EP3116626A1 - Dispositif de séparation de constituants gazeux contenus dans un mélange gazeux, et son utilisation pour la séparation de méthane et de dioxyde de carbone d'un biogaz - Google Patents

Dispositif de séparation de constituants gazeux contenus dans un mélange gazeux, et son utilisation pour la séparation de méthane et de dioxyde de carbone d'un biogaz

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Publication number
EP3116626A1
EP3116626A1 EP15715171.3A EP15715171A EP3116626A1 EP 3116626 A1 EP3116626 A1 EP 3116626A1 EP 15715171 A EP15715171 A EP 15715171A EP 3116626 A1 EP3116626 A1 EP 3116626A1
Authority
EP
European Patent Office
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reservoir
absorbent solution
gaseous
absorption column
gaseous component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15715171.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gilles Hebrard
David BENIZRI
Pierre LABEYRIE
Nicolas Dietrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aria-Energie Developpement Environnement
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National des Sciences Appliquees de Toulouse
Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Original Assignee
Aria-Energie Developpement Environnement
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National des Sciences Appliquees de Toulouse
Institut National de la Recherche Agronomique INRA
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Filing date
Publication date
Application filed by Aria-Energie Developpement Environnement, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National des Sciences Appliquees de Toulouse, Institut National de la Recherche Agronomique INRA filed Critical Aria-Energie Developpement Environnement
Publication of EP3116626A1 publication Critical patent/EP3116626A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/18—Absorbing units; Liquid distributors therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D53/1425—Regeneration of liquid absorbents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D53/1456—Removing acid components
    • B01D53/1475—Removing carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/101—Removal of contaminants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
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    • B01D2256/245—Methane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/05—Biogas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention is in the field of the separation of gaseous constituents from a gaseous mixture comprising them. More particularly, it relates to a device for the separation of a first gaseous component and a second gaseous component contained in a gaseous mixture, as well as the use of such a device for such separation.
  • An application for which the device according to the invention is particularly advantageous, and which will be described in detail in the following description, is the separation of methane and carbon dioxide contained in a biogas.
  • the device according to the invention however also applies, in a similar manner, to the separation of gaseous constituents contained in any other type of gaseous mixture, for example to the separation of carbon dioxide and other constituents of a gaseous gas.
  • synthesis a mixture of hydrocarbons, etc.
  • Anaerobic digestion is one of these techniques.
  • biogas a combustible gas
  • methane about 54%)
  • carbon dioxide about 43%)
  • sulfur gas a combustible gas
  • anaerobic digestion systems are installed more and more frequently on farms, for the recovery of organic waste of plant or animal origin that is produced there.
  • Such a device comprises a column filled with packing, in which a high pressure is maintained, and in which the biogas product is produced.
  • anaerobic digestion is forced to flow countercurrently from a specifically absorbing solution of carbon dioxide.
  • This absorbent solution usually water, flows through the column from top to bottom, dripping. Due to their different properties, carbon dioxide is transferred to water, which is the liquid phase, and the methane remains in the gas phase. It is recovered at the top of the column, to be valued.
  • Carbon dioxide is extracted from water, and can also be used in agriculture or the chemical industry, for example.
  • the present invention aims to improve such a device, so as to improve the efficiency of separation of methane and carbon dioxide from a gaseous effluent containing them, in particular from a biogas produced by the fermentation of biomass, and to obtain methane with a degree of purity higher than that obtained by means of the devices of the prior art, which can in particular be injected into the natural gas distribution network.
  • the invention aims in particular at the fact that such a device makes it possible to obtain a separation efficiency such as methane on the one hand, and carbon dioxide on the other hand, can be recovered with respective purities of greater than or equal to 96%.
  • Such high purity levels make it possible, in particular, to recover the methane thus purified as natural gas, as automobile fuel gas, for conventional cogeneration engines, etc., and to recover the carbon dioxide recovered for industrial purposes. for example in agriculture, algae production or chemical industry.
  • the present invention aims to provide a device for separating, with a high separation efficiency, a first gaseous component and a second gaseous component contained in a gaseous mixture.
  • this device is inexpensive to manufacture, simple to use and maintenance, it can be installed on the very sites where the biogas systems are located, and that it is suitable for continuously treat a stream of gas mixture from such systems.
  • a device for separating a first gaseous component and a second gaseous component contained in a gaseous mixture in particular methane and carbon dioxide contained in a gaseous mixture, such as 'a biogas, of which they are the main components.
  • a gaseous mixture such as 'a biogas
  • major components is meant here that the gas mixture has no other constituent in an amount greater than or equal to 10%.
  • the device according to the invention comprises:
  • absorption column a liquid-gas absorption separation column, called an absorption column, comprising a lower part, called a reservoir, and an upper part, called the separation zone,
  • the reservoir of the column being intended to receive and store a volume of absorbent solution in which the second gaseous component is dissolved, and comprising an outlet orifice, out of the reservoir, of the absorbent solution in which the second gaseous constituent is dissolved,
  • the absorbent solution absorbs more the second gaseous component than the other components of the gaseous mixture.
