Brevet FR2927264A1 — publié le 20090814

DISPOSITIF DE SECHAGE D'UN GAZ, NOTAMMENT DE L'AIR L'invention est relative à un dispositif de séchage d'un gaz pouvant contenir divers composés gazeux, le séchage devant permettre d'extraire la majeure partie de la vapeur d'eau présente dans le gaz, sans éliminer certains des autres composés présents, ou sans en modifier la teneur. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de séchage d'air contenant des composés organiques volatils (COV) ou des ro composés odoriférants que l'on souhaite analyser. Plus généralement, l'invention concerne toute application pour laquelle il est nécessaire d'avoir un débit de gaz sans humidité (analyses chromatographiques, spectrométrie de masse, piles à combustibles, échantillonnages de gaz polaires,...). L'analyse de composés gazeux, présents dans un gaz principal 15 porteur, notamment de l'air, fait généralement appel à des procédés qui ne supportent pas, ou qui supportent mal, une présence sensible de vapeur d'eau. C'est le cas notamment pour la chromatographie en phase gazeuse, ou pour la spectrométrie de masse. Il est souhaitable en outre que le dispositif de séchage permette 20 un traitement rapide et continu du gaz, dans des conditions simples à mettre en oeuvre. L'invention a donc pour but de fournir un dispositif de séchage d'un gaz qui, tout en étant d'une réalisation simple, permette d'effectuer un traitement dynamique, c'est-à-dire sur un courant de gaz, au lieu d'un 25 traitement statique, tout en ayant une bonne efficacité et en étant d'une mise en oeuvre rapide. Selon l'invention, le dispositif de séchage d'un gaz, en particulier d'air, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre, avec une entrée pour un courant de gaz à traiter et une sortie pour le courant de gaz 30 traité, cette chambre étant limitée par au moins une membrane dont la perméabilité à la vapeur d'eau est nettement supérieure à sa perméabilité à l'égard des autres gaz ou vapeurs, une couche de matériau absorbant l'humidité étant disposée contre la membrane du côté opposé à la chambre, la surface de la chambre et de la membrane étant déterminée, en tenant 35 compte du débit de gaz et de sa teneur présumée en vapeur d'eau, pour assurer une dessiccation suffisante du courant de gaz entre l'entrée et la sortie du dispositif. Le dispositif de séchage ou de dessiccation selon l'invention peut être utilisé dans un dispositif de prélèvement d'échantillons de gaz tel que celui décrit et revendiqué dans la demande de brevet FR n° 08 00669 déposée le 8 février 2008, au nom de la même société demanderesse, et dont la priorité est revendiquée. Ce dispositif de séchage peut bien entendu être utilisé pour d'autres applications. De préférence, la chambre est constituée par plusieurs chambres élémentaires empilées, reliées en série, pour réduire l'encombrement hors tout du dispositif. Avantageusement, chaque chambre est formée par une ouverture centrale prévue dans une plaque, cette ouverture centrale étant comprise entre deux membranes parallèles, tandis qu'une couche de matériau absorbant l'humidité est prévue contre les membranes du côté opposé à la chambre, un canal d'entrée de gaz et un canal de sortie traversant la paroi rs de la plaque qui entoure l'ouverture centrale. De préférence, chaque plaque définissant une chambre pour le passage du gaz est prise en sandwich entre deux plaques comportant un logement pour le matériau absorbant l'humidité. Le dispositif est ainsi avantageusement formé par un empilage de 20 plaques munies d'ouvertures centrales et de plaques extrêmes qui sont fermées. Des moyens d'étanchéité sont prévus entre les différentes plaques empilées. La sortie d'une chambre de l'empilage est reliée à l'entrée de la chambre suivante et ainsi de suite. Avantageusement, les plaques sont circulaires, sous forme de 25 couronnes ou de disques. Cinq chambres peuvent être prévues en série. Les plaques de l'empilage peuvent être réalisées en matière plastique, notamment en polytétrafluoroéthylène (PTFE). L'empilage de plaques est assemblé à l'aide de vis et d'écrous, des joints toriques étant disposés entre chaque plaque. 