Brevet FR2758612A1 — publié le 19980724

SYSTEME COMPACT ET POLYVALENT DE TRAITEMENT D'AIR, PAR VOIE HUMIDE, POUR LA CLIMATISATION D'HABITACLES La présente invention est un système compact de purification de l'air, conçu u plus particulièrement pour fournir un air d'ambiance sain et désodorisé à partir d'air souillé par les gaz d'échappement, cigarettes, etc... ÉTAT DE LA TECHNIQUE D'une manière générale, les systèmes compacts de traitement d'air d'habitacle utilisent des filtres à structure poreuse, afin de retenir les poussières et aérosols ou du charbon actif en voie sèche. Ces systèmes ont des efficacités réduites et sont limités à certains types de polluants. Ils présentent un risque de colmatage. Les filtres à structure poreuse sont efficaces uniquement sur les particule et à partir d'un diamètre donné. Les filtres à charbon actif sont efficaces uniquement sur certaines vapeurs et odeurs. Des systèmes semi-humides ont été envisagés, le principe étant de faire passer l'air vicié sur un milieu filtrant ou fibreux humidifié par une solution liquide absorbante. Dans Le système décrit dans le brevet WO 96/20097, un réservoir garnie de fibres à structure creuse et grande surface de contact, humidifiée par un réactif d'absorption est utilisé. Cette invention s'applique plutot à la désodorisation d'une atmosphère interne, confinée. Des procédés que l'on peut qualifier également de semi-humides dans lesquels un filtre est imprégné d'un réactif ont été envisagés pour des hottes d'aspiration de cuisines ou laboratoires. Dans le traitement des effluents gazeux industriels, les procédés par voie humide utilisant des tours de lavage dans lesquelles les réactifs sont pulvérisés à contre-courant sont polyvalents et efficaces. Ils sont très largement utilisés pour les traitements de émissions atmosphériques dans l'industrie chimiques, les installations de combustion et les incinérateurs. Ces systèmes qui pulvérisent des réactifs dans des tours de lavage, à contre-courant de l'air vicié, se prêtent cependant assez peu à la miniaturisation. Pour traiter un gaz contaminé par voie humide, on peut également faire passer le gaz dans le liquide; ce principe est utilisé dans l'industrie, pour le traitement d'air chargé en matières en suspension solides ou liquides. Les principes de mise en contact de l'air avec de l'eau sont l'aspiration d'air au travers d'un vortex,d'un effet de venturi, ou de tout moyen de croisement de flux de liquides et de gaz. Le principe est notamment largement utilisé pour l'épuration de l'air de cabines de peinture. La pompe à jet d'eau, qui est une uilisation de l'effet venturi, a été envisagée comme moyen de dépoussiérage, dans divers cadres, en particulier pour les aspirateurs. La présente invention appartient à cette dernière gamme de procédés. PROBLÈME TECHNIQUE À RÉSOUDRE L'invention a plus particulièrement pour but de traiter un air pollué en une seule opération, par un appareil compact, à faible consommation d'énergie et maintenance limitée, pour fournir un air sain et respirable. Plus précisément, le cahier des charges de l'invention est: Aspirer de l'air qui peut être pollué par un large spectre de composés polluants, Fournir un air d'appoint ou de recyclage sain pour le confort et la santé des personnes occupant l'habitacle. Concevoir un système compact pour être logeable, par exemple, sous un capot d'automobile, chaque réservoir n'occupant pas plus de place, par exemple, qu'un récipient de lave-glace. Avoir une faible consommation électrique, par exemple, compatible avec l'alimentation électrique d'une automobile. Ne pas demander de maintenance excessive, ne pas se colmater. Le système décrit ci-dessous est destiné plus particulièrement à traiter l'air d'habitacle climatisé, que ce soit pour épurer un air d'appoint extérieur, pollué par les gaz d'échappements ou un air intérieur en recyclage, vicié par les fumées et odeurs de cigarettes. II répond au cahier des charges décrit cidessus. Toutefois, à partir des moyens décrits dans l'invention, Il est possible de réaliser des systèmes pouvant servir pour tout type de traitement de l'air vicié devant être respiré. Par exemple non limitatif : épurer l'air comprimé de scaphandre autonome ou tout appareil respiratoire, avant le compresseur, traiter l'air d'une zone "fumeurs" dans un local climatisé, traiter l'air d'appoint d'une pièce climatisée lors de pointes de pollution, pour les personnes fragiles du système respiratoire. Enfin, cette invention peut également être adaptée pour épurer tout type d'air pollué, même fortement chargé, mais à faible débit et lorsqu'un système compact, ne demandant pas