  • the concentration of the second gaseous component in the gaseous mixture gradually decreases, by passing this second gaseous component in the absorbent solution, as the gaseous mixture rises in the separation zone of the absorption column. .
  • the reservoir of the absorption column is further dimensioned so that its cross-sectional area is large enough so that, when the reservoir contains a volume of absorbent solution, the falling speed of the absorbent solution, in this volume of solution absorbent, is lower than the rate of rise of the gaseous mixture, more particularly of bubbles of the gaseous mixture, in this same volume of absorbing solution.
  • the reservoir of the absorption column is dimensioned such that its cross-sectional area is greater than or equal to twice the cross-sectional area of the separation zone of the absorption column.
  • the reservoir of the absorption column has the main function, in a conventional manner in itself, of receiving and storing the absorbent solution which has been charged with the second gaseous component.
  • This absorbent solution contained therein will be referred to for convenience in the remainder of the present description by the terms "liquid stopper".
  • its volume is fixed by calculations of the skilled man, so as to be sufficient to direct the gas mixture introduced into the absorption column towards the separation zone , and thus to limit leakage of gaseous mixture at the outlet orifice, out of the tank, of the absorbent solution loaded with the second gaseous component.
  • the present inventors have recognized that regardless of the volume of the liquid plug, in prior art devices, always occurred in which the cross-sectional area of the tank is typically substantially equal to the cross-sectional area of the tank. separation zone of the absorption column, a gaseous mixture leak, containing not only the second gaseous component, but also the first gaseous component, out of the tank, and that this gas leak was prohibitive for obtaining efficiencies of very high separation.
  • the absorbent solution charged with a second gaseous component carries with it part of the gaseous mixture introduced into the column, in the form of bubbles, into the liquid stopper and up to the outlet orifice of the solution. absorbent, out of the tank. It advantageously results in a better separation efficiency of the first gaseous component and the second gaseous component contained in the gaseous mixture, all of which is then directed into the separation zone of the column.
  • the device according to the invention allows a complete and varied recovery of the constituents of the gas mixture, which can recovered with a high degree of purity, including the main constituents of biogas that are methane and carbon dioxide.
  • the cross-sectional area of the separation zone of the absorption column are dictated, in a conventional manner in itself, by considerations relating to the field of chemical engineering, and determinable by calculations of the the skilled person, taking into account in particular the capture kinetics of the second gaseous component and the cyclic capacity of the absorbent solution, to ensure the best absorption efficiency of the second gaseous component by the absorbent solution.
  • the rate of rise of the gas mixture bubbles may be entrained in the volume of absorbent solution contained in the reservoir is preferably always greater than the descending speed of the absorbent solution in this same volume, so that the gas mixture leaks out of the tank, through the liquid stopper, are greatly reduced.
  • the gaseous mixture is composed mainly of methane and carbon dioxide
  • the operating conditions used provide that low gas mixture flow rates are introduced.
  • the absorption column for example of the order of 40 Nm 3 / h, corresponding to the flow rates of biogas produced by common methanization systems of small or medium size, with a flow rate adapted accordingly absorbing solution, typically of the water, of about 10 Nm 3 / h
  • the separation zone is dimensioned, conventionally in itself, to have a cross-sectional area of about 0.07 m 2
  • the tank has a cross-sectional area greater than or equal to 0.14 m 2 .
  • the diameter of the gas bubbles for which the rate of rise in the liquid stopper contained in the reservoir is equal to the descending speed of the absorbent solution in the same liquid stopper can be approximated by the following equation, derived from the Stokes equation: (QL / SR) / 2 x 18 ⁇ ⁇
  • d is the diameter of the gas bubbles (m)
  • QL is the flow of absorbent solution introduced into the absorption column (m 3 / s)
  • S R is the cross-sectional area of the reservoir (m 2 )
  • pi iq is the density of the liquid (kg / m 3 )
  • p gas is the density of gas (kg / m 3 )
  • g is the gravitational acceleration (m / s 2 )
  • ⁇ is the viscosity of the solution absorbent (Pa.s).
  • the reservoir having a cross-sectional area equal to twice the surface area. cross section of the separation zone, that is to say equal to 0.14 m 2 , we deduce from this equation a bubble diameter of 134 ⁇ .
  • This diameter corresponds to the diameter of the gas mixture bubbles for which the rate of rise is equal to the descending speed of the absorbing solution, and are therefore likely to be carried with it.
  • This theoretical diameter is smaller than the diameter of the gaseous mixture bubbles actually capable of being entrained in the reservoir by the absorbent solution flowing from the separation zone of the absorption column.
  • the cross-sectional area of the reservoir of the absorption column is chosen so as to obtain that the descending speed of the absorbent solution, in the volume of absorbent solution contained in the reservoir, is at least two times lower than the speed ascension of the gaseous mixture in this same volume of absorbing solution. It is the responsibility of the skilled person to determine, taking into account the explanations above, the cross-sectional area of the tank required for this purpose.
  • the cross-sectional area of the reservoir of the absorption column is between 2 and 4 times the cross-sectional area of the separation zone of the absorption column, and preferentially still between 2 and 3 times the cross-sectional area of this separation zone.
  • such upper bounds of these value ranges advantageously facilitate the manufacture and operation of the device according to the invention.
