Brevet FR2830462A1 — publié le 20030411

L'invention concerne les appareils d'adsorption ou adsorbeurs, et no- tamment les adsorbeurs d'épuration d'air des unités de séparation d'air par voie cryogénique. Dans cette application, les adsorbeurs suivent un cycle de fonction- nement dit TSA (Temperature Swing Adsorption), dans lequel la régénération est obtenue principalement par circulation d'un fluide chaud de régénération (azote résiduaire). Dans les unités industrielles de séparation d'air par voie cryogénique, les adsorbeurs utilisés en tant qu'épurateur d'air en tête de boîte froide ont des performances notablement inférieures à celles que l'on pouvait escompter à partir d'extrapolations de résultats d'essais en laboratoire dans les conditions idéales, et cela quelle que soit la technique utilisée (lits verticaux, horizontaux ou annulaires, etc. ). Il en résulte qu'il est nécessaire de surdimensionner notablement les adsorbeurs, par rapport à ce que l'on a de bonnes raisons de supposer suffisant d'après les essais de laboratoire, et cela d'au moins 20%. Il apparaît de différentes recherches, qu'une cause importante de la limitation des performances que l'on obtient des adsorbeurs industriels, est l'inhomogénéité des conditions de fonctionnement des lits et plus particulièrement celle qui existe à proximité des parois par suite de l'imperfection de la distribution des écoulements, des pertes thermiques lors de la régénération, etc., entraînant une mauvaise régénération du lit à proximité de la paroi de l'adsorbeur. Ces phénomènes défavorables sont connus sous le nom d' effets de bords . L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient et concerne à cette fin un appareil d'adsorption pour adsorber au moins un composant d'un fluide pénétrant dans un boîtier de l'appareil par une entrée de fluide de celui-ci, ce boîtier contenant au moins un lit d'adsorption constitué de matériau (x) adsorbant (s) sous la forme de granules disposé de manière à être pénétré par le fluide et de manière que ce fluide s'écoule dans le lit d'adsorption globalement dans la direction dans laquelle s'étend l'épaisseur du lit, caractérisé en ce que le lit comporte, dans sa région marginale par rapport à la direction générale de circulation du fluide, des granules présentant une granulométrie plus faible que celle des granules du reste du lit d'adsorption. Grâce à cet agencement, les défauts d'homogénéité à proximité des parois sont compensées de manière efficace. L'adsorbeur peut également présenter une ou plusieurs des caractéris- tiques suivantes : - il comporte au moins un lit d'adsorption constitué d'un seul matériau en granules de granulométries différentes ; - il comporte au moins un lit d'adsorption constitué d'au moins deux matériaux en granules de natures et de granulométries différentes ; - il comporte au moins deux lits d'adsorption pour adsorber des com- posants différents ; - le rapport du diamètre des granules de plus forte granulométrie est au plus égal au rapport des carrés des capacités de respiration des deux parties du lit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, de formes de réalisation de l'invention décrites à titre d'exemples non limitatif et illustrées par les dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 est une coupe schématique d'une partie d'un appareil selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe schématique d'une partie d'une autre forme de réalisation d'un appareil selon l'invention ; et - la figure 3 est un graphique illustrant les caractéristiques des granules constituant au moins un lit d'adsorption des appareils partiellement schématisés sur les figures 1 et 2. Les appareils d'adsorption ou adsorbeurs des figures 1 et 2 sont destinés à extraire d'un fluide tel que par exemple de l'air comprimé destiné à une installation de distillation d'air, les impuretés gazeuses constituées, dans le cas de l'air, essentiellement par la vapeur d'eau et le gaz carbonique, mais également par d'autres impuretés présentes dans l'air atmosphérique telles que des oxydes d'azote, l'ozone et des hydrocarbures. A cette fin, de manière classique, ces adsorbeurs comportent un boîtier 1 équipé d'une entrée 11 pour l'introduction du fluide impur dans l'appareil et d'une sortie 12 pour l'évacuation du fluide épuré. Le boîtier 1 contient un ou plusieurs lits d'adsorption 2,3 successifs constitués de matériau (x) adsorbant (s) sous la forme de granules. De manière typique, ces adsorbeurs comportent un lit d'alumine 2 pour adsorber la vapeur d'eau et un lit de zéolite 3 pour adsorber le gaz carbonique, ou encore un lit unique adapté pour adsorber ces deux impuretés. Lorsque le fluide à épurer comporte plusieurs