Brevet FR3025302A1 — publié le 20160304

La présente invention est relative à un procédé d'épuration d'un flux gazeux d'alimentation mettant en oeuvre une poudre d'adsorbant et une unité de séparation subambiante, de préférence une unité de distillation cryogénique. Il est principalement question ici du traitement de l'air. L'adsorption est un phénomène en général favorisé par une température basse. Par exemple, pour une ASU (Air Separation Unit = Unité de séparation d'air), l'arrêt du CO2 sur un tamis moléculaire est jusqu'à 5 fois supérieure à -100°C qu'à 20°C, environ 3 fois pour l'arrêt du propane. Avant de subir une séparation sub-ambiante le flux gazeux est généralement refroidi au sein d'un échangeur. Cependant, lors du refroidissement, les impuretés ont tendance à se geler sur la paroi de l'échangeur. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un procédé amélioré d'épuration d'un flux gazeux mettant en oeuvre une unité de séparation sub-ambiante. Une solution de la présente invention est un procédé d'épuration d'un flux gazeux comprenant dans le sens de circulation du flux gazeux : - (a) une étape de circulation d'un adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de billes milli, micro ou nanométrique avec ledit flux gazeux en refroidissement dans un échangeur et - (b) une étape de séparation sub-ambiante du flux gazeux. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous : - le débit massique d'injection de l'adsorbant est inférieur à 15%, de préférence inférieur à 10% et encore plus préférentiellement inférieure à 5% du débit massique du flux gazeux à épurer ; - le flux gazeux est de l'air et l'étape (b) de séparation su b-ambiante est une étape de séparation cryogénique, notamment par distillation ; - l'adsorbant permet d'épurer au moins en partie le flux gazeux d'au moins une des impuretés suivantes : H2O, CO2, N20, CnHm, NOx ; l'impureté considérée est arrêtée à plus de 90%, préférentiellement, à plus de 99%, voire à plus de 99.9%, voire encore à plus de 99.9999%; - l'adsorbant est choisi entre le gel de silice et un tamis moléculaire ; 3025302 2 - ledit procédé comprend successivement: (i) une étape de filtration de l'air de manière à éliminer de la poussière et autres particules en suspension dans l'air atmosphérique; (ii) une étape de compression de l'air filtré à une pression supérieure à 1.1 bar, de préférence 3 bar; (iii) une étape de séchage de l'air comprimé de manière à obtenir de l'air présentant une teneur en 5 eau inférieure à 1ppm, voire 0.1 ppm; (iv) une étape d'injection dans l'air de l'adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de billes milli, micro ou nanométrique de manière à former un mélange air-adsorbant ; (v) une étape de refroidissement du mélange air-adsorbant dans un échangeur à une température inférieure à -50°C ; (vi) une première étape de collecte de l'adsorbant contenu dans l'air en sortie de l'échangeur ; (vii) une étape de séparation 10 cryogénique, par exemple par distillation, de l'air issu de l'étape (vi) de manière à obtenir un flux gazeux épuré enrichi en oxygène et un flux gazeux résiduaire ; (viii) une étape de mélange du flux gazeux résiduaire et de l'adsorbant collecté à l'étape (vi) ; (ix) une étape de réchauffement du mélange obtenu à l'étape (viii) dans l'échangeur à une température supérieure à 0°C et (x) une deuxième étape de collecte de l'adsorbant contenu dans le gaz 15 résiduaire ; l'adsorbant collecté à l'étape (x) étant recyclé à l'étape (iv) d'injection. Pour ce procédé on parlera de premier mode de réalisation selon l'invention ; - ledit procédé comprend : (i) une étape de filtration de l'air de manière à éliminer de la poussière et autres particules en suspension dans l'air atmosphérique; (ii) une étape de compression de l'air filtré à une pression supérieure à 1.1 bar, de préférence 3 bar; (iii) une 20 étape d'injection dans l'air de l'adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de billes milli, micro ou nanométrique de manière à former un mélange air-adsorbant ; (iv) une étape de refroidissement du mélange air-adsorbant dans un échangeur à une température inférieure à 50°C; (v) une première étape de collecte de l'adsorbant contenu dans l'air en sortie de l'échangeur ; (vi) une étape de séparation cryogénique de l'air issu de l'étape (v) de manière à 25 obtenir un flux gazeux épuré enrichi en oxygène et un flux gazeux résiduaire ; (vii) une étape de mélange du flux gazeux résiduaire et de l'adsorbant collecté à l'étape (v) ; (viii) une première étape de réchauffement du mélange obtenu à l'étape (vii) dans l'échangeur à une température supérieure à 0°C; (ix) une deuxième étape de réchauffement du flux gazeux issu de l'étape (viii) à une température comprise entre 60°C et 200°C; et (x) une deuxième étape de collecte de 3025302 3 l'adsorbant contenu dans le gaz résiduaire ; l'adsorbant collecté à l'étape (x) étant recyclé à l'étape (iii) d'injection, éventuellement après refroidissement préalable. Pour ce procédé on parlera de deuxième mode de réalisation selon l'invention ; - le flux gazeux résiduaire comprend au moins 30% d'azote. 5 La présente invention a également pour objet une installation d'épuration d'un flux gazeux comprenant dans le sens de circulation du flux gazeux : - un moyen d'injection permettant d'injecter un adsorbant sous forme de poudre ou de petites particules ou de petites billes milli, micro ou nanométrique dans le flux gazeux à traiter pour former un mélange air-adsorbant ; 10 - un échangeur permettant de refroidir le mélange air-adsorbant à une température inférieure à -50°C ; - un collecteur permettant de récupérer la poudre ou les particules ou les billes d'adsorbeur en sortie de l'échangeur ; - une unité de séparation sub-ambiante. 15 Selon le cas, l'installation selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ladite installation comprend un moyen de contrôler le débit d'injection de la poudre ou de particules ou de billes d'adsorbant dans le flux gazeux à traiter de manière à ce que le débit massique d'injection de la poudre d'adsorbant est inférieur à 15%, de préférence inférieur à 20 10% et encore plus préférentiellement inférieur à 5% du débit massique du flux gazeux à épurer ; - l'adsorbant permet d'épurer au moins en partie le flux gazeux d'au moins une des impuretés suivantes : H2O, CO2, N20, CnHm, NOx ; - l'unité de séparation sub-ambiante est une unité de séparation cryogénique, par exemple par 25 distillation ; - le collecteur est un cyclone ; - l'échangeur présente des passages ou canaux dont les dimensions caractéristiques sont 5 fois, préférentiellement 10 fois, encore plus préférentiellement 100 fois plus grandes que la taille caractéristique de la poudre ou des particules ou des billes d'adsorbant ; 3025302 4 - l'échangeur est un échangeur aluminium à plaques et ailettes brasées, et comporte des ondes droites, ondulées ou à chevrons. L'invention va à présente être décrite plus en détail à l'aide des figures 1 et 2 qui schématisent respectivement le premier mode et le deuxième mode de réalisation selon 5 l'invention. La figure 1 schématise le premier mode de réalisation selon l'invention avec une séparation par distillation cryogénique de l'air. Cela pourrait bien sûr s'appliquer à d'autres types de séparation sub-ambiante, voire cryogénique et sur d'autres types de gaz (par exemple, sur un syngaz H2-CO). 10 L'air atmosphérique est filtré, comprimé, puis est épuré pour retirer l'eau dans un système classique d'épuration, par exemple par adsorption pour produire le fluide d'air asséché (1). On injecte en amont de l'échangeur principal un adsorbant, de préférence du tamis moléculaire ou du gel de silice, et de préférence sous forme de poudre ou de petites particules ou de petites billes pour former le mélange air - adsorbant (2). Le mélange est alors refroidi dans l'échangeur. 