Brevet FR2887783A1 — publié le 20070105

L'invention porte sur une structure plane formée d'une matrice supportant un ou plusieurs matériaux à changement de phase (MCP) et son utilisation dans une installation de séparation ou purification de gaz, en particulier une unité PSA, TSA ou VSA. Les unités PSA ou VSA permettent de séparer des gaz par cyclage en pression du gaz à traiter à travers un lit d'adsorbant (zéolithe, charbon actif...). L'adsorption est un phénomène exothermique. Or, les effets thermiques qui résultent de l'enthalpie d'adsorption ont deux conséquences sur la température dans le lit, à savoir une stabilisation, en régime établi, d'un profil de température moyen, avec un point froid en entrée, et une propagation, à chaque cycle, d'une onde de chaleur à l'adsorption limitant l'adsorption et d'une onde de froid à la désorption limitant la désorption. Dans les unités de séparation actuelles, le profil moyen de température est optimisé. L'effet thermique limitant est le phénomène cyclique local de battements en température, comme le rappelle le document EP-A-1888470. Une solution consiste à ajouter dans le lit un matériau à changement de phase (MCP). De cette manière, au moins une partie de la chaleur d'adsorption et de désorption est absorbée sous forme de chaleur latente par le MCP. Cependant, le saupoudrage de MCP pulvérulent sur les billes agglomérées pose des problèmes de mélangeage, comme indiqué par le document US-4,971,605. De plus, le matériau, dans ce cas, est soumis aux flux de gaz et peut donc peu à peu sortir du système. En regard de cette limitation, l'encapsulation du MCP dans des microsphères de l'ordre de quelques micromètres de diamètre permet d'avoir recours à une mise en forme dans une matrice support. Le problème qui se pose toutefois est la forme de cette matrice et son incorporation homogène dans un lit d'adsorbant, de catalyse ou analogue, qui puisse être utilisé dans une installation de type PSA, TSA, VSA, un réacteur catalytique ou similaire. La solution de l'invention est alors une structure plane comprenant une matrice et au moins un matériau à changement de phase (MCP). Selon le cas, la structure plane de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - elle a une forme de feuille ou de plaque, de préférence elle est rigide. - elle est formée essentiellement d'un ou plusieurs MCP. - elle a une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 40 mm. - la matrice est en tissu, en métal ou polymère. - le ou les MCP sont déposés, retenus ou imprégnés sur la matrice. L'invention porte aussi sur une installation de séparation ou de purification de gaz comprenant au moins un récipient de traitement de gaz, caractérisée en ce que ledit récipient comprend au moins une structure plane selon l'invention, de préférence plusieurs structures planes. Selon le cas, l'installation de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le récipient est un adsorbeur ou un réacteur catalytique comprenant plusieurs structures planes espacées les unes des autres par des inter-espaces, chaque inter-espace comprenant au moins un matériau adsorbant ou au moins un matériau catalytique, de préférence un matériau adsorbant ou catalytique se présentant sous forme de particules. - l'adsorbeur ou le réacteur a une forme cylindrique ou conique et lesdites structures planes sont agencées radialement dans l'adsorbeur ou le réacteur, de préférence l'adsorbeur comporte un passage axial central. - lesdites structures sont agencées dans un ou plusieurs modules, lesdits modules étant agencés dans au moins un adsorbeur ou au moins un réacteur catalytique. L'invention concerne aussi un procédé de séparation de purification de gaz, dans lequel on met en oeuvre une installation selon l'une des revendications 7 à 10, de préférence un procédé d'adsorption de type PSA, VSA ou TSA. Le gaz à traiter est de l'air, un mélange H2/CO3 un gaz de synthèse, un gaz résiduel de combustion. Le gaz produit est un gaz choisi parmi N2, 02, H2, CO2, argon et CO. L'invention va être exposée plus en détail en