  • the absorbent solution is chosen as a function of the gaseous mixture to be treated, and in particular of the first gaseous component and the second gaseous component that it contains.
  • the gaseous mixture is a biogas
  • it is preferably an aqueous solution, such as an aqueous solution of sodium hydroxide, amine (s) or lime, and more generally a basic solution.
  • the absorbent solution is water.
  • the invention also fulfills the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operating combinations.
  • the outlet orifice, out of the reservoir of the absorption column, of absorbent solution in which the second gaseous constituent is dissolved is provided in a side wall of the tank, preferably near a bottom wall of the latter.
  • the device according to the invention differs from the devices proposed by the prior art, which provide on the contrary an outlet of the liquid through the bottom wall of the tank.
  • This characteristic advantageously makes it possible to further limit, if it is necessary, the gas mixture leaks at the exit orifice of the liquid solution. It indeed decreases the possibilities of moving fluid, in the form of a vortex, at the level of the liquid plug, and consequently the risk that a "piercing" effect of the liquid plug which could be induced by such a Put into motion.
  • At least one deflection plate preferably a plurality of deflection plates, is / are arranged in the tank of the absorption column, so as to extend in the direction of flow of the absorbent solution.
  • This or these plate (s) of deflection allow in particular to further limit the risk of generation of a vortex in the liquid stopper, and thus to avoid drilling of the latter.
  • Each deflection plate is preferably disposed in a peripheral zone of the reservoir, so as to extend substantially from the lateral wall of the latter, towards its center.
  • Each plate is also preferably disposed in a lower part of the tank.
  • the separation zone of the absorption column contains means for facilitating the absorption of the second gaseous component in the absorbent solution, such as trays or packing, in particular a bulk packing, for increasing the contact area between the liquid phase and the gas phase flowing countercurrently in the separation zone.
  • the lining may for example be a plastic type lining. It can in particular consist of Raschig rings
  • the means for facilitating the absorption then preferably extend in the upper part of the reservoir of the absorption column, so as to ensure that it does not exist, or very little free space between these means of facilitating absorption and the upper surface of the liquid plug which fills the reservoir, in operation of the device.
  • a large gap exists between the lining of the absorption column and the liquid plug, which promotes the acceleration of drops of absorbent solution flowing from the lining, and consequently a strong impact of these drops on the surface of the liquid stopper, and the entrainment of microbubbles of gaseous mixture in the liquid stopper.
  • the absorption column comprises, between the reservoir and the separation zone, an intermediate portion, which comprises a narrowing of its surface in cross section, so as to fit, on one side, at the cross-sectional area of the separation zone, and on the other side, at the cross-sectional area of the reservoir of the absorption column.
  • the absorption facilitation means then occupy the entire internal volume of this intermediate portion, until coming flush with the surface of the liquid stopper.
  • the absorption column is then preferably configured so that the gaseous mixture to be purified is introduced at this intermediate portion, or in the lower part of the separation zone.
  • the device comprises means for separating the absorbent solution and the second gaseous component dissolved therein. These separation means are fluidly connected to the outlet orifice, out of the reservoir of the absorption column, of the absorbing solution in which the second gaseous component.
  • the present invention is also expressed in terms of a device for recovering the second gaseous component from the gaseous mixture containing it in a mixture with the first gaseous component.
  • the means for separating the absorbent solution and the second gaseous component may be of any conventional type in itself.
  • these separation means comprise:
  • a duct connected fluidically to the reservoir of the absorption column at a first end, and opening into a degassing tank at an opposite second end, and a mixer disposed in this duct.
  • the device comprises means for circulating, in the separation zone of the absorption column, the absorbent solution separated from the second gaseous component by the separation means that the device comprises. thus ensuring a recycling of the absorbent solution which, once freed of the second gaseous component, is then again used to wash the gaseous mixture in the separation zone of the absorption column.
  • the device according to the present invention makes it possible to limit gaseous mixture leakage very strongly through the liquid plug, the absorbent solution which is thus regenerated is almost entirely free of a first gaseous component. The loss of first gaseous component is thus avoided.
  • the device may further comprise means for pressurizing the gaseous mixture before it is introduced into the absorption column, and means for pressurizing the absorbent solution before it is introduced into the absorption column, conventional in themselves. same. It may also include automated control means for its various components, including valves, compressors, circulation and injection pumps, etc.
  • This device is particularly suitable for the treatment of small inflow gas mixture flows, in particular of the order of 40 Nm 3 / h. It has in particular been found by the present inventors that in operation at such flow rates, there is no engorgement of the absorption column, constant inflow can be maintained for both the gaseous mixture and the absorbent solution, and it can be recovered, at the outlet at the top of the absorption column, a gas whose concentration by volume of methane is greater than 96%, and, at the outlet of the gas-liquid separation means, a gas whose volume concentration in Carbon dioxide is also greater than 96%.
  • the device according to the invention has great compactness, energy saving, simplicity of operation and maintenance, as well as a reasonable manufacturing cost.
  • the purification of biogas it also requires the implementation of no chemicals.
  • Another aspect of the invention is the use of the device corresponding to one or more of the above characteristics for the separation of a first gaseous component and a second gaseous component contained in a gaseous mixture.
