Brevet FR2989284A1 — publié le 20131018

La présente invention se rapporte à un adsorbeur dans lequel un lit d'adsorbant particulaire à géométrie radiale est précédé par un lit structuré et à un procédé d'adsorption mettant en oeuvre un tel procédé. Lorsque l'on souhaite produire, séparer ou purifier des gaz, on peut utiliser des procédés d'adsorption. On utilise généralement plusieurs adsorbeurs remplis de matériaux adsorbants sélectifs vis à vis d'un au moins des constituants du flux d'alimentation. Il existe deux principaux types d'adsorbeurs, les adsorbeurs à lits axiaux et les adsorbeurs à lits radiaux. Lorsque l'on utilise des débits importants, les pertes de charges et les problèmes d'attrition deviennent limitant pour la technologie axiale qui est relativement peu coûteuse. A partir d'un certain débit à traiter, une solution consiste à passer en géométrie radiale autorisant la limitation des pertes de charges sans augmentation du rayon de l'adsorbeur car il offre une surface de passage augmentée pour un volume d'adsorbeur donné et n'est théoriquement pas soumis à une limitation en termes d'attrition. Le lit d'adsorbant est généralement suspendu entre des grilles perforées verticales suspendues par le haut. Les inconvénients majeurs de cette technologie radiale sont une augmentation des volumes morts et un coût de fabrication élevé. D'autre part un autre inconvénient de cette technologie radiale apparaît lorsqu'un des lits est de taille réduite par rapport aux autres. Par exemple, considérons un procédé d'adsorption de type PSA ou TSA comportant par exemple 2 types d'adsorbants (A et B) nécessitant un passage du gaz dans A avant B en phase d'adsorption et dont la quantité d'adsorbant B nécessaire sera très importante relativement à la quantité A. En configuration radiale centripète, cette disproportion AB accentuera d'une part les difficultés de construction dudit adsorbeur radial, puisque les diamètres des grilles intérieures et intermédiaires seront rapprochés. D'autre part, dans cette situation où les grilles internes et intermédiaires seraient proches, il serait difficile d'assurer une épaisseur régulière du lit de tamis du fait des non-idéalités et diverses déformations des grilles, ce qui pourrait conduire à des passages préférentiels dans les zones où l'épaisseur de tamis serait moindre. Pour palier à ces inconvénients une solution consiste à inverser le sens de circulation des gaz ainsi que la répartition d'adsorbant, de telle sorte que l'adsorbant A se trouve entre la grille interne et la grille intermédiaire et que l'adsorbant B se trouve entre la grille intermédiaire et la grille externe. Avec une circulation du gaz de l'intérieur vers l'extérieur de la bouteille en phase d'adsorption on appellera alors cette configuration « radiale centrifuge » (figure 1). Or cette configuration centrifuge peut s'avérer moins performante énergétiquement que la solution centripète. On citera par exemple le cas du VSA 02 où cette construction centrifuge augmente globalement les pertes de charge et pénalise l'énergie spécifique du procédé, ainsi que le cas des TSA où la régénération de l'extérieur vers l'intérieur augmentera les pertes thermiques. Une géométrie permettant de conserver la configuration centripète appelée « Champignon » a également été utilisée sur des VSA 02. Elle consistait à installer dans le fond de l'adsorbeur une couche d'alumine granulée retenue entre 2 grilles avec une circulation radiale du fluide. Si cette solution permet de conserver une configuration radiale, elle complexifie néanmoins la construction de manière importante et entraîne un surcoût important. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un nouvel adsorbeur permettant de pallier à tous ces inconvénients. Une solution de l'invention est un adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux 3 comprenant : - une première partie comprenant au moins un adsorbant particulaire 1 et des moyens de circulation de gaz pour amener le flux gazeux à traverser radialement ledit adsorbant particulaire ; et - une deuxième partie, située côté alimentation, comprenant un adsorbant structuré 2. Par matériau adsorbant particulaire, on entend un adsorbant se présentant sous forme de grain, de billes, de pastilles, de concassés, de bâtonnets... de