Brevet FR3076742A1 — publié le 20190719

La présente invention est relative à un adsorbant structuré tissé pour utilisation dans un procédé PSA ou VSA. Les procédés de séparation par adsorption modulée en pression reposent sur le phénomène d'adsorption physique et permettent de séparer ou de purifier des gaz par cyclage en pression du gaz à traiter à travers un ou plusieurs lit d'adsorbant, tel un lit de zéolite, de charbon actif, d'alumine activée, de gel de silice, de tamis moléculaire ou analogues. Dans le cadre de la présente invention, on désigne, sauf stipulation autre, par les termes procédé PSA, tout procédé de séparation de gaz par adsorption modulée en pression, mettant en oeuvre une variation cyclique de la pression entre une pression haute, dite pression d'adsorption, et une pression basse, dite pression de régénération. Par conséquent, l'appellation générique procédé PSA est employée indifféremment pour désigner les procédés cycliques suivants: -les procédés VSA dans lesquels l'adsorption s'effectue sensiblement à la pression atmosphérique, dite pression haute , c'est-à-dire entre 1 bara et 1,6 bara, préférentiellement entre 1,1 et 1,5 bara, et la pression de désorption, dite pression basse , est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 30 et 800 mbara, de préférence entre 100 et 600 mbara. - les procédés VPSA ou MPSA dans lesquels l'adsorption s'effectue à une pression haute sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, io généralement entre 1,6 et 8 bara, préférentiellement entre 2 et 6 bara, et la pression basse est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 30 et 800 mbara, de préférence entre 100 et 600 mbara. - les procédés PSA dans lesquels l'adsorption s'effectue à une pression haute nettement supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 1,6 et 50 bara, préférentiellement entre 2 et 35 bara, et la pression basse est supérieure ou sensiblement égale à la pression atmosphérique, donc entre 1 et 9 bara, de préférence entre 1,2 et 2,5 bara. - les procédés TSA dans lesquels l'adsorption s'effectue à pression super-atmosphérique et à température ambiante et la régénération de l'adsorbant s'effectue à pression atmosphérique et à température habituellement entre 100 et 250°C. De même, dans le cadre de la présente demande, les pressions indiquées sont des pressions absolues, par exemple des bar absolus (bara). 2 De manière générale, un procédé PSA permet de séparer une ou plusieurs molécules de gaz d'un mélange gazeux les contenant, en exploitant la différence d'affinité d'un adsorbant donné ou, le cas échéant, de plusieurs adsorbants pour ces différentes molécules de gaz. 5 L'affinité d'un adsorbant pour une molécule gazeuse dépend de la structure et de la composition de l'adsorbant, ainsi que des propriétés de la molécule, notamment sa taille, sa structure électronique et ses moments multipolaires. Un adsorbant peut être par exemple une zéolite, un charbon actif, une alumine activée, un gel de silice, un tamis moléculaire carboné ou non, une structure métallo-organique, un ou 10 des oxydes ou des hydroxydes de métaux alcalins ou alcalino-terreux, ou une structure poreuse contenant une substance capable de réagir réversiblement avec une ou plusieurs molécules de gaz, telle que amines, solvants physiques, complexants métalliques, oxydes ou hydroxydes métalliques par exemple L'adsorption est un phénomène exothermique, chaque couple molécule adsorbant étant caractérisé par une enthalpie isostérique d'adsorption ou 15 une enthalpie de réaction en général. Symétriquement, la désorption est endothermique. Les procédés d'adsorption utilisent généralement des adsorbants « vrac» qui se présentent sous la forme de billes ou d'extrudés de quelques millimètres. Ces adsorbants conduisent à une perte de charge importante. Depuis quelques années, des adsorbants dit « structurés » ont fait apparition. Il en existe différents types : monolithes, fibres creuses ou 20 feuilles laminées. Les adsorbants structurés par opposition aux adsorbants classiques particulaires, sont de géométrie plus complexe, avec des dimensions sensiblement supérieures au centimètre et offrent un passage plus important ou plus aisé au fluide. Par opposition aux adsorbants particulaires (billes, bâtonnets, concassés) de dimension inférieure au cm, qu'on dépose en 25 vrac dans un adsorbeur, le fluide circulant autour des particules, les adsorbants structurés sont des matériaux solides de dimension allant de quelques centimètres à quelques mètres et présentant des passages libres au gaz, comme des monolithes, des mousses ou des tissus. Ce type d'adsorbant est notamment décrit dans le document F. Rezaei, P. Webley / Separation and Purification Technology 70(2010) 243-256. Les adsorbants structurés présentent (en 30 comparaison des adsorbants granulés) la particularité de permettre une très bonne cinétique et de très faibles pertes de charges sans présenter de limite d'attrition connue. Si ces structures sont aujourd'hui beaucoup plus onéreuses que des adsorbants granulés, leur 3 intérêt économique pour un remplacement complet des lits granulés peut s'avérer décisif s'il s'accompagne d'un gain notable en perte de charge et/ou d'une réduction significative du coût de construction de l'adsorbeur via une diminution du volume d'adsorbant ou une simplification de la construction. 5 Deux technologies d'adsorbeurs sont utilisées dans les procédés d'adsorption : les adsorbeurs à géométrie axiale et ceux à géométrie radiale. Pour les adsorbeurs à géométrie radiale, l'adsorbant est contenu entre des grilles cylindriques. Pour un monolit (un seul adsorbant), deux grilles sont nécessaires contre trois grilles pour un double lit (deux adsorbants). 