Brevet FR3040889A1 — publié le 20170317

La présente invention a pour objet un dispositif et un procédé de purification d'air au moyen de roues d'adsorbant. L'air est généralement purifié à l'aide d'un procédé d'adsorption, où de l'alumine et de la zéolite 13X sont utilisées pour capter respectivement de l'eau et de CO2. Ce procédé est discontinu car l'adsorbant doit être régénéré périodiquement. Ainsi, afin de produire de manière continue de l'air purifié, il est nécessaire d'avoir 2 bouteilles. Elles sont alternativement en production et en régénération : pendant qu'une bouteille est en production, c'est à dire qu'elle purifie l'air, la deuxième bouteille est en cours de régénération. Les conditions opératoires du procédé sont les suivantes : l'air et le CO2 sont adsorbés à une pression de 5-6 bars et à une température comprise entre 5 et 15 °C. Puis l'adsorbant est régénéré par chauffage à 150 °C et par une diminution de la pression jusqu'à la pression atmosphérique. Dans le cas où l'on souhaite épurer l'air à basse pression, c'est à dire à une pression comprise entre 1 et 2 bars il y a alors une augmentation drastique des volumes d'adsorbant et du débit de régénération. En plus des deux bouteilles, il est également nécessaire d'avoir un système d'inversion qui permet de diriger les différents flux dans l'une ou l'autre bouteille selon qu'elles sont en phase d'adsorption ou de régénération. Ces systèmes d'inversion sont constitués d'un nombre important de vannes et s'avèrent onéreux. Ces systèmes d'inversion sont aussi sources de défaillance du système. Ainsi, les procédés d'adsorption sont efficaces pour purifier des gaz, mais en raison du caractère discontinu du procédé, il est nécessaire de doubler les équipements (bouteille, adsorbant) et d'avoir un système d'inversion complexe. L'invention propose de simplifier le procédé de purification de l'air par adsorption. Une solution de la présente invention est un dispositif d'épuration d'un flux d'air présentant une humidité relative supérieure à 50% comprenant dans le sens de circulation du flux d'air: 3040889 2 - au moins une roue enthalpique rotative comprenant un premier adsorbant réparti en au moins un premier secteur apte à recevoir le flux d'air présentant une humidité relative supérieure à 50%et au moins un deuxième secteur apte à recevoir un gaz de régénération, - au moins une roue d'adsorption rotative comprenant un deuxième adsorbant réparti en un 5 secteur d'adsorption, un secteur de régénération, et un secteur de purge, et - une unité de distillation d'air avec : - la roue enthalpique apte à subir une rotation de manière à ce que la partie du premier adsorbant se trouvant dans le premier secteur passe dans le deuxième secteur et la partie du 10 premier adsorbant se trouvant dans le deuxième secteur passe dans le premier secteur, et - la roue d'adsorption apte à subir une rotation de manière à ce que la partie du deuxième adsorbant se trouvant dans le secteur d'adsorption passe dans le secteur de régénération, la partie du deuxième adsorbant se trouvant dans le secteur de régénération passe dans le secteur de purge, et la partie du deuxième adsorbant se trouvant dans le secteur de purge passe dans le 15 secteur d'adsorption. Notons que le premier et le deuxième adsorbant peuvent être identiques. Notons également que la régénération dans le secteur de régénération s'effectue généralement par chauffage. La roue enthalpique est une roue qui permet de transférer des frigories d'un gaz de 20 régénération sec à un gaz procédé humide. La roue enthalpique est refroidie par la désorption de l'eau adsorbée à l'aide du gaz de régénération qui est sec et non chauffé. Le gaz de régénération se réchauffe. La roue refroidie tourne et refroidit l'air procédé lorsqu'elle entre en contact avec lui. L'humidité du gaz procédé est également partiellement adsorbée. Ce type de roue permet donc de refroidir et pré-sécher l'air procédé. 25 Selon le cas, le dispositif selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le secteur de purge de la roue d'adsorption est apte à recevoir le gaz de régénération et le secteur de régénération de la roue d'adsorption est apte à recevoir le gaz de régénération sortant du secteur de purge après passage dans un réchauffeur. 3040889 3 - ledit dispositif comprend un conduit entre l'unité de distillation et la roue d'adsorption de manière à pouvoir utiliser le gaz résiduaire de l'unité de distillation comme gaz de régénération du deuxième adsorbant, - ledit dispositif comprend un compresseur en amont de la roue enthalpique ou entre la roue 5 enthalpique et la roue d'adsorption ou entre la roue d'adsorption et l'unité de distillation d'air. - ledit dispositif comprend un premier ventilateur pour la circulation du flux d'air et un second ventilateur pour la circulation d'un flux de régénération. - ledit dispositif comprend un ventilateur permettant à la fois la circulation du flux d'air et la circulation d'un flux de régénération. 