Brevet FR3003476A1 — publié le 20140926

PROCÉDÉ DE DÉSHUMIDIFICATION DES MÉLANGES DE GAZ INDUSTRIELS OU DE L'AIR COMPRIMÉ À HAUTE PRESSION La présente invention porte sur un procédé et un système de dessiccation de mélanges de gaz. Les mélanges de gaz peuvent être d'origines diverses. Ainsi ces mélanges peuvent être de l'air ou bien des mélanges de gaz industriels. On définit la température ambiante comme toute température courante comprise entre 0 et 40°C. Les mélanges de gaz en question sont appelés mélanges psychométriques, c'est à dire que le seul élément chimique capable de changer d'état est l'eau. Autrement dit, les autres éléments chimiques que l'on retrouve de manière générale dans les mélanges de gaz, comme l'hydrogène, l'hélium, l'azote ou encore l'oxygène restent en phase gazeuse. Pour diverses raisons, il a été développé des techniques permettant d'extraire d'un mélange gazeux, l'eau ou encore un composé chimique en particulier. Ainsi, comme le rapporte le brevet n° FR 2 354 804 (BASF AKTIENGESELLSCHAFT), les gels de silice sont utilisés de longue date pour le séchage des gaz. Les gels de silice présentent une capacité exceptionnelle d'adsorption. L'adsorption est la rétention à la surface d'un solide (l'adsorbant), des molécules d'un gaz ou d'une substance en solution ou en suspension. Autrement dit, l'adsorption est le phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur une surface solide. Ayant fait leurs preuves au cours des dernières décennies, les gels de silice présentent néanmoins un inconvénient majeur. Leur mise en place nécessite des précautions particulières, du fait de leur énorme capacité d'absorption de l'eau, tout contact avec l'eau liquide provoque l'éclatement des grains de gel en donnant de petites particules. Des E011 8001 FR arrangements technologiques particuliers sont donc à prévoir lorsqu'il s'agit d'utiliser des gels de silice dans le cadre de la dessiccation d'un gaz. La demande de brevet américaine publiée sous le n° US 2012/0279394 (THYSSENKRUPP) présente un procédé de dessiccation des gaz. La dessiccation des gaz se fait au contact de ceux-ci avec un solvant dans une colonne absorbante. Ce solvant appartient à la famille des glycols. Le dispositif présenté permet d'extraire du mélange gazeux, l'eau et les composés acides. Le mélange gazeux entre dans une première colonne absorbante où un premier traitement permet une première séparation. Le solvant contenant de l'eau et des composés acides est récupéré en bas de la colonne absorbante tandis que le gaz traité une première fois se dirige vers le haut de la colonne. Le solvant contenant les composés acides et l'eau est traité afin d'en retirer l'eau et les composés acides. Le solvant est alors renvoyé vers la colonne absorbante. De manière simultanée, le gaz obtenu après le premier traitement, est une seconde fois traité selon le même procédé. Le solvant contenant les composés acides est récupéré en bas de la seconde colonne, traité et les composés acides sont extraits afin d'être utilisés comme gaz acide tandis que le solvant est renvoyé vers la seconde colonne. Ce procédé de dessiccation nécessite à la fois une installation onéreuse et une maintenance importante. L'extraction de l'eau et des acides gazeux du solvant utilisé, ne pouvant être optimale, la mise en oeuvre d'un tel dispositif nécessite de remplacer au moins occasionnellement le solvant en question. Outre l'aspect pratique, le glycol présente par ailleurs une grande toxicité en cas d'ingestion. Des précautions d'utilisation particulières sont donc à prévoir par le personnel. L'invention se démarque de l'état de la technique par sa grande simplicité. Elle ne nécessite pas l'utilisation d'un quelconque additif et permet une dessiccation efficace d'un gaz. Un premier objet est de proposer un procédé permettant la dessiccation d'un mélange de gaz psychométrique. E011 8001 FR Un deuxième objet est de proposer un procédé permettant d'obtenir un gaz ayant une faible teneur en vapeur d'eau. Un troisième objet est de proposer un procédé impliquant un dispositif simple et peu couteux. Un quatrième objet est de proposer un procédé à la fois utilisable dans des installations industrielles mais aussi dans des systèmes mobiles tels que des véhicules