Brevet FR3040890A1 — 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: - au moins une roue d'adsorption rotative comprenant un adsorbant réparti en un secteur d'adsorption, un secteur de régénération, et un secteur de purge, 3040890 2 - une unité de distillation d'air, et - un conduit entre l'unité de distillation et la roue d'adsorption de manière à pouvoir utiliser le flux résiduaire de l'unité de distillation comme gaz de régénération et/ou de purge de l'adsorbant de la roue d'adsorption, 5 avec la roue d'adsorption apte à subir une rotation de manière à ce que la partie de l'adsorbant se trouvant dans le secteur d'adsorption passe dans le secteur de régénération, la partie de l'adsorbant se trouvant dans le secteur de régénération passe dans le secteur de purge, et la partie de l'adsorbant se trouvant dans le secteur de purge passe dans le secteur d'adsorption. Notons que la roue d'adsorption est de préférence apte à éliminer au moins une partie de l'eau 10 du flux d'air. Selon le cas, le dispositif selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit dispositif comprend n roues d'adsorption disposées en série sur la circulation du flux d'air avec 1 n 5 ; notons que dans le cas où n > 1 au moins une roue d'adsorption est apte à 15 éliminer au moins une partie de l'eau du flux d'air ; - ledit dispositif comprend un compresseur en amont de la roue d'adsorption ou entre la roue d'adsorption et la 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 du gaz de régénération ; 20 - ledit dispositif comprend un ventilateur permettant à la fois la circulation du flux d'air et la circulation d'un flux de régénération. -ledit dispositif comprend un unique circuit de régénération. 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 25 tel que défini dans l'une des revendications 1 à 6, comprenant les étapes suivantes : a) passage du flux d'air 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 et/ou au moins une partie du CO2, b) passage du flux d'air séché au moins partiellement dans l'unité de distillation d'air, c) récupération d'un flux enrichi en oxygène et d'un flux enrichi en 'azote, et 3040890 3 d) utilisation d'un des 2 flux récupérés à l'étape c)comme gaz de régénération et/ou de purge de l'adsorbant de la roue d'adsorption. Selon le cas le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 5 - le gaz de régénération et/ou de purge de la roue d'adsorption est un mélange d'air et du flux enrichi en azote. - le 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. - ledit procédé met en oeuvre au moins une première et au moins une deuxième roues 10 d'adsorptions placées en série sur la circulation du flux d'air et le flux enrichi en oxygène ou le flux enrichi en 'azote 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. - ledit procédé met en oeuvre au moins une première et au moins une deuxième roue 15 d'adsorption placées en série sur la circulation du flux d'air, et le flux enrichi en oxygène ou le flux enrichi en azote est divisée en deux flux un premier flux et un second flux, et le premier flux passe dans le secteur de purge de la première roue d'adsorption et le deuxième flux passe dans le secteur de purge de la deuxième roue d'adsorption. La roue d'adsorption n'adsorbe pas que l'eau : elle adsorbe également le CO2 et les impuretés 20 secondaires de l'air procédé. Des impuretés autres que l'eau et le CO2 peuvent être arrêtées complètement ou partiellement par l'ajout de plusieurs roues d'adsorption placées en série. 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 25 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 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 3040890 4 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 appelé aussi secteur de « purge » (P). Cela permet de refroidir la roue d'adsorption et de préchauffer le gaz de régénération. 5 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. La pression de l'air procédé est comprise entre 1 et 1.5 bar. La compression peut avoir lieu avant ou après le passage du flux d'air dans la roue d'adsorption. Notons que lorsque l'air est 10 comprimé il n'est pas obligatoire d'avoir des ventilateurs pour faire circuler le flux d'air d'alimentation et le gaz de régénération. Les différentes configurations du dispositif selon l'invention vont à présent être décrites plus en détail à l'aide des figures 2 à 15. On entendra par la roue la plus proche de l'unité de distillation d'air la roue qui est traversée en 15 dernier par le flux d'air et la roue la plus loin de l'unité de distillation d'air la roue qui est traversée en premier par le flux d'air. La figure 2 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Les deux roues sont régénérées en parallèle. 20 La figure 3 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse d'abord les « secteurs purges » des 2 roues, en commençant par la roue la plus proche de l'unité de distillation, puis dans l'ordre inverse les « secteurs régénération » des 2 roues. 25 La figure 4 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse d'abord les « secteurs purges » des 2 roues, en commençant par la roue la plus proche de l'unité de distillation, puis dans le même ordre les « secteurs régénération » des 2 roues. 3040890 5 La Figure 5 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse d'abord les « secteurs purges » des 2 roues, en commençant par la roue la plus loin de 5 l'unité de distillation, puis dans l'ordre inverse les « secteurs régénération » des 2 roues. La figure 6 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série dans l'ordre : - le « secteur de purge » de la roue la plus proche de l'unité de distillation, 10 - le « secteur de régénération » de la roue la plus loin de l'unité de distillation, - le « secteur de purge » de la roue la plus loin de l'unité de distillation, et - le « secteur de régénération » de la roue la plus proche de l'unité de distillation. La figure 7 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorptions. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération 15 traverse en série dans l'ordre : - le « secteur de purge » de la roue la plus loin de l'unité de distillation, - le « secteur de régénération » de la roue la plus proche de l'unité de distillation, - le « secteur de purge » de la roue la plus proche de l'unité de distillation, et - le « secteur de régénération » de la roue la plus loin de l'unité de distillation. 