Brevet FR2974520A1 — publié le 20121102

L'invention se rapporte à un adsorbeur comprenant plusieurs contacteurs à passages parallèles, à une méthode de transport d'un tel adsorbeur et à l'utilisation de ce même adsorbeur. L'adsorption est un phénomène physique de plus en plus utilisé industriellement pour 5 séparer ou épurer des flux gazeux. Par exemple, l'adsorption est utilisée classiquement pour sécher des flux gazeux divers, en particulier l'air, le gaz naturel, pour la production d'hydrogène, pour la production d'oxygène et/ou d'azote à partir d'air atmosphérique, pour capturer de nombreux constituants d'effluents variés avant leur utilisation dans un procédé aval ou leur mise à l'évent comme les 10 VOC, des oxydes d'azote, du mercure... Les procédés mis en oeuvre sont soit à charge perdue (on parle alors généralement de lit de garde) soit régénérables. La régénération s'effectue soit par baisse de pression soit par augmentation de la température. On peut aussi coupler ces deux effets. On parle respectivement de PSA (pressure swing adsorption = adsorption à pression modulée), TSA (temperature swing 15 adsorption = adsorption à température modulée), PTSA (adsorption à pression et température modulée). Lorsque la régénération d'un PSA s'effectue sous vide, on utilise généralement le sigle VSA (vacuum swing adsorption = adsorption avec variation de vide). Par la suite, et sauf application particulière, nous n'utiliserons, par souci de simplicité 20 que les termes PSA et TSA pour décrire tous ces procédés d'adsorption comportant une étape de régénération in situ suivant que l'effet prépondérant utilisé pour régénérer l'adsorbant soit la pression ou la température.. L'adsorbant utilisé se présente généralement sous forme de particules dont on remplit un adsorbeur. Ces particules peuvent se trouver sous forme de granulés, de bâtonnets, de billes, 25 de concassés. Les dimensions caractéristiques de ces particules vont généralement de 0.5 mm à 5mm. Les particules les plus petites permettent d'améliorer la cinétique d'adsorption et par là l'efficacité du procédé mais en contre partie elles créent sur la phase fluide des pertes de charge importantes. D'autre part, les applications industrielles de grandes tailles, c'est-à-dire traitant plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de Nm3/h, posent le problème de la taille des adsorbeurs et de leur transport. Notons que ces adsorbeurs, remplis avec des billes d'adsorbants, ne peuvent pas être couchés sans la mise en place de systèmes de maintien du lit de billes d'adsorbants. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir des adsorbeurs plus efficaces et plus aisément transportables et exploitables. Une solution de l'invention est un adsorbeur pour adsorption d'un fluide, comprenant au moins deux contacteurs à passages parallèles, caractérisé en ce que - l'adsorbeur est en position horizontal et dirige le fluide suivant l'axe horizontal ; et - les contacteurs à passages parallèles sont disposés en série dans le sens du trajet du fluide à adsorber. Par contacteur à passages parallèles, on entend un dispositif dans lequel le fluide passe dans des canaux dont les parois contiennent de l'adsorbant. Le fluide circule dans des canaux essentiellement libres d'obstacles, ces canaux permettant au fluide de circuler d'une entrée à une sortie du contacteur. Ces canaux peuvent être rectilignes reliant directement l'entrée à la sortie du contacteur ou présenter des changements de direction. Au cours de sa circulation, le fluide est en contact avec au moins un adsorbant présent au niveau des dites parois. Notons que du fait de l'autoportance des contacteurs à passages parallèles, l'adsorbeur peut être installé horizontalement ou sensiblement horizontalement (c'est-à-dire avec un écart inférieure à 15° par rapport à l'horizontal), ce qui facilite grandement soit son transport, soit son installation et exploitation dans un châssis mobile ou un conteneur avec une contrainte de hauteur. Par ailleurs, les