Brevet FR2879941A1 — publié le 20060630

La présente invention a pour objet un procédé de traitement d'effluents gazeux et une installation pour sa mise en oeuvre. La réglementation est actuellement de plus en plus stricte en ce qui concerne les valeurs limites d'émission dans l'atmosphère de différents composés, notamment les composés organiques volatiles, les oxydes d'azote, les composés cancérigènes, mutagènes, et toxiques pour la reproduction. Si la réduction de ces composés à la source est privilégiée, certains solvants ne peuvent être substitués à cause de leurs propriétés physicochimiques spécifiques. Les émissions gazeuses posent donc un problème important qui reste à traiter. Il existe différentes possibilités de traitement des effluents gazeux contenant des solvants. Une première solution consiste à réaliser leur destruction par des traitements thermiques, ou catalytiques notamment. Toutefois ces traitements mettant en oeuvre des élévations de température ne peuvent pas être réalisés en atmosphère explosive. Une autre solution consiste à mettre en oeuvre une biofiltration. Toutefois cette technique ne permet la récupération que de particules de taille importante et n'offre qu'une efficacité moyenne avec un rendement de l'ordre de 80%, ce qui est sensiblement en-dessous des normes en vigueur actuellement. D'autres solutions de récupération des effluents gazeux contenant des solvants sont connues mettant en oeuvre des opérations de condensation, d'absorption, de passage sur des membranes, et d'adsorption. Toutefois, ces opérations sont généralement effectuées de façon isolée, et ne permettent pas d'atteindre des rendements suffisants. II est connu par le document CH 673 592, de réaliser l'épuration d'effluents gazeux. Ce dispositif met essentiellement en oeuvre et en première position dans la chaine de traitement une pompe à anneau liquide. Compte tenu de l'aspect corrosif des effluents gazeux de différentes natures, le positionnement d'une pompe à anneau liquide comme premier traitement dans un processus d'épuration montre qu'il s'agit d'une installation adaptée au traitement d'un seul solvant. L'utilisation d'un tamis moléculaire confirme l'hypothèse selon laquelle le procédé mis en oeuvre est spécifique à un type bien précis d'effluent à traiter. 2879941 2 Le document DE 39 25 343 concerne un équipement pour les brasseries, mettant en oeuvre une opération de condensation et une opération d'adsorption. Cette installation permet de traiter une charge précise selon un procédé qui fonctionne de façon discontinue. Le document US 5 584 911 concerne un dispositif de traitement d'effluents dans lequel le type de solvant est restreint aux hydrocarbures. Le traitement des effluents gazeux ne comporte qu'une seule étape basée sur l'adsorption. En outre, lors des phases de désorption, le solvant issu de la régénération des adsorbants est recyclé dans la cuve de stockage initial. Ce système est donc spécifique à un équipement (une seule cuve) pour un seul type d'application: la pétrochimie. Le problème technique à la base de l'invention est de réaliser le traitement d'effluents de différentes natures, c'est-à-dire contenant différents types de solvants, avec les problèmes de corrosion qui y sont associés. Ce problème technique est résolu par un procédé caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser: 1. une opération de condensation de l'effluent gazeux, 2 une opération consistant à réaliser un mélange diphasique du gaz et d'un liquide, puis la séparation du gaz et du liquide et 3. au moins une opération d'adsorption effectuée sur le gaz, les opérations 2 et 3 pouvant être inversées. Suivant un premier mode de mise en oeuvre, ce procédé consiste à réaliser: 1. une opération de condensation de l'effluent gazeux, 2 une opération consistant à réaliser un mélange diphasique du gaz et d'un liquide, puis la séparation du gaz et du liquide et 3. au moins une opération d'adsorption effectuée sur le gaz, Selon un autre mode de mise en oeuvre, ce procédé consiste à réaliser: 1. une opération de condensation de l'effluent gazeux, 2 une opération d'adsorption effectuée sur le gaz. 3 une opération consistant à réaliser un mélange