référence aux figures illustratives annexées. La figure 1 schématise une mise en oeuvre dans un adsorbeur 1 de panneaux 2 selon l'invention incorporant des micro-capsules de MCP. Dans l'adsorbeur radial, ces panneaux 2 sont disposés verticalement et radialement, et espacés de telle manière qu'ils soient répartis de manière homogène dans une section du lit de billes d'adsorbant 3. La fabrication d'un adsorbeur 1 radial selon l'invention consiste à disposer deux viroles concentriques 4,5 et perméables aux gaz, et à disposer entre les deux viroles 4,5 des panneaux 2 de tissus contenant des MCP. Comme illustré sur les figures 2a à 2c, ces panneaux 2 sont espacés régulièrement à l'aide de butées 6 intercalaires. Une fois que tous les panneaux 2 sont installés, on verse l'adsorbant 3 entre les deux viroles 4,5 dans les espaces ménagés entre les panneaux 2. Afin d'optimiser le remplissage, l'adsorbeur 1 peut être soumis à des vibrations lors de l'opération. Cette pratique permet d'obtenir des adsorbeurs 2 modulaires 7. Chaque ensemble ou module 7 est constitué de deux viroles 4,5, des panneaux 2 et de l'adsorbant 3 constitue une tranche du lit final. Ces ensembles sont alors empilés de manière à obtenir la hauteur du lit final (Fig. 3). Pour éviter les bipasses entre deux modules 7, on prévoit une zone 8 d'emboîtement de deux modules 7 successifs l'un dans l'autre (Fig. 3). L'invention, consistant à insérer des panneaux 2 contenant des MCP dans un lit d'adsorbant, est également applicable aux lits axiaux. Les panneaux selon l'invention sont soit en tissu, soit en métal, soit en polymère. Les panneaux de métal peuvent être fabriqués par imprégnation de ceux-ci avec une couche de vernis ou peinture contenant dans sa formulation les microcapsules de MCP. Les panneaux en polymère ou en tissu peuvent être fabriqués soit par imprégnation, soit par moulage direct du matériel fondu contenant dans sa formulation les microcapsules de MCP. Les panneaux en polymère ou en tissu peuvent être plaqués par deux feuilles de métal de part et d'autre, de manière à éviter des contacts directs entre les PCM et le gaz de procédé. Enfin, l'épaisseur et la structure microporeuse (porosité, tortuosité) des panneaux sont optimisées de manière à obtenir dans ces panneaux une cinétique de diffusion de matière dans les matériaux adsorbants. Le volume total occupé par les panneaux contenant le PCM représente entre 5 et 20% du volume total de l'adsorbeur (tamis + panneaux). Afin d'assurer un bon contact entre ces panneaux et l'adsorbant, il est préférable que l'inter-espace entre deux panneaux successifs soit compris entre 1 mm et 20 mm du côté de la virole intérieure, préférentiellement entre 2 mm et 10 mm. Pour garantir cet espacement et assurer le maintien des feuilles, chaque panneau présente, le long d'un de ses bords une réglette 9, en plastique ôu en métal, munie de butées 6 (Fig. 2) . La différence d'épaisseur des butées 6 permet l'arrangement cylindrique des panneaux autour de la virole intérieure (Fig. 2). Les butées 6 peuvent être montées d'un seul côté ou des deux côtés de la réglette 9. Il peut y avoir également plusieurs butées 6 d'épaisseur croissante le long de la réglette 9. La réglette 9 est assez fine pour ne pas gêner le remplissage de l'adsorbant. Enfin, il est possible également d'encadrer le panneau avec 4 réglettes, à la manière d'une diapositive. Plusieurs solutions techniques existent pour maintenir les panneaux contenant le MCP entre les deux viroles. Selon un premier mode de réalisation, chaque réglette 9 est munie de crochets 10 à ses deux extrémités, qui permettent l'accrochage sur les deux viroles comme montré en Fig. 4. Selon un autre mode de réalisation, des trous sont pratiqués dans le haut du panneau 2 et les panneaux sont enfilés sur des rails 12. Des barres 13 de soutien ou de renfort entre les viroles servent de reposoir à ces rails 12, comme illustré en figure 5. Le fond et le couvercle de chaque couronne de tamis selon l'invention sont constitués d'une grille fine, par exemple métallique ou plastique. Les