Brevet FR2818919A1 — publié le 20020705

La présente invention concerne un procédé et les moyens mis en oeuvre pour traiter l'air pollué et récupérer sous forme de condensats les gaz polluants. Une des techniques les plus connues dans l'industrie de la chimie, de la pharmacie ou du traitement de surface, est l'adsorption/désorption sur charbon actif Le principe est de faire passer l'air chargé à travers une couche de charbon actif qui va retenir les polluants. Une fois saturés, les charbons actifs ou l'adsorbant seront"nettoyés"ou désorbés par passage de vapeur d'eau à 120-140 C au travers du lit d'adsorbant. Les gaz seront ensuite récupérés par condensation séparée. Toutefois, l'utilisation de ces techniques entraîne de nombreux inconvénients qui limitent les domaines d'application et restreignent les performances. Les inconvénients principaux sont : - la grande inertie thermique qui entraîne des opérations de désorption, de refroidissement et de séchage très longues (plusieurs heures) - la limitation des plages de température d'utilisation - l'établissement de gradients de température néfaste à l'objectif de concentration recherché lors de la récupération et au taux d'adsorption à la percée L'adsorption est un phénomène exothermique qui conduit à des élévations de température lorsque la concentration en composés organiques volatils est trop importante, cela entraîne une capacité d'adsorption moindre et un risque de combustion des charbons actifs. Par ailleurs, certains composés peuvent entraîner à l'arrêt des réactions de déshydratation exothermique et provoquer une inflammation des charbons actifs en présence d'oxygène. Lorsque les mélanges de gaz sont complexes, les molécules ayant une faible affinité avec l'adsorbant, sont déplacées par les molécules ayant une plus forte affinité avec celuici. Cela conduit à un temps de perçage trop court, donc à un taux d'adsorption trop réduit. Lorsque l'humidité relative des effluents gazeux est trop importante, la capacité des charbons actifs à adsorber les composés organiques volatils est considérablement réduite. De même, la température des gaz à traiter dépasse souvent les 50 C, or la capacité statique du charbon actif diminue très fortement à partir de 40 C. La désorption nécessite l'emploi de 3 à 4 kg vapeur chauffée à 120-140 C pour 1 kg de composés organiques volatils récupérés. L'investissement d'un générateur de vapeur est très coûteux si sa seule destination est la désorption. L'emploi de la vapeur d'eau nécessite une phase de séchage des adsorbants, de refroidissement et de condensation de cette vapeur, ce qui est coûteux en énergie et prend du temps et donc impose de surdimensionner les installations. En effet, lorsqu'il faut plusieurs heures pour désorber, il est souvent nécessaire d'avoir une double installation. L'emploi de la vapeur d'eau rend nécessaire le traitement des condensats par décantation si les produits à récupérer sont insolubles dans l'eau ou, s'ils sont solubles, par des méthodes de séparation beaucoup plus complexes et coûteuses, techniques souvent mal adaptées lorsque les polluants représentent des quantités relativement faibles. La désorption par gaz chaud présente des difficultés liées à la faible capacité thermique des gaz caloporteurs, à la mauvaise conductibilité thermique de l'adsorbant et à la dilution des gaz que l'on veut justement concentrer. Cela entraîne un coût et une perte énergétique importants lors de l'opération de désorption et un coût prohibitif lors de l'opération de récupération par condensation. Durant des opérations de désorption à la vapeur ou par gaz chaud, il se forme des gradients de température liés au transfert de chaleur fluide de désorption 1 adsorbant ainsi qu'à des problèmes de passage préférentiels. Cela entraîne une désorption non homogène, moins concentrée, plus longue et dans le cas du gaz chaud, un risque accru d'incendie ou de dégradation thermique des adsorbats. La géométrie des systèmes majoritairement utilisés induit des passages préférentiels, lors de l'adsorption, ce qui réduit le taux d'adsorption à la percée. Enfin, dans certains cas, il y a risque de décomposition de l'adsorbat par hydrolyse ou dégradation thermique. Les adsorbats deviennent alors non récupérables. De telles installations sont chères, complexes et nécessitent l'emploi de personnel qualifié. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant d'éviter ou de limiter les inconvénients précités, en proposant un appareil simple, compact qui intègre les fonctions d'adsorption et de désorption contrôlées en température, de chauffage et de refroidissement très rapides des adsorbants et de condensation/absorption économiques des gaz pour une réutilisation directe et sans traitement des condensats. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente l'ensemble des éléments du dispositif selon l'invention la figure 2 représente un élément chauffant 1 refroidissant thermorégulé standard vu de face la figure 3 représente une configuration particulière à 2 étages d'éléments chauffants /refroidissant thermorégulés séparément, contenant 1,2 ou un mélange d'adsorbants séparés (3,4) La figure 1 représente une réalisation particulière, qui, selon l'invention, permet d'assurer dans une même machine une adsorption optimale grâce au maintien contrôlé de la température, même dans le cas de mélange gazeux complexe, une désorption très rapide où les adsorbants (2) et adsorbats sont chauffés très rapidement par conduction entre des éléments chauffants (1) à géométrie spécifique très faiblement espacés, et régulés en température, ainsi qu'une récupération très économique par condensation 1 absorption (3) du fait de la concentration élevée obtenue en sortie et du mode de condensation. La configuration du dispositif permet d'obtenir très rapidement un chauffage ou un refroidissement à coeur des adsorbants. En mode adsorption, l'air chargé entre en partie basse (6) du réacteur, traverse les adsorbants (2) situés entre les éléments thermorégulés refroidis (1) et y abandonne ses polluants. Il ressort épuré en partie haute (7). Lorsque les adsorbeurs sont saturés, un détecteur de percée (9) envoie le signal de la désorption. En mode désorption, la cuve est inertée par un gaz (8). Les adsorbants sont chauffés en conduction morte par les éléments thermorégulés. Quand la température de consigne est atteinte, un gaz de transfert (8) réchauffé est injecté à très faible débit en partie haute et entraîne les polluants très concentrés dans la zone de condensation (3) en partie basse. Les polluants récupérés lors de la condensation sont dirigés, soit vers une unité de stockage (10), soit en partie vers un bac de refroidissement (4) intense d'où ils repartent en partie basse du réacteur pour être utilisés lors de l'opération d'adsorption 1 condensation intégrée (3). Lorsqu'une simple condensation est suffisante, un échangeur thermique (3.1) remplacera l'absorption. Dans ce cas, la totalité des polluants récupérés sera dirigée directement vers la zone de stockage. Pour chaque mode de fonctionnement, des vannes d'isolement (23) sont prévues aux entrées et sorties de fluides. La présente invention apporte une réponse mieux adaptée au problème posé par les COV dans les petites et moyennes entreprises qui recherchent principalement la compacification, l'augmentation de l'efficacité, la simplification des procédures et une maintenance très réduite pouvant être réalisées par un personnel non qualifié. Sans être une réponse universelle, le caractère standard et modulable du dispositif permet de s'adapter à toutes les évolutions réglementaires, techniques ou de production sans remettre en cause l'investissement initial. Le dispositif, selon l'invention, comporte comme première caractéristique des éléments chauffants 1 refroidissants (1), dont la configuration particulière (figure 2) a été spécialement étudiée pour optimiser les transferts thermiques, limiter les masses de fluides frigo/caloporteur mises en oeuvre, limiter considérablement les pertes thermiques et être parfaitement modulable. Cette configuration modulable permet de répondre à la majorité des cas, très diversifiés, de traitement des COV en terme de débit, concentration et nature. Avantageusement, les éléments chauffants (1) sont constitués de petits réservoirs métalliques (figure 2), en général en acier inoxydable de très faible épaisseur, (0,12 à 0,3 mm) dans lesquels sont imprimés des circuits (figure 2-20) pour le passage des fluides thermodynamiques. Ces circuits sont étudiés pour obtenir le meilleur rapport transfert thermique/masse de fluide mise en oeuvre. La largeur de ces éléments est très faible pour des raisons de rapidité d'échanges et de compacité. Cette configuration confère une très grande réactivité thermique au système, qui est conçu pour supporter des températures très basses (cryogéniques) ou très élevées (plusieurs centaines de degrés). L'écartement des éléments chauffants/refroidissants (1) régulés en température est calculé en fonction de la vitesse des fluides et de la nature des adsorbants (2), pour obtenir, soit un chauffage très rapide et uniforme des adsorbants situés entre ces éléments, soit lors de l'adsorption, un parfait contrôle des températures, donc de limiter les effets exothermiques de