diphasique du gaz et d'un liquide, puis la séparation du gaz et du liquide et 4. éventuellement une seconde opération d'adsorption effectuée sur le gaz. 2879941 3 L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un dispositif de condensation de l'effluent gazeux à traiter, - un dispositif de mélange du gaz avec un liquide de neutralisation et de séparation du gaz et de liquide, et - au moins un dispositif d'adsorption destiné à être traversé par le gaz. Cette installation est caractérisée en ce que le dispositif de condensation comprend, d'amont en aval dans le sens de circulation de l'effluent gazeux: - un premier condenseur alimenté par un liquide, tel que de l'eau, à température positive de 0 à 25 C et - un second condenseur ou post-condenseur, alimenté par un liquide, tel que saumure, eau glycolée ou huile silicone à une température négative, jusqu'à -35 C. Le rôle du condenseur est important puisqu'il constitue la première opération de récupération des solvants, permettant de récupérer plus de 80% de ceux-ci. Grâce à son efficacité, les opérations postérieures jouent un rôle de finition pour les composés très volatils. Avantageusement, chaque condenseur est un condenseur à plaques soudées en multi-circuit. Cette solution technique permet d'augmenter les surfaces d'échange entre les liquides de refroidissement et le gaz, en limitant l'encrassement. Les matériaux constitutifs du condenseur sont des matériaux nobles résistant à la corrosion, par exemple des alliages à base de titane. Suivant un autre aspect de l'invention et suivant une première forme d'exécution le dispositif de mélange du gaz avec un liquide de neutralisation comprend une pompe à anneau liquide avec deux entrées, respectivement pour l'effluent gazeux en provenance du dispositif de condensation et pour un liquide de neutralisation, le mélange diphasique étant amené à un séparateur cyclonique, séparant la phase gazeuse et la phase liquide, cette dernière étant amenée à un rétenteur ou bac de décantation assurant la séparation des liquides de densités différentes, le liquide de neutralisation, contenant éventuellement des solvants, étant recyclé vers la pompe à anneau liquide. 2879941 4 La mise en oeuvre d'une pompe à anneau liquide permet de remplir plusieurs fonctions: Elle permet de descendre en pression par atteinte de vide de l'ordre de 33 mbar. Elle permet d'assurer la bonne circulation des fluides dans l'installation. Elle permet de mettre en contact l'effluent gazeux chargé en composés organiques volatils, c'est-à-dire en solvants incondensables avec un liquide froid constitué par une phase aqueuse neutre, ou légèrement basique ou acide. Cet agencement permet aussi de favoriser un transfert de matières entre les phases gazeuse et liquide mais aussi un léger transfert thermique, l'échauffement mécanique de la pompe étant refroidi par le liquide. En sortie de la pompe à anneau liquide, le mélange diphasique gaz et liquide est transféré vers un séparateur cyclonique. Le liquide est évacué par gravité à partir de la base du cyclone, alors que la phase gazeuse est évacuée à la partie supérieure du cyclone. Le liquide évacué à la base du cyclone est transféré dans un rétenteur appelé bac de décantation, où peut se trouver un déflecteur destiné à atténuer les turbulences. A l'intérieur de ce bac de décantation, il est procédé à la séparation entre des liquides de densités différentes. Dans le cas où certains solvants ne sont pas miscibles dans une phase aqueuse, on obtient deux phases liquides dans le décanteur. Deux piquages réglables à des niveaux différents permettent de récupérer ces deux phases liquides. La phase liquide constituée par le liquide de neutralisation, est recyclée vers la pompe à anneau liquide. Lorsque les solvants sont miscibles dans la phase aqueuse, le liquide recyclé dans la pompe à anneau liquide, se déplaçant en boucle dans l'installation, va avoir tendance à se saturer au fur et à mesure de son utilisation. Il est donc prévu un système d'appoint de liquide neuf et un système de purge pour éviter la saturation totale et évacuer le liquide saturé qui est soit retraité soit incinéré. Le liquide ayant été en contact avec un fluide légèrement plus chaud, s'est réchauffé. En sortie du bac de décantation un échangeur tubulaire permet de récupérer les calories afin de favoriser le transfert de matières entre les phases liquide et gazeuse au niveau de la pompe. 