15 Au cours du refroidissement, l'adsorbant adsorbe au moins une partie du CO2 et éventuellement des impuretés secondaires de l'air. En sortie de l'échangeur, le mélange refroidi (3) est séparé, par exemple à l'aide d'un cyclone, de façon à collecter l'adsorbant. L'air purifié est alors envoyé vers le reste du procédé pour sa séparation. L'adsorbant collecté est injecté dans un gaz résiduaire (par exemple de l'azote impur) issu de la distillation au bout froid de 20 l'échangeur pour former le mélange (4). Celui-ci se réchauffe dans la ligne d'échange. Au cours de son réchauffement, l'adsorbant désorbe le CO2 et les impuretés secondaires, ce qui permet de le régénérer. En sortie de l'échangeur, le mélange réchauffé (5) est séparé, par exemple à l'aide d'un cyclone, de façon à collecter l'adsorbant. Le CO2 et les impuretés secondaires sont envoyés à l'atmosphère avec le gaz résiduaire. L'adsorbant collecté et régénéré est renvoyé 25 dans le fluide d'air asséché à épurer (1). La figure 2 schématise le deuxième mode de réalisation selon l'invention avec une séparation par distillation cryogénique de l'air. Cela pourrait bien sûr s'appliquer à d'autres types de séparation sub-ambiante, voire cryogénique et sur d'autres types de gaz (par exemple, sur un syngaz H2-CO). 3025302 5 L'air atmosphérique est filtré, comprimé (1). On injecte en amont de l'échangeur principal un adsorbant, de préférence du gel de silice, et de préférence sous forme de poudre ou de petites particules ou de petites billes pour former le mélange air - adsorbant (2). Le mélange est alors refroidi dans l'échangeur. Au cours du refroidissement, l'adsorbant adsorbe au moins une partie 5 de l'eau, du CO2 et éventuellement des impuretés secondaires de l'air. En sortie de l'échangeur, le mélange refroidi (3) est séparé, par exemple à l'aide d'un cyclone, de façon à collecter l'adsorbant. L'air purifié est alors envoyé vers le reste du procédé pour sa séparation. L'adsorbant collecté est injecté dans un gaz résiduaire (4) (par exemple de l'azote impur) issu de la distillation au bout froid de l'échangeur pour former le mélange (5). Celui-ci se réchauffe dans 10 la ligne d'échange. Au cours de son réchauffement, l'adsorbant désorbe essentiellement le CO2 et les impuretés secondaires, ce qui permet de le régénérer en partie. En sortie de l'échangeur, le mélange réchauffé (6) est de nouveau réchauffé dans un échangeur économiseur facultatif, puis dans un réchauffeur qui peut être électrique, à vapeur ou au gaz, typiquement à une température entre 60°C et 200°C. Ce niveau de température permet de désorber l'eau sous 15 forme vapeur. Le mélange réchauffé (7) est séparé, par exemple à l'aide d'un cyclone, de façon à collecter l'adsorbant. L'eau sous forme vapeur, le CO2 et les impuretés secondaires sont envoyés dans l'échangeur économiseur facultatif, puis à l'atmosphère avec le gaz résiduaire. L'adsorbant collecté et régénéré est renvoyé dans l'air filtré et comprimé à épurer (1). 20 REVENDICATIONS1. Procédé d'épuration d'un flux gazeux comprenant dans le sens de circulation du flux gazeux : - (a) une étape de circulation d'un adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de billes milli, micro ou nanométrique avec ledit flux gazeux en refroidissement dans un échangeur et - (b) une étape de séparation sub-ambiante du flux gazeux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit massique d'injection de l'adsorbant est inférieur à 15%, de préférence inférieur à 10% et encore plus préférentiellement inférieur à 5% du débit massique du flux gazeux à épurer. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le flux gazeux est de l'air et l'étape (b) de séparation sub-ambiante est une étape de séparation cryogénique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'adsorbant permet d'épurer au moins en partie le flux gazeux d'au moins une des impuretés suivantes : H2O, CO2, N20, CnHm, NOx. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'adsorbant est choisi entre le gel de silice et un tamis moléculaire. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en en ce que ledit procédé comprend successivement: - (i) une étape de filtration de l'air de manière à éliminer de la poussière et autres particules en suspension dans l'air atmosphérique - (ii) une étape de compression de l'air filtré à une pression supérieure à 1.1 bar, de préférence 3 bar - (iii) une étape de séchage de l'air comprimé de manière à obtenir de l'air présentant une teneur en eau inférieure à 1ppm, voire 0.1 ppm 3025302 7 - (iv) une étape d'injection dans l'air de l'adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de billes milli, micro ou nanométrique de manière à former un mélange air-adsorbant - (v) une étape de refroidissement du mélange air-adsorbant dans un échangeur à une température inférieure à -50°C 5 - (vi) une première étape de collecte de l'adsorbant contenu dans l'air en sortie de l'échangeur - (vii) une étape de séparation cryogénique de l'air issu de l'étape (vi) de manière à obtenir un flux gazeux épuré enrichi en oxygène et un flux gazeux résiduaire - (viii) une étape de mélange du flux gazeux résiduaire et de l'adsorbant collecté à l'étape (vi) - (ix) une étape de réchauffement du mélange obtenu à l'étape (viii) dans l'échangeur à une 10 température supérieure à 0°C et - (x) une deuxième étape de collecte de l'adsorbant contenu dans le gaz résiduaire l'adsorbant collecté à l'étape (x) étant recyclé à l'étape (iv) d'injection. 