  • the device according to the invention can be used for the separation of methane, as the first gaseous component, and of carbon dioxide, as the second gaseous component, contained in a biogas.
  • the device according to the invention can then belong to a more global installation, comprising an anaerobic digestion system, for the production of biogas, at the output of which the device according to the invention is fluidly connected, so as to allow direct and continuous recovery.
  • an anaerobic digestion system for the production of biogas, at the output of which the device according to the invention is fluidly connected, so as to allow direct and continuous recovery.
  • from the biogas produces, on the one hand methane, and on the other hand carbon dioxide, at high levels of purity.
  • FIGS. 1 to 6 The device according to the invention will now be more precisely described in the context of preferred embodiments, which are in no way limiting, represented in FIGS. 1 to 6, in which:
  • FIG. 1 schematically shows the absorption column of a device according to a particular embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view along the plane A-A of the column of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of a portion of the absorption column of Figure 1, including its reservoir
  • FIG. 4 schematically represents a device according to a particular embodiment of the invention, comprising the absorption column of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows photographs of the fluid escaping from the outlet of the reservoir, (a) for a separation device according to the prior art, in which the reservoir has a diameter equal to the diameter of the zone of separation, (b) for a device according to the invention, wherein the reservoir has a diameter equal to 2 times the diameter of the separation zone;
  • FIG. 6 shows a graph representing the theoretical diameter of the bubbles retained in the liquid stopper of a device for separating gaseous components from a gaseous mixture, as a function of the ratio (diameter of the reservoir / diameter of the separation zone).
  • the exemplary device according to the invention described below is with reference to a preferred field of application of the invention which is the separation, from biogas, of methane (first gaseous component) and carbon dioxide. carbon (second gaseous component), with a view to recovery for their valuation.
  • a preferred field of application of the invention which is the separation, from biogas, of methane (first gaseous component) and carbon dioxide. carbon (second gaseous component), with a view to recovery for their valuation.
  • the absorption column 10 of this device according to the invention is illustrated in FIG. Part of the internal components of this column, normally not visible, are shown in this figure for reasons of better understanding of its description.
  • the absorption column 10 comprises three successive parts: an upper part 1 1, called the separation zone, a lower part 12, called a reservoir, and connecting the two, an intermediate portion 13.
  • the reservoir 12 and the separation zone 1 1 can have any shape. Preferably, both have a substantially cylindrical shape.
  • the internal diameter of the reservoir 12 of the absorption column shown in this FIG. 1 is at least two times greater than the internal diameter of the separation zone 11, more precisely 2 times greater.
  • the intermediate portion 13 has a portion in decreasing cross section, so as to have, at a lower end 131, an inner diameter substantially equal to the internal diameter of the reservoir 12, and at an opposite upper end 132, an inner diameter substantially equal to the internal diameter of the separation zone 1 1.
  • the intermediate portion 13 is fixed, fluid-tight, on the one hand to the separation zone 1 1, by means of a connecting flange 133, and on the other hand to the tank 12, by means of a flange junction 134.
  • the separation zone 1 1 is filled with a lining 1 1 1, represented by hatched transparency in FIG. 1.
  • This lining is for example formed of Raschig rings made of plastic material. It extends in the intermediate portion 13, and beyond, in the upper portion 126 of the reservoir 12.
  • Lining support grids 1 12, 1 13 are respectively disposed in the separation zone 1 1 and in the tank 12, in the upper part 126 of the latter.
  • the absorption column 10 comprises a first pipe 14 for its hydraulic connection with a source of biogas under pressure. This first pipe 14 can lead into the lower part of the separation zone 11, or, as shown in FIG. 1, into the intermediate portion 13, in which packing 11 1 1 is preferentially located.
  • the absorption column 10 also comprises a second pipe 15 for its hydraulic connection with a source of absorbent carbon dioxide solution, for example water, under pressure.
  • This second pipe 15 opens into the upper part of the separation zone 1 1, above the lining 1 1 1. It is preferably associated with spraying means 151 distributed in the separation zone January 1 so that they allow uniform spraying of the absorbent solution on the lining 1 1 1.
  • the reservoir 12 is associated with two sensors 127, 128 of liquid level inside, arranged one above the other at the upper part 126 of the tank 12. These sensors are intended to regulate the level of liquid which is contained in the reservoir 12 when the absorption column 10 is in operation.
  • the column 10 is shown with a volume of absorbent solution 1 6 contained in the tank 12. This volume 1 6 is referred to in the remainder of this description by the terms "liquid stopper” or "foot of water.
  • the device is driven from the information recorded by the level sensors 127, 128, so as to ensure that the upper surface 1 61 of the liquid cap 1 6 is always located between these level sensors 127, 128 during operation of the device. according to the invention.
  • the lining 1 1 1 extends to the height of the upper level sensor 127, or between the two level sensors 127, 128, so as to ensure that the free space between the upper surface 1 61 of the liquid cap 1 6 and lining 1 1 1 is as small as possible, or substantially nonexistent.