30 Le matériau absorbant l'humidité est avantageusement formé par du silica gel. D'autres matériaux absorbant peuvent être utilisés, comme par exemples les zéolites, un courant d'air sec,... Ainsi, en variante, le matériau absorbant l'humidité peut comprendre un gaz sec en circulation. La membrane perméable à la vapeur d'eau et nettement moins 35 perméable aux autres composés gazeux est constituée de préférence par une membrane polymérique, en particulier en PET (polyéthylènetéréphtalate), plus particulièrement celui connu sous la dénomination � Nalophan � qui est un nom commercial pour le polyéthylène téréphtalate (PET) fourni sous forme de film par la société KALLE GmbH (Allemagne). L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples décrits avec référence au dessin annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ce dessin : Fig. 1 est un schéma en coupe d'un dispositif de séchage de gaz selon l'invention, et Fig. 2 est une vue en perspective éclatée d'une réalisation. En se reportant à Fig. 1 du dessin, on peut voir un dispositif de séchage ou de dessiccation S d'un gaz constitué, dans l'exemple considéré, par de l'air chargé de composés organiques volatils, désignés en abrégé par COV, sous forme gazeuse. L'air, ou plus précisément le mélange gazeux air et COV, est introduit dans le dispositif S par un tube 1, selon un sens d'écoulement schématisé par une flèche F. Les termes � amont � et � aval � sont à comprendre selon ce sens d'écoulement. Une vanne 2 est généralement disposée sur le tube 1 en amont du dispositif S et un filtre 3 est généralement prévu pour retenir des particules solides éventuellement présentes dans le gaz à analyser. Le dispositif de séchage S est formé par un moyen de dessiccation 4 disposé sur le tube 1 en aval du filtre 3. Ce moyen de dessiccation 4 comprend une ou plusieurs chambres 5, notamment cylindriques, reliées en séries par des coudes la, lb, 1c, Id de tube. Les chambres 5 sont formées par des ouvertures centrales A prévues dans des plaques P1 parallèles, les ouvertures A débouchant sur chacune des faces parallèles des plaques P1. Chaque ouverture centrale A est entourée par une paroi périphérique Pla à contour fermé. Ce contour P1a est traversé par un canal d'entrée 5a d'axe parallèle au plan des grandes faces ouvertes de la plaque P1 et, à l'opposé, un canal de sortie 5b traverse le contour périphérique. Le canal de sortie 5b de la dernière plaque P1 de l'empilage est relié à un tube de sortie le. La section droite des chambres 5 est supérieure à celle du tube 1. Au moins une paroi de la chambre 5, et de préférence les deux parois parallèles aux grandes faces de la plaque P1, sont formées par une membrane polymère 6, en particulier en PET (polyéthylènetéréphtalate), plus particulièrement celui connu sous la dénomination commerciale � Nalophan �. La membrane 6 est généralement constituée par un film d'une épaisseur de l'ordre de 20 pm. Une couche G de matériau absorbant l'humidité est disposée contre la membrane 6 du côté opposé à la chambre 5. La couche G est avantageusement formée de silica gel SG, par exemple sous forme de granulés. Le gradient de la concentration en vapeur d'eau est ainsi maintenu maximum de part et d'autre de la membrane 6, pour favoriser la perméation de la vapeur d'eau. La couche G est avantageusement logée dans une chambre B formée par une ouverture centrale prévue dans une plaque P2 à faces ~o parallèles, l'ouverture débouchant sur chacune des faces de la plaque P2. La chambre B est ainsi entourée par un contour périphérique fermé P2a. Chaque chambre B est limitée par deux membranes 6 correspondant à deux chambres 5 successives. Un empilage de plaques P1, P2 est ainsi formé. Les deux plaques 15 d'extrémité P3 sont fermées, mais comportent une cavité centrale B1 tournée vers la membrane 6 voisine, cette cavité BI étant remplie de matériaux absorbant l'humidité, notamment de silica gel SG (Fig.2). L'empilage, comme visible sur Fig. 2, peut être maintenu assemblé à l'aide de moyens de serrage V. Des joints J sont prévus entre les 20 plaques successives de l'empilage pour entourer de manière étanche les chambres 5. Les plaques P1, P2 et P3 sont avantageusement réalisées en une matière plastique résistant aux agents corrosifs, notamment en polytétrafluoroéthylène (PTFE). L'ensemble des plaques forme une enveloppe 7. 