Brevet FR2832078A1 — publié le 20030516

FILTRE A CHARBONS ACTIFS DE PURIFICATION DE GAZ, COMPRENANT UNE DESORPTION PAR CHAUFFAGE A INDUCTION DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un filtre de purification de gaz, dans lequel une adsorption des impuretés de gaz est produite sur un corps pouvant être constitué par des charbons actifs. De tels filtres sont d'un emploi usuel et comprennent, dans leur forme de réalisation la plus simple, une couche de la matière adsorbante à travers un conduit d'écoulement des gaz. Afin d'assurer une purification suffisante, on prévoit une épaisseur conséquente de la couche, de sorte que la cartouche composée du corps d'adsorption et de l'enveloppe qui contient ce corps prend une forme cylindrique que le gaz parcourt axialement. Plutôt que de remplacer le corps d'adsorption quand il est saturé, on réalise le plus souvent une opération de désorption des impuretés par chauffage, généralement au moyen d'une circulation de vapeur d'eau ou d'un gaz chaud, l'air en général. En effet, le chauffage des charbons actifs leur fait céder les impuretés qu'ils avaient adsorbées auparavant, et le courant de gaz à travers le filtre entraîne les impuretés et les achemine ailleurs. On a aussi eu l'idée de chauffer le corps d'adsorption par induction au moyen d'une bobine entourant la cartouche cylindrique qui est entièrement remplie. Cette conception paraît commode mais se heurte à l'impossibilité de chauffer de façon homogène le corps d'adsorption : les courants induits se concentrent en effet à la périphérie de la cartouche, près de la bobine, et le centre de la cartouche n'est chauffé ni par induction ni par conduction, la résistance thermique étant importante, de sorte qu'il ne bénéficie pas de la désorption et perd définitivement sa capacité d'adsorption une fois qu'il a été saturé. Comme la fonction d'échauffement dans la cartouche d'après le rayon mesuré de l'axe de la bobine a l'allure d'une exponentielle, presque nulle sur l'axe, faible sur la plus grande partie du rayon mais très élevée à la périphérie, il n'est pas possible d'obtenir un chauffage satisfaisant au centre sans le rendre excessif à la périphérie, ce qui explique qu'on ait proposé d'évider les cartouches chauffées ainsi en supprimant le corps d'adsorption autour de l'axe de la cartouche et en laissant soit un volume vide, soit un volume occupé par un barreau perméable aux champs magnétiques qui améliore un peu l'uniformité de l'induction. Cet art antérieur est illustré par le brevet français 2 739 305. Ce défaut d'uniformité de chauffage est d'autant plus prononcé que le rayon de la bobine est grand pour les fréquences de fonctionnement nouvelles, ce qui limite irrémédiablement la section des cartouches et le débit de gaz qu'elles peuvent purifier. La désorption par chauffage à induction n'a donc apparemment pas encore été employée dans l'industrie. L'invention concerne un filtre de purification de gaz comprenant une cartouche d'un corps d'adsorption d'impuretés du gaz, qui puisse vraiment être régénéré par désorption au moyen de l'induction électromagnétique produite par au moins une bobine disposée autour de lui, et ayant une grande capacité d'adsorption sans que l'efficacité de la régénération soit sacrifiée. La forme annulaire de la cartouche n'est pas modifiée, mais le trajet des gaz à purifier ou des gaz de désorption prend une direction nouvelle et en particulier radiale à travers le corps fragmenté d'adsorption, grâce à des perçages ménagés à des faces cylindriques, intérieure et extérieur, concentriques de l'enveloppe qui contient le corps et donne sa forme à la cartouche. Les gaz entrent dans la cartouche par une face latérale de l'enveloppe, qui présente une superficie plus grande que les faces d'extrémité et peuvent donc accueillir un débit plus grand de gaz, toutes conditions égales par ailleurs, grâce à la grande hauteur qu'on peut donner librement à la cartouche. Or il faut remarquer que le trajet radial à travers la cartouche implique un trajet plus court des gaz à travers le corps d'adsorption, et donc on pourrait s'attendre à une efficacité moindre de la purification. Cet inconvénient n'est toutefois pas définitif, car la diminution du trajet des gaz implique aussi une réduction de la perte de charge à travers le filtre : il devient possible, pour rétablir une bonne efficacité de purification des gaz, d'utiliser un corps d'adsorption divisé plus finement qu'on ne le faisait auparavant afin d'accroître la surface d'adsorption totale dans un volume donné et l'intimité du mélange du