de chantier ou encore des véhicules hybrides à air comprimé par exemple. A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de déshumidification d'un mélange de gaz psychométrique à température ambiante comprenant une étape, cette étape incluant : - une phase de compression, dans laquelle le mélange de gaz psychométrique est comprimé jusqu'à une pression donnée ; - une phase de refroidissement, dans laquelle, le mélange de gaz psychométrique précédemment comprimé est refroidi, jusqu'à une température donnée ; - une phase de séparation, comprenant une étape d'extraction des condensats issus de la précédente phase de refroidissement, dans le gaz psychométrique ; l'étape précédemment décrite, étant répétée successivement, une pluralité de fois, de sorte à réduire jusqu'à un seuil prédéterminé, la concentration en vapeur d'eau dans le gaz psychométrique. Ce procédé est particulièrement avantageux lorsqu'il s'agit de stocker un mélange gazeux à haute pression typiquement entre 10 et 60 MPa ou lorsqu'il est nécessaire de déshumidifier un mélange de gaz industriels de sorte à obtenir des teneurs en humidité très faibles de l'ordre de 100 ppm pour des points de rosée de l'ordre de -40°C. E011 B001 FR Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : le seuil prédéterminé correspond à une teneur en vapeur d'eau inférieure à environ 20 parts par million (ppm) exprimée en volume ; l'étape est répétée successivement quatre fois, donnant lieu à une première, une deuxième, une troisième et une quatrième étape ; dans la première étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 0,376 MPa ; dans la deuxième étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 1,41 MPa ; dans la troisième étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 5,32 MPa. dans la quatrième étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 20 MPa ; après chaque phase de compression, le mélange de gaz psychométrique est refroidi jusqu'à une température d'environ 20°C ; dans chaque étape, le taux de compression est sensiblement identique et est d'environ 3,76 ; le mélange de gaz psychométrique est composé : - de dihydrogène dans des proportions molaires variant de 60 à 75%, - de diazote dans des proportions molaires variant de 25 à 40%, - de vapeur d'eau pouvant varier de 50 à 10 000 ppm. L'ensemble des trois compositions permettant de boucler à 100%. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après E011 B001 FR de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 est un schéma de principe illustrant un dispositif de dessiccation d'un gaz à quatre étages. La figure 2 est un schéma de principe illustrant un dispositif de dessiccation d'un gaz à deux étages. La figure 1 illustre un schéma de principe d'un dispositif de dessiccation d'un mélange de gaz psychométrique. Dans l'exemple décrit ci-dessous, le gaz en question est un mélange psychométrique de dihydrogène, diazote et vapeur d'eau, respectivement dans les proportions molaires suivantes : 39,756%, 59,633% et 0,611%. Ce qui correspond à une concentration volumique de 6110 parts par million de vapeur d'eau soit une température de rosée de 0°C. L'extrême précision de ces valeurs ne constitue qu'un exemple. Ceci n'est nullement limitatif et ne restreint en rien le procédé qui sera décrit par la suite. Ainsi les proportions molaires des espèces chimiques peuvent être différentes dès lors que l'on reste dans les conditions d'un mélange psychométrique tel que précédemment définit. Un exemple de mélange de gaz psychométrique est composé : - de dyhydrogène dans des proportions molaires variant de 60 à 75 de diazote dans des proportions molaires variant de 25 à 40%, - de vapeur d'eau pouvant varier de 50 à 10 000 ppm. L'ensemble des trois compositions faisant 100%. Le fait que le mélange soit psychométrique revêt une importance particulière. Les espèces chimiques autres que la vapeur d'eau sont dès lors loin de leurs conditions de condensation. Les propriétés physiques qui seules comptent sont alors la pression totale, la température du mélange et la pression partielle de vapeur d'eau. E011 8001 FR Il est représenté sur la figure 1 un schéma de principe du dispositif de déshumidification. Ce dernier est un dispositif à quatre étages. Néanmoins