contacteurs à passages parallèles font moins de pertes de charges, ce qui 25 permet à perte de charges équivalentes de réduire le diamètre de l'adsorbeur, en augmentant éventuellement sa hauteur. Enfin, l'adsorbeur selon l'invention permet : - de traiter de grandes quantités de fluide, en particulier des flux gazeux de plusieurs centaines ou plusieurs milliers de Nm3/h; et 30 - de bénéficier d'une cinétique élevée. Selon le cas, l'adsorbeur selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - chaque contacteur à passages parallèles présente des canaux avec une orientation différente de ceux observés sur le ou les contacteurs à passages parallèles voisins. On observera, de 5 préférence un angle de 90°C entre les canaux de deux contacteurs juxtaposés ; - le fluide est un flux gazeux ; - les contacteurs sont contenus dans une enveloppe comportant des ouvertures d'entrée et de sortie du flux gazeux ; - ledit adsorbeur comprend une zone de distribution du flux gazeux entre 2 contacteurs ; 10 - au moins une zone de distribution comprend un distributeur apte à éviter l'obstruction des canaux du contacteur ; un tel distributeur comprendra par exemple des canaux réservés au fluide de dimension sensiblement plus importante que les canaux du contacteur. Il pourra être de type caillebotis, grille métallique, croisillon... - la partie solide de chaque contacteur est échancrée du côté de la zone de distribution ; 15 - au moins un des contacteurs est différent des autres contacteurs ; La différence peut résider dans le type d'adsorbant, l'épaisseur de la couche adsorbante, la section de passage réservée au gaz ou encore dans la géométrie extérieure des différents contacteurs. L'adsorbeur selon l'invention peut être transporté ou stocké à l'horizontal dans un conteneur présentant une hauteur inférieure à 3 m, de préférence inférieure à 2,5 m, encore plus 20 préférentiellement inférieure à 2,2 m. Il peut s'agir soit de conteneur ISO, soit de conteneur ou de châssis mobile fait sur mesure ; sachant qu'ils peuvent être dans tous les cas ouvert ou fermé. Les figures 1 à 7 représentent schématiquement, de manière non exhaustive, les différents types de contacteurs. En effet, les contacteurs peuvent comprendre des canaux de 25 différentes formes et de dimensions différentes. On distingue alors : - les canaux rectangulaires d'épaisseur ep faible par rapport à leur largeur 1, c'est à dire avec 1 supérieur à 10 ep (figure 1); - les canaux essentiellement carrés ou rectangulaires mais avec ep dans le même ordre de grandeur que la largeur 1(figure 2) ; 30 - les canaux de forme intermédiaire, avec la grande dimension dans un rapport 1.5 à 10 par rapport à la petite dimension (ellipse, rectangle...) - les canaux disposés en couronnes circulaires (figure 3) ; - les canaux disposés en hélice (figure 4) ; - les canaux circulaires (figure 5) ; Le fluide peut également circuler dans l'espace libre laissé par des parois solides présentés sous forme de cylindres ou fibres (figure 6). Les parois solides peuvent également avoir la configuration « garnissage » comme utilisée en distillation (figure 7). Dans ce dernier cas, il est possible d'utiliser toutes les possibilités géométriques relatives aux dits garnissages en jouant sur les angles de pliage, l'orientation des passages par rapport à la verticale (contacteur supposé vertical), les dimensions des canaux... De nombreuses configurations sont possibles car la géométrie des canaux est variée (triangle, trapèze, ellipse...). De façon générale, dans tous ces types de contacteurs, susceptibles d'être utilisés dans le cadre de l'invention, le fluide qui est préférentiellement un flux gazeux, circule dans des canaux présentant peu (ou pas) d'obstacle à l'écoulement et l'adsorbant est situé -ou constitue- la paroi des dits canaux. A titre d'exemple, les documents EP 1 413 348, EP 1 121 981 et WO 2005/094987 décrivent des contacteurs à passages parallèles De manière générale, les contacteurs à passages parallèles sont préférés à la solution