une maintenance importante est souhaité. EXPOSÉ DE L'INVENTION Liste des figures annexées se rapportant à la description: Fig. 1: Schéma unifilaire de l'ensemble du système. Fig. 2 : Coupe axiale schématique du réacteur, dans lequel la pompe à jet d'eau est entièrement immergée. Fig. 3 : Système de garnissage du corps du réacteur, à piaque perforée. L'invention fournit une solution au probième ci-dessus en utilisant un système d'aspiration de l'air vicié au moyen d'une pompe à jet de liquide. Le liquide produisant le jet étant lui-même le réactif d'épuration mis en oeuvre en circuit fermé. Le système comprend: une arrivée d'air (1), les moyens de recirculation, pour le fonctionnement du circuit fermé, une pompe à jet d'eau (2), aspirant le liquide et réalisant le contact air réactif, un réacteur (3), dans lequel se poursuit le contact air-iiquide, le dégazage (4) et la récupération de la surverse (5). La surverse est soit repompée directement par la pompe de recirculation (6), soit dirigée par écoulement gravitaire (7) dans un réservoir de réactif (8), où est installée une pompe immergée (9), qui réalimente ia pompe de recirculation (6). L'air à traiter est aspiré directement par la pompe à jet de liquide. II est repris, après dégazage, dans ia partie supérieure du réacteur, directement par le système de climatisation de la cabine. Le débit du système épuratoire peut être augmenté et régulé au moyen d'un surpresseur d'air en amont de l'aspiration. Le réactif de base préconisé est un milieu aqueux, de préférence alcalin, qui fixe les oxydes de soufre, d'azote et de carbone, capte les aérosols, dissout les hydrocarbures. Du charbon actif en poudre est ajouté afin d'adsorber les hydrocarbures, aldehydes et autres composés odorants qui risquent d'être relargués par le réactif. Ces deux réactifs peuvent être utilisés à des concentrations très élevées, afin d'augmenter l'efficacité du procédé, mais surtout de fixer, dans un faible volume, une quantité importante de composés polluants, avant saturation du réactif. Une efficacité optimale est obtenue en utilisant une pompe munie d'un brise-jet dans sa partie inférieure (10) et en dirigeant le jet vers la base d'un réacteur de forme cylindrique (11) , répartissant ainsi uniformément les bulles d'air dons le réacteur et évitant l'augmentation de la taille des bulles d'air par fusion de celles-ci. L'efficacité est également augmentée en augmentant le temps de contact dans le réacteur, avant le dégazage en partie supérieure. Un garnissage par des plaques perforées ou des lamelles inclinées permet d'obtenir cet effet. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION La description détaillée présentée ci-dessous concerne plus particulièrement la réalisation d'un système de traitement d'air d'appoint pour un habitacle automobile. Elle peut se loger dans un capot et fournir un air d'appoint épuré pour la respiration des passagers, même à partir d'air fortement pollué par des gaz d'échappement ou de la fumée de cigarettes. Elle inclut un réservoir de réactif séparé du réacteur. L'air vicié est aspiré par I' arrivée d'air (1) de la pompe à jet d'eau (2), qui est immergée dans le réacteur (3). Son axe est superposé avec l'axe vertical (13) du réacteur cylindrique. L'aspiration de la pompe à jet d'eau (14) est reliée par une conduite à un orifice situé sur la paroi externe du réacteur (15). Le jet est dirigé verticalement, vers le bas, sur la paroi horizontale inférieure du cylindre (1 1). Une surverse (5) est située en partie haute du réacteur. Sur la paroi horizontale supérieure (16) se trouvent un orifice (17) qui récupère l'air dégazé en surface du réactif (4) et l'orifice supérieur de connexion de l'arrivée de liquide sur la pompe à jet d'eau (18). Un orifice et une vanne de vidange sont prévus en partie inférieure du réservoir (19). Le réacteur comporte dans sa partie médiane un garnissage macroporeux hermétiquement appliqué contre les parois du cylindre. Ce garnissage (12) est destiné à ralentir le mouvement ascensionnel des bulles d'air en interposant sur leur trajectoire une série de chicanes, avant d'arriver à la surface du liquide. II est situé entre la partie inférieure de la pompe à jet d'eau (12) et la surverse (13). Un exemple de garnissage par plaques à gravures cellulaires perforées est donné en p 8, et fig 4. N.B. Le garnissage n'est pas indispensable au fonctionnement du dispositif, cependant, il améliore le rendement, sans augmenter significativement la perte de charge. La surverse (5) du réacteur s'écoule par gravité dans un réservoir de réactif (8), situé en position inférieure par rapport au réacteur. Une