20 La figure 8 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Les deux roues sont régénérées en parallèle. La figure 9 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération 25 traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse d'abord les « secteurs de purge » des 3 roues, en commençant par la roue la plus proche de l'unité de distillation, puis dans l'ordre inverse les « secteurs de régénération » des 3 roues. La figure 10 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de 3040890 6 régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse d'abord les « secteurs de purge » des 3 roues, en commençant par la roue la plus proche de l'unité de distillation, puis dans le même ordre les « secteurs de régénération » des 3 roues. 5 La figure 11 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse d'abord les « secteurs de purge » des 3 roues, en commençant par la roue la plus loin de l'unité de distillation, puis dans l'ordre inverse les « secteurs de régénération » des 3 roues. 10 La figure 12 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse dans l'ordre : - le « secteur de purge » de la roue la plus proche de l'unité de distillation, 15 - le « secteur de régénération » de la roue « du milieu », c'est-à-dire de la roue située entre les deux autres roues quand on regarde le sens de circulation du flux d'air, - le « secteur de purge » de la roue la plus loin de l'unité de distillation, - le « secteur de régénération » de la roue la plus loin de l'unité de distillation, - le « secteur de purge » de la roue « du milieu », 20 - le « secteur de régénération » de la roue la plus proche de l'unité de distillation. La figure 13 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire. Le gaz de régénération traverse en série les roues d'adsorption, plus précisément le gaz de régénération traverse dans l'ordre : 25 - le « secteur de purge » de la roue la plus loin de l'unité de distillation, - le « secteur de régénération » de la roue « du milieu », c'est-à-dire de la roue située entre les deux autres roues quand on regarde le sens de circulation du flux d'air, - le « secteur de purge » de la roue la plus proche de l'unité de distillation, - le « secteur de régénération » de la roue la plus proche de l'unité de distillation, 3040890 7 - le « secteur de purge » de la roue « du milieu », - le « secteur de régénération » de la roue la plus loin de l'unité de distillation. La figure 14 décrit un dispositif selon l'invention. Dans ce cas de figure il s'agit d'un dispositif avec 2 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est de l'azote résiduaire ; celui-ci est divisé en 5 un premier flux et un second flux : le premier flux traverse le « secteur de purge » de la première roue d'adsorption tandis que le second flux traverse le « secteur de purge » de la seconde roue d'adsorption. Puis le second flux sortant du « secteur de purge » de la seconde roue d'adsorption traverse le « secteur de régénération » de la seconde roue d'adsorption, avant d'être mélangé au premier flux sortant du « secteur de purge » de la premier roue 10 d'adsorption, et de traverser le « secteur de régénération » de la première roue d'adsorption. La figure 15 décrit un dispositif semblable à celui représenté sur la figure 14 mais avec 3 roues d'adsorption. Le gaz de régénération est alors divisé en 3 flux. 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 d'adsorption rotative comprenant un adsorbant réparti en un secteur d'adsorption, un secteur de régénération, et un secteur de purge, - une unité de distillation d'air, et - un conduit entre l'unité de distillation et la roue d'adsorption de manière à pouvoir utiliser le flux résiduaire de l'unité de distillation comme gaz de régénération et/ou de purge de l'adsorbant de la roue d'adsorption, avec la roue d'adsorption apte à subir une rotation de manière à ce que la partie de l'adsorbant se trouvant dans le secteur d'adsorption passe dans le secteur de régénération, la partie de l'adsorbant se trouvant dans le secteur de régénération passe dans le secteur de purge, et la partie de l'adsorbant se trouvant dans le secteur de purge passe dans le secteur d'adsorption. 2. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend n roues d'adsorption disposées en série sur la circulation du flux d'air avec 1 n 3. Dispositif d'épuration selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un compresseur en amont de la roue d'adsorption ou entre la roue d'adsorption et la l'unité de distillation d'air. 4. Dispositif d'épuration selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un premier ventilateur pour la circulation du flux d'air et un second ventilateur pour la circulation du gaz de régénération. 3040890 9 5. Dispositif d'épuration selon l'une des revendications 1 à 3, 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. 5 6. Dispositif d'épuration selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un unique circuit de régénération. 7. 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'une des revendications 1 à 6, 10 comprenant les étapes suivantes : a) passage du flux d'air 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 et/ou au moins une partie du CO2, b) passage du flux d'air séché au moins partiellement dans l'unité de distillation d'air, c) récupération d'un flux enrichi en oxygène et d'un flux enrichi en azote, et 15 d) utilisation d'un des 2 flux récupérés à l'étape c)comme gaz de régénération et/ou de purge de l'adsorbant de la roue d'adsorption. 8. Procédé d'épuration selon la revendication 7, caractérisé en ce que le gaz de régénération et/ou de purge de la roue d'adsorption est un mélange d'air et du flux enrichi en azote. 20 9. Procédé d'épuration selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le 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. 25 10. Procédé d'épuration selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit procédé met en oeuvre au moins une première et au moins une deuxième roues d'adsorptions placées en série sur la circulation du flux d'air et le flux enrichi en oxygène ou le flux enrichi en azote passe successivement dans les secteurs de purge de la première et de la deuxième roue 3040890 10 d'adsorption puis successivement dans les secteurs de régénération de la deuxième et de la première roue d'adsorption. 11. Procédé d'épuration selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit 5 procédé met en oeuvre au moins une première et au moins une deuxième roue d'adsorption placées en série sur la circulation du flux d'air, et le flux enrichi en oxygène ou le flux enrichi en azote est divisée en deux flux un premier flux et un second flux, et le premier flux passe dans le secteur de purge de la première roue d'adsorption et le deuxième flux passe dans le secteur de purge de la deuxième roue d'adsorption. 10