Brevet FR2751561A1 — publié le 19980130

La présente invention concerne un procédé d'épuration d'air visant à réduire sa teneur en ses impuretés monoxyde de carbone CO et dioxyde de carbone C02 à un taux inférieur au ppb (partie par milliard en volume). De nombreux gaz d'intérêts industriels peuvent être obtenus à partir de l'air par différents procédés de séparation. Ainsi, l'azote et l'argon, largement utilisés comme atmosphère inerte pour réaliser des manipulations délicates, sont obtenus en général par distillation cryogénique de l'air sous pression, après que le gaz carbonique C02 et la vapeur d'eau H20 ont été éliminés de l'air par adsorption préalable. Cependant, on a constaté qu'une partie non négligeable du monoxyde de carbone CO contenu dans l'air se retrouve dans les produits de distillation; ceci étant dû notamment à une oxydation catalytique incomplète dudit CO en C02, due généralement à une contamination au cours du temps du catalyseur par des poisons présents habituellement dans l'air. Le document EP-A-0 438 282, propose un procédé d'épuration d'air en monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, vapeur d'eau et hydrogène, dans lequel on évacue au préalable la vapeur d'eau par adsorption, à température ambiante ou inférieure, puis on oxyde à température ambiante le monoxyde de carbone et d'hydrogène en présence de catalyseurs appropriés et on élimine par adsorption l'eau et le dioxyde de carbone, produits par oxydation, avant de soumettre l'air résultant à une distillation cryogénique. Cependant, ce procédé présente plusieurs inconvénients, à savoir: - il ne permet pas une épuration sélective de l'air en ses impuretés CO et C02; - il ne permet pas non plus une élimination totale du CO et du C02. En effet, on a remarqué qu'après oxydation catalytique de CO en C02, il reste encore une quantité non négligeable de CO, non transformé en CO2, qui va aller polluer le flux d'air épuré; cette quantité de CO résiduel croissant d'ailleurs avec le temps. Le brevet US-A-4,448,757 décrit, quant à lui, un procédé de purification de l'air où l'air est refroidi afin de condenser la vapeur d'eau et les gaz toxiques. Les molécules toxiques sont ensuite éliminées par adsorption et les contaminants résiduels (CO) transformés par oxydation sur un catalyseur de type hopcalite en C02. Le brevet JP-A-225,568/86 décrit un dispositif de séparation des constituants de l'air, comprenant un réacteur catalytique dans lequel les composés CO et H2 sont oxydés en C02 et H20, et un réacteur d'adsorption dans lequel C02 et H20 sont ensuite éliminés par adsorption. Toutefois, ces différents procédés et dispositifs requièrent généralement l'utilisation de matériaux onéreux et ne permettent pas d'obtenir une épuration inférieure au ppb (partie par milliard en volume: 10 9) de l'air en ses impuretés CO et C02. Pour pallier ce problème, il est donc nécessaire d'améliorer le prétraitement de l'air afin de le débarrasser totalement de ses impuretés CO et CO2, et ce jusqu'à un seuil inférieur ou égal au ppb (partie par milliard en volume). La présente invention a donc pour but de fournir un procédé d'épuration d'air en ses impuretés CO et C02 qui soit facile à mettre en oeuvre, dans un appareillage simple et économique, et dans des conditions permettant d'atteindre une haute pureté finale, compatible avec des applications technologiques nécessitants des gaz inertes parfaitement épurés en leurs impuretés CO et CO2, c'està-dire à un seuil inférieur ou égal au ppb. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé performant, c'est-à-dire permettant d'obtenir de l'air contenant moins de 1 ppb en CO et CO2, et ne mettant en oeuvre, de préférence, que des matériaux existants, standards et peu chers et ceci, notamment, afin d'optimiser les coûts énergétiques et financiers. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'épuration de l'air en ses impuretés monoxyde de carbone CO et dioxyde de carbone CO2 comprenant les étapes de a) compression et, si nécessaire, chauffage d'un flux d'air brut contenant au moins ladite impureté CO à une température d'au moins 80"C; b) mis en contact du flux d'air chaud comprimé avec un lit de catalyseur d'oxydation de monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO2) pour fournir un flux d'air intermédiaire, ledit catalyseur d'oxydation étant constitué de Pd ou Pt supporté par de l'alumine; c) refroidir le flux d'air obtenu à l'étape b) jusqu'à la température ambiante; d) mis en contact du flux d'air refroidi avec un lit de particules de type zéolite non échangée pour éliminer par adsorption, à température ambiante, le CO résiduel et le CO2; e) récupération de l'air épuré exempt de CO et de CO2. A la sortie du compresseur, l'air à épurer est généralement à une température de l'ordre de 800C à 1200C; le chauffage mis en oeuvre à l'étape a) n'interviendra donc que lorsqu'on souhaite atteindre une température supérieure à celle obtenue en sortie de compresseur. De préférence, le flux d'air brut à épurer est chauffé à une température supérieure à 150"C, de préférence, de l'ordre de 1800C ou plus, et ce, afin d'augmenter le rendement de conversion du catalyseur. Avantageusement, le flux d'air brut est comprimé à une pression de 3 à 30 bars. La teneur en palladium (Pd) ou platine (Pt) supporté par l'alumine est de 0,3 à 3% en poids. Préférentiellement, le catalyseur d'oxydation et le palladium (Pd) supporté sur un support d'alumine (A1203). Selon un mode préféré de l'invention, la zéolite non échangée est une zéolite naturelle, de préférence, une mordénite. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la zéolite non échangée est une zéolite synthétique, de préférence, choisie dans le groupe formé par la zéolite 13X et la zéolite 4A. Avantageusement, le flux d'air refroidi à la température ambiante à l'étape c) est mis en contact avec un lit de particules d'un matériau dessiccant préalablement à l'étape d). De préférence, au moins un lit de particules d'un matériau dessiccant est placé en amont du lit de particules de type zéolite non échangée. Préférentiellement, le matériau dessiccant est de type alumine. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, lequel comprend: - une zone de traitement catalytique comprenant au moins un lit de particules d'un catalyseur d'oxydation de CO en C02, ledit catalyseur d'oxydation étant constitué de Pd ou Pt supporté par A1203, muni de moyens d'alimentation en air brut comprimé et chauffé à au moins 800C, et de moyens d'évacuation d'un flux d'air intermédiaire issu du traitement, - une zone de refroidissement à la température ambiante comprenant un échangeur de chaleur alimenté en fluide chaud par lesdits moyens d'évacuation du flux d'air intermédiaire, - une zone d'adsorption comprenant au moins un lit constitué d'une zéolite non échangée adsorbant le C02 et le CO résiduel, munie de moyens d'alimentation en le flux d'air refroidi à température ambiante dans l'échangeur. De préférence, la zone d'adsorption comprend deux réacteurs contenant chacun au moins un lit d'un adsorbant de type zéolite non échangée. Avantageusement, au moins un lit d'un matériau dessiccant est placé en amont dudit au moins un lit d'adsorbant. Préférentiellement, le lit de matériau dessiccant est un lit de particules d'alumine. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, va maintenant être décrit plus en détail en référence à la figure annexée. La figure unique annexée représente un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprenant une source d'air à épurer en son impureté CO, consistant ici en un compresseur (1), lequel permet de comprimer l'air à épurer comprenant au moins ladite impureté CO à la pression désirée, par exemple 7 bars. L'air comprimé à épurer est envoyé ensuite à un réchauffeur (2), via une conduite (la), où l'air brut comprimé est chauffé, si nécessaire, à une température d'au moins 800C, et de préférence, supérieure à 1200C. L'air comprimé et chauffé est ensuite acheminé via une conduite (2a) jusqu'à une zone (3) de traitement catalytique comprenant un lit de particules d'un catalyseur d'oxydation (4), par exemple constitué de palladium ou de platine supporté par de l'alumine, où a lieu l'oxydation de CO en C02. Le flux d'air intermédiaire issu du traitement catalytique, comprenant encore une teneur en CO résiduel de l'ordre de quelques dizaines voire centaines de ppb (cette teneur en CO varie