gaz et du corps d'adsorption, en renonçant ainsi à profiter de la réduction de perte de charge qui était offerte par le changement de trajet. Ces aspects de l'invention ainsi que d'autres seront mieux mis en évidence à la lecture de la description détaillée d'une réalisation de l'invention, qui est entreprise maintenant au moyen des figures suivantes : - la figure 1 est une vue en coupe d'un filtre conforme à l'invention, et la figure 2 est une autre vue en coupe, selon la ligne II-II de la figure 1. Un volume annulaire de corps adsorbant 1 est contenu entre une paroi cylindrique intérieure 2 et une paroi cylindrique extérieure 3 concentrique à la précédente. Ces parois 2 et 3 sont poreuses ou percées de nombreux petits orifices qui les rendent perméables aux gaz. Un disque de support 4 porte les parois 2 et 3, et la cartouche de corps adsorbant 1 est complétée par un couvercle 5 dans lequel les sommets des parois 2 et 3 sont sertis. De plus, un tube 6 entoure la paroi extérieure 3 en délimitant une chambre annulaire 7 avec elle ; une bobine inductrice 8 entoure le tube 6 sur toute la hauteur de l'adsorbant 1, et enfin une ceinture 9 de protection entoure la bobine 8. Le tube 6, la bobine 8 et la ceinture 9 sont joints ensemble par des moyens non représentés. Comme de coutume, la bobine 8 est au repos en période de purification du gaz mais active pour libérer les impuretés adsorbées en période de régénération. Le filtre dans son ensemble porte la référence 10 ; il est situé à la jonction de deux conduits 11 et 12 en prolongement, situés dans son axe X. Le conduit 12 se raccorde au disque de support 4 et l'autre conduit 11 se raccorde à un disque supérieur 13 situé au-dessus du couvercle 5, auquel il est relié par des barres 14 axiales de maintien comprenant des bagues souples 15. Deux plaques 16 et 17 sont prévues aux disques 4 et 13 et sont reliées par des tirants 18 parallèles à l'axe X qui, quand ils sont boulonnés, approchent les plaques 16 et 17 et donc les disques 4 et 13 l'un de l'autre. Les bagues souples 15 subissent alors un certain écrasement de la part d'une plaque supérieure 19 montée au sommet du couvercle par des boulons 20. Tout cet agencement permet aussi de retenir le tube 6, en pesant sur des joints d'étanchéité 21 et 22 situés sur et sous lui et en contact aussi avec les disques 13 et 4 pour produire un serrage élastique et étanche. Les parois 2 et 3, de même que le tube 6 ne sont pas conducteurs de l'électricité. Le champ magnétique d'induction doit cependant parvenir dans le filtre et le corps adsorbant 1. Un barreau perméable aux champs magnétiques 23 peut être disposé au coeur du filtre 10, dans une partie d'une chambre centrale 24 entourée par la paroi intérieure 2. La ceinture 9 est en un matériau formant un blindage magnétique. Le gaz à purifier traverse le filtre 10 en venant du conduit 11 supérieur pour entrer dans une ouverture 25 du couvercle supérieur 13, fait un coude pour contourner le couvercle 5 dans une chambre de divergence 26 comprise entre celui-là et le disque supérieur 13, puis il reprend un trajet axial dans la chambre annulaire 7 avant de s'écouler par la paroi extérieure 3, le corps adsorbant 1 et la paroi intérieure 2 ; il est alors arrivé dans la chambre centrale 24, où il reprend un trajet axial qui le fait traverser une ouverture 27 centrale du disque de support 4 avant de joindre le conduit inférieur 12. Le sens radial centripète est préféré, car l'encrassement touche d'abord les couches extérieures de l'adsorbant 1 qui sont les plus faciles à régénérer par chauffage comme on l'a déjà signalé. Le gaz de purification effectue le même trajet dans le même sens ou dans le sens opposé, mais l'écoulement radial centripète peut aussi être préféré pour lui, surtout si le barreau 23 est omis, puisque l'échange de chaleur par convection dans le corps adsorbant 1 a alors pour effet d'uniformiser la température puisque le gaz passe d'abord par les régions les plus chaudes du corps adsorbant 1. Le corps absorbant 1 est de nature poreuse. Il peut être constitué de : e charbon actif en grains de formes irrégulières de taille caractéristique de l'ordre de 0,5 à 5 mm par exemple, les petites tailles étant plus avantageuses ; e charbon actif en bâtonnets de forme sensiblement cylindrique de rayon de l'ordre de 1 mm et de longueur de l'ordre de quelques mm, les petites tailles étant plus avantageuses ; a charbon actif provenant de la carbonisation de matériaux polymères, par exemple du polymère polystyrène-dininyl benzène (polymère servant de base à la réalisation