2879941 5 Suivant une autre caractéristique de l'invention le circuit d'effluent gazeux comprend, en amont de la pompe à anneau liquide, un éjecteur traversé par l'effluent gazeux, et alimenté au niveau d'un cône de Venturi par une partie de la phase gazeuse sortant du séparateur cyclonique qui sert de fluide moteur. Cet agencement permet d'atteindre des dépressions plus importantes, permettant de passer d'une dépression de l'ordre de 33 mbar à 10 mbar au moins au niveau de l'aspiration de l'éjecteur. Un ou plusieurs roots peuvent être placés en amont de l'éjecteur 10 sur le circuit d'effluent gazeux, pour atteindre des dépressions plus importantes. Un clapet anti-retour peut être disposé entre l'éjecteur et la pompe à anneau liquide, afin d'éviter toute remontée de la phase liquide dans le reste de l'installation. Suivant une autre forme d'exécution de cette installation, le dispositif de mélange du gaz avec un liquide de neutralisation comprend, sur le circuit d'effluent gazeux, une pompe sèche et un réservoir qui, disposé en aval ou en amont de la pompe, contient du liquide de neutralisation, l'effluent gazeux étant amené au fond du réservoir, barbottant au contact du liquide de neutralisation et sortant à la partie haute du réservoir. Des solvants dissous forment une couche qui peut être récupérée par soutirage. En outre, dans cette installation le ou chaque dispositif d'adsorption comprend une tour verticale de section circulaire réalisée en un matériau résistant à la corrosion, ainsi qu'à la pression, tel que de l'acier inoxydable, avec une entrée d'effluents gazeux dans sa partie supérieure et une sortie dans sa partie inférieure, la tour contenant plusieurs poches superposées, chacune d'une section correspondant à celle de la tour, chaque poche étant réalisée en un matériau poreux résistant à la corrosion et contenant un média adsorbant. Avantageusement, les poches sont réalisées en non-tissé de polypropylène ou de polytétrafluoréthylène. Suivant une caractéristique de l'invention, le média est adsorbant hydrophobe, choisi parmi les charbons actifs, standards ou imprégnés, 35 zéolithes, alumines... 2879941 6 Afin de parfaire l'épuration, notamment lorsque l'effluent gazeux contient plusieurs solvants, les différentes poches contiennent des médias identiques ou différents. Suivant un autre aspect de l'invention la tour est équipée, à proximité de son extrémité inférieure, mais au-dessus de l'orifice de sortie du gaz d'une grille de support des poches, dont le facteur d'ouverture, destiné à générer des pertes de charge est fonction du débit gazeux, en variant proportionnellement à celui-ci, afin d'uniformiser la distribution du gaz dans la tour. Le facteur d'ouverture de la grille, obtenu par des perforations est variable suivant le fait que la tour dont il s'agit est située en amont du séparateur cyclonique, ou en aval de celui-ci. Dans le cas où la tour d'absorption est située en amont de la pompe, le débit est important, et la grille n'a qu'un rôle de support des poches contenant les médias. Les ouvertures sont donc largement dimensionnées. Au contraire, lorsqu'une tour est placée en aval de l'installation, la grille doit générer des pertes de charge, afin d'uniformiser la distribution du gaz dans le lit de média compte tenu du faible débit de gaz. Avantageusement la tour est équipée de moyens de contrôle de 20 saturation des médias adsorbants par prélévement mécanique ou par une mesure en ligne de la quantité de carbone dans le gaz. Lorsque des grains de média sont prélevés par une ouverture de prélèvement ménagée dans la tour, les grains subissent une opération de désorption par thermogravimétrie ou autre, pour contrôler une éventuelle saturation. II est également possible de procéder à une mesure en ligne de la quantité de carbone dans le gaz, par exemple par un détecteur de photoionisation. Chaque tour est équipée d'un dispositif de contrôle de la température et d'une entrée