notamment en fonction de la température à laquelle est effectuée l'oxydation catalytique), est ensuite acheminé vers une zone de refroidissement (5) à la température ambiante, via une conduite (3a). Après refroidissement à la température ambiante l'air refroidi est amené via une conduite (4a) jusqu'à une zone d'adsorption (7) comprenant, un lit d'un matériau dessiccant (12), tel qu'un lit de particules d'alumine, et un lit (6) constitué d'une zéolite non échangée permettant d'adsorber le C02 issu du traitement catalytique et le résiduel de CO contenu dans le flux d'air intermédiaire. L'air épuré, c'est-à-dire comprenant au maximum 1 ppb de CO est ensuite véhiculé via une conduite (5a) jusqu'à son lieu d'utilisation (non représenté) ou vers un lieu de stockage (8), où il pourra être conservé en vue d'une utilisation ultérieure. La zone d'adsorption (6) comprend avantageusement non pas un; mais deux réacteurs (6a, 6b) contenant chacun un lit de particules d'un matériau dessiccant (12) placé en amont d'un lit d'un adsorbant (6) de type zéolite non échangée. Ainsi, il est possible de faire travailler les réacteurs de façon alternative, c'est-à-dire que pendant que l'un des réacteurs travaille en épuration, l'autre peut être régénéré. Un procédé classique de régénération pouvant être mis en oeuvre comprend les étapes de - dépressurisation du réacteur; - balayage du réacteur à l'aide d'un fluide sec et décarbonaté, tel l'air enrichi ou non, ou l'azote. Ce balayage s'effectue à une température de l'ordre de 100 à 120"C et à la pression atmosphérique, et jusqu'à traversée complète de l'adsorbant par le front de chaleur; - balayage du réacteur, dans les mêmes conditions que précédemment, mais au moyen, cette fois, d'un gaz à température ambiante, c'est-à-dire de l'ordre de + 50C à + 400C, afin de refroidir l'adsorbant et le réacteur; - représsurisation du réacteur à la pression désirée, par exemple, 7 bars absolus. Le circuit de régénération, non représenté de manière détaillée, comprend notamment une conduite (9) d'amenée du gaz de régénération et un réchauffeur (10); les réacteurs (6a, 6b) de la zone d'adsorption peuvent être reliés à l'atmosphère par le biais de mises à l'air (11), éventuellement munies de silencieux. Les performances du procédé du dispositif d'épuration selon l'invention vont maintenant être illustrées par des exemples de réalisation, donnés à titre illustratif mais non limitatif de l'invention. Dans les exemples suivants, les mesures de CO ont été effectuées au moyen d'un appareil d'analyse classique par exemple un chromatographe RGA3 commercialisé par la société Trace Analytical, lequel à un seuil de détection de 1 ppb t 1 pour le CO. Par ailleurs, un analyseur infrarouge est utilisé pour mesurer la teneur en CO2, par exemple, l'analyseur de type UNOR 6N commercialisé par la société MAYAK, lequel à un seuil de détection pour le CO2 inférieur ou égal à 10 ppb. EXEMPLE 1: Afin de démontrer l'efficacité du procédé selon l'invention, de l'air ayant une teneur en CO de 3,5 ppm environ et une teneur en CO2 de 300 à 350 ppm (parties par million en volume: 10 ) environ a été comprimé au moyen d'un compresseur jusqu'à une pression de 7 bars absolus et réchauffé jusqu'à une température de 120 ou 1800C, puis mis en contact avec un catalyseur d'oxydation de CO en C02 constitué de palladium supporté sur alumine à 0,5% Pd/Al203 pour fournir un flux d'air intermédiaire. Ledit flux d'air intermédiaire a ensuite été refroidi à la température ambiante, c'est-à-dire à une température de l'ordre de 30"C, avant d'être mis en contact avec une zéolite synthétique non échangée du type 13X; l'adsorption ayant lieu à température ambiante. Des mesures successives de la teneur de l'air en CO et C02 ont été effectuées d'une part, après catalyse oxydative (pour CO seulement) sur le flux d'air intermédiaire, et d'autre part, sur le flux d'air obtenu après adsorption sur zéolite non échangée. Les résultats obtenus sont consignés dans le tableau I suivant: TABLEAU I TENEUR DE L'AIR EN CO TENEUR DE L'AIR EN C02 APRES CATALYSE APRES ADSORPTION APRES ADSORPTION 1200C 5 ppb 300C N. D. N. D. 5 - 100 ppb N. D. N. D. 1800C 5 ppb 300C N. D. N. D. N. D. = Non Détecté. Comme