7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit procédé comprend : 15 - (i) une étape de filtration de l'air de manière à éliminer de la poussière et autres particules en suspension dans l'air atmosphérique - (ii) une étape de compression de l'air filtré à une pression supérieure à 1.1 bar, de préférence 3 bar - (iii) une étape d'injection dans l'air de l'adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de 20 billes milli, micro ou nanométrique de manière à former un mélange air-adsorbant - (iv) une étape de refroidissement du mélange air-adsorbant dans un échangeur à une température inférieure à -50°C - (v) une première étape de collecte de l'adsorbant contenu dans l'air en sortie de l'échangeur - (vi) une étape de séparation cryogénique de l'air issu de l'étape (v) de manière à obtenir un 25 flux gazeux épuré enrichi en oxygène et un flux gazeux résiduaire - (vii) une étape de mélange du flux gazeux résiduaire et de l'adsorbant collecté à l'étape (v) - (viii) une première étape de réchauffement du mélange obtenu à l'étape (vii) dans l'échangeur à une température supérieure à 0°C 3025302 8 - (ix) une deuxième étape de réchauffement du flux gazeux issu de l'étape (viii) à une température comprise entre 60°C et 200°C et - (x) une deuxième étape de collecte de l'adsorbant contenu dans le gaz résiduaire l'adsorbant collecté à l'étape (x) étant recyclé à l'étape (iii) d'injection. 5 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le flux gazeux résiduaire comprend au moins 30% d'azote. 9. Installation d'épuration d'un flux gazeux comprenant dans le sens de circulation du flux 10 gazeux : - un moyen d'injection permettant d'injecter un adsorbant sous forme de poudre ou de particules ou de billes milli, micro ou nanométrique dans le flux gazeux à traiter pour former un mélange air-adsorbant ; - un échangeur permettant de refroidir le mélange air-adsorbant à une température inférieure à 15 -50°C ; - un collecteur permettant de récupérer la poudre ou les particules ou les billes d'adsorbeur en sortie de l'échangeur ; - une unité de séparation sub-ambiante. 20 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite installation comprend un moyen de contrôler le débit d'injection de la poudre ou des particules ou des billes d'adsorbant dans le flux gazeux à traiter de manière à ce que le débit massique d'injection de la poudre d'adsorbant est inférieur à 15%, de préférence inférieur à 10% et encore plus préférentiellement inférieur à 5% du débit massique du flux gazeux à épurer. 25 11. Installation selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que l'adsorbant permet d'épurer au moins en partie le flux gazeux d'au moins une des impuretés suivantes : H2O, CO2, N20, CnH,,, NOx. 3025302 9 12. Installation selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que l'unité de séparation sub-ambiante est une unité de séparation cryogénique, notamment par distillation. 13. Installation selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que le collecteur est un 5 cyclone. 14. Installation selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisée en ce que l'échangeur présente des passages ou canaux dont les dimensions caractéristiques sont 5 fois, préférentiellement 10 fois, encore plus préférentiellement 100 fois plus grandes que la taille 10 caractéristiques de la poudre ou de petites particules ou de petites billes d'adsorbant. 15. Installation selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisée en ce que l'échangeur est un échangeur aluminium à plaques et ailettes brasées, et comporte des ondes droites, ondulées ou à chevrons. 15