Brevet FR3131224A1 — publié le 20230630

L’invention concerne un procédé de régulation de l’humidité d’un gaz .Il comporte les étapes suivantes : une première étape (101) de régulation de l’humidité d’un gaz entrant dans un bulleur (B) à un débit compris entre 200 NL/h et 2000NL/h, le gaz entrant dans le bulleur (B) par l’entrée du réservoir du bulleur (3) passe au travers de la première matrice poreuse (4), le gaz humidifié sort par la sortie du réservoir du bulleur (3) et circule vers un compresseur (18) ; une deuxième étape (102) de séchage du gaz issu de la première étape, le gaz sortant du compresseur (18) passe par un tube en forme de T comportant une entrée et deux sorties, l’une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s’écouler la phase liquide du gaz créant un condensat (20), l’autre sortie est reliée au niveau du fond d’un réservoir de dessicant (17). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de régulation de l’humidité d’un gaz Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un procédé de régulation de l’humidité d’un gaz. Elle s’applique, en particulier, au procédé nécessitant de l’hydrogène saturé en humidité en entrée et sec en sortie. Par exemple, le domaine de l’invention s’applique aux compresseurs électrochimiques ou aux séparateurs de gaz. Dans les systèmes existants ou les procédés existants, le gaz en entrée doit contenir une humidité relative suffisante pour que le système fonctionne correctement. Le gaz en sortie doit contenir une humidité absolue suffisamment basse pour être stocké et utilisé dans diverses applications. L’humidité relative correspond au rapport de la pression partielle de la vapeur d'eau contenue dans l'air sur la pression de vapeur saturante (ou tension de vapeur) à la même température. Si le gaz en entrée contient une humidité insuffisante, le système peut être endommagé ou détruit à court terme. Si le gaz en sortie contient une humidité en excès, les éléments de stockage ainsi que les détendeurs peuvent se corroder et les éléments utilisant cet hydrogène trop humide peuvent voir leur durée de vie réduite. Pour éviter ces problèmes, les normes exigent une concentration en humidité dans l’hydrogène inférieure à 5ppm. Le système fonctionne à une température optimale donnée (par exemple de 20°C à 60°C). Afin d’atteindre la saturation en humidité du gaz en entrée du système, le procédé de régulation de l’humidité doit fonctionner aux mêmes températures et pression d’entrée que le système. En sortie du système, le sécheur doit fonctionner à la pression de consigne du Système (par exemple entre 300 et 1000 bar). Le système fonctionne pour des débits de gaz compris entre 200 et 2000 NL/heure. L’unité NL/heure signifie normo-litre par heure ou litre de gaz par heure aux conditions standard température et pression. Le débit peut se mesurer avec un débitmètre et être contrôlé par l’intermédiaire de ce débitmètre. Par commodité nous nommerons « bulleur » le procédé de régulation de l’humidité du gaz en entrée et « sécheur » le procédé de régulation de l’humidité en sortie. Un bulleur est constitué d’un réservoir contenant de l’eau liquide au travers de laquelle un gaz passe sous forme de microbulles. Le gaz au contact de l’eau est humidifié jusqu’à atteindre la saturation suivant les conditions de température et de pression dans le bulleur. Un système de maintien en température est installé entre le bulleur et le compresseur pour éviter d’avoir des points froids et toujours rester à une température supérieure à la température de condensation du gaz. Des solutions existent mais il n’est pas possible de satisfaire le besoin avec un bulleur vendu sur le marché car il ne permet pas de supporter des pressions supérieures à quelques bars. L’utilisation d’un contrôleur de point de rosée permettrait d’avoir un contrôle précis de la teneur en humidité. Cependant cette solution est bien plus onéreuse et complexe et n’accepte pas des pressions supérieures à quelques bars. Pour pallier ce problème, les industriels ne souhaitant pas investir dans un contrôleur de point de rosée et souhaitant utiliser un équipement moins coûteux et plus robuste, maintiennent la température de leur bulleur à l’aide d’une résistance électrique : des câbles électriques chauffants sont disposés le long des conduites de gaz pour éviter les points froids entre le bulleur et le système. L’objectif est de maintenir une température suffisante et ne pas avoir de condensation. Des solutions de séchage de gaz permettant d’atteindre 5ppm pour des débits de 200 à 2 000 NL/h sont nombreuses : - Le sécheur à dessiccation permet un fonctionnement jusqu’à 1 000 bar et a une très bonne capacité de séchage, l’inconvénient est qu’il nécessite un remplacement ou une régénération du dessicant lorsqu’il est saturé en eau. Des enceintes résistantes aux moyennes pressions (jusqu’à 700 bar), modifiées sur mesure sont aujourd’hui utilisées, elles permettent de contenir le dessicant ainsi que l’eau condensée. Le gaz comprimé et le condensat se retrouvent dans la même enceinte. Lors des purges de condensat, une partie du gaz est perdu, car évacué en même temps que l’eau. Ils sont constitués de pièces en acier inox massives et