on peut le constater sur le tableau précédent, l'inventeur de la présente invention s'est attaché à démontrer l'efficacité du procédé, tant dans le cas où la catalyse oxydative est effectuée à une température de 1200C (température de refoulement du compresseur) qu'à une température supérieure de l'ordre de 1800C. Lorsque la catalyse est effectuée à 1200C, on constate qu'au démarrage du procédé, c'est-à-dire pendant environ 40 heures, le flux d'air intermédiaire obtenu après réaction catalytique comporte moins de 5 ppb de CO, mais qu'au cours du temps, c'est-à-dire après 100 heures, il se produit une désactivation du catalyseur par des poisons usuels, telle la vapeur d'eau présente dans l'air 3 (traitée à concurrence de 10 g/Nm3), laquelle s'adsorbe plus facilement à ce niveau de température, d'où il résulte une augmentation de la teneur en CO du flux d'air intermédiaire, pouvant atteindre 100 ppb. Cependant, le CO2 contenu dans l'air après réaction catalytique oxydative et le CO résiduel pourront être éliminés à un niveau non détectable par les analyseurs de type classique, c'est-à-dire, à un niveau inférieur au ppb, durant la phase d'adsorption sur zéolite non échangée du type 13X à la température ambiante. Lorsque la phase catalytique a lieu à 1800C, le flux d'air intermédiaire comprend moins de 5 ppb de CO, lequel est éliminé ensuite par adsorption sur la zéolite non échangée 13X à température ambiante jusqu'à un niveau inférieur au ppb. A cette température, la vapeur d'eau à une influence quasi-nulle. Il résulte donc de ce qui précède, que le procédé selon l'invention combinant catalyse oxydative à température supérieure à 800C et adsorption à température ambiante permet d'obtenir de l'air totalement exempt en ses impuretés CO et C02. Exemple 2: Les tableaux II et III ci-après permettent de mettre en évidence que le procédé d'épuration de l'invention permet d'éliminer les impuretés CO et CO2 contenues dans l'air de façon très efficace, et ce, dans des conditions opératoires très différentes les unes des autres. De l'air comprimé à une pression de 7 bars absolus, humide (teneur en eau d'environ 9 g/Nm3) et contenant plus de 0,3 ppm d'impuretés CO à l'entrée est d'abord réchauffé à une température comprise entre 1000C et 2000C et passé sur un catalyseur standard de type 0,5% Pd/Al203, puis le flux d'air intermédiaire obtenu est refroidi à la température à environ 200C et mis en contact avec une zéolite non échangée de type 13X afin d'éliminer le CO résiduel et le CO2. Les tests effectués et consignés dans le tableau II ont été réalisés de manière à obtenir un débit d'air traité par volume de catalyseur (WH) d'environ 1 200/h, et ceux du tableau III de manière à opérer sous une vitesse spatiale (WH) d'environ 1 800/h. TABLEAU II WH = 1 200/h CATALYSE ADSORPTION A TEMPERATURE A L'ENTREE A LA SORTIE 200C 1000C 1 ppm 60 ppb N. D. 2 ppm 100 ppb N. D. 1050C 2 ppm 80 ppb N. D. 1 ppm 50 ppb N. D. 1100C 1 ppm ppb N. D. 2,5 ppm ppb N. D. 1200C 1 ppm ppb N. D. N. D. = Non Détecté ( TABLEAU III VVH = 1 800/h CATALYSE ADSORPTION A TEMPERATURE A L'ENTREE A LA SORTIE 200C 100C 0,3 ppm 20 ppb N. D. 2 ppm 200 ppb N. D. 1200C 1 ppm ppb N. D. 1500C 2 ppm ppb N. D. 2000C 3 ppm ppb N. D. N. D. = Non Détecté. Les tableaux II et III précédents permettent de mettre en évidence que la teneur en CO résiduel de l'air après catalyse varie en fonction notamment de la teneur en CO de l'air à l'entrée et de la température opératoire; une augmentation de la température de catalyse permettant d'accroître l'efficacité de cette étape de catalyse. Cependant, on constate également que quelque soit la teneur en CO résiduel du flux d'air intermédiaire, c'està-dire obtenu après catalyse, ledit CO résiduel est complètement éliminé par adsorption sur la zéolite 13X, à un niveau inférieur au ppb. L'inventeur de la présente invention a donc mis en évidence, qu'il était possible d'obtenir un procédé d'épuration de l'air en ses impuretés CO et CO2 permettant d'obtenir de l'air épuré contenant moins de 1 ppb de CO et de CO2, grâce à un choix judicieux de catalyseurs et d'adsorbants mis en oeuvre à des températures précises. En particulier, le procédé de l'invention permet une