composants indésira- bles, il est également possible de disposer plusieurs adsorbeurs en cascade des- tinés chacun à fixer un composant différent, ou un plusieurs adsorbeurs destinés chacun à fixer plusieurs composants au moyen d'un ou plusieurs lits d'adsorption. L'adsorbeur peut également contenir plusieurs lits d'adsorption desti- nés à fixer le même composant, constitués du même matériau et ayant des gra- nulométries égales ou différentes, ou de matériaux différents. Les matériaux en granules constituant les lits d'adsorption, sont de manière conventionnelle des matériaux régénérables, par exemple thermique- ment ; leur énergie thermique de régénération leur est fournie par un courant de gaz chaud (par exemple de l'azote) que l'on fait traverser le lit d'adsorption, par exemple dans la même direction que le fluide à épurer, dans le même sens ou, plus fréquemment, en sens inverse, pour désorber des granules le composant précédemment adsorbé. Sur la figure 1, illustrant schématiquement un adsorbeur à lits 2,3 superposés classiques, chaque lit est constitué sous la forme d'un volume de granules s'étendant en une couche approximativement plane présentant une certaine épaisseur ; le lit est disposé de manière à être pénétré par le fluide à traiter et de manière que ce fluide s'y écoule globalement dans la direction dans laquelle s'étend l'épaisseur du lit, c'est-à-dire ici verticalement et de bas en haut. Sur la figure 2, illustrant schématiquement un adsorbeur à lits 2,3 annulaires et concentriques, chaque lit est constitué sous la forme d'un volume de granules s'étendant en une couche approximativement en forme de tube par exemple cylindrique présentant une certaine épaisseur radiale ; le lit est également disposé de manière à être pénétré par le fluide à traiter et de manière que ce fluide s'y écoule globalement dans la direction dans laquelle s'étend l'épaisseur du lit, c'est-à-dire ici radialement et de façon centripète. Dans les deux cas, en l'absence de précaution particulière, en régime établi, l'adsorption est plus faible dans la région marginale du lit vis-à-vis du sens général d'écoulement du fluide. Plus précisément, dans le cas de la figure 1, l'adsorption est plus faible au voisinage de la périphérie de la couche de granules d'adsorbant, et dans le cas de la figure 2, elle est plus faible au voisinage des tranches d'extrémité du tube de granules. Par en l'absence de précaution particulière , on entend : lorsque le matériau est de manière classique identique en nature et en granulo- métrie dans tout le volume du lit. Il a été supposé et vérifié que cette plus faible adsorption est due à une régénération moins complète dans lesdites régions marginales du ou des lits, par suite de pertes thermiques par les parois et/ou d'une répartition non homo- gène des fluides en circulation. Aussi, selon l'invention, pour augmenter l'adsorption dans ces régions, il a été projeté d'y diminuer le débit par unité de surface (le flux), du fluide à épu- rer. La perte de charge étant, en première approximation, proportionnelle au dia- mètre des particules, selon l'invention, dans les régions marginales du lit 2,3, on dispose des granules 2B, 3B présentant une granulométrie plus faible que celle des granules 2A, 3A du reste du lit, de manière que l'écoulement de fluide globa- lement dans la direction de l'épaisseur du lit présente, dans ces régions margina- les, un débit plus faible que dans le reste du lit. Plus précisément, dans le cas de la figure 1, la granulométrie est choisie plus faible au voisinage de la périphérie de la couche de granules, et dans le cas de la figure 2, plus faible au voisinage des extrémités du tube de granules. En pratique, pour certains adsorbants et certaines géométries du lit, on peut choisir, pour le même lit, deux matériaux adsorbants de natures différentes et de granulométries différentes, le matériau utilisé dans la région marginale étant de meilleure qualité, dans les limites, bien entendu, d'un coût acceptable. Ainsi, dans le cas de deux lits concentriques (figure 2), dont un lit extérieur 2 d'alumine pour fixer l'eau et un lit intérieur 3 de tamis moléculaire pour fixer le C02 : - le lit 2 est entièrement constitué de granules 2A, 2B d'une même qualité d'alumine ; mais - le lit 3 est constitué, pour les granules courantes 3A, de zéolite de type 13X ayant un ratio Si/AI élevé, typiquement supérieur à 1,15 et, pour les granules marginales 3B, de zéolite de type 13X ayant un ratio SI/AI faible, typiquement inférieur à 1,15. A titre d'exemple indicatif, mais non limitatif, dans un cas tel que celui de la figure 1, pour un lit circulaire 2,3 présentant un diamètre d'environ 2 mètres, l'adsorbant secondaire peut