d'azote, prévue à titre de sécurité dont 30 l'alimentation peut être activée en cas de départ de feu. Avantageusement, la tour est fermée par un couvercle amovible et est montée pivotante sur un châssis, autour d'un axe horizontal situé sensiblement à mi-hauteur. Lorsque le média adsorbant est saturé, il est possible après déconnexion de la tour, et ouverture du couvercle, de basculer celle-ci, au 2879941 7 moins à l'horizontal, pour permettre le retrait des poches contenant le média. La tour est ensuite remplie par de nouvelles poches. Il est avantageux de monter deux tours en parallèles, afin de permettre un fonctionnement en continu de l'installation en commutant d'une tour sur une autre, lorsqu'une tour est en position de changement des poches contenant les médias adsorbants. De toute façon l'invention sera bien comprise, à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemples, non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de cette installation. Figure 1 est une vue d'un schéma représentant une première installation; Figure 2 est une vue d'un schéma représentant une seconde installation; Figure 3 est une vue de détail de deux tours d'adsorption. La figure 1 représente une installation pour le traitement d'effluents gazeux contenant des solvants, comprenant d'amont en aval un dispositif de condensation 2, une tour d'adsorption 3, un dispositif 4 de réalisation d'un mélange diphasique de gaz et de liquide puis la séparation du gaz et du liquide, et une seconde tour d'adsorption 3. Le dispositif de condensation comprend deux condenseurs, un premier condenseur 5, alimenté par un liquide à température positive, et un second condenseur 6, disposé en aval, alimenté par un liquide à température négative. L'entrée de l'effluent gazeux est désignée par la référence 7, et la sortie des composés organiques volatiles liquides est désignée par la référence 8. En partie haute, l'effluent gazeux contenant des solvants sort par une conduite 9, qui l'amène à la partie supérieure d'une tour d'adsorption 3, qui sera décrite plus en détails ci-après. L'effluent gazeux sort de la partie inférieure de la tour d'adsorption 3 et est amené par un conduit 10 jusqu'à un éjecteur 12. L'effluent gazeux est amené à partir de cet éjecteur 12 à une pompe à anneau liquide 13, via un clapet 12 b. Un gaz vecteur est amené par un conduit 14. La pompe à anneau liquide 13 reçoit d'une part l'effluent gazeux en provenance de l'éjecteur 13, et d'autre part un liquide de neutralisation amené par un conduit 15. Un mélange diphasique gaz-liquide sort de la pompe à anneau liquide par un conduit 16. 2879941 8 Ce mélange est amené à un séparateur cyclonique 17, dans lequel la phase liquide est recueillie en partie basse, et la phase gazeuse sort par un conduit 18 en partie haute. Une partie significative du gaz du conduit 18 est amenée au conduit 14 de retour vers l'éjecteur. L'autre partie du gaz est amenée par un conduit 19 en partie haute de la seconde tour d'adsorption 3, le gaz ressortant de cette tour par un conduit 20 avec possibilité d'échappement dans l'atmosphère dans la mesure où il est purifié à presque 100%. La phase liquide recueillie à la base du cyclone 17 est amenée par gravité dans un rétenteur ou bac de décantation 22, ce bac comportant deux orifices de purge 23 et 24 réglables verticalement, l'orifice de purge 24 (ou 23) permettant de soutirer les composés organiques 5 volatils liquides, alors que l'orifice de purge 23 (ou 24) permet de recueillir le liquide de neutralisation lorsque celui-ci est saturé en solvants. Il est prévu également en partie haute du bac 22 un orifice de remplissage 25 en liquide de neutralisation. La partie inférieure du bac 22 est reliée à un conduit 26 ramenant le liquide de neutralisation à la pompe à anneau liquide après passage dans un échangeur thermique 27. La figure 2 représente une seconde installation dans laquelle les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références que précédemment. L'installation de la figure 2 diffère de celle de la figure 1 par le fait que l'ensemble constitué par la pompe à anneau liquide, le cyclone, le bac de décantation et le conduit de retour vers la pompe à anneau