adsorption efficace du CO2 et du CO résiduel à température ambiante, alors que dans l'art antérieur, il est classiquement reconnu que pour obtenir une adsorption maximale, il est nécessaire de travailler à des températures cryogéniques, donc bien inférieures à la température ambiante revendiquée par la présente invention; ceci est donc tout à fait surprenant. REVENDICATIONS 1. Procédé d'épuration de l'air en ses impuretés monoxyde de carbone CO et dioxyde de carbone CO2 comprenant les étapes de: a) compression et, si nécessaire, chauffage d'un flux d'air brut contenant au moins ladite impureté CO à une température d'au moins 800C; b) mis en contact du flux d'air chaud comprimé avec un lit de catalyseur d'oxydation de monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO2) pour fournir un flux d'air intermédiaire, ledit catalyseur d'oxydation étant constitué de palladium (Pd) ou de platine (Pt) supporté par de l'alumine (au203); c) refroidir le flux d'air intermédiaire obtenu à l'étape b) jusqu'à la température ambiante; d) mis en contact du flux d'air refroidi avec un lit de particules de type zéolite non échangée pour éliminer par adsorption, à la température ambiante, le CO résiduel et le C02; e) récupération de l'air épuré exempt de CO et de CO2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux d'air brut est chauffé à une température d'au moins 1500C, de préférence de l'ordre de 1800C. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le flux d'air brut est comprimé à une pression de 3 à 30 bars. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en palladium ou platine des particules d'adsorbant est de 0,3 à 2,5% en poids. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le catalyseur d'oxydation et le palladium supportés sur un support alumine. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zéolite non échangée est une zéolite naturelle. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la zéolite naturelle est une mordénite. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zéolite non échangée est une zéolite synthétique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la zéolite synthétique est choisie dans le groupe formé par la zéolite 13X et la zéolite 4A. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 6 à 9, caractérisé en ce que le flux d'air refroidi à la température ambiante à l'étape c) est mis en contact avec un lit de particules d'un matériau dessiccant préalablement à l'étape d). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un lit de particules d'un matériau dessiccant est placé en amont du lit de particules de type zéolite non échangée. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau dessiccant est de type alumine. 13. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'épuration de l'air en ses impuretés CO et CO2, selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend: - une zone de traitement catalytique (3) comprenant au moins un lit de particules (4) d'un catalyseur d'oxydation de CO en CO2, ledit catalyseur d'oxydation étant constitué de palladium ou de platine supporté par un support alumine, muni de moyens d'alimentation (la, 2a) en air brut comprimé (1) et chauffé (2) à une température d'au moins 800C, et de moyens d'évacuation (3a) d'un flux d'air intermédiaire issu du traitement, - une zone de refroidissement à la température ambiante comprenant un échangeur (5) de chaleur alimenté en fluide chaud par lesdits moyens d'évacuation (3a) du flux d'air intermédiaire, - une zone d'adsorption (7) comprenant au moins un lit (6) constitué d'une zéolite non échangée adsorbant le CO2 et le CO, munie de moyens d'alimentation (4a) en le flux d'air intermédiaire refroidi à température ambiante dans l'échangeur (5). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la zone d'adsorption (7) comprend deux réacteurs (6a, 6b) contenant chacun au moins un lit (6) d'un adsorbant de type zéolite non échangée. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'au moins un lit d'un matériau dessiccant (12) est placé en amont dudit au moins un lit d'adsorbant (6). 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le lit de matériau dessiccant est un lit de particules d'alumine.