pompe immergée (9) est située dans le réservoir. Cette pompe assure à la fois le mélange du réactif et le relevage du liquide vers le réacteur. Un orifice en partie supérieure du réservoir (21) permet d'effectuer le remplissage de réactif (Eau, soude, charbon actif, ou autres, ... ). Une vanne de vidange est prévue en partie inférieure (22). La conduite de refoulement (23) de la pompe immergée alimente la pompe à jet d'eau, soit directement soit par l'intermédiaire d'une pompe dite "jockey" (6) dont la fonction est de redonner une pression suffisante à l'entrée de la pompe à jet d'eau (18). Le liquide réactif a plusieurs fonctions: L'entraînement de l'air lors du passage dans la pompe à jet de liquide. Le contact avec les composés polluants. La neutralisation, la dissolution, la fixation des polluants; le stockage de ces composés dans le liquide réactif, jusqu'à la saturation de celui-ci; o La modification de la tension superficielle, qui provoquera la réduction de la taille des bulles et donc augmentera la surface de contact et l'efficacité du système. Pour l'exemple d'utilisation pris en compte, et pour remplir les fonctions indiquées ci-dessus, le mélange suivant est préconisé: Une solution concentrée de soude en milieu aqueux, ou toute autre solution alcaline, à laquelle est ajouté du charbon actif en poudre. L'eau produit l'effet de captage et fixation par dissolution des vapeurs et gaz tels qu' oxydes d'azote de carbone, de soufre, ozone, etc...) L'utilisation d'une solution aqueuse alcaline augmente l'efficacité, et la capacité de fixation des composés décrits ci-dessus , par réaction de neutralisation. Elle permet également de fixer les hydrocarbures sous formes d'aérosols ou de vapeurs, les goudrons, les huiles et goudrons, par augmentation de leur solubilité. II est important de préciser que le dispositif est efficace sans soude, qu'il est plus efficace avec la soude et que la capacité de fixation des produits cités plus haut est proportionnelle à la quantité de soude mise en solution. Une concentration élevée en soude a pour seul inconvénient d'entraîner l'obligation de manipuler un liquide corrosif pour le remplissage. Du charbon actif en poudre est ajouté dans la solution, afin de capter les odeurs résiduelles et d'augmenter la capacité à fixer les hydrocarbures volatils imbrûlés, les aldehydes et autres produits volatils odorants et faiblement fixés par la solution alcaline. II est également possible d'utiliser l'invention sons charbon actif en poudre, en tant que prétraitement avant un filtre à charbon actif en poudre. Les deux étapes de traitement sont alors complémentaires. La durée de vie du filtre à charbon actif par voie sèche sera augmentée, si le sytème présenté est utilisé en amont. De plus, la gamme d'application du système global constitué par la présente invention, suivie d'un filtre à charbon actif est considérablement étendue par rapport à un filtre à charbon actif seul. La pompe à jet d'eau utilisée est constituée d'un conduite d'arrivée d'eau, (18), suivie d'une réduction de diamètre créant une perte de charge, puis d'un étranglement conique accélérant le jet (24). Celui-ci est envoyé dans une conduite de diamètre supérieur au jet et s'évasant vers une partie finale tubulaire (25). En amont de cette conduite, dans la zone de dépression (14), se trouve la prise d'air. Un brise jet (10). situé dans la partie tubulaire divise le jet, créant l'appel d'air en amont et la mise en contact air-eau. Le garnissage interne du réacteur est destiné à éviter que les bulles ne remontent verticalement et rapidement en ligne droite. Ce garnissage doit créer des chicanes qui ralentiront cette remontée. En aucun cas, le garnissage ne devra créer de perte de charges importantes, ni de passage par des pores ou orifices de faibles diamètres qui risqueraient de s'obstruer et de bloquer la remontée libre de bulles. Ce garnissage peut être réalisé à partir d'empilements de plaques cellulaires perforées ou de grilles constituées de lamelles inclinées par rapport à l'horizontale (12). La fig. 3 décrit un empilement constitué de plaques (26), dont la face inférieure est constituée de cellules de forme carrée (27) en vue en plan et de forme creuse triangulaire en coupe transversale (28), dont le sommet du triangle, tourné vers le haut, est prolongé d'une perforation (29). L'organisation de l'empilement, en décalant les orifices par rapport à la verticale, provoque un mouvement des bulles, en dents de scie, dont la résultante est verticale. II y a par ce dispositif une augmentation du temps de contact, sans perte de charge sensible. En tant que variante au système, on