liquide, est remplacé par une pompe sèche 28, amenant l'effluent gazeux par un conduit 29 à la base d'un réservoir 30 contentant un liquide de neutralisation. L'effluent gazeux barbote dans le liquide de neutralisation et sort du réservoir 30 par un conduit 32 qui l'amène à une tour d'adsorption 3. Le réservoir 30 est muni de deux orifices de purge réglables, un orifice inférieur 33, un orifice intermédiaire 34 permettant de soutirer les solvants dissous ou le liquide de neutralisation dans le liquide, et comporte un orifice 35 de remplissage en liquide de neutralisation. La figure 3 représente deux tours d'adsorption qui sont montées en parallèle. Chaque tour 3 comprend un corps cylindrique 36 de section circulaire, réalisé par exemple en acier inoxydable, comportant deux raccords d'entrée, respectivement un raccord 37 pour l'effluent gazeux et un raccord 38 pour une alimentation de sécurité en azote. La tour est équipée, à son 2879941 9 extrémité inférieure d'un raccord 39 pour la sortie du gaz. Comme montré au dessin, les raccords sont fixés sur un couvercle 40 qui obture la partie supérieure du corps tubulaire. Sur le corps tubulaire, sont fixés deux axes horizontaux et coaxiaux, constitués par des tourillons, situés sensiblement à mi-hauteur du corps, permettant un montage pivotant de la tour sur un châssis non représenté au dessin. A proximité de l'extrémité inférieure de la tour, et au-dessus du raccord 39, est disposée une grille 43. Sur cette grille 43 repose un empilement de poches 44, chacune de 10 section circulaire correspondant à la section intérieure de la tour. Ces poches contiennent les médias absorbants. La mise en oeuvre de cette tour est réalisée de la façon indiquée précédemment. Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante, en fournissant un procédé et une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé qui est de structure compacte, qui permet un traitement en continu d'effluents chargés en solvants de différentes natures, en s'adaptant à différents secteurs d'activité, notamment au secteur de la chimie, de la mécanique, pour le traitement des effluents utilisés dans ce domaine, de la peinture prise au sens large (colles, adhésifs, résines, colorants..) ou des caoutchoucs (pneumatiques, joints). Cette installation peut s'adapter à différents types de productions, travaillant de façon discontinue ou continue, avec des conditions d'utilisation variables, tant en pression qu'en température. Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette installation, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi notamment que l'installation pourrait ne comporter qu'une tour d'adsorption disposée soit juste après le condenseur, soit complètement en aval, en fin de traitement, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'effluents gazeux contenant des solvants, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser: 1. une opération de condensation (2) de l'effluent gazeux, 2. une opération (13-27, 28-35) consistant à réaliser un mélange diphasique du gaz et d'un liquide, puis la séparation du gaz et du liquide et 3. au moins une opération d'adsorption (3) effectuée sur le gaz, 10 les opérations 2 et 3 pouvant être inversées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser: 1. une opération de condensation (2) de l'effluent gazeux, 2 une opération (13-27, 28-35) consistant à réaliser un mélange diphasique du gaz et d'un liquide, puis la séparation du gaz et du liquide et 3. au moins une opération d'adsorption (3) effectuée sur le gaz. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser: 1. une opération de condensation (2) de l'effluent gazeux, 2 une opération d'adsorption (3) effectuée sur le gaz, 3 une opération (13-27, 28-35) consistant à réaliser un mélange diphasique du gaz et d'un liquide, puis la séparation du gaz et du liquide et 4. éventuellement une seconde opération d'adsorption effectuée sur le gaz. 4. Installation de traitement d'effluents gazeux pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un dispositif (2) de condensation de l'effluent gazeux à traiter, - un dispositif (13-27, 28-35) de mélange du gaz avec un liquide de neutralisation et de séparation du gaz et de liquide, et 25 2879941 11 - au moins un dispositif d'adsorption (3) destiné à être traversé par le gaz. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le 5 dispositif de condensation (2) comprend, d'amont en aval dans le sens de circulation de l'effluent gazeux: - un premier condenseur (5) alimenté par un liquide, tel que de l'eau, à température positive de 0 à 25 C et - un second condenseur (6) ou post-condenseur, alimenté par un 10 liquide, tel que saumure, eau glycolée ou huile silicone à une température négative, jusqu'à -35 C. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque condenseur (5,6) est un condenseur à plaques soudées en mufti-15 circuit. 7. Installation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le dispositif de mélange du gaz avec un liquide de neutralisation comprend une pompe à anneau liquide (13) avec deux entrées respectivement pour l'effluent gazeux en provenance du dispositif de condensation et pour un liquide de neutralisation, le mélange diphasique étant amené à un séparateur cyclonique (17) séparant la phase gazeuse et la phase liquide, cette dernière étant amenée à un rétenteur ou bac de décantation (22) assurant la séparation des liquides de densités différente, le liquide de neutralisation contenant éventuellement des solvants, étant recyclé vers la pompe à anneau liquide(13). 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que le circuit d'effluent gazeux comprend, en amont de la pompe à anneau liquide, un éjecteur (12) traversé par l'effluent gazeux, et alimenté au niveau d'un cône de Venturi par une partie de la phase gazeuse sortant du séparateur cyclonique (17) qui sert de fluide moteur. 9. Installation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le dispositif de mélange du gaz avec un liquide de neutralisation comprend, sur le circuit d'effluent gazeux une pompe sèche (28) et un réservoir (30) qui, disposé en aval ou en amont de la pompe, contient du liquide de neutralisation, l'effluent gazeux étant amené au fond du réservoir, barbottant au contact du liquide de neutralisation et sortant à la partie haute du réservoir. 10. Installation selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisée en ce que le ou chaque dispositif d'adsorption (3) comprend une tour verticale (36) de section circulaire réalisée en un matériau résistant à la corrosion, ainsi qu'à la pression, tel que de l'acier inoxydable, avec une entrée (37) d'effluents gazeux dans sa partie supérieure et une sortie (39) dans sa partie inférieure, la tour contenant plusieurs poches (44) superposées, chacune d'une section correspondant à celle de la tour, chaque poche (44) étant réalisée en un matériau poreux résistant à la corrosion et contenant un médium adsorbant. 11. Installation selon la revendications 10, caractérisée en ce que 15 les poches (44) sont réalisées en non-tissé de polypropylène ou de polytétrafluoréthylène. 12. Installation selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que les médias sont des adsorbants hydrophobes choisis parmi les 20 charbons actif, standards ou imprégnés, zéolithes, alumines.. . 13. Installation selon la revendications 12, caractérisée en ce que les différentes poches (44) contiennent des médias identiques ou différents. 14. Installation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la tour (36) est équipée, à proximité de son extrémité inférieure, mais au-dessus de l'orifice de sortie du gaz, d'une grille (43) de support des poches (44), dont le facteur d'ouverture, destiné à générer des pertes de charge est fonction du débit gazeux, en variant proportionnellement à celui-ci, afin d'uniformiser la distribution du gaz dans la tour. 15. Installation selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que la tour (36) est équipée de moyens de contrôle de saturation du média adsorbant par prélévement mécanique ou par une mesure en ligne de la quantité de carbone dans le gaz. 2879941 13 16. Installation selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que la tour (36) est fermée par un couvercle amovible (40) et est montée pivotante sur un châssis, autour d'un 'axe horizontal (42) situé sensiblement à mi-hauteur.