Brevet FR3063438A1 — publié le 20180907

La présente invention est relative à un dispositif et à un procédé de séparation des gaz de l'air mettant en oeuvre un flux d'air comprenant de l'eau. Le séchage d'air plus la décarbonation et l'élimination des hydrocarbures (C2H2), NOx et SOx sont une étape préalable et critique à la séparation des gaz de l'air (N2,02,Ar ) quelle que soit la méthode et la production d'air comprimé . Plusieurs techniques de séchage de l'air ont été et sont encore utilisées. Préalablement à une unité de distillation cryogénique visant à produire de l'oxygène, on utilise habituellement les procédés de séchage suivant : - REVEX : refroidissement de l'air jusqu'au point de condensation de l'eau et réchauffage alternatifs, - PSA : procédé d'adsorption à variation de pression (pressure swing adsorption) - TSA : procédé d'adsorption à variation de température (thermal swing adsorption) - PTSA : procédé d'adsorption à variation de pression et de température (thermal pressure swing adsorption). Néanmoins dans la majorité des cas, l'air qui est préalablement comprimé dans un compresseur doit être refroidi par des tours à eaux (ou échangeurs) pour condenser une partie importante (50 à 90%) de l'eau avant de l'envoyer dans des lits d'adsorbants dimensionnés pour éliminer le résiduel d'eau, CO2, N20, CnHm. Le séchage de l'air et son épuration avant envoi dans la colonne à distiller peut représenter une partie significative de l'énergie dépensée dans les ASU (unité de séparation d'air) et de l'investissement ainsi que qu'une source principale des coûts de maintenance. Préalablement à une unité de production d'azote par cryogénie à partir d'air, l'air sortant du compresseur est habituellement refroidi au moyen de groupes froids mécaniques qui condensent l'eau accompagnée des autres impuretés présentes (CO2, NOx, SOx, CnHm, huiles). Ces groupes froids consomment entre 5% et 10% de l'énergie nécessaire à la production N2 et sont la principale source de besoin de maintenance. Préalablement à une unité PSA 02 ou N2 mettant en oeuvre un flux d'alimentation d'air, l'air sortant du compresseur est habituellement refroidi par des groupes froids mécaniques jusqu'à la condensation partielle ou totale de l'eau accompagnée des autres impuretés et/ou une 3063438 2 couche d'adsorbant en tête des lits de séparation des gaz adsorbe de façon réversible H2O, CO2... Les principaux inconvénients de cette technique sont de consommer une partie significative de l'énergie nécessaire à la production des gaz et consommer une partie du gaz sec produit pour 5 régénérer l'adsorbant. Préalablement à une unité VSA 02 mettant en oeuvre un flux d'alimentation d'air, l'air est habituellement séché et épuré par un lit d'adsorbants placé avant l'adsorbant servant à retirer l'azote de l'air entrant dans le système. L'eau et les autres impuretés sont désorbées alternativement par un flux de gaz sec à contre-courant. Ceci représente une part significative 10 de l'énergie de séparation et de l'investissement. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un dispositif et un procédé amélioré pour la séparation des gaz de l'air. Une solution de la présente invention est un dispositif de séparation des gaz de l'air mettant en oeuvre un flux d'air comprenant de la vapeur d'eau comprenant : 15 a) une membrane d'oxyde de graphene 1 permettant de sécher le flux d'air 4, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux, et b) une unité de séparation des gaz de l'air permettant de séparer les gaz du flux d'air séché 6. Selon le cas le dispositif selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques 20 suivantes : - ledit dispositif comprend en amont de la membrane d'oxyde de graphene 1 un compresseur permettant de comprimer le flux d'air 4 à une pression supérieure à 1 barg, - la membrane d'oxyde de graphene 1 a la forme d'un cylindre creux, - la membrane d'oxyde de graphene 1 est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air 25 3, - le conduit de circulation du flux d'air 2 présente un diamètre D et le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene 1 présente un diamètre d tel que 0,6D REVENDICATIONS1. Dispositif de séparation des gaz de l'air mettant en oeuvre un flux d'air (4) comprenant de la vapeur d'eau comprenant : a) une membrane d'oxyde de graphene (1) permettant de sécher le flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux, et b) une unité de séparation des gaz de l'air permettant de séparer les gaz du flux d'air séché (6). 10 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en amont de la membrane d'oxyde de graphene (1) un compresseur permettant de comprimer le flux d'air à une pression supérieure à 1 barg. 15 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane d'oxyde de graphene (1) a la forme d'un cylindre creux. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane d'oxyde de graphene (1) est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air (2). 20 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit de circulation du flux d'air (2) présente un diamètre D et le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene (1) présente un diamètre d tel que 0,6D 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un espace (3) cylindrique entre le conduit de circulation du flux d'air et la membrane d'oxyde de graphene permettant la récupération et la circulation d'eau. 3063438 8 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene (1) constitue également un conduit de circulation du flux d'air. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le cylindre de la membrane d'oxyde 5 de graphene se trouve dans le prolongement d'un conduit de circulation du flux d'air. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support poreux est constitué d'un matériau inorganique, et préférentiellement une céramique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le support poreux sera constitué d'un matériau polymère, de préférence choisi parmi le PTFE, le PVDF et le polycarbonate. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la couche d'oxyde de graphene présente une épaisseur comprise entre 10 lim et 100 lm. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'unité de séparation des gaz de l'air est une unité de distillation cryogénique ou une unité de séparation par adsorption de type PSA, VSA, ou VPSA. 13. Procédé de séparation des gaz de l'air à partir d'un flux d'air comprenant de la vapeur d'eau, mettant en oeuvre un dispositif tel que défini dans l'une des revendications 1 à 10 et comprenant les étapes suivantes : a) une étape de séchage du flux d'air (4) au moyen de la dite membrane d'oxyde de graphene (1), et b) une étape de séparation des gaz du flux d'air séché (6) à l'étape a). 3063438 9 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en amont de l'étape a) de séchage une étape de compression du flux d'air à une pression supérieure à lbarg au moyen du dit compresseur. 5 15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la membrane d'oxyde de graphene (1) a la forme d'un cylindre creux et est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air (2), et l'étape de séchage a) comprend successivement les sous-étapes suivantes : i) circulation du flux d'air (4) à l'intérieur de la membrane d'oxyde de graphene (1) présentant 10 une forme de cylindre creux, ii) mise en contact du flux d'air (4) avec la surface intérieure de la membrane d'oxyde de graphene (1), iii) migration de l'eau présent dans le flux d'air (4) à travers la membrane d'oxyde de graphene (1), 15 iv) circulation de l'eau qui a migré dans l'espace cylindrique (3) situé entre le conduit de circulation du flux d'air (2) et la membrane d'oxyde de graphene (1) et v) récupération en sortie du conduit d'un flux d'air séché (6) et d'un flux d'eau (7). 16. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la membrane 20 d'oxyde de graphene (1) a la forme d'un cylindre creux et constitue également un conduit de circulation du flux d'air, et l'étape de séchage a) comprend successivement les sous-étapes suivantes : i) circulation du flux d'air (4) à l'intérieur de la membrane d'oxyde de graphene (1) présentant une forme de cylindre creux, 25 ii) mise en contact du flux d'air (4) avec la surface intérieure de la membrane d'oxyde de graphene (1), iii) migration de l'eau présent dans le flux d'air à travers la membrane d'oxyde de graphene (1), et iv) récupération en sortie du conduit d'un flux d'air séché (6). 3063438 10 17. Utilisation d'une membrane d'oxyde de graphene pour sécher un flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux. 5