le nombre d'étages est variable et il pourrait bien entendu en comprendre plus ou moins. Chaque étage est composé d'au moins un compresseur, un échangeur thermique et un séparateur fluidique. Dans le mode de réalisation décrit, les conditions de pression et de température ambiantes, c'est à dire à la pression atmosphérique et pour une température de 20°C. En référence à la figure 1, le mélange de gaz psychométrique est aspiré par le premier compresseur 1 et comprimé jusqu'à une pression de 0,376 MPa. La compression entraîne une première montée en température de l'ordre de 170°C. En sortie du premier compresseur 1, le mélange psychométrique étant à une température de 170°C et une pression de 0,376 MPa passe par un premier échangeur 2 thermique. En sortie du premier échangeur 2 thermique, le mélange de gaz psychométrique est refroidi jusqu'à une température d'environ 20°C grâce à un fluide caloporteur dont la température est d'environ 15°C. En sortie du premier échangeur 2 thermique, le mélange de gaz psychométrique, ainsi refroidi à une température d'environ 20°C, entre dans un premier séparateur 3 fluidique. Dans l'exemple choisi, avec une concentration volumique de 6110 ppm (v/v) de vapeur d'eau, aucune vapeur d'eau dans le premier échangeur 2 thermique n'est condensée, ainsi il n'y a pas d'eau séparée dans le premier séparateur 3 fluidique. A ce stade, le mélange de gaz psychométrique a traversé le premier étage. A la sortie du premier séparateur 3 fluidique, le mélange de gaz psychométrique entre dans le deuxième étage à une température d'environ 20°C. E011 B001 FR Le mélange est comprimé par le deuxième compresseur 4 jusqu'à une pression d'environ 1,41 MPa et la température atteint de nouveau 170°C. En sortie du deuxième compresseur 4, le mélange est refroidi de la même manière que précédemment par un deuxième échangeur 5 thermique, et ce jusqu'à une température de 20°C. En sortie du deuxième échangeur 5 thermique, le mélange passe à travers un deuxième séparateur 6 fluidique où une partie de la vapeur d'eau condensée est extraite. A cet étage, la concentration volumique de la vapeur d'eau du mélange passe de 6110 ppm (v/v) à environ 1650 ppm (v/v). A ce stade, le mélange a traversé le deuxième étage. A la sortie du deuxième séparateur 6 fluidique, le mélange partiellement déshumidifié entre dans le troisième étage à une température d'environ 20°C. Le troisième compresseur 7 comprime le mélange jusqu'à une pression d'environ 5,32 MPa et la température est élevée jusqu'à 170°C environ. De nouveau le mélange gazeux est refroidi dans un troisième échangeur 8 thermique jusqu'à une température d'environ 20°C. Un troisième séparateur 9 fluidique extrait la vapeur d'eau condensée dans le troisième échangeur 8 thermique. La concentration volumique de la vapeur d'eau passe de 1650 ppm (v/v) à 440 ppm (v/v). Le mélange gazeux déshumidifié une deuxième fois, quitte le troisième étage à une température d'environ 20°C et entre dans le quatrième et dernier étage où celui-ci est dans un premier temps comprimé par un quatrième compresseur 10 jusqu'à une pression de 20 MPa et la température atteint de nouveau 170°C. Dans un second temps, le mélange est refroidi grâce à un quatrième échangeur 11 thermique jusqu'à une température d'environ 20°C. Le refroidissement effectué, le mélange passe par un quatrième séparateur 12 fluidique où une troisième dessiccation est opérée. La concentration en volume de vapeur d'eau passe de 440 ppm (v/v) à environ 117 ppm (v/v), qui est la E011 B001 FR concentration cible correspondant à une température de rosée de 41°C. En sortie du quatrième séparateur 12 fluidique, le mélange composé de dihydrogène, de diazote et de vapeur d'eau à 1 1 7 ppm (v/v) est stocké dans un réservoir 13, prêt à être utilisé. Chaque compresseur 1, 4, 7, 10 est identique et a un taux de compression d'environ 3,76 et un rendement isentropique de l'ordre de 0,9. Un taux de compression identique permet notamment de minimiser la consommation d'énergie de l'ensemble des quatre compresseurs 1, 4, 7, 10. Les échangeurs 2, 5, 8, 11 thermiques sont des échangeurs à contre- courant, c'est à dire que le fluide caloporteur circule dans une direction opposée à celle du fluide à refroidir. Il est ici question