10 - la roue enthalpique et la roue d'adsorption sont assemblées dans un seul module. La présente invention a également pour objet un procédé d'épuration d'un flux d'air comprenant comme impuretés de l'eau et du CO2, mettant en oeuvre un dispositif d'épuration tel que défini dans l'invention, comprenant les étapes suivantes : a) passage du flux d'air à travers le secteur de purge de la roue enthalpique dans une direction 15 parallèle à l'axe de rotation de la roue enthalpique de manière à refroidir le flux d'air à une température inférieure à 30 °C b) passage du flux d'air refroidi à travers le secteur d'adsorption de la roue d'adsorption de manière à éliminer au moins une partie de l'eau du flux d'air, c) passage du flux d'air séché dans l'unité de distillation d'air, et 20 d) récupération d'un flux d'oxygène et/ou d'azote. Selon le cas le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit procédé comprend le passage d'un premier gaz de régénération dans le secteur de régénération de la roue d'adsorption et le passage d'un second gaz de régénération dans le 25 deuxième secteur de la roue enthalpique. - le premier gaz de régénération est choisi parmi l'air issu de l'étape b), l'azote résiduaire récupéré en sortie de l'unité de distillation d'air, un mélange d'air et de l'azote résiduaire ou le second gaz de régénération sortant du deuxième secteur de la roue enthalpique. 3040889 4 - le premier gaz de régénération est chauffé, avant son passage dans le secteur de régénération de la roue d'adsorption, à une température comprise entre 100 et 250°C. - le second gaz de régénération est choisi parmi l'azote résiduaire récupéré en sortie de l'unité de distillation d'air et l'air issu de l'étape b).. 5 - le second gaz de régénération entre dans le deuxième secteur de la roue enthalpique à une température inférieure à 30 °C de manière à refroidir le flux d'air passant dans le premier secteur de la roue enthalpique par échange thermique. - lors du passage du second gaz de régénération dans le deuxième secteur de la roue enthalpique l'adsorbant se décharge en eau de manière à ce que la désorption de l'eau 10 refroidisse le flux d'air passant dans le premier secteur de la roue enthalpique. - ledit procédé met en oeuvre une première et une deuxième roue d'adsorptions placées en série sur la circulation du flux d'air et le premier gaz de régénération passe successivement dans les secteurs de purge de la première et de la deuxième roue d'adsorption puis successivement dans les secteurs de régénération de la deuxième et de la première roue d'adsorption (figure 8). 15 De même le procédé selon l'invention pourrait mettre en oeuvre une première, une deuxième et une troisième roues d'adsorption s placées en série et le premier gaz de régénération passe successivement dans les secteurs de purge de la première, de la deuxième et de la troisième roue d'adsorption puis successivement dans les secteurs de régénération de la troisième, de la deuxième et de la première roue d'adsorption (figure 9). 20 Notons que l'on peut refroidir ou chauffer le gaz de régénération avant qu'il n'entre dans la roue d'adsorption. Ainsi dans le cadre de l'invention le flux d'air est refroidi avant l'étape proprement dite d'adsorption afin d'améliorer les performances de l'étape d'adsorption. Cela permet d'augmenter la capacité d'adsorption de la roue puisque la quantité de gaz adsorbée est 25 augmentée aux basses températures. Par ailleurs, la quantité d'eau à adsorber par les roues d'adsorption est moins importante ce qui permet d'éviter un réchauffement trop important des roues et du gaz procédé lors de la phase d'adsorption ce qui est préjudiciable aux performances d'adsorption. 3040889 5 La roue enthalpique refroidit (et pré-sèche) le flux d'air avant épuration. La roue d'adsorption n'adsorbe pas que l'eau : elle adsorbe également le CO2 et les impuretés secondaires de l'air procédé. Ces impuretés peuvent être arrêtées complètement ou partiellement par l'ajout de plusieurs roues d'adsorption placées en série. 