peut ajouter un surpresseur à l'arrivée d'air (1), ce qui permet d'augmenter et de réguler le débit. Le système de ventilation de la climatisation de l'habitacle permet également, dans une moindre mesure, de faire augmenter et varier le débit. Le rendement épuratoire va toutefois décroître en même temps que l'augmentation du rapport débit d'air / débit de réactif épuratoire. Le système peut également être modifié en ce que la mise en contact entre l'air et le liquide épuratoire est réalisé au moyen d'un ensemble surpresseur canne d'injection dans le réacteur, et aspiration en partie supérieure. Le liquide épuratoire étant maintenu en circulation en circuit fermé, uniquement pour en assurer le mélange et l'homogénéité. La canne d'injection est munie en son extrémité de moyens de répartition de fines bulles à la base du réacteur. REVENDICATIONS 1- Système compact d'épuration d'air, adapté pour le traitement d'air d'habitacle, caractérisé en ce qu'il comprend: Les moyens de raccordement à une prise d'air (1), Une pompe à jet de liquide (2) aspirant l'air vicié, le liquide étant un réactif circulant en circuit fermé, grâce auquel il est possible de piéger un large éventail de composés polluants en une seule opération. Un réacteur (3) dans lequel est injecté le jet ayant aspiré l'air vicié, muni d'une surverse (5) pour l'évacuation du liquide réactif et d'une cavité supérieure de dégazage de l'air épuré (4). Les moyens de pompage et les conduites permettant de créer la circulation du liquide réactif avec la pression suffisante pour le fonctionnement du système de pompe à jet de liquide en circuit fermé. Les moyens de raccordement de la sortie d'air épuré, à un système de ventilation (1 7). 2 - Système d'épuration d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il envoie le jet de la pompe à jet de liquide verticalement sur la base horizontale (11) d'un réacteur cylindrique et répartit ainsi les bulles de gaz uniformément dans le réacteur avant qu'elles n'entament leur mouvement ascensionnel. 3 - Système d'épuration d'air selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réacteur contient, au dessus du point d'injection du jet, les moyen d'augmenter le temps de remontée des bulles dans le réservoir, pour une faible perte de charge, grâce à un garnissage (12) formant obstacle au mouvement vertical direct des bulles d'air vers la surface de dégazage. 4 - Système d'épuration d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit fermé comprend l'écoulement par gravité de la surverse (5) du liquide réactif dans un réservoir (8) dans lequel se trouve une pompe immergée (9) qui réalimente la pompe à jet de liquide (2). 5 - Système d'épuration d'air selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu' une pompe (6) située juste en amont de la pompe à jet de liquide redonne la pression nécessaire pour le fonctionnement optimal de celle-ci. 6 - Système d'épuration d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide réactif est une solution aqueuse, permettant de capter et de fixer dans la solution, par exemples non limitatifs, les oxydes de carbone, de soufre, d'azote, les aérosols d' huiles, les goudrons, les hydrocarbures imbrûlés.. .par un ensemble de phénomènes mettant en jeu notamment la capillarité, la migration par différence de concentration, la solubilisation, 7 - Système d'épuration d'air selon les revendications 1 et 6, caractérisé en ce que la solution aqueuse est alcaline et contient des ions hydroxides dont la valeur supérieure de concentration n'est pas limitée, permettant d'améliorer l'efficacité de la solution aqueuse, en particulier pour les oxydes de carbone, de soufre, d'azote et d'augmenter la capacité de rétention pour les composés précédemment cités par neutralisation ainsi que les aérosols d' huiles, et les goudrons, les hydrocarbures imbrûlés par solubilisation. 8 - Système d'épuration d'air selon l'ensemble des revendications 1, 4, et 6, ou 1, 4, 6 et 7 caractérisé en ce que le liquide réactif contient du charbon actif en poudre, permettant le traitement des hydrocarbures volatils, aldehydes et autres composés odorants et leur fixation par adsorption dans le liquide réactif, jusqu'à saturation, 9 - Système d'épuration d'air selon les revendications 1, 6 et 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé comme prétraitement avant l'utilisstion d'un filtre à charbon actif en voie sèche. 10 - Système d'épuration d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un moyen de créer et régler une surpression située en amont de l'arrivée d'air de la pompe à jet de liquide, permet d'augmenter et de réguler le débit d'air.