l'adsorption, ce qui a pour conséquence d'augmenter d'une manière importante le taux d'adsorption, donc de rendre plus compactes les installations, la masse d'adsorbants nécessaire étant moindre. Cela permet d'accepter également des concentrations de polluant plus élevées et de limiter considérablement les risques de combustion lorsque les adsorbants sont des charbons actifs. A titre d'exemple, le taux d'adsorption au perçage d'un charbon actif peur être divisé par trois lorsque la température évolue de 20 à 80 C. La hauteur des éléments varie en fonction du temps de séjour nécessaire à une adsorption complète, de la nature et du nombre d'adsorbants mis en oeuvre. Le nombre d'éléments thermorégulés standard positionnés parallèlement les uns aux autres est proportionnel au volume à traiter. Le descriptif ci-dessous, sans être limitatif ou unique permet d'illustrer un mode de réalisation. Eléments chauffants : hauteur : 0,6m largeur : 0, 010 m longueur : 1 m écartement : 20 mm Masse de charbons actifs : 250 kg Dans cet exemple, les adsorbants sont à la température de consigne (160 ) en 240 secondes, temps très court, qui peut être encore réduit en rapprochant davantage les éléments thermorégulés et-ou en augmentant la température des fluides. Le produit pur est récupéré pour être réutilisé sans traitement. Les adsorbants sont refroidis et réutilisables seulement quelques minutes après l'opération de désorption à un coût énergétique moindre. Selon l'invention, la configuration particulière des éléments thermorégulés évite en grande partie les pertes thermiques puisque chaque élément est entouré des adsorbants. Les pertes par rayonnement et par convection sont négligeables dans un tel système. Les surfaces des éléments chauffants, selon l'invention, sont instantanément quasi isothermes et l'écart de température entre ces surfaces et l'adsorbant est très réduit. Il n'y a pratiquement pas de gradient de température dans les adsorbants et la température d'équilibre est atteinte très rapidement. Dans certains cas, une configuration tubulaire respectant les mêmes écartements pourrait remplacer les éléments thermorégulés parallépipédiques. Selon une autre caractéristique (figure 3), les éléments thermorégulés peuvent chauffer ou refroidir séparément à des températures identiques ou différentes. Cela est particulièrement judicieux dans le cas où des mélanges gazeux ne nécessitent pas les mêmes températures d'adsorption et ou de désorption ou bien dans le cas où les matériaux adsorbants mis en oeuvre ne sont pas de même nature. Ainsi une zéolithe supportera des températures beaucoup plus élevées sans risque de combustion, ce qui n'est évidemment pas le cas des charbons actifs. Lors de l'adsorption, une température plus élevée (50 C) a moins d'influence sur le taux d'adsorption des zéolithes que sur celui des charbons actifs. A titre d'exemple (figure 3), lors de l'adsorption, si les effluents gazeux à traiter sont à une température initiale de 60 C, un premier étage de zéolithe (figure 3/2/2) pourra être régulé à 40 C alors qu'un second étage de charbons actifs (figure 3/2 Il) sera maintenu à 20 C. Cela permet d'optimiser la consommation d'énergie lors des opérations d'adsorption. Il en va de même pour la désorption. Selon l'invention, il sera utilisé un ou plusieurs types d'adsorbants en fonction de la nature des gaz à traiter. Lorsque deux types de molécule polluante sont présentes dans l'air à traiter, il pourra être mis en place deux types d'adsorbants (figure 3/2/1 et 2/2) spécialement choisis pour leur affinité particulière avec chaque type de molécule. Selon l'invention, les différents adsorbants sont disposés entre les éléments thermorégulés (1 ) soit en couches superposées, soit judicieusement mélangées dans une proportion compatible avec le mélange gazeux à traiter. A titre d'exemple ni limitatif ni unique, dans les cas d'une humidité relative trop élevée d'un air chargé en polluants, afin de ne pas dégrader considérablement le taux d'adsorption, il sera mis en partie basse des adsorbeurs une première couche (figure 3/2/2) de zéolithe hydrophile qui retiendra l'humidité suivie d'une seconde couche de charbons actifs (figure 3/2/1) qui retiendra les autres polluants dans de bonnes conditions. Selon l'invention, les fluide frigo et caloporteurs sont traités thermiquement par des thermorégulateurs (11) qui ajuste en permanence la température de consigne afin de ne fournir que l'énergie nécessaire au système. En effet, dans la majorité des cas, lors des différentes phases d'un process de fabrication, la nature des gaz polluants à traiter peut varier considérablement en