5 La particularité du système d'adsorption utilisé dans le cadre de l'invention réside dans la mise en forme de l'adsorbant en roue mais aussi dans son système de régénération : la roue comporte un secteur utilisé pour la régénération (R), le reste l'étant pour traiter l'air (A) (figure 1). Le flux d'air à purifier et le premier gaz de régénération circulent à contre-courant et le premier gaz de régénération chaud, c'est-à-dire à une température comprise entre 100°C et 10 250°C, est utilisé pour régénérer l'adsorbant de la roue. La roue tourne sur elle-même afin de passer d'un secteur à l'autre. Ainsi ce dispositif permet de produire de manière continue de l'air séché. Ce système ne nécessite pas de doubler les équipements comme les procédés classiques d'adsorption. A noter qu'avant de chauffer le gaz de régénération, celui-ci peut traverser le secteur « de purge » (P). Cela permet de refroidir la roue d'adsorption et de préchauffer le gaz 15 de régénération. La roue d'adsorption est composée d'une matrice en matériau composite ou en cellulose ou en fibre de verre ou en métal, par exemple de l'aluminium ou de l'inox sur laquelle est déposé le matériau dessicant comme le gel de silice, l'alumine ou des zéolites tel que la zéolite 13X. Le premier gaz de régénération sortant de la roue d'adsorption peut être envoyé à la roue 20 enthalpique afin de désorber l'eau. Inversement et préférentiellement, le second gaz de régénération sortant de la roue enthalpique peut être utilisé pour régénérer l'adsorbant de la roue d'adsorption. Ceci sera détaillé par la suite à l'aide des figures 9 et 10. Les ventilateurs des systèmes de roue d'adsorption et enthalpique peuvent être mis en commun. Ainsi un seul ventilateur peut suffire par type de gaz (flux d'air d'alimentation et gaz de régénération) pour 25 faire circuler ce gaz à travers les roues d'adsorption et enthalpique. La pression de l'air procédé est comprise entre 1 et 1.5 bar. La compression peut avoir lieu avant ou après la purge et le séchage. Notons que lorsque l'air est comprimé il n'est pas obligatoire d'avoir des ventilateurs pour faire circuler le flux d'air d'alimentation et les gaz de 3040889 6 régénération utilisés pour la régénération et le purge à travers les roues d'adsorption et enthalpiques. Les différentes roues enthalpiques et d'adsorption peuvent être assemblées dans un même module. 5 Un groupe frigorifique et/ou un échangeur peut être intercalé entre la (ou les) roue enthalpique et la (ou les) roue d'adsorption, pour refroidir plus avant l'air. De même, on peut avoir une purge entre 2 roues de même fonction (enthalpique ou d'adsorption). Les différentes configurations du dispositif selon l'invention vont à présent être décrites plus en détail à l'aide des figures 2 à 10. 10 Notons que dans ces figures la roue enthalpique est parfois appelée « Système refroidissement avec roue » ou « Roue refroidissement » et la roue d'adsorption est parfois appelée « Système épuration avec roue » ou « Roue purification ». La figure 2 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure la compression de l'air a lieu après épuration. Le gaz de régénération est de l'azote. Les circuits du gaz de régénération 15 sont en parallèle. La figure 3 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure la compression de l'air a lieu avant épuration. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Les circuits du gaz de régénération sont en parallèle. La figure 4 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure le gaz de régénération est 20 de l'azote résiduaire et passe en série dans la roue d'adsorption puis dans la roue enthalpique. La figure 5 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure le gaz de régénération est de l'azote résiduaire et passe en série dans la roue enthalpique puis dans la roue d'adsorption. La figure 6 décrit une variante de l'invention dans laquelle il est possible d'introduire du gaz de régénération entre le système de purge à roue et le système de purification du gaz. 25 Inversement, il est possible d'extraire une partie du gaz de régénération. Cette variante peut bien entendu s'appliquer aux autres schémas procédés proposés. La figure 7 décrit un dispositif selon l'invention dans lequel deux passages de gaz de régénération sont observés : un premier gaz de régénération qui est de l'air qui passe dans la 3040889 7 roue d'adsorption et le deuxième gaz de régénération est de l'azote résiduaire qui passe dans la roue enthalpique. La figure 8 décrit un dispositif selon l'invention dans lequel deux passages de gaz de régénération sont observés : un premier gaz de régénération qui est de l'air qui passe dans la 5 roue d'adsorption et le deuxième gaz de régénération est de l'azote résiduaire qui passe dans la roue enthalpique. REVENDICATIONS1. Dispositif d'épuration d'un flux d'air présentant une humidité relative supérieure à 50% comprenant dans le sens de circulation du flux d'air: - au moins une roue enthalpique rotative comprenant un premier adsorbant réparti en au moins un premier secteur apte à recevoir le flux d'air présentant une humidité relative supérieure à 50%et au moins un deuxième secteur apte à recevoir un gaz de régénération, - au moins une roue d'adsorption rotative comprenant un deuxième adsorbant réparti en un secteur d'adsorption, un secteur de régénération, et un secteur de purge, et - une unité de distillation d'air avec : - la roue enthalpique apte à subir une rotation de manière à ce que la partie du premier adsorbant se trouvant dans le premier secteur passe dans le deuxième secteur et la partie du premier adsorbant se trouvant dans le deuxième secteur passe dans le premier secteur, et - la roue d'adsorption apte à subir une rotation de manière à ce que la partie du deuxième adsorbant se trouvant dans le secteur d'adsorption passe dans le secteur de régénération, la partie du deuxième adsorbant se trouvant dans le secteur de régénération passe dans le secteur de purge, et la partie du deuxième adsorbant se trouvant dans le secteur de purge passe dans le secteur d'adsorption. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le secteur de purge de la roue d'adsorption est apte à recevoir le gaz de régénération et le secteur de régénération de la roue d'adsorption est apte à recevoir le gaz de régénération sortant du secteur de purge après passage dans un réchauffeur. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un conduit entre l'unité de distillation et la roue d'adsorption de manière à pouvoir 3040889 9 utiliser le gaz résiduaire de l'unité de distillation comme gaz de régénération du deuxième adsorbant. 4. Dispositif d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 5 que ledit dispositif comprend un compresseur en amont de la roue enthalpique ou entre la roue enthalpique et la roue d'adsorption ou entre la roue d'adsorption et l'unité de distillation d'air. 5. Dispositif d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un premier ventilateur pour la circulation du flux d'air et un 10 second ventilateur pour la circulation d'un flux de régénération. 6. Dispositif d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un ventilateur permettant à la fois la circulation du flux d'air et la circulation d'un flux de régénération. 15 7. Dispositif d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la roue enthalpique et la roue d'adsorption sont assemblées dans un seul module. 8. Procédé d'épuration d'un flux d'air comprenant comme impuretés de l'eau et du CO2, 20 mettant en oeuvre un dispositif d'épuration tel que défini dans l'une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes : a) passage du flux d'air à travers le secteur de purge de la roue enthalpique dans une direction parallèle à l'axe de rotation de la roue enthalpique de manière à refroidir le flux d'air à une température inférieure à 30 °C 25 b) passage du flux d'air refroidi à travers le secteur d'adsorption de la roue d'adsorption de manière à éliminer au moins une partie de l'eau du flux d'air, c) passage du flux d'air séché dans l'unité de distillation d'air, et d) récupération d'un flux d'oxygène et/ou d'azote. 3040889 10 9. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit procédé comprend le passage d'un premier gaz de régénération dans le secteur de régénération de la roue d'adsorption et le passage d'un second gaz de régénération dans le deuxième secteur 5 de la roue enthalpique. 10. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier gaz de régénération est choisi parmi l'air issu de l'étape b), l'azote résiduaire récupéré en sortie de l'unité de distillation d'air, un mélange d'air et de l'azote résiduaire ou le second gaz de 10 régénération sortant du deuxième secteur de la roue enthalpique. 11. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le premier gaz de régénération est chauffé, avant son passage dans le secteur de régénération de la roue d'adsorption, à une température comprise entre 100 et 250°C. 15 12. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon la revendication 9, caractérisé en ce que le second gaz de régénération est choisi parmi l'azote résiduaire récupéré en sortie de l'unité de distillation d'air et l'air issu de l'étape b).. 20 13. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon la revendication 12, caractérisé en ce que le second gaz de régénération entre dans le deuxième secteur de la roue enthalpique à une température inférieure à 30 °C de manière à refroidir le flux d'air passant dans le premier secteur de la roue enthalpique par échange thermique. 25 14. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que lors du passage du second gaz de régénération dans le deuxième secteur de la roue enthalpique l'adsorbant se décharge en eau de manière à ce que la désorption de l'eau refroidisse le flux d'air passant dans le premier secteur de la roue enthalpique. 3040889 11 15. Procédé d'épuration d'un flux d'air selon l'une des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que ledit procédé met en oeuvre une première et une deuxième roues d'adsorption s placées en série sur la circulation du flux d'air et le premier gaz de régénération passe successivement dans les secteurs de purge de la première et de la deuxième roue d'adsorption puis successivement 5 dans les secteurs de régénération de la deuxième et de la première roue d'adsorption. 10