  • the reservoir 12 is delimited peripherally by a side wall 121, and it has a bottom wall 122. Near this bottom wall
  • the absorption column 10 comprises a fourth pipe 19, for the exit, outside the separation zone 11, of the gas having passed through the zone of separation 11, that is to say say a gas highly enriched in methane, and substantially free of carbon dioxide.
  • the absorption column 10 further comprises, in the tank 12, deflection plates 124. In the particular embodiment illustrated in FIG. 2, these plates 124 are 4 in number, arranged at regular intervals one on the other hand, in a peripheral zone 123 of the reservoir 12.
  • These plates 124 extend, for example, for their width, from the side wall 121 of the reservoir 12, towards its center, and as illustrated in FIG. for their height, from the bottom wall 122 of the tank 12, in the flow direction 125, in the tank, liquid from the separation zone 11 of the absorption column 10.
  • the deflection plates 124 s preferably extend over more than half the height of the tank 12, preferably substantially over the entire height of the latter. By way of example, they may each have a height of 800 mm, a width of 50 mm and a thickness of 10 mm.
  • FIG. 4 An example of a device according to the invention in a complete configuration for its operation for separation and recovery, from biogas, methane and carbon dioxide, is shown in FIG. 4.
  • This device comprises the absorption column 10 described above with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the absorption column 10 In addition to the absorption column 10, it mainly comprises the following components.
  • the compressor 22 is controlled by automatic control means, to obtain the desired pressure and the flow rate of biogas at the inlet of the absorption column 10.
  • the biogas reaches the first line 14 from the plant in which it was produced, in the direction indicated at 41 in Figure 4, to be injected into the intermediate portion 13 of the absorption column 10.
  • the biogas naturally rises, for the most part, towards the upper end 114 of the separation zone 11, as indicated at 42 in FIG.
  • a pump 23 On the second line 15, which brings the absorbent solution, for example water, into the separation zone 1 1, is mounted a pump 23, which, like all the other members of the device, is controlled by control means automatically, so as to feed the absorption column 10 with the desired flow of absorbent solution, at the desired pressure.
  • control means are conventional in themselves and are not shown in FIG. 4.
  • the absorbent solution injected towards the lining 1 1 1 in the direction indicated at 43 in FIG. 4, and flowing through this lining, then comes into contact with the biogas, which amounts, for its part, against current, in the separation zone 1 1.
  • the biogas There is a selective dissolution in the absorbent solution of the carbon dioxide contained in the biogas, on a large contact surface.
  • the biogas thus sees its concentration of carbon dioxide decrease throughout its ascent of the separation zone 1 1, while the absorbent solution is in turn responsible for this carbon dioxide throughout its descent. When it reaches the upper end 1 14 of the separation zone
  • the purified gas of carbon dioxide, and very rich in methane borrows the fourth pipe 19, which has a mechanical regulation of its internal pressure through a discharger 24 mounted on this pipe 19.
  • This discharger 24 opens only proportionally to the incoming flow, and when the desired pressure is reached.
  • the purified gas has three circulation possibilities: a methane recovery route for its recovery, in the direction indicated at 44 in FIG. 4, or, where appropriate, recirculation channels in the absorption column 10 or emptying 26, for shutting down the device.
  • the absorbent solution loaded with carbon dioxide flows in drop form from the lining 1 1 1 to the tank 12, in the direction indicated at 125 in FIG. 4, to form the liquid plug 1 therein. 6.
  • the level of absorbent solution in the liquid plug 1 6 is regulated so that its upper surface 1 61 is permanently located between the level sensors 127, 128.
  • This regulation is provided by a control system comprising automatic control means, according to the information recorded by the level sensors 127, 128, the opening or closing of a valve 27 mounted on the third pipe 18, absorbent solution outlet , charged with carbon dioxide, out of the tank 12.
  • the control of the valve 27 makes it possible in particular to control the flow of liquid flowing in the third pipe 18.
  • the liquid plug 1 6 due to the cross-sectional area of the reservoir 12, which has been advantageously chosen for this purpose, the microbubbles have an ascending speed, in the direction of the separation zone 1 1 overhanging the reservoir 12, which is much greater than the descending speed of the absorbent solution, loaded with carbon dioxide, in the liquid plug 1 6.
  • the microbubbles of biogas thus quickly rise to the surface 1 61 the liquid plug 1 6, and only the absorbent solution in which is dissolved carbon dioxide, but devoid of methane, reaches the bottom of the tank 12, the outlet port 17.
  • the very low occurrence of biogas leakage through the outlet orifice 17 outside the tank 12 is all the more accentuated by the absence of free space between the lining 1 1 1 and the upper surface 1 61 of the liquid plug 16, by the presence in the tank of the deflection plates 124 and in that the outlet orifice 17 is located on the side wall 121 of the tank 12, and not in the bottom thereof.
  • the absorbent solution charged with carbon dioxide flows from this outlet orifice 17 into the third pipe 18, in the direction indicated at 45 in FIG. 4, at a rate regulated by the valve 27.
  • This valve 27 also constitutes a means of relaxation, to bring the absorbent solution to atmospheric pressure.
  • the third line 18 brings the absorbent solution to a system for separating the absorbent solution and carbon dioxide.
