Brevet FR3077508A1 — publié le 20190809

La présente invention est relative à un dispositif de séparation membranaire et à un module comprenant plusieurs de ces dispositifs. Elle concerne en particulier l'épuration de biogaz, dans le but de produire du biométhane conforme aux spécifications pour injection dans un réseau de gaz naturel. Le biogaz est le gaz produit lors de la dégradation de matières organiques en l'absence d'oxygène (fermentation anaérobie) encore appelée méthanisation. Il peut s'agir d'une dégradation naturelle - on l'observe ainsi dans les marais ou les décharges d'ordures ménagères - mais la production de biogaz peut aussi résulter de la méthanisation de déchets dans un réacteur dédié, appelé méthaniseur ou digesteur. De par ses constituants principaux- méthane et dioxyde de carbone - le biogaz est un puissant gaz à effet de serre ; il constitue aussi, parallèlement, une source d'énergie renouvelable appréciable dans un contexte de raréfaction des énergies fossiles. Le biogaz contient majoritairement du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) dans des proportions variables en fonction du mode d'obtention mais également, en moindres proportions de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces. Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de CO2, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces. Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l'intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité. Une purification plus poussée du biogaz permet sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est le « biométhane ». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au coeur des 2 territoires; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d'origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (GNL)... Les modes de valorisation du biométhane sont déterminés en fonction des contextes locaux : 5 besoins énergétiques locaux, possibilités de valorisation en tant que biométhane carburant, existence à proximité de réseaux de distribution ou de transport de gaz naturel notamment. Créant des synergies entre les différents acteurs oeuvrant sur un territoire (agriculteurs, industriels, pouvoirs publics), la production de biométhane aide les territoires à acquérir une plus grande autonomie énergétique. 10 Plusieurs étapes doivent être franchies entre la collecte du biogaz et l'obtention du biométhane, produit final apte à être comprimé ou liquéfié. En particulier, plusieurs étapes sont nécessaires avant le traitement qui vise à séparer le dioxyde de carbone pour produire un courant de méthane purifié. Une première étape consiste à comprimer le biogaz qui a été produit et acheminé à pression atmosphérique, cette compression 15 peut être obtenue - de façon classique - via un compresseur à vis lubrifiée. Les étapes suivantes visent à débarrasser le biogaz des composants corrosifs que sont le sulfure d'hydrogène et les composés organiques volatils (COV), les technologies utilisées sont de façon classique l'adsorption à pression modulée (PSA) et le piégeage sur charbon actif. Vient ensuite l'étape qui consiste à séparer le dioxyde de carbone pour disposer in fine de méthane à la pureté requise pour son usage 20 ultérieur. Le dioxyde de carbone est un contaminant typiquement présent dans le gaz naturel dont il est courant de devoir le débarrasser. Des technologies variées sont utilisées pour cela en fonction des situations ; parmi celles-ci, la technologie membranaire est particulièrement performante lorsque la teneur en CO2 est élevée ; elle est donc particulièrement performante pour séparer le CO2 25 présent dans le biogaz, et en particulier dans le gaz de décharge. Les procédés membranaires de séparation de gaz utilisés pour la purification d'un gaz, qu'ils utilisent un ou plusieurs étages de membranes doivent permettre la production d'un gaz à la qualité requise, pour un faible coût, tout en minimisant les pertes du gaz que l'on souhaite valoriser. Ainsi, dans le cas de l'épuration du biogaz, la séparation effectuée est principalement 3 une séparation CH4/CO2, devant permettre la production d'un gaz contenant en fonction de son utilisation plus de 85% de CH4, de préférence plus de 95% de CH4, plus préférentiellement plus de 97,5% de CH4, tout en minimisant les pertes de CH4 dans le gaz résiduaire et le coût d'épuration, ce dernier étant pour une part importante lié à la consommation électrique du dispositif de 5 compression du gaz en amont des membranes. Pour effectuer cette séparation membranaire, on connaît principalement deux types de membranes : les membranes tubulaires et les membranes en fibres creuses. Les membranes tubulaires peuvent être de type monocanal ou multicanaux et sont souvent de nature minérale. Dans le cas de membranes tubulaires multicanaux, les tubes sont regroupés en 10 parallèle dans un module. Le perméat est récupéré à l'extérieur des tubes, dans l'enveloppe du module. Les membranes en fibres creuses sont composées d'un ensemble de fibres creuses regroupées dans une enveloppe (formant le module). Elles sont uniquement de nature organique et ne possèdent pas de support textile (autosupportées). De même, elles ne sont souvent 15 composées que d'un matériau, bien que des fibres creuses composites existent. La couche active (peau) et la sous couche poreuse sont intimement solidaires, ce qui permet de filtrer dans les deux sens. Jusqu'à présent, l'enveloppe de la membrane est constituée d'un tube cylindrique A de diamètre supérieur à celui de la membrane (Figure 1). Ce tube dispose d'une ouverture consistant 20 en un manchon soudé permettant la sortie D du gaz perméat de l'enveloppe. A chaque extrémité du tube sont soudés deux ensembles tubes - brides B percés sur leur pourtour de trous borgnes taraudés. Ces ensembles tubes - brides B sont d'un diamètre intérieur au plus proche de celui de la membrane afin d'assurer l'étanchéité entre l'entrée / sortie gaz et la sortie D perméat de la 25 membrane. Cette étanchéité est assurée par un joint torique placé dans une gorge C usinée à chaque extrémité de la membrane. Sur chaque bride, deux fonds plats F percés sur leur diamètre extérieur de trous taraudés traversants, équivalents en nombre et en position à ceux des brides, viennent fermer l'enveloppe. 