température, concentration et humidité. Les pics de pollution, l'évolution de la qualité des gaz, entraînent des dysfonctionnements nuisibles à l'efficacité de l'adsorption. Les thermorégulateurs (11) permettent au système de s'adapter à l'évolution des conditions de traitement des gaz, en apportant uniquement l'énergie instantanée nécessaire. Le fluide frigo (12)-caloporteur (13) circulant dans les éléments chauffants/ refroidissants est une huile de synthèse spécialement adaptée pour accepter des températures de fonctionnement variant de-20 C à +3000 C. Toutefois, d'autres fluides ou modes de chauffage-refroidissement peuvent être utilisés. A titre d'exemple, l'énergie apportée aux éléments chauffants/refroidissants peut être fournie par : * de la vapeur surchauffée/refroidissement à l'eau * des résistances électriques/eau froide ou eau glycolée * chauffage par induction/eau froide * tube à passage de courant/eau froide ou eau glycolée Lorsque la température nécessaire à la désorption est plus basse, en particulier quand le vide partiel est utilisé, il pourra être utilisé une thermofrigopompe qui fournira la chaleur de désorption et le froid nécessaire à la condensation. Compte tenu de la configuration du système, une économie d'énergie importante sera obtenue. Lors de l'adsorption, lorsque l'humidité, la température ou la concentration sont plus élevées, la température de consigne et-ou les débits du fluide sont ajustés. Lors de la désorption, les températures de consigne sont ajustées en fonction de la nature de l'adsorbat et de l'adsorbant et des modes de désorption choisis. Selon l'invention, malgré les inconvénients cités, une désorption à la vapeur est toujours réalisable dans un tel système. L'avantage est alors un séchage très rapide des adsorbants. Selon l'invention, il est prévu de pouvoir réaliser un vide partiel dans l'enceinte (19) de désorption. Le vide est réalisé au moyen d'une pompe à vide et permet, soit de désorber encore plus rapidement, soit de désorber à plus basse température, ce qui devient une nécessité lorsque l'on doit éviter la dégradation thermique de certains composés. Dans ce cas, la thermorégulation permettra d'optimiser, en toute sécurité, le couple température/ niveau de vide. Lorsque le vide est utilisé, la coque du système est cylindrique, dans les autres cas, elle est parallépipédique. Selon l'invention, lorsque l'on passe d'un mode de fonctionnement désorption (chaud) à un mode adsorption (froid), le fluide froid (huile, 14) circulant dans les éléments chauffants pousse le fluide chaud (huile, 15) vers une bâche tampon. L'inverse se produit lorsque l'on doit refroidir les éléments thermorégulés. Deux vannes trois voies (22) permettent à chacun des fluides de service, chaud et froid, de circuler en circuit fermé. Ce mode de fonctionnement évite de réchauffer puis de refroidir la totalité des fluides, puisque chaque fluide a sa propre bâche tampon isolée (12) et (13). L'avantage est évidemment l'économie d'énergie et la très grande réactivité du système puisque l'on a en permanence à disposition dans les bâches tampon une masse de fluide immédiatement disponible maintenue à la température de consigne qui contient l'énergie instantanée suffisante pour réaliser l'opération de chauffage ou de refroidissement. L'autre avantage est que la puissance installée est d'autant plus faible que la durée d'adsorption pendant laquelle l'huile est chauffée est longue. Ce mode de régulation entraîne des pertes énergétiques très faibles ; seule l'énergie nécessaire pour amener les éléments chauffants et les adsorbants à bonne température a été utilisée. La chaleur non utilisée contenue dans le fluide frigocaloporteur (huile) (14) et (15) est récupérée dans les bâches tampon isolées (12) et (13). Selon l'invention, afin de garantir un rejet gazeux parfaitement épuré lors de la désorption, un petit adsorbeur complémentaire (5) est installé pour piéger le gaz résiduels. La désorption de celui-ci est réalisée pendant la phase d'adsorption de l'adsorbeur principal. Cette opération est rendue possible car les débits d'air et masses de polluant mis en oeuvre sont très faibles lors de cette opération. Selon l'invention, le procédé intègre une phase de condensation (3) qui est réalisée par pulvérisation (3) d'une partie du produit récupéré (18) qui est fortement refroidi par un échangeur. Il s'agit d'une absorption/condensation. L'avantage est de ne pas diluer ou mélanger le produit à récupérer dans un autre produit et d'obtenir, grâce à ce système très simple, une très bonne efficacité de condensation/mise en solution par contact direct. Pour réaliser cette opération