  • This system comprises a static mixer 28, which creates a great mechanical and passive agitation. This agitation allows degassing of carbon dioxide which, at atmospheric pressure, is less soluble in the absorbent solution.
  • the assembly then circulates in a long-dimension pipe 29, which brings it into a large volume degassing tank, in which it is stored. There is a separation of the absorbent solution and carbon dioxide, the latter rising to the surface in the form of microbubbles, to escape in the direction indicated at 46 in Figure 4.
  • the device may comprise means recovery of this carbon dioxide (not shown in the figure), for its revaluation.
  • the second pipe 15 is fluidically connected, at an end opposite the absorbent solution injection end in the separation zone 1 1 of the absorption column I O, to this degassing tank 30.
  • the pump 23 mounted on this second line 15 then ensures the circulation of regenerated absorbent solution, that is to say freed of carbon dioxide, in the direction indicated 47 in Figure 4, in this pipe 15, for its reinjection into the column d
  • Such a step of recycling the absorbent solution advantageously makes it possible to reduce the operating cost of the device.
  • the operation of the device according to the invention can be controlled in a completely automated manner, in particular with regard to the circulating flows of gas and liquid, the pressure inside the column and the level of the plug. liquid 1 6 in the tank 12.
  • the various calculation and control steps are preferably performed by a computer-programmed system comprising at least one microprocessor and storage means (magnetic hard disk, flash memory, optical disk, etc.) in which a product is stored.
  • computer program in the form of a set of program code instructions to be executed to implement the various calculation steps of the control method of the device according to the invention.
  • the sizing of the absorption column 10 is as follows: total height: 2.10 m; internal diameter of the separation zone 1 1: 0.25 m; internal diameter of the tank 12: 0.6 m; height of the liquid plug 1 6: 0.8 m.
  • the pressure inside the absorption column 10 is set at 7 bar.
  • the gas mixture flow rate (biogas) entering the column 10 is 40 Nm 3 / h, and the absorbent solution flow (water) entering the column 10 is 10 Nm 3 / h.
  • the temperature is 20 ° C.
  • the diameter of the biogas bubbles that may be entrained by the trickling water from the separation zone 1 1 of the column 10 into the liquid plug 1 6 is equal to 0.5 mm.
  • the downward velocity of the water in the liquid cap 1 6 is determined at 0.01 m / s. This speed is very much lower than the rate of rise of the gas mixture, as recommended by the present invention.
  • R 2 dbuiie is the diameter of retained gas bubbles (m)
  • QL is the flow rate of absorbent solution introduced into the absorption tower (m 3 / s)
  • D R is the diameter of reservoir (m)
  • puquide is the density of the liquid (kg / m 3 )
  • pgaz is the density of gas (kg / m 3 )
  • g is the gravitational acceleration (m / s 2 )
  • ⁇ is the viscosity of the absorbent solution (Pa.s).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de séparation d'un premier constituant gazeux et d'un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux, comportant une colonne de séparation par absorption liquide- gaz (10), comportant un réservoir inférieur (12), et une zone de séparation supérieure (11), des moyens de mise en contact par circulation à contre- courant dans la zone de séparation (11) du mélange gazeux et d'une solution liquide apte à absorber sélectivement le deuxième constituant gazeux, et des moyens (19) de récupération du premier constituant gazeux séparé du deuxième constituant gazeux. Le réservoir (12) stocke un volume (16) de solution absorbante. La surface en section transversale du réservoir (12) de la colonne d'absorption (10) est supérieure ou égale à deux fois la surface en section transversale de la zone de séparation (11) de la colonne d'absorption (10).

Description

DISPOSITIF DE SÉPARATION DE CONSTITUANTS GAZEUX CONTENUS DANS UN MÉLANGE GAZEUX, ET SON UTILISATION POUR LA SÉPARATION DE
MÉTHANE ET DE DIOXYDE DE CARBONE D'UN BIOGAZ
La présente invention s'inscrit dans le domaine de la séparation de constituants gazeux d'un mélange gazeux les comprenant. Plus particulièrement, elle concerne un dispositif pour la séparation d'un premier constituant gazeux et d'un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux, ainsi que l'utilisation d'un tel dispositif pour une telle séparation.
Une application pour laquelle le dispositif selon l'invention s'avère particulièrement avantageux, et qui sera décrite de manière détaillée dans la suite de la présente description, est la séparation de méthane et de dioxyde de carbone contenus dans un biogaz. Le dispositif selon l'invention s'applique toutefois également, de manière similaire, à la séparation de constituants gazeux contenus dans tout autre type de mélange gazeux, par exemple à la séparation de dioxyde de carbone et d'autres constituants d'un gaz de synthèse, d'un mélange d'hydrocarbures, etc. Dans le contexte actuel de transition énergétique, le développement de techniques respectueuses de l'environnement pour produire de l'énergie revêt une grande importance. La méthanisation est une de ces techniques. Il s'agit d'un procédé naturel de dégradation, sous conditions anaérobie, de biomasse source de carbone, pour produire un gaz combustible, appelé biogaz, composé principalement de méthane (pour environ 54 %) et de dioxyde de carbone (pour environ 43 %), ainsi que d'un léger pourcentage de diazote et d'eau sous forme de vapeur et, le cas échéant, de faibles quantités de gaz soufrés. Des systèmes de méthanisation sont notamment installés de plus en plus fréquemment dans les exploitations agricoles, pour la valorisation des déchets biologiques d'origine végétale ou animale qui y sont produits.