couteuses. Chaque maintenance demande un remplacement du joint permettant l’étanchéité. La conception de ces enceintes rend généralement cette procédure délicate. - La solution de séchage par perméation a la même problématique de régénération et utilise pour cela une partie de l’hydrogène séché pour absorber l’humidité accumulée sur les membranes, il y a donc des pertes de gaz significatives. Un autre inconvénient est la pression de fonctionnement qui n’accepte pas des pressions supérieures à 35 bar pour de petites installations et donc à faible débit. - La solution de séchage par groupe froid disponible sur le marché permet d’atteindre une température de rosée proche de 0°C mais n’accepte pas de pression supérieure à quelques bars. Il n’est donc pas possible d’atteindre 5ppm dans ces conditions de pression et température. -La solution de séparation de phase par coalescence permet de séparer les phases d’eau liquide et vapeur. Cette solution ne permet pas d’atteindre un séchage suffisant. Présentation de l'invention La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice. Plus précisément, l’invention a pour but de : - Garantir que le gaz entrant est saturé en humidité, soit 70% ≤ HR ≤ 99% ; - Garantir que le gaz sortant est porteur d’une concentration en eau inférieure à 5ppm. Un autre objectif est de garantir la saturation du gaz en humidité quelle que soit la température de fonctionnement. En particulier, un objectif de l’invention est de fournir une telle technique permettant de s’affranchir de tout autre système de réglage complexe. Un autre objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui soit peu coûteuse à mettre en œuvre et qui ne nécessite pas d’entretien particulier. Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints, selon un premier aspect, à l’aide d’un procédé de régulation de l’humidité d’un gaz, remarquable en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - une première étape de régulation de l’humidité d’un gaz entrant dans un bulleur à un débit compris entre 200 NL/h et 2000NL/h, ledit bulleur comprend les éléments suivants : - un réservoir du bulleur comportant une entrée et une sortie, - un réservoir de thermorégulation qui entoure ledit réservoir du bulleur, - un volume d’eau de thermorégulation contenu dans ledit réservoir de thermorégulation, - une pompe de circulation d’eau de thermorégulation ; - ledit réservoir du bulleur comporte une première matrice poreuse située au niveau du fond du réservoir du bulleur à proximité de l’entrée ; le gaz entrant dans le bulleur par l’entrée du réservoir du bulleur passe au travers de la première matrice poreuse positionnée dans un volume d’eau contenu dans le réservoir bulleur, le gaz humidifié sort par la sortie du réservoir du bulleur et circule vers un compresseur ; le volume d’eau de thermorégulation circule dans un circuit fermé passant par le réservoir de thermorégulation, la pompe de circulation et le compresseur ; - une deuxième étape de séchage du gaz issu de la première étape, le gaz sortant du compresseur passe par un tube en forme de T comportant une entrée et deux sorties, l’une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s’écouler la phase liquide du gaz créant un condensat, l’autre sortie est reliée au niveau du fond d’un réservoir de dessicant ; en sortie du réservoir de dessicant le gaz séché est stocké vers un réservoir et comporte une humidité inférieure à un seuil prédéterminé. Grâce à ces dispositions, le gaz entrant dans le compresseur est saturé en humidité, soit 70%≤HR≤99% et optimise son fonctionnement ; et après l’étape du sécheur, le gaz sortant et est porteur d’une concentration en eau inférieure à 5ppm qui permet d’avoir des applications diverses. Il existe d’autres avantages comme le besoin de moins refroidir par rapport à d’autre procédé, un procédé dont les conditions du gaz sortant sont assurées et respectées. Le volume interne du bulleur est par ailleurs utilisé comme amortisseur des variations de pression du gaz entrant, permettant ainsi la gestion simplifiée du compresseur. Le bulleur maintient un niveau d’eau optimal à l’aide d’un système de purge et de remplissage automatisé. Un unique régulateur de température installé autour du bulleur permet d’accorder les températures du bulleur et du compresseur associé. En séparant le condensat en amont du sécheur de gaz, on minimise les pertes de gaz lors des purges de ce condensat. La conception d’un sécheur à base de composants standards permet une réduction des couts, une simplification de la maintenance et une plus grande modularité. L’invention est avantageusement mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Dans un mode de réalisation, lors de la première étape le gaz entrant est issu d’un électrolyseur et comporte une humidité relative inférieure à 50%. Dans un mode de réalisation, lors de la première étape, la température de l’eau de thermorégulation est assurée par un élément de thermorégulation. Dans un mode de réalisation, l’élément de thermorégulation de la première étape comporte des ailettes placées autour du réservoir de thermorégulation. Dans un mode de réalisation, l’élément de thermorégulation de la première étape comporte