26) et un séparateur (27). 8) Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le circuit primaire est connecté à la sortie du séparateur (27). 9) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comportent au moins un échangeur de chaleur (20). 10) Dispositif selon la revendication 5 ou 9, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20) comporte un échangeur thermique tournant. 11) Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le réacteur (19) contient un catalyseur choisi pour provoquer une réaction exothermique en présence des substances polluantes. 12) Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le réacteur (19) contient des moyens de chauffage pour brûler lesdites substances polluantes. 13) Dispositif selon la revendication 8 ou 11, caractérisé en ce que le réacteur (19) contient des moyens de chauffage (19A) pour chauffer le flux de désorption (F4). 14) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de nettoyage de la masse (M) d'adsorbtion. 15) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les moyens moteurs sont associés à la couronne (1), la cage (2) étant fixe. 16) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la couronne (1) est fixe, les moyens moteurs sont associés à la cage (2) qui est mobile relativement à la couronne, et les conduits (5, 6) d'amenée et d'évacuation sont fixés à la cage et tournent avec elle. 17) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et le deuxième secteur de la couronne est divisée en plusieurs zones angulaires par un cloisonnement intérieur. 18) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la couronne est agencée pour servir de support à plusieurs paniers contenant la charge de matériaux d'adsorption. 19) Application du dispositif à l'épuration d'effluents gazeux au moyen d'une masse d'adsorbat déplacée par rotation continue d'une couronne d'axe vertical, pour être mise successivement en contact avec les effluents et un flux de désorption. 20) Procédé d'épuration en continu d'effluents gazeux chargés de substances polluantes par adsorption de ces substances au moyen d'une masse adsorbante (M), comportant l'établissement d'une circulation permanente d'effluents à épurer dans un premier circuit traversant un premier secteur (A) d'une couronne (1) en rotation permanente, chargée d'une masse solide particulaire d'adsorbat, pour fixer les substances polluantes d'une part, et l'établissement d'une circulation d'un fluide de désorption continue de l'adsorbat dans un circuit traversant un deuxième secteur (B) de la couronne, d'autre part.