25 Selon l'exemple de Fig. 1, cinq chambres successives 5 sont prévues en série, situées dans cinq plaques P1, séparées par quatre plaques P2, avec deux plaques P3 d'extrémité, soit au total onze plaques. Avantageusement, les plaques ont une forme circulaire et constituent des couronnes ou des disques comme illustré sur Fig. 2. Sur 30 cette Fig.2 n'ont été représentées que deux plaques P1, une plaque P2, et les deux plaques d'extrémité P3. II faut comprendre qu'entre la plaque supérieure P1 de Fig. 2 et la plaque supérieure P3 une succession de plaques P2, P1 n'a pas été représentée pour simplifier. Selon la réalisation de Fig. 2, les plaques circulaires comportent, 35 sur leur périphérie, des oreilles 8 en saillie radiale traversées par des trous 9. Le maintien de l'empilage est obtenu à l'aide de moyens de serrage V qui comprennent des vis traversant des trous 9 alignés et à l'aide d'écrous 11 prévus au niveau de chaque plaque pour un serrage sur la précédente. Les oreilles 8 sont décalées angulairement entre deux plaques successives pour permettre de placer l'épaisseur d'un écrou 11 entre deux plaques successives P1 séparées par une plaque P2, ou entre deux plaques P2 séparées par une plaque P1. Chaque plaque, ou disque, est maintenue serrée contre la plaque qui est au-dessous en utilisant plusieurs écrous. Les ouvertures centrales A sont circulaires, et les joints J sont des joints toriques. Le fonctionnement du dispositif de séchage S résulte des explications qui précèdent. ~o Un courant d'air humide est introduit par le tube 1, pour parcourir les chambres successives 5 et sortir par le tube le en un courant d'air sec propre à être soumis à des analyses. La dessiccation est effectuée de manière efficace, sans altérer la teneur en autres gaz, notamment en COV de l'air. 15 Le dispositif selon l'invention permet la dessiccation d'un courant d'air humide afin d'empêcher la condensation d'eau et par conséquent des pertes de composés polaires, et permet d'éviter des défaillances de capteurs. Le séchage du courant d'air humide est réalisé sous certaines 20 conditions grâce au phénomène de perméation à travers les membranes polymères, notamment Nalophan, sans affecter les autres composants présents dans l'échantillon, dont les cinétiques de perméation sont plus faibles que celles de la vapeur d'eau. Le dispositif peut être utilisé pour sécher des courants de gaz 25 destinés à diverses applications telles que : chromatographies, échantillons d'air, piles à combustible. L'invention permet de sécher un courant de gaz humide sans affecter les autres composants présents dans le courant, tels que : ammoniac, benzène, toluène, méthanol, etc Le temps de séjour de l'échantillon à l'intérieur du dispositif de 30 séchage doit être suffisamment élevé pour permettre la perméation de l'eau, et suffisamment court pour empêcher la perméation des autres composants. Le dispositif doit procurer une surface suffisante pour rendre possible le plus haut degré de transfert de masse d'eau. Selon des expériences exécutées en laboratoire, qui ont permis 35 de calculer le temps de séjour et le taux de perméation d'eau, au moyen de la méthode des taux initiaux, et en prenant en compte que le débit d'air doit être de 15 ml/min, une conception type de micro-réacteur a été proposée. Les principaux paramètres sont donnés ci-après : Surface requise 2550 cm2 Volume intérieur (somme des chambres A) 900 cm3 Géométrie cylindrique Nombre d'étages 5 Rayon 9.01 cm Epaisseur de disque 0.71 cm Les orifices d'entrée 5a et de sortie 5b des chambres 5 sont notamment réalisés en acier inoxydable, dont la surface a été rendue inerte ro avec un revêtement approprié, notamment un dépôt de silane ou de polysilane (Sulfinert/Siltek). Les tubes la,...ld, reliant les chambres en série, sont notamment réalisés en polytétrafluoroéthylène. Alors que le courant d'air humide passe à travers les chambres A, son humidité est enlevée et transférée aux chambres B par le