des matériaux échangeurs d'ions), se présentant sous la forme de billes sensiblement sphériques, de diamètre de l'ordre de 0,2 mm à 2 mm, les petits diamètres étant plus avantageux. Dans une configuration avantageuse, toutes les billes constituant le corps ont des diamètres voisins de façon à réaliser une structure poreuse aussi homogène que possible ; * charbon actif en structure monolithique percée, en nid d'abeille notamment ; e tissus de charbon actif, se présentant sous la forme macroscopique d'un tissu habituel pour vêtement ou ameublement, d'épaisseur de l'ordre de 0,5 à 1 mm, constitué de fils de diamètre de l'ordre de 0,5 mm, fils eux-mêmes constitués de fibres de carbone activé de diamètre de l'ordre de 1 à 30 micromètres. Ces tissus sont généralement obtenus par carbonisation de tissus de fibres de polymères. Dans le cas de l'utilisation de tissus de charbon actif, la constitution du corps adsorbant est réalisée très avantageusement de la façon suivante : Une bande de tissu de largeur égale à la hauteur du corps adsorbant que l'on veut réaliser est enroulée autour de la paroi 2, formant ainsi plusieurs couches dans le sens radial jusqu'à obtenir l'épaisseur nécessaire à atteindre la paroi 3. L'avantage de cette configuration utilisant du tissus est que, les courants induits se propageant dans le corps adsorbant dans de façon circulaire entre les parois 2 et 3, ils se propagent donc dans un milieux continu constitué par la bande de tissus. Ceci conduit à un chauffage plus homogène du corps adsorbant. En outre la faible dimension des fibres de carbone permet d'accroître considérablement la surface de contact entre le gaz et le corps adsorbant dans un volume donné, ce qui augmente l'efficacité de capture des molécules que l'on veut retenir. Une disposition avantageuse de l'invention est de pouvoir effectuer le chauffage du crops adsorbant et l'écoulement du gaz de purification indépendamment l'un de l'autre. Ceci est impossible avec les procédés traditionnels de désorption à la vapeur d'eau ou à l'air chaud, car ce sont ces gaz de purification qui échauffent eux-mêmes le corps adsorbant. Ainsi, dans une mise en oeuvre préférentielle de l'invention, on commence par chauffer le corps adsorbant sans réaliser l'écoulement de gaz de purification, puis, quand un niveau d'échauffement désiré est atteint, on commence à écouler le gaz de purification, avec ou sans continuation de l'échauffement par induction. On obtient ainsi des concentrations des gaz désorbés plus importantes que si l'on réalise l'écoulement en même temps que le démarrage de l'échauffement. Ces concentrations importantes sont particulièrement avantageuses dans le cas où les molécules désorbées sont des composés organiques volatils car il est alors plus facile de les condenser pour les récupérer ou les évacuer. De plus, les corps désorbés peuvent être nuisible dans l'eau ou non, ce qui n'est pas vrai avec les procédés usuels de désorption à la vapeur d'eau. REVENDICATIONS 1. Filtre de purification de gaz, comprenant une cartouche annulaire d'un corps (1) d'adsorption d'impuretés du gaz, une enveloppe (2,3) contenant le corps, et au moins une bobine inductrice (8) de désorption du corps disposée autour de l'enveloppe, caractérisé en ce que l'enveloppe est percée à des faces cylindriques intérieure et extérieure concentriques pour instaurer une circulation radiale du gaz à travers le corps. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un tube (6) séparant la face cylindrique extérieure (3) de l'enveloppe de la bobine inductrice (8) et délimitant avec ladite face extérieure cylindrique (3) une chambre annulaire (7) d'écoulement du gaz. 3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des ouvertures d'entrée et de sortie en prolongement (25,27) orientées axialement par rapport à l'enveloppe, l'une des ouvertures débouchant entre la face cylindrique extérieure et la paroi cylindrique par une chambre de divergence (26), l'autre des ouvertures débouchant dans une chambre centrale (24) contenue dans la face cylindrique intérieure. 4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps d'adsorption est en grains, en bâtonnets ou en billes. 5. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps d'adsorption est une structure monolithique. 6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps d'adsorption est un tissu enroulé en plusieurs couches autour d'une portion intérieure (2) de l'enveloppe. 7. Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le chauffage par induction par la bobine précède la circulation du gaz.