dimension millimétrique, généralement de diamètre équivalent dans la fourchette allant de 0.5 à 5mm. Par opposition aux adsorbants particulaires (billes, batônnets, concassés) de dimension inférieure au cm, qu'on dépose en vrac dans un adsorbeur, le fluide circulant autour des particules, les adsorbants structurés sont des matériaux solides de dimension allant de quelques centimètres à quelques mètres et présentant des passages libres au gaz, comme des monolithes, des mousses ou des tissus. Ce type d'adsorbant est notamment décrit dans le document F. Rezaei, P. Webley / Separation and Purification Technology 70(2010) 243-256. Les adsorbants structurés présentent (en comparaison des adsorbants granulés) la particularité de permettre une très bonne cinétique et de très faibles pertes de charges sans présenter de limite d'attrition connue. Si ces structures sont aujourd'hui beaucoup plus onéreuses que des adsorbants granulés, leur intérêt économique pour un remplacement complet des lits granulés peut s'avérer décisif s'il s'accompagne d'un gain notable en perte de charge et/ou d'une réduction significative du coût de construction de l'adsorbeur via une diminution du volume d'adsorbant ou une simplification de la construction. L'adsorbant structuré utilisé préférentiellement est un contacteur à passages parallèles. 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. Le fonctionnement d'un adsorbeur radial centripète ne présentant pas d'adsorbant structuré dans le fond inférieur est représenté figure 2. Le fluide à épurer ou à séparer 1 rentre en partie basse de l'adsorbeur radial 10, traverse la masse adsorbante 20 et le produit sort en partie supérieure 2. Lors de la régénération, le fluide de régénération 3 rentre à contre-courant par la partie haute, désorbe les impuretés contenues dans la masse adsorbante 20 et le gaz résiduaire 4 sort en partie basse. L'adsorbeur lui-même 10 est constitué d'une virole cylindrique d'axe vertical AA et de 2 fonds. La masse adsorbante est maintenue en place au moyen d'une grille externe perforée 11 et d'une grille interne également perforée 12 fixées sur le fond supérieur et d'une tôle pleine 13 en partie inférieure. Le gaz 1 circule verticalement à la périphérie dans la zone libre externe 14 entre la virole cylindrique et la grille externe, traverse radialement la masse adsorbante 20 puis circule verticalement dans la zone libre interne 15 avant de quitter l'adsorbeur par le haut. La régénération s'effectue en sens inverse. Un adsorbeur selon l'invention présente les avantages suivants : - il permet de passer d'une configuration centrifuge à une configuration centripète plus efficace énergétiquement ; - il permet de se passer d'une grille dans la partie radiale ce qui simplifie notablement la construction de l'adsorbeur et induit une baisse du coût de cet adsorbeur ; et - il peut induire une diminution du volume mort en bas de l'adsorbeur généralement néfaste aux performances des procédés PSA ou VPSA. Selon le cas, l'adsorbeur selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la première partie comprend des moyens de circulation de gaz pour amener le flux gazeux à traverser dans le sens centripète ledit adsorbant particulaire ; - l'adsorbant structuré présente une structure permettant une circulation axiale ou radiale du flux gazeux ; - le rapport du volume d'adsorbant particulaire sur le volume d'adsorbant structuré compris entre 3 et 20 ; - ledit adsorbeur comprend une virole cylindrique, un fond inférieur et un fond supérieur ; un adsorbant particulaire contenu dans la virole cylindrique ; et un adsorbant structuré contenu au moins en partie dans le fond inférieur ; - l'adsorbant structuré est placé dans le fond inférieur de manière à diffuser, c'est à dire distribuer de manière homogène, le flux gazeux vers l'adsorbant particulaire. - l'adsorbant structuré est fixé au fond inférieur ; - le fond inférieur est elliptique ou hémisphérique ; - l'adsorbant particulaire comprend des billes d'alumine, de gel de silice, de charbon actif ou de zéolites de type A , X ou Y retenues entre 2 grilles concentriques ; - l'adsorbant structuré comprend des canaux dont les parois renferment un adsorbant. - l'adsorbant renfermé dans les parois des canaux est choisi parmi l'alumine, le gel de silice, le