panneaux contenant des MCP selon l'invention sont utilisés dans les procédés VSA, PSA ou TSA pour la séparation ou la purification des gaz, par lesquelles sont produits un ou plusieurs composés parmi 02, H21 CO2, Ar, N2..., à partir de l'air, d'un mélange H2/CO2, d'un gaz de synthèse, d'un gaz résiduel de combustion par exemple, par adsorption sélective de N2, 02, CO, CO2, H2O d'hydrocarbures saturés ou insaturés, de composés sulfurés ou d'oxydes d'azote. Beaucoup de procédés chimiques, outre le procédé VSA, TSA ou PSA, présentent les mêmes limitations dues à la thermique. Ces autres procédés sont par exemple la catalyse hétérogène en général ou le remplissage de gaz pour le stockage. De là, l'invention peut avantageusement être appliquée au domaine de la catalyse hétérogène. La réaction de catalyse hétérogène a lieu à la surface du catalyseur, par l'intermédiaire de ses atomes de surface. Elle se décompose généralement en cinq étapes, à savoir: la diffusion des réactifs vers la surface, l'adsorption des réactifs, la réaction chimique à la surface du solide, la désorption des produits et la diffusion des produits hors de la surface. Le contrôle de la température dans un réacteur catalytique permettrait d'optimiser ces étapes et de proposer de nouveaux procédés. Par exemple la synthèse de chlorure de méthyle par oxyhydrochloration de méthane comme une voie de synthèse du méthanol serait économiquement intéressante si un réacteur isotherme est utilisé. 2887783 5 Une autre application possible de cette technologie est le stockage de différents gaz comme le méthane et l'hydrogène. 10 15 20 25 30 6 Revendications 1. Structure plane comprenant une matrice et au moins un matériau à changement de phase (MCP). 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle a une forme de feuille ou de plaque, de préférence elle est rigide. 3. Structure selon les revendications 1 à 2, caractérisée en ce qu'elle est formée essentiellement d'un ou plusieurs MCP. 4. Structure selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle a une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 40 mm. 5. Structure selon les revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la matrice est en tissu, en métal ou polymère. 6. Structure selon les revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le ou les MCP sont déposés, retenus ou imprégnés sur la matrice. 7. Installation de séparation ou de purification de gaz comprenant au moins un récipient de traitement de gaz, caractérisée en ce que ledit récipient comprend au moins une structure plane selon l'une des revendications 1 à 6, de préférence plusieurs structures plane. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit récipient est un adsorbeur ou un réacteur catalytique comprenant plusieurs structures selon l'une des revendications 1 à 6, lesdites structures étant espacées les unes des autres par des inter-espaces, chaque inter-espace comprenant au moins un matériau adsorbant ou au moins un matériau catalytique, de préférence un matériau adsorbant ou catalytique se présentant sous forme de particules. 9. Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que l'adsorbeur ou le réacteur a une forme cylindrique ou conique et lesdites structures planes sont agencée radialement dans l'adsorbeur ou le réacteur, de préférence l'adsorbeur comporte un passage axial central. 10. Installation selon les revendications 7 à 9, caractérisée en ce que lesdites structures sont agencées dans un ou plusieurs modules, lesdits modules étant agencés dans au moins un adsorbeur ou au moins un réacteur catalytique. 11. Procédé de séparation de purification de gaz, dans lequel on met en oeuvre une installation selon l'une des revendications 7 à 10, de préférence un procédé d'adsorption de type PSA, VSA ou TSA. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le gaz à 5 traiter est de l'air, un mélange H2/CO, un gaz de synthèse, un gaz résiduel de combustion. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le gaz produit est un gaz choisi parmi N2, 02, H2, CO2, argon et CO.