10 Les adsorbants qu'ils soient en vrac ou structurés sont régénérés soit par une diminution de la pression du procédé (PSA, VSA) soit par une augmentation de la température (TSA). Dans le cadre de l'invention on regroupera sous le terme « PSA » tous les PSA, VSA, VPSA ou MPSA. 15 Comme expliqué précédemment les adsorbants structurés présentent des avantages non négligeables. Cependant ces adsorbants présentent une géométrie plus complexe. Partant de là, le but de la présente invention est de fournir un nouvel adsorbant structuré pouvant présenter plusieurs géométries. Une solution de la présente invention est un adsorbant structuré pour utilisation dans 20 un procédé PSA ou TSA, comprenant des fils d'au moins un adsorbant tissés ou tricotés en une structure en trois dimensions. Selon le cas, l'adsorbant structuré peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la structure présente une section comprise entre 0,1 et 6 m2, et une longueur 25 comprise entre 0,1 et 10 m, - la structure comprend des cellules de diamètre équivalent compris entre 0,2 et 5 mm. Par « diamètre équivalent des cellules » on entend 4 fois la section de la cellule divisée par le périmètre de la cellule, la cellule étant délimitée par 2 fils de chaine et 2 fils de trame. - la structure comprend des cellules carrées. 30 - la structure est de forme cylindrique, parallélépipédique ou celle d'un prisme. - les fils d'au moins un adsorbant ont une longueur comprise entre 0 et 20000 m et un diamètre compris entre 0,1 et 4 mm. 4 - l'adsorbant contenu dans les fils d'au moins un adsorbant est choisi parmi l'alumine activée, le gel de silice, le charbon actif ou les zéolites de type 13X, 5A, 4A ou 3A. -ledit adsorbant structuré comprend des fils résistifs. 5 - les fils d'au moins un adsorbant comprennent plusieurs filaments, par exemple sous forme torsadée, et chaque filament présente un diamètre compris entre 0,005 et 1 mm. La structure tissée ou tricotée peut être constituée uniquement de fils d'adsorbant ou d'un mélange de fils d'adsorbant et de fils résistifs (fibres de carbone par exemple). Il est également possible d'utiliser des multi-filaments en enroulant des fils d'adsorbant avec des fils résistifs. 10 Les fils résistifs permettent de chauffer l'adsorbant in situ lors de la régénération et de s'affranchir ainsi de l'inertie thermique des réchauffeurs habituellement utilisés pour les TSA. La présente invention a également pour objet : - un adsorbeur axial comprenant un adsorbant structuré selon l'invention, caractérisé caractérisé en ce que l'adsorbant structuré est posé sur des poutres supports ; de préférence 15 l'adsorbeur axial comprend un premier et un deuxième adsorbants structurés selon l'invention avec le deuxième adsorbant structuré reposant sur le premier adsorbant structuré; et - un adsorbeur radial comprenant au moins un adsorbant structuré selon l'invention, caractérisé en ce que l'adsorbeur radial comprend une seule grille cylindrique et l'adsorbant 20 structuré est fixé directement sur ladite grille cylindrique. Ainsi la présente invention permet de réduire les contraintes d'espace minimal entre deux grilles et simplifier l'utilisation de différents types de circulation (centrifuge et centripète). Selon une alternative l'adsorbant est fixé sur un disque support, en ménageant un passage du gaz entre le disque et l'enveloppe interne de l'adsorbeur et un passage du gaz au centre du disque. 25 De préférence l'adsorbeur radial comprend au moins deux adsorbants structurés selon l'invention, les deux adsorbants structurés étant juxtaposés et/ou REVENDICATIONS1. Adsorbant structuré pour utilisation dans un procédé PSA ou TSA, comprenant des fils d'au moins un adsorbant tissés ou tricotés en une structure en trois dimensions. 2. Adsorbant structuré selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure présente : - une section comprise entre 0,1 et 6 m2, et - une longueur comprise entre 0,1 et 10 m. 3. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure comprend des cellules de diamètre équivalent compris entre 0,2 et 5 mm. 4. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure comprend des cellules carrées. 5. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure est de forme cylindrique, parallélépipédique ou celle d'un prisme. 6. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fils d'au moins un adsorbant ont une longueur comprise entre 0 et 20000 m et un diamètre compris entre 0,1 et 4 mm. 7. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'adsorbant contenu dans les fils d'au moins un adsorbant est choisi parmi l'alumine activée, le gel de silice, le charbon actif ou les zéolites de type 13X, 5A, 4A ou 3A. 8. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit adsorbant structuré comprend des fils résistifs. 6 9. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fils d'au moins un adsorbant comprennent plusieurs filaments et chaque filament présente un diamètre compris entre 0,005 et 1 mm. 5 10. Adsorbeur axial comprenant au moins un adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'adsorbant structuré est posé sur des poutres supports. 11. Adsorbeur axial selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'adsorbeur axial 10 comprend un premier et un deuxième adsorbants structurés selon l'une des revendications 1 à 9 avec le deuxième adsorbant structuré reposant sur le premier adsorbant structuré. 12. Adsorbeur radial comprenant au moins un adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'adsorbeur radial comprend une seule grille 15 cylindrique et l'adsorbant structuré est fixé directement sur ladite grille cylindrique. 13. Adsorbeur radial comprenant au moins un adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'adsorbant est fixé directement sur un disque support, en ménageant un passage du gaz entre le disque et l'enveloppe interne de 20 l'adsorbeur et un passage du gaz au centre du disque. 14. Adsorbeur radial selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que ledit adsorbeur radial comprend au moins deux adsorbants structurés selon l'une des revendications 1 à 9, les deux adsorbants structurés étant juxtaposés et/ou superposés. 25