charbon actif ou une zéolite de type A , X ou Y. Dans l'adsorbeur selon l'invention, l'adsorbant structuré pourra être disposé dans le fond inférieur de l'adsorbeur de différentes façons : - axiale (figure 3 et 5) - radiale (figure 4). De manière générale, l'adsorbeur selon l'invention peut être utilisé pour séparer différents constituants d'un flux gazeux ou purifier un flux gazeux de ces impuretés L'adsorbeur selon l'invention peut être utilisé dans divers procédés (V)PSA, TSA ou PTSA, tels que les PSA H2 devant produire de l'hydrogène à haute pureté, PSA CO2, PSA 02,... Il peut également être utilisé pour sécher, décarbonater ou arrêter des impuretés secondaires d'un flux gazeux, notamment issu de l'air atmosphérique. Par impuretés secondaires on entend les traces d'hydrocarbures, les NOx, les SOx... Enfin, l'adsorbeur selon l'invention peut être utilisé dans des procédés VSA 02 permettant de traiter un débit d'air allant d'un millier à plus de 40 000 de Nm3/h, VSA 02 traitant un volume d'air supérieur à 10 000 Nm3/h. A titre d'exemple, les VSA 02 de grande taille, c'est-à-dire permettant par exemple la production à plus de 30 tonnes/jour d'oxygène d'une pureté standard supérieure à 90%, sont aujourd'hui radiaux et de configuration centrifuge afin d'avoir une épaisseur d'alumine suffisamment grande. Une solution selon l'invention permettant d'avoir une configuration centripète comporterait les lits suivants: - un lit d'adsorbant structuré comprenant de l'alumine ou du gel de silice créant peu de perte de charge, et aux travers duquel le gaz circulerait de manière axiale ou radiale ; et - un lit d'adsorbant particulaire composé du tamis LiLSX granulé et disposé de manière classique entre 2 grilles concentriques. REVENDICATIONS1. Adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux (3) comprenant : - une première partie comprenant au moins un adsorbant particulaire (1) et des moyens de circulation de gaz pour amener le flux gazeux à traverser ledit adsorbant particulaire ; et - une deuxième partie, située côté alimentation, comprenant un adsorbant structuré (2). 2. Adsorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie comprend des moyens de circulation de gaz pour amener le flux gazeux à traverser dans le sens centripète ledit adsorbant particulaire. 3. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'adsorbant structuré présente une structure permettant une circulation axiale ou radiale du flux gazeux. 4. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport du volume d'adsorbant particulaire sur le volume d'adsorbant structuré est compris entre 3 et 20. 5. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit adsorbeur comprend : - une virole cylindrique, un fond inférieur et un fond supérieur ; - un adsorbant particulaire contenu dans la virole cylindrique ; et - un adsorbant structuré contenu au moins en partie dans le fond inférieur. 25 6. Adsorbeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'adsorbant structuré est placé dans le fond inférieur de manière à diffuser le flux gazeux vers l'adsorbant particulaire. 7. Adsorbeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'adsorbant structuré est fixé 30 au fond inférieur. 8. Adsorbeur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le fond inférieur est elliptique ou hémisphérique. 9. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'adsorbant particulaire comprend des billes d'alumine, de gel de silice, de charbon actif ou de zéolites de type A , X ou Y retenues entre 2 grilles concentriques. 10. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'adsorbant structuré comprend des canaux dont les parois renferment un adsorbant. 11. Adsorbeur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'adsorbant renfermé dans les parois des canaux est choisi parmi l'alumine, le gel de silice, le charbon actif ou une zéolite de type A , X ou Y. 12. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 11 pour séparer différents constituants d'un flux gazeux ou purifier un flux gazeux de ces impuretés. 13. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 11, dans un cycle de type (V)PSA, TSA ou PTSA. 14. Procédé VSA 02 traitant un volume d'air supérieur à 10 000 Nm3/h et mettant en oeuvre un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 11.