d'échangeurs thermiques à plaques ou tubulaires. L'arrangement géométrique des échangeurs 2, 5, 8, 11 thermiques et des séparateurs 3, 6, 9, 12 fluidiques est tel, que le condensat d'eau s'écoule naturellement des échangeurs 2, 5, 8, 11 thermiques vers les séparateurs 3, 6, 9, 12 fluidiques correspondant. Le fluide caloporteur entre dans chaque échangeur 2, 5, 8, 11 thermique à une température d'environ 15°C par une entrée 14 et en ressort par une sortie 15. Dans les séparateurs 3, 6, 9, 12 fluidiques, les condensats tombent au fond par simple effet de la gravité tandis que le flux gazeux se dirige vers le haut des séparateurs 3, 6, 9, 12 fluidiques. Chaque séparateur 3, 6, 9, 12 fluidique comprend un contrôleur 16 de niveau et une purge 17. Chaque contrôleur 16 de niveau contrôle le niveau d'eau condensée dans le séparateur 3, 6, 9, 12 fluidique qui lui correspond. Lorsque les seuils 18 hauts sont atteints, les contrôleurs 16 de niveaux envoient un signal à un système de contrôle commande afin que les purges 17 s'ouvrent et détendent l'eau liquide à la pression atmosphérique et maintiennent la pression amont régnant dans chaque E011 B001 FR séparateur 3, 6, 9, 12 fluidique, ainsi l'eau est vidée de chaque séparateur 3, 6, 9, 12 fluidique jusqu'à atteindre le seuil 19 bas où un autre signal est envoyé par le contrôleur 16 de niveau correspondant afin de refermer la purge 17. Les séparateurs fluidique sont en communication fluidique avec leur échangeur 2, 5, 8, 11 thermique par l'intermédiaire de canalisations fluidiques 20 descendantes. Cet agencement permet d'utiliser la gravité pour permettre l'écoulement dans un sens particulier. En l'occurrence, l'écoulement des condensats doit ici aller dans le sens échangeur vers séparateur. Les séparateurs 3, 6, 9, 12 fluidiques sont donc agencés de telle sorte que les échangeurs 2, 5, 8, 11 thermiques correspondant soient situés plus haut. Chaque compresseur 1, 4, 7, 10 excepté le premier compresseur 1, est en communication fluidique avec un séparateur 3, 6, 9, 12 fluidique par l'intermédiaire de canalisations fluidiques 21 ascendantes. Cet agencement permet d'utiliser la gravité pour permettre l'écoulement dans un sens particulier. En l'occurrence, l'écoulement du flux gazeux doit ici aller dans le sens séparateur vers compresseur. Les séparateurs 3, 6, 9, 12 fluidiques sont donc agencés de telle sorte que les compresseurs correspondant soient situés plus haut. Les applications nécessitant le stockage d'air comprimé sont de plus en plus nombreuses. C'est notamment le cas de certains véhicules mobiles. Il est avantageux de déshumidifier l'air avant de le stocker à haute pression, par exemple 6 MPa. En effet, l'eau entraîne à la fois bouchage et corrosion. Le stockage d'air comprimé est utilisé dans les véhicules hybrides à air comprimé et moteur thermique ou encore dans les engins et véhicules de chantier qui ont besoin de réserves d'énergie sous forme d'air comprimé à haute pression. La figure 2 illustre un schéma de principe d'un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas précis, le nombre d'étage de compression est réduit. Dans ce mode de réalisation, un gaz à la E011 8001 FR pression atmosphérique et une température de 20°C arrive dans un premier compresseur 22 compacte avec une humidité relative de 50% soit 11 697 ppm (v/v) de concentration volumique. Dans cet exemple le gaz est de l'air. Celui-ci est comprimé jusqu'à une pression de 0,775 MPa et atteint une température de 200°C. En sortie du premier compresseur 22 compacte, le gaz est refroidi dans un premier échangeur thermique 23 compacte jusqu'à une température avoisinant 20°C. L'air refroidi se dirige dès lors vers un premier séparateur fluidique 24 compacte où une partie de la vapeur d'eau condensée est récupérée au fond du premier séparateur fluidique 24 compacte. A ce stade, l'air ne contient plus que 3020 ppm (v/v) de vapeur d'eau. L'air partiellement déshumidifié quitte le premier séparateur fluidique 24 compacte et entre dans un second compresseur 25 compacte. Le flux gazeux est comprimé jusqu'à une pression de 6 MPa. L'air comprimé à 6 MPa entre dans un second échangeur 26 thermique compacte où il est refroidi jusqu'à 20°C environ. A la sortie du second échangeur 26 