4 Ces fonds plats F ont en leur centre une ouverture consistant en un manchon soudé G permettant l'entrée / la sortie du gaz dans l'enveloppe. Le serrage du fond plat sur la bride se fait à l'aide d'ensemble vis-rondelles H passant dans les trous taraudés correspondants des fonds plats et des brides. 5 L'étanchéité est assurée par un joint torique placé dans une gorge E, usinée sur chaque fond plat, qui vient s'écraser contre la bride lors du serrage. Le supportage de l'enveloppe est assuré par 4 pièces métalliques I en L soudées sur l'enveloppe (par paires diamétralement opposées), pouvant se visser sur un support et permettant ainsi sur un module J de monter un nombre variable de membrane les unes sur les 10 autres. Cependant, les inconvénients principaux de ce type d'enveloppe sont : - Pour assurer le montage / démontage des membranes, il est nécessaire de compenser les tolérances de fabrication et déformations dû aux soudures en réusinant précisément le diamètre intérieur des ensembles tubes - brides après fabrication et soudure avec le tube. Cependant 15 même après réusinage le montage / démontage des membranes reste très difficile. - Le positionnement des enveloppes sur module, très contraint du fait des pièces de supportage en L soudées, peut poser des problèmes. - Sortir une membrane de son enveloppe nécessite de dévisser les deux fonds plats, puis de pousser manuellement la membrane hors de son enveloppe. Opération longue et très difficile du 20 fait du nombre de vis et des forces de frottements en jeu. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un dispositif de séparation membranaire amélioré. Une solution de la présente invention est un dispositif de séparation membranaire 25 comprenant une membrane tubulaire ou un ensemble cylindrique de membranes en fibres creuses limité(e) par une enveloppe tubulaire 1 reliant deux capuchons 2 percés de trous traversants 3 maintenus conjointement avec ladite enveloppe par deux systèmes de serrage et d'étanchéité, caractérisé en ce que : 5 - chaque système de serrage et d'étanchéité est un collier de serrage 4 muni d'un joint intégré présentant deux demi-parties indépendantes reliées entre elles en position de service au moyen d'au moins une vis 5 ou un boulon de serrage - l'enveloppe tubulaire 1 présente un diamètre d et à chaque extrémité une gorge 6 apte à 5 recevoir un bord du collier de serrage 4 d'un des deux systèmes de serrage et d'étanchéité, et - chaque capuchon 2 est composé d'un fond bombé et d'une partie cylindrique présentant un diamètre D tel que D REVENDICATIONS1. Dispositif de séparation membranaire comprenant une membrane tubulaire ou un ensemble cylindrique de membranes en fibres creuses limité(e) par une enveloppe tubulaire (1) reliant deux capuchons (2) percés de trous traversants (3) maintenus conjointement avec ladite enveloppe par deux systèmes de serrage et d'étanchéité, caractérisé en ce que : - chaque système de serrage et d'étanchéité est un collier de serrage (4) muni d'un joint intégré présentant deux demi-parties indépendantes reliées entre elles en position de service au moyen d'au moins une vis (5) ou un boulon de serrage - l'enveloppe tubulaire (1) présente un diamètre d et à chaque extrémité une gorge (6) apte à recevoir un bord du collier de serrage (4) d'un des deux systèmes de serrage et d'étanchéité, et - chaque capuchon (2) est composé d'un fond bombé et d'une partie cylindrique présentant un diamètre D tel que D 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous traversants (3) des capuchons (2) percés comprenant chacun un manchon taraudé (8) de manière à permettre l'introduction d'un outil de démontage (9). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le collier de serrage comprend deux vis permettant de relier entre elles deux demi-parties indépendantes. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie cylindrique des capuchons présentent une hauteur comprise entre 20 mm et 60 mm. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie cylindrique du capuchon (2) présente un diamètre D compris entre 100 et 400 mm. 10 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire (1) présente un diamètre d compris entre 100 et 400 mm. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe tubulaire (1) 5 présente une longueur comprise entre 780 et 830 mm. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chacune des gorges (6) de l'enveloppe tubulaire (1) est située à une distance comprise entre 12 et 25 mm de l'extrémité de l'enveloppe qui lui est la plus proche. 10 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la gorge (7) de chaque capuchon (2) est située à une distance comprise entre 12 et 25 mm de l'extrémité dudit capuchon. 10. Module de séparation membranaire comprenant : 15 - au moins deux dispositifs de séparation membranaire selon l'une des revendications 1 à 9, - un support, et - au moins deux couples de pièces métalliques (10) vissées au support et présentant une forme de berceau, chaque couple de pièces métalliques recevant un dispositif de séparation membranaire. 20 11. Module selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit module comprend au moins un collier de maintien (11) par dispositif de séparation membranaire permettant de maintenir ledit dispositif de séparation membranaire sur le couple de pièces métalliques. 25 12. Module selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque collier de maintien est vissé au support. 13. Utilisation d'un module de séparation membranaire selon l'une des revendications 10 à 12 pour la production de méthane à partir de biogaz.