de condensation/absorption, les condensats fortement refroidis (4) sont dirigés vers une buse (16) ou rampe de pulvérisation située en partie basse de l'adsorbeur au moyen d'une pompe (17). Au contact des gaz chauds, le condensat froid échangera une partie de sa chaleur sensible et latente, et mettra en solution une partie des gaz à récupérer. Ce mode de fonctionnement est particulièrement efficace car l'écart de température entre le gaz à traiter et le liquide de refroidissement/condensation/absorption est élevé. Par ailleurs, il est peu coûteux en investissement. La condensation des gaz peut également être réalisée par un condenseur (3/1), ou évaporateur d'une machine frigorifique qui fonctionne seule ou en complément de la pulvérisation. L'avantage des deux techniques associées est d'augmenter l'efficacité de la condensation et de récupérer un liquide plus froid susceptible d'être pulvérisé en premier étage de condensation/absorption. Afin d'éviter les passages préférentiels, le dispositif est équipé d'un système de ventilation (24) et de diffuseurs d'air (25) chargés de répartir uniformément les effluents gazeux dans le cas de très grande section de passage d'air. Ces diffuseurs sont constitués de simples plaques percées. Lorsque les effluents gazeux sont chargés en particules, un filtre (21), adapté à leur nature, permet d'éviter le colmatage des absorbants. Pour assurer la sécurité de l'installation des sondes thermiques de sécurité (26) sont placés à différents endroits de l'enceinte et déclenchent les systèmes de noyage (8 A) ou d'inertage à l'azote (8). REVENDICATIONS 1-Procédé de traitement des effluents gazeux dégagé par les procédés industriels caractérisé en ce qu'il consiste à : fixer des matières polluantes sur des adsorbants (2) situés entre deux éléments thermorégulés (1) faiblement écartés à l'intérieur desquels circule un fluide thermodynamique (12) désorber rapidement par chauffage conductif des adsorbants (1) par lesdits éléments thermorégulés * entraîner les polluants concentrés par balayage à faible débit d'un gaz dit d'extraction (8) vers un système intégré de condensation/adsorption (3) 2-dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, pour le traitement et la récupération des composés volatils polluants, caractérisé en ce qu'il comporte : une enceinte (19) contenant des éléments thermorégulés (1) faiblement écartés - des adsorbants (2) régénérables, situés entre les éléments thermorégulés au travers desquels circule l'air à traiter - un répartiteur d'air (25) - un système de chauffage et de refroidissement des éléments thermorégulés (11, 12,13, 14) - un adsorbeur complémentaire (5) comprenant son système de régénération des adsorbants un système de condensation/absorption par pulvérisation (16) et/ou par condenseur (3) - un système d'entraînement des polluants par balayage à faible débit d'un gaz dit d'extraction (8) vers un système intégré de condensation (3) 3-dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de condensation (3-3.1) est réalisé en partie basse de l'enceinte (19) 4-dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que les éléments thermorégulés (1) qui élèvent, abaissent ou maintiennent la température des adsorbants selon les phases de désorption, de refroidissement ou d'adsorption, sont isothermes et contiennent plusieurs étages de température (fig 2) 5-dispositif selon une quelconque revendication 2 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte un petit adsorbeur complémentaire régénérable (5) pour le traitement des polluants résiduels 6-dispositif selon une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend, en amont, un moyen de filtration des particules (21) 7-dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque revendication 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de sécurité par inertage à l'azote (8) ou noyage de l'enceinte contenant les adsorbants (8 A) reliés à des sondes thermiques de sécurité (26). 8-dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux cuves isolées (12,13) équipées de thermorégulateurs (11) contenant, l'une le fluide chaud (15), l'autre, le fluide froid (14), les fluides chauds et froids ne se mélangeant pas et conservant chacun l'énergie non utilisée grâce à au moins deux électrovannes (22) reliées à une armoire de régulation. 9-dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend des vannes d'isolement des gaz (23) reliées à un boîtier de régulation 10-dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système d'entraînement des polluants comprend un ventilateur (24) et au moins un diffuseur d'air composé de plaques percées (25).