un ventilateur configuré pour assurer la circulation de l’air en contact avec les ailettes. Dans un mode de réalisation, lors de la première étape, une deuxième matrice poreuse est située en partie haute du réservoir bulleur à proximité de la sortie du réservoir du bulleur, le gaz humidifié traverse la deuxième matrice poreuse avant de sortir du réservoir du bulleur. Elle est utilisée comme élément de sécurité empêchant le passage d’eau liquide. Dans un mode de réalisation, lors de la première étape l’humidité relative du gaz entrant dans le compresseur est comprise entre 70% et 99%, de préférence entre 95% et 99%. Dans un mode de réalisation, ledit procédé comporte une troisième étape de mise à l’arrêt pour purger le volume d’eau contenu dans le réservoir bulleur puis le remplit d’un nouveau volume d’eau. Dans un mode de réalisation, lors de la troisième étape de mise à l’arrêt, le condensat contenu dans l’une des sorties du tube en forme de T est purgé. Dans un mode de réalisation, lorsque le taux d’humidité du gaz est supérieur au seuil prédéterminé, de préférence lorsqu’il dépasse le seuil de 5 ppm, ledit procédé comporte une étape d’alerte visuelle, sonore ou par un terminal indiquant la nécessité de remplacement du dessicant. Brève description des figures D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit, faite dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : La représente un schéma de principe de l’invention, objet de la présente invention ; La représente les étapes du procédé de régulation, objet de la présente invention. Procédé de régulation de l’humidité d’un gaz, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - une première étape (101) de régulation de l’humidité d’un gaz entrant dans un bulleur (B) à un débit compris entre 200 NL/h et 2000NL/h, ledit bulleur (B) comprend les éléments suivants : - un réservoir du bulleur (3) comportant une entrée et une sortie, - un réservoir de thermorégulation (6) qui entoure ledit réservoir du bulleur (3), - un volume d’eau de thermorégulation (7) contenu dans ledit réservoir de thermorégulation (6), - une pompe de circulation (2) d’eau de thermorégulation (7) ; - ledit réservoir du bulleur (3) comporte une première matrice poreuse (4) située au niveau du fond du réservoir du bulleur (3) à proximité de l’entrée ; le gaz entrant dans le bulleur (B) par l’entrée du réservoir du bulleur (3) passe au travers de la première matrice poreuse (4) positionnée dans un volume d’eau (5) contenu dans le réservoir bulleur (3), le gaz humidifié sort par la sortie du réservoir du bulleur (3) et circule vers un compresseur (18) ; le volume d’eau de thermorégulation circule dans un circuit fermé passant par le réservoir de thermorégulation, la pompe de circulation (2) et le compresseur (18) ; - une deuxième étape (102) de séchage du gaz issu de la première étape, le gaz sortant du compresseur (18) passe par un tube en forme de T comportant une entrée et deux sorties, l’une des sorties est à la verticale et par effet de gravité laisse s’écouler la phase liquide du gaz créant un condensat (20), l’autre sortie est reliée au niveau du fond d’un réservoir de dessicant (17) ; en sortie du réservoir de dessicant le gaz séché est stocké vers un réservoir (11) et comporte une humidité inférieure à un seuil prédéterminé. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape le gaz entrant est issu d’un électrolyseur et comporte une humidité relative inférieure à 50%. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape, la température de l’eau de thermorégulation (7) est assurée par un élément de thermorégulation. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’élément de thermorégulation de la première étape comporte des ailettes (27) placées autour du réservoir de thermorégulation (6). Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’élément de thermorégulation de la première étape comporte un ventilateur (8) configuré pour assurer la circulation de l’air en contact avec les ailettes (27). Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape, une deuxième matrice poreuse (9) est située en partie haute du réservoir bulleur (3) à proximité de la sortie du réservoir du bulleur (3), le gaz humidifié traverse la deuxième matrice poreuse (9) avant de sortir du réservoir du bulleur (3). Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de la première étape l’humidité relative du gaz entrant dans le compresseur est comprise entre 70% et 99%, de préférence entre 95% et 99%. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit procédé comporte une troisième étape (103) de mise à l’arrêt pour purger le volume d’eau (5) contenu dans le réservoir bulleur (3) puis le remplit d’un nouveau volume d’eau. Procédé selon la revendication 8, dans lequel lors de la troisième étape (103) de mise à l’arrêt, le condensat (20) contenu dans l’une des sorties du tube en forme de T est purgé. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lorsque le taux d’humidité du gaz est supérieur au seuil prédéterminé, de préférence lorsqu’il dépasse le seuil de 5 ppm, ledit procédé comporte une étape d’alerte visuelle, sonore ou par un terminal indiquant la nécessité de remplacement du dessicant.