De nombreuses solutions ont été proposées par l'art antérieur pour valoriser le biogaz brut produit par les systèmes de méthanisation, notamment pour le purifier de sorte à obtenir un gaz à haute teneur en méthane. Une telle purification implique la séparation du méthane et du dioxyde de carbone contenus dans le biogaz. Parmi les techniques proposées par l'art antérieur à cet effet, une technique particulière consiste à laver le biogaz sous haute pression avec une solution aqueuse liquide, dite solution absorbante, apte à absorber spécifiquement le dioxyde de carbone contenu dans le biogaz. Cette technique tire avantage des différences de propriétés de dissolution dans l'eau du méthane et du dioxyde de carbone, la constante de dissolution dans l'eau du dioxyde de carbone étant largement supérieure à celle du méthane. Cette caractéristique est décrite par la thermodynamique grâce à la constante de Henry, décrivant l'équilibre entre une phase liquide et une phase gazeuse à des conditions de température et de pression données.
Un exemple de dispositif permettant de réaliser une telle séparation par absorption est notamment décrit dans le brevet FR-A-2 972 643. Un tel dispositif comporte une colonne remplie de garnissage, dans laquelle est maintenue une pression élevée, et dans laquelle le biogaz produit par méthanisation est forcé à circuler en contre-courant d'une solution spécifiquement absorbante du dioxyde de carbone. Cette solution absorbante, généralement de l'eau, traverse la colonne du haut vers le bas, en ruisselant. Du fait de leurs différences de propriétés, le dioxyde de carbone est transféré dans l'eau, qui constitue la phase liquide, et le méthane reste dans la phase gazeuse. Il est récupéré en haut de colonne, pour être valorisé. Le dioxyde de carbone est quant à lui extrait de l'eau, et peut également être utilisé en agriculture ou dans l'industrie chimique par exemple. La présente invention vise à améliorer un tel dispositif, de sorte à améliorer le rendement de séparation du méthane et du dioxyde de carbone à partir d'un effluent gazeux les contenant, notamment d'un biogaz produit par la fermentation de biomasse, et à obtenir ainsi du méthane avec un degré de pureté supérieur à celui obtenu au moyen des dispositifs de l'art antérieur, qui puisse notamment être injecté dans le réseau de distribution de gaz naturel. L'invention vise en particulier à ce qu'un tel dispositif permette d'obtenir un rendement de séparation tel que le méthane d'une part, et le dioxyde de carbone d'autre part, puissent être récupérés avec des degrés de pureté respectifs supérieurs ou égaux à 96 %. Des degrés de pureté aussi élevés permettent notamment la valorisation du méthane ainsi purifié en tant que gaz naturel, en tant que gaz carburant d'automobile, pour moteurs de cogénération conventionnels, etc., et la valorisation du dioxyde de carbone récupéré à des fins industrielles, par exemple en agriculture, production d'algue ou industrie chimique.
Plus généralement, la présente invention vise à proposer un dispositif permettant de séparer, avec un haut rendement de séparation, un premier constituant gazeux et un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux.
Des objectifs supplémentaires de la présente invention sont que ce dispositif soit peu coûteux à fabriquer, simple d'utilisation et de maintenance, qu'il puisse être installé sur les sites mêmes où sont implantés les systèmes de méthanisation, et qu'il soit apte à traiter en continu un flux de mélange gazeux issu de tels systèmes.
A cet effet, il est proposé par la présente invention un dispositif de séparation d'un premier constituant gazeux et d'un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux, notamment de méthane et de dioxyde de carbone contenus dans un mélange gazeux, tel qu'un biogaz, dont ils sont les composants principaux. Par composants principaux, on entend ici que le mélange gazeux ne comporte pas d'autre constituant dans une quantité supérieure ou égale à 10 %. Le dispositif selon l'invention comporte :
- une colonne de séparation par absorption liquide-gaz, dite colonne d'absorption, comportant une partie inférieure, dite réservoir, et une partie supérieure, dite zone de séparation,
- des moyens de mise en contact dans la zone de séparation de la colonne d'absorption, par circulation à contre-courant, et préférentiellement à haute pression, du mélange gazeux et d'une solution liquide apte à absorber sélectivement le deuxième constituant gazeux, dite solution absorbante,
- le réservoir de la colonne étant destiné à recevoir et stocker un volume de solution absorbante dans laquelle est dissous le deuxième constituant gazeux, et comportant un orifice de sortie, hors du réservoir, de la solution absorbante dans laquelle est dissous le deuxième constituant gazeux,
- et des moyens de récupération du premier constituant gazeux séparé du deuxième constituant gazeux, notamment en partie supérieure de la zone de séparation. Par absorber sélectivement, on entend dans la présente description que la solution absorbante absorbe davantage le deuxième constituant gazeux que les autres constituants du mélange gazeux. Ainsi, la concentration en deuxième constituant gazeux dans le mélange gazeux diminue progressivement, par passage de ce deuxième constituant gazeux dans la solution absorbante, au fur et à mesure que le mélange gazeux s'élève dans la zone de séparation de la colonne d'absorption.