phénomène de 15 perméation selon l'équation suivante : dnA ù = kAC = k(C,y ù C,vo ) dA k= D"' 8 20 dans laquelle dnA/dA = variation de la teneur en eau par unité de temps et de surface (g/s.cm2) k = une constante (cm/min) dépendant de : D,N = diffusivité (cm2 par min) 25 8= épaisseur de la couche limite (cm) CW = concentration de la vapeur d'eau dans l'air (g/cm) CW° = concentration de vapeur d'eau dans l'environnement des chambres B (g/cm) Dw dépend de la température et 8 dépend du débit de gaz. CW° 30 est considéré comme négligeable car les chambres B sont remplies de silica gel qui est un puissant absorbeur d'eau de sorte que la différence entre CW et C,° peut être considérée comme étant maximale tout le temps. En utilisant le dispositif de séchage de l'invention, environ 90-95 % d'élimination de l'humidité peuvent être réalisés sur un courant dynamique 35 d'air dans des conditions d'humidité environnementales difficiles (40-45°C et 100 % d'humidité relative). 35 REVENDICATIONS 1. Dispositif de séchage d'un gaz, en particulier d'air, pouvant contenir divers s composés gazeux, le séchage devant permettre d'extraire la majeure partie de la vapeur d'eau présente dans le gaz, sans éliminer certains des autres composés présents, ou sans en modifier la teneur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre (5), avec une entrée (5a) pour un courant de gaz à traiter et une sortie (5b) pour le courant de gaz traité, cette chambre to étant limitée par au moins une membrane (6) dont la perméabilité à la vapeur d'eau est nettement supérieure à sa perméabilité à l'égard des autres gaz ou vapeurs, une couche (G) de matériau absorbant l'humidité étant disposée contre la membrane (6) du côté opposé à la chambre, la surface de la chambre et de la membrane étant déterminée, en tenant compte du débit de 15 gaz et de sa teneur présumée en vapeur d'eau, pour assurer une dessiccation suffisante du courant de gaz entre l'entrée et la sortie du dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre est 20 constituée par plusieurs chambres élémentaires (5) empilées, reliées en série, pour réduire l'encombrement hors tout du dispositif. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque chambre (5) est formée par une ouverture centrale (A) prévue dans une 25 plaque (P1), cette ouverture centrale (A) étant comprise entre deux membranes parallèles (6), tandis qu'une une couche (G) de matériau absorbant l'humidité est prévue contre les membranes (6) du côté opposé à la chambre, un canal d'entrée de gaz (5a) et un canal de sortie (5b) traversant la paroi (Pl a) de la plaque qui entoure l'ouverture centrale. 30 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque plaque (P1) définissant une chambre (5) pour le passage du gaz est prise en sandwich entre deux plaques (P2, P3) comportant un logement (B, 61) pour le matériau absorbant l'humidité. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il est formé par un empilage de plaques (P1, P2) munies d'ouvertures centrales 15(A,B), à l'exception des plaques extrêmes (B1) qui sont fermées. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que des moyens d'étanchéité (J) sont prévus entre les différentes plaques empilées. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plaques (P1,P2,P3) sont circulaires, sous forme de couronnes ou de disques. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que cinq chambres io (5) sont prévues en série. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plaques de l'empilage sont réalisées en matière plastique, en particulier en polytétrafluoroéthylène. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane (6) est constituée par une membrane polymérique, en particulier en PET (polyéthylène-téréphtalate). 20 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la membrane (6) est constituée par une membrane en PET (polyéthylènetéréphtalate) connu sous le nom commercial � Nalophan �. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le matériau absorbant l'humidité est formé par du silica gel (SG). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau absorbant l'humidité comprend un gaz sec 30 en circulation.