Brevet FR3076743A1 — 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. 2 De même, dans le cadre de la présente demande, les pressions indiquées sont des pressions absolues, par exemple des bar absolus (bara). 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 5 adsorbant donné ou, le cas échéant, de plusieurs adsorbants pour ces différentes molécules de gaz. 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. 10 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 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 15 hydroxydes métalliques par exemple L'adsorption est un phénomène exothermique, chaque couple molécule adsorbant étant caractérisé par une enthalpie isostérique d'adsorption ou 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 20 une perte de charge importante. Depuis quelques années, des adsorbants dit « structurés » ont fait apparition. Il en existe différents types : monolithes, fibres creuses ou feuilles laminées. Les adsorbants structurés par opposition aux adsorbants classiques particulaires, sont de géométrie plus complexe, avec des dimensions sensiblement supérieures au centimètre et 25 offrent un passage plus important ou plus aisé au fluide. Par opposition aux adsorbants particulaires (billes, batônnets, concassés) de dimension inférieure au cm, qu'on dépose en 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 30 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 comparaison des adsorbants granulés) la particularité de permettre une très bonne cinétique 3 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 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 5 de construction de l'adsorbeur via une diminution du volume d'adsorbant ou une simplification de la construction. Comme expliqué précédemment les adsorbants structurés présentent des avantages non négligeables. Cependant, pour l'instant il n'existe pas d'adsorbant structuré qui présente à la fois une forte densité en adsorbant et une bonne tenue mécanique. 10 Une solution de la présente invention est un adsorbant structuré comprenant au moins trois toiles : - comprenant des fils comprenant au moins un adsorbant, - présentant des ondulations, et - empilées de sorte que les ondulations traversant une toile sont orientées de 300 à 1200 , 15 préférentiellement de 50° à 100° par rapport aux ondulations de la toile adjacente. On parlera ainsi de structure ondulée-croisée. Selon le cas, l'adsorbant selon l'invention présente un ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les fils comprenant au moins un adsorbant comprennent un fil support sur lequel est 20 déposé au moins un adsorbant. - le fil support est métallique. - l'adsorbant est choisi parmi l'alumine activée, le charbon actif, le gel de silice et la zéolite. - les fils ont un diamètre compris entre 0,05 et 4 mm. 25 - les toiles peuvent être de forme carrée, rectangulaire ou triangulaire. - les fils comprenant au moins un adsorbant comprennent au moins un liant organique ou inorganique. - les toiles ont des mailles carrées ou rectangulaires. - le diamètre équivalent des mailles est compris entre 0,05 et 6 mm. Par « diamètre 30 équivalent des mailles » on entend 4 fois la section de la maille divisée par le périmètre de la maille, la maille étant délimitée par 2 fils de chaine et 2 fils de trame. 4 - les toiles sont constituées de fil d'adsorbant et de fil métallique ou plastique, ce dernier étant utilisé au maintien de la forme ondulée des toiles après leur mise en forme - les toiles sont empilées de manière à former des canaux entre les toiles qui constitueront les passages préférentiels du gaz à adsorber. 5 - l'empilement comprend au moins un moyen d'écartement d'au moins deux toiles. - ledit adsorbant structuré présente une hauteur comprise entre 10 cm et plusieurs mètres, de préférence entre 10 cm et 1 m; - ledit adsorbant structuré est cerclé. La présente invention propose des adsorbants structurés comprenant des toiles 10 ondulées et croisées à la manière des garnissages de distillation. Ces toiles peuvent avoir des mailles de différentes formes : carrées, rectangulaires ou triangulaires. Les fils constituant les toiles contiennent de l'adsorbant. Soit un fil support sur lequel de l'adsorbant est déposé, est utilisé ; soit le fil est directement fabriqué à partir d'adsorbant. 15 Le fil support peut être métallique. Si le fil est directement fabriqué à partir d'adsorbant, alors il est possible d'ajouter un liant organique ou inorganique pour assurer la tenue mécanique du fil. La toile peut être tissée ou tricotée. L'adsorbant peut être choisi parmi les suivants : alumine activée, charbon actif, gel de silice et 20 zéolite. Pour les zéolites, la zéolite est choisie entre une zéolite de type faujasite (X, Y, LSX), une zéolite A, la mordenite, une zéolite MFI et une silicalite. Alternativement, la toile est tissée sans avoir de réelle ouverture de maille par laquelle le gaz peut circuler : la circulation se fait exclusivement à travers les canaux obtenus par l'empilement croisées des toiles ondulées (Figure 1). 25 Dans une variante de l'invention, des cales sont intercalées entre les toiles d'adsorbant. Dans une variante de l'invention, des toiles renforcées sont intercalées de manière régulière. Les toiles ondulées-croisées permettent de faire des adsorbants structurés qui ont une 30 hauteur comprise entre 10 cm et plusieurs mètres, de préférence entre 10 cm et 1 m. Les toiles ondulées-croisées peuvent être cerclées afin de les faire tenir ensemble. 5 L'adsorbant structuré peut également avoir en périphérie des moyens pour assurer l'étanchéité entre l'adsorbant structuré ainsi réalisé et l'adsorbeur, évitant ainsi le passage du gaz le long de la paroi interne de l'adsorbeur, préjudiciable à la performance de l'adsorption. La section de ces adsorbants structurés peut être de forme circulaire, carrée ou 5 rectangulaire. Le taux de vide de ces adsorbants structurés peut être compris entre 25 et 80%. La présente invention a également pour objet un adsorbeur comprenant dans le sens de circulation du flux gazeux à adsorber un assemblage d'au moins un premier et un deuxième adsorbants structurés selon l'invention, REVENDICATIONS1. Adsorbant structuré comprenant au moins trois toiles : - comprenant des fils comprenant au moins un adsorbant, - présentant des ondulations, et - empilées de sorte que les ondulations traversant une toile sont orientées de 300 à 1200 par rapport aux ondulations de la toile adjacente. 2. Adsorbant structuré selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fils comprenant au moins un adsorbant comprennent un fil support sur lequel est déposé au moins un adsorbant. 3. Adsorbant structuré selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fil support est métallique. 4. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'adsorbant est choisi parmi l'alumine activée, le charbon actif, le gel de silice et la zéolite. 5. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fils ont un diamètre compris entre 0,05 et 4 mm. 6. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les toiles peuvent être de forme carrée, rectangulaire ou triangulaire. 7. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les fils comprenant au moins un adsorbant comprennent au moins un liant organique ou inorganique. 8. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les toiles ont des mailles carrées ou rectangulaires. 7 9. Adsorbant structuré selon la revendication 8, caractérisé en ce que le diamètre équivalent des mailles est compris entre 0,05 et 6 mm. 10 Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les toiles 5 sont constituées de fil d'adsorbant et de fil métallique ou plastique. 11. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les toiles sont empilées de manière à former des canaux entre les toiles qui constitueront les passages préférentiels du gaz à adsorber. 10 12. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'empilement comprend au moins un moyen d'écartement d'au moins deux toiles. 13. Adsorbant structuré selon l'une des revendication 1 à 12, caractérisé en ce que ledit 15 adsorbant structuré présente une hauteur comprise entre 10 cm et plusieurs mètres, de préférence entre 10 cm et 1 m. 14. Adsorbant structuré selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ledit adsorbant structuré est cerclé. 20 15. Adsorbeur comprenant dans le sens de circulation du flux gazeux à adsorber un assemblage d'au moins un premier et un deuxième adsorbants structurés selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les toiles du premier adsorbant structuré et les toiles du second adsorbant structuré sont sensiblement perpendiculaires. 25