thermique compacte, l'air refroidi à 20°C entre dans un second séparateur 27 fluidique compacte où il perd une partie de la vapeur d'eau précédemment condensée dans le second échangeur 26 thermique compacte. En sortie du second séparateur 27 fluidique compacte, l'air ne contient plus qu'une humidité résiduelle d'environ 390 ppm (v/v) correspondant à une température de rosée de -30°C. L'air est alors stocké dans un réservoir 13 de stockage et est prêt à être utilisé. Dans le second mode de réalisation, les compresseurs 22, 25 compactes utilisés comprennent un dispositif de refroidissement de parois telles que des chemises à eau dans le cas de compresseurs à piston. Ces dispositifs de refroidissement permettent de maintenir la température du compresseur inférieure à 200°C. Chaque compresseur compacte est identique et a un taux de compression d'environ 7,75. Un taux de compression identique permet E011 8001 FR notamment de minimiser la consommation d'énergie de l'ensemble des deux compresseurs 22, 25 compactes. Ce second mode de réalisation illustre la variété d'applications possibles pour ce procédé. Il trouve son application à la fois dans des milieux industriels ou dans des dispositifs mobiles. Un premier avantage de l'invention est qu'elle permet une déshumidification efficace à l'image des exemples fournis dans la 10 description. Un deuxième avantage est sa simplicité. Un troisième avantage est qu'elle ne présente pas de risque toxique, 15 contrairement aux autres dispositifs nécessitant l'utilisation de solvants notamment ceux appartenant à la famille des glycols. Un quatrième avantage est qu'elle ne nécessite pas l'utilisation de gels de silice conventionnellement utilisé dans l'industrie pour déshumidifier 20 les mélanges gazeux grâce à l'adsorption. Un cinquième avantage est qu'elle peut être implémentée aussi bien dans des dispositifs industriels que dans des dispositifs mobiles. E011 B001 FR REVENDICATIONS1. Procédé de déshumidification d'un mélange de gaz psychométrique à température ambiante comprenant une étape, cette étape incluant : - une phase de compression, dans laquelle le mélange de gaz psychométrique est comprimé jusqu'à une pression donnée ; - une phase de refroidissement, dans laquelle, le mélange de gaz psychométrique précédemment comprimé est refroidi, jusqu'à une température donnée ; - une phase de séparation, comprenant une étape d'extraction des condensats issus de la précédente phase de refroidissement, dans le gaz psychométrique ; l'étape précédemment décrite, étant répétée successivement, une pluralité de fois, de sorte à réduire jusqu'à un seuil prédéterminé, la concentration en vapeur d'eau dans le gaz psychométrique. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le seuil prédéterminé correspond à une teneur en vapeur d'eau inférieure à environ 20 parts par million (ppm) exprimée en volume. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape est répétée successivement quatre fois, donnant lieu à une première, une deuxième, une troisième et une quatrième étape. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel, dans la première étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 0,376 MPa. 5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel, dans la deuxième étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 1,41 MPa. E011 B001 FR 6. Procédé selon la revendication 3 dans lequel, dans la troisième étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 5,32 MPa. 7. Procédé selon la revendication 3 dans lequel, dans la quatrième étape, le mélange de gaz psychométrique est comprimé à une pression d'environ 20 MPa. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédente, dans lequel, après chaque phase de compression, le mélange de gaz psychométrique est refroidi jusqu'à une température d'environ 20°C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel, dans chaque étape, le taux de compression est sensiblement identique et est d'environ 3,76. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le mélange de gaz psychométrique est composé : - de dihydrogène dans des proportions molaires variant de 60 à 75%, - de diazote dans des proportions molaires variant de 25 à 40%, - de vapeur d'eau pouvant varier de 50 à 10 000 ppm. E011 B001 FR