classique des lits de particules dès lors que les effets d'une diminution de la perte de charge deviennent prépondérants et permettent de compenser le surcoût probable lié à l'adoption du nouveau type d'adsorbeur. La réalisation du contacteur lui-même, et plus particulièrement de l'ensemble support - paroi, se fait suivant diverses techniques qui peuvent par exemple se classer selon la façon dont l'adsorbant est intégré à la paroi. Dans le cas de « monolithe », l'adsorbant, éventuellement mélangé à un liant constitue 25 directement la paroi des canaux (Figure 8). Dans le cas plus général d'adsorbant «supporté », l'adsorbant (110) est fixé sur un support (111), par exemple une feuille métallique, L'adhésion à la paroi peut se faire par l'intermédiaire du liant de l'adsorbant (dont le rôle est alors double : agglomération des micro particules d'adsorbants entre elles et fixation à la paroi) comme illustré dans la Figure 9 ou via 30 une colle (120) spécifique (Figure 10). Le support aura généralement été traité pour faciliter l'adhésion, il peut être poreux par nature (membrane, tissu...) ; de nombreux matériaux peuvent être utilisés tels que des polymères, des céramiques, des métaux, du papier... Le support de l'adsorbant peut être plié (avant ou après dépôt de la couche adsorbante) et cette feuille pliée elle-même enroulée autour d'un axe central. La figure 3 du document US 5 771 707 montre un tel arrangement. Dans le cas de plis de forme essentiellement triangulaire, la hauteur du triangle et sa base seront généralement comprises entre 0.5 et 5 mm. L'adsorbant peut également être emprisonné. On trouve également deux sous groupes pour cette technique : « l'emprisonnement «peut être homogène, c'est-à-dire que les particules d'adsorbants (130) sont immobilisées par un réseau de fibres (131) fines et denses qui occupent tout le volume de la paroi (Figure 11). Un adhésif peut être ajouté pour renforcer la fixation. L'emprisonnement de particules d'adsorbant dans des réseaux de fibres a été utilisé dans la fabrication de masque à gaz. On notera cependant que dans ce dernier cas, l'air respiré traversait le milieu adsorbant alors que dans le cas envisagé ici, le flux gazeux longe la paroi contenant l'adsorbant. Selon un autre mode de réalisation, les particules d'adsorbants (140) sont maintenues entre 2 parois (141,142) poreuses au fluide (Figure 12). Dans ce cas également, un liant et /ou une colle peuvent être ajoutés pour améliorer si nécessaire le maintien des particules entre les parois poreuses. Ces parois peuvent être de type métallique, polymères ...Elles sont choisies de façon à pouvoir simultanément contenir les particules d'adsorbants et ne pas créer de résistance significative à la diffusion des molécules. A titre d'exemple, les documents US 7 300 905 et US 5 120694 décrivent de façon non exhaustive ces technologies. La Figure 13 représente la cellule de base, c'est-à-dire le plus petit élément qui permet de décrire la géométrie d'un contacteur à passage parallèle. De gauche à droite, on trouve le canal (20), dans lequel circule le flux gazeux, d'épaisseur totale 2 epf, la membrane poreuse maintenant l'adsorbant (21) d'épaisseur epm, la couche d'adsorbant (22) d'épaisseur epads, une couche adhésive (23) d'épaisseur epc et la feuille support (24) d'épaisseur totale 2 eps. La cellule de base a donc pour dimension epf+epm+epads+epc+eps. Les ordres de grandeurs de ces épaisseurs sont par exemple : - De 50microns à 3mm pour le canal, mettons 2 epf = 150microns - De 10 à 100 microns pour la membrane poreuse, si elle existe, mettons 25 microns - De 20 microns à 3mm pour la couche d'adsorbants, mettons 50 microns - De 5 à 500 microns pour la couche adhésive, si elle existe, mettons 10 microns - De 5 microns à lmm pour la feuille support, si elle existe, mettons 2 eps= 100 microns. La cellule de base aurait donc dans l'exemple une épaisseur de 210 microns (75+25+50+10+50). Chacune de ces couches est caractérisée par une série de propriétés physiques : - la feuille support par sa densité, sa capacité calorifique, sa conductibilité thermique, éventuellement sa porosité ; - de même la couche adhésive par sa densité, sa capacité calorifique, sa conductibilité thermique, éventuellement sa porosité ; - la couche d'adsorbant par sa porosité totale, par la taille moyenne des macro pores, par la densité des particules d'adsorbants, éventuellement leur dimension, leur porosité interne, sa capacité calorifique, sa conductibilité thermique ainsi que par les isothermes d'adsorption et de co-adsorption liant l'adsorbant et les molécules présentes dans le flux gazeux ; - la membrane par sa porosité totale, le diamètre moyen des pores, la capacité calorifique, la densité, la conductibilité thermique, la rugosité côté paroi fluide. La Figure 14 représente un adsorbeur horizontal selon l'invention, comprenant 5 contacteurs à passages parallèles et dans lequel on observe un angle de 90°C entre les canaux 20 de deux contacteurs juxtaposés. Les adsorbants susceptibles d'être utilisés dans les contacteurs à passages parallèles sont ceux utilisés dans les unités de séparation ou purification de flux gazeux classiques. Le choix dépend de l'application. Il est possible dans un même contacteur d'utiliser successivement plusieurs adsorbants différents. On pourra citer les gels de silice, l'alumine 25 activée éventuellement dopée, les charbons actifs, les zéolites de type divers (3A, 4A, 5A, type X, LSX, Y etc. éventuellement échangées...). Les zéolites sont généralement utilisées sous forme de microcristaux, voire de nano cristaux selon les procédés de synthèse. D'autres adsorbants, par exemple les charbons actifs, peuvent être concassés pour obtenir des particules de l'ordre du micron. 30 Les contacteurs peuvent être identiques ou au contraire, il est possible d'utiliser cette invention pour singulariser au moins un contacteur et l'adapter aux conditions opératoires se trouvant à ce niveau de l'adsorbeur. Concernant cette modification, il peut s'agir d'un autre type d'adsorbant, d'une modification de l'épaisseur de la couche adsorbante, de la section de passage, etc.... La présente invention a également pour objet une méthode de transport d'un adsorbeur 5 selon l'invention, caractérisé en ce que ledit adsorbeur, contenant l'adsorbant, est transporté en position horizontale. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans divers procédés tels que les PSA H2 devant produire de l'hydrogène à haute pureté, le déballastage en CO2, les PSA/ VSA 02. Il peut également être utilisé pour sécher, décarbonater ou arrêter des impuretés secondaires d'un 10 flux gazeux, notamment issu de l'air atmosphérique. Par impuretés secondaires on entend les traces d'hydrocarbures, les NOx, les SOx... REVENDICATIONS1. Conteneur présentant une hauteur inférieure à 3 m et comprenant un adsorbeur pour adsorption d'un fluide, comprenant au moins deux contacteurs à passages parallèles, disposés en série dans le sens du trajet du flux gazeux à adsorber, ledit adsorbeur étant en position horizontale et qui dirigeant le fluide suivant l'axe horizontal. 2. Conteneur selon la revendication 1, pour lequel chaque contacteur à passages parallèles dudit adsorbeur présente des canaux avec une orientation différente de ceux observés sur le ou les 10 contacteurs à passages parallèles voisins. 3. Conteneur selon l'une des revendications 1 ou 2, pour lequel les contacteurs dudit adsorbeurs sont contenus dans une enveloppe comportant des ouvertures d'entrée et de sortie du flux gazeux. 4. Conteneur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit adsorbeur comprend une zone de distribution du flux gazeux entre 2 contacteurs. 5. Conteneur selon la revendication 4, pour lequel au moins une zone de distribution dudit 20 adsorbeur, comprend un distributeur apte à éviter l'obstruction des canaux du contacteur. 6. Conteneur selon l'une des revendications 4 ou 5, par lequel la partie solide de chaque contacteur est échancrée du côté de la zone de distribution. 15