s'étendre en forme de couronne circulaire sur une largeur mesurée radialement, d'une dizaine à une vingtaine de centimètres, cette largeur dépendant notamment de la granulométrie et de la nature des granules, des pertes thermiques, de l'épaisseur du lit, etc.. Quoi qu'il en soit, on désignera dans la suite les deux types de granu- les par les deux adsorbants , que les granules soient du même matériau ou de matériaux différents. Sur la figure 3, on considère un lit donné, par exemple le lit 2. On désigne par Ads (A) et Reg (A), respectivement, les capacités d'adsorption et de régénération des granules 2A d'adsorbant principal constituant la plus grande partie du lit, et Ads (B) et Reg (B), respectivement, les capacités d'adsorption et de régénération des granules 2B d'adsorbant secondaire constituant la partie marginale du lit. Ces valeurs sont des masses d'impuretés adsorbales par unité de vo- lume d'adsorbant, notées M/m3, et les valeurs correspondantes de température (en kelvins), pour le cycle TSA considéré, sont portées en abscisses. Sur la figure 3, les grandeurs Cap (A) et Cap (B) désignent les capacités de respiration des deux parties du lit : Cap (A) = Ads (A)-Reg (A), et Cap (B) = Ads (B)-Reg (B). Selon l'invention, pour minimiser les effets de bords, on choisit des adsorbants présentant des caractéristiques d'adsorption et de régénération telles que la différence entre les capacités d'adsorption et de régénération des granules (2B, 3B) de plus faible granulométrie est au moins égale à la différence entre les capacités d'adsorption et de régénération des autres granules (2A, 3A) que multiplie le rapport des débits volumiques respectifs correspondants. En effet, si cette relation est vérifiée, la région marginale du lit est au moins aussi efficace en adsorption que la région courante. Par ailleurs, si l'on désigne par Qads (A) et Qads (B), les quantités d'impuretés à adsorber par unité de volume d'adsorbant au cours de chaque cycle, exprimées en kg/m3, respectivement pour les deux adsorbants, et par dg (A) et dg (B), les diamètres respectifs des granules des deux adsorbants exprimés par exemple en millimètres, ces grandeurs sont liées, à pression constante, par la relation : Par conséquent, pour que, entre deux régénérations, l'adsorption par unité de volume d'adsorbant secondaire au voisinage dans la région marginale du lit, soit au moins égale à l'adsorption par unité de volume d'adsorbant principal du reste du lit, il est nécessaire que : Grâce à l'invention, l'imperfection des adsorbeurs connus, entraînant habituellement un surdimensionnement de ceux-ci, due aux effets de bords des lits à proximité des parois qui délimitent les lits est, non pas réellement éliminée, mais efficacement traitée, ce qui permet de réaliser une économie substantielle. Cette invention, selon laquelle l'adsorbant principal correspond à la fonction normale du lit, et l'adsorbant secondaire a une granulométrie plus faible limitant le débit le traversant, de préférence avec les relations quantitatives énoncées plus haut, est utilisable, de façon générale, dans de nombreux procédés de séparation ou d'épuration à adsorbeur (s) à modulation de température (TSA) ou à modulation de pression (PSA), à un ou plusieurs lits. REVENDICATIONS 1. Appareil d'adsorption pour adsorber au moins un composant d'un fluide pénétrant dans un boîtier (1) de l'appareil par une entrée (11) de fluide de celui-ci, ce boîtier contenant au moins un lit d'adsorption (2,3) constitué de maté- riau (x) adsorbant (s) sous la forme de granules disposé de manière à être pénétré par le fluide et de manière que ce fluide s'écoule dans le lit d'adsorption globalement dans la direction dans laquelle s'étend l'épaisseur du lit, caractérisé en ce que le lit (2,3) comporte, dans sa région marginale par rapport à la direction générale de circulation du fluide, des granules (2B, 3B) présentant une granulométrie plus faible que celle des granules (2A, 3A) du reste du lit d'adsorption. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un lit d'adsorption (2,3) constitué d'un seul matériau en granules de granulométries différentes. 3. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un lit d'adsorption (2,3) constitué d'au moins deux matériaux en granules de natures et de granulométries différentes. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux lits d'adsorption (2,3) pour adsorber des composants différents. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport (dg (B)/dg (A)) du diamètre des granules de plus faible granulométrie à celui des granules de plus forte granulométrie est au plus égal au rapport [Cap (B)/Cap (A)] des carrés des capacités de respiration des deux parties du lit.