Le réservoir de la colonne d'absorption est en outre dimensionné de telle sorte que sa surface en section transversale soit suffisamment importante pour que, lorsque le réservoir contient un volume de solution absorbante, la vitesse descendante de la solution absorbante, dans ce volume de solution absorbante, soit inférieure à la vitesse ascensionnelle du mélange gazeux, plus particulièrement de bulles du mélange gazeux, dans ce même volume de solution absorbante. Plus précisément, le réservoir de la colonne d'absorption est dimensionné de telle sorte que sa surface en section transversale est supérieure ou égale à deux fois la surface en section transversale de la zone de séparation de la colonne d'absorption.
Il a été constaté par les présents inventeurs qu'un tel dimensionnement du réservoir, par rapport à la zone de séparation de la colonne d'absorption, dont le dimensionnement est quant à lui dicté notamment par les caractéristiques du mélange gazeux dont les constituants doivent être séparés, en particulier sa nature et son débit à traiter, permet, quelles que soient ces caractéristiques du mélange gazeux, d'assurer que, lorsque le réservoir contient un volume de solution absorbante, la vitesse descendante de la solution absorbante provenant de la zone de séparation, dans ce volume de solution absorbante, soit inférieure à la vitesse ascensionnelle de bulles du mélange gazeux dans ce même volume de solution absorbante.
Le réservoir de la colonne d'absorption a pour fonction principale, de manière classique en elle-même, de recevoir et stocker la solution absorbante qui s'est chargée en deuxième constituant gazeux. Cette solution absorbante qui y est contenue sera désignée par commodité, dans la suite de la présente description, par les termes de « bouchon liquide ». En conditions normales d'opération du dispositif, son volume est fixé, par des calculs du ressort de l'homme du métier, de sorte à être suffisant pour diriger le mélange gazeux introduit dans la colonne d'absorption en direction de la zone de séparation, et à limiter ainsi les fuites de mélange gazeux au niveau de l'orifice de sortie, hors du réservoir, de la solution absorbante chargée en deuxième constituant gazeux.
Les présents inventeurs ont identifié que quel que soit le volume du bouchon liquide, il se produisait toujours, dans les dispositifs de l'art antérieur, dans lesquels la surface en section transversale du réservoir est typiquement sensiblement égale à la surface en section transversale de la zone de séparation de la colonne d'absorption, une fuite de mélange gazeux, contenant non seulement le deuxième constituant gazeux, mais également le premier constituant gazeux, hors du réservoir, et que cette fuite de gaz était rédhibitoire pour l'obtention de rendements de séparation très élevés.
De manière tout à fait avantageuse, ils ont su tirer profit de cette observation, et déterminer que cette fuite résiduelle de mélange gazeux pouvait être significativement limitée, voire totalement supprimée, par une augmentation de la surface en section transversale du réservoir de la colonne d'absorption, par rapport aux colonnes proposées par l'art antérieur, pour une surface en section transversale de la zone de séparation de la colonne d'absorption constante, de sorte à obtenir une surface en section transversale du réservoir, dans lequel est destiné à se trouver le bouchon liquide, au moins deux fois plus important que celui de la zone de séparation de la colonne d'absorption, ce qui assure que la solution absorbante chargée en deuxième constituant gazeux, s'écoulant depuis la zone de séparation de la colonne d'absorption en direction du réservoir, circule dans le bouchon liquide contenu dans ce dernier à une vitesse inférieure à la vitesse ascensionnelle dans ce bouchon liquide des bulles de mélange gazeux entraînées dans le réservoir par la solution absorbante qui s'y écoule. Il est ainsi avantageusement évité que la solution absorbante chargée de deuxième constituant gazeux n'entraîne avec elle une partie du mélange gazeux introduit dans la colonne, sous forme de bulles, dans le bouchon liquide et jusqu'à l'orifice de sortie de la solution absorbante, hors du réservoir. Il s'ensuit avantageusement un meilleur rendement de séparation du premier constituant gazeux et du deuxième constituant gazeux contenus dans le mélange gazeux, dont la totalité est alors dirigée dans la zone de séparation de la colonne.
Par une telle diminution, voire même suppression, des fuites de mélange gazeux à travers le bouchon liquide contenu dans le réservoir de la colonne d'absorption, le dispositif selon l'invention permet une valorisation complète et variée des constituants du mélange gazeux, qui peuvent être récupérés avec un haut degré de pureté, et notamment des constituants principaux du biogaz que sont le méthane et le dioxyde de carbone.
La surface en section transversale de la zone de séparation de la colonne d'absorption, et plus généralement son dimensionnement, sont dictés, de manière classique en elle-même, par des considérations relevant du domaine du génie chimique, et déterminables par des calculs du ressort de l'homme du métier, en prenant notamment en compte la cinétique de captage du deuxième constituant gazeux et la capacité cyclique de la solution absorbante, pour assurer la meilleure efficacité d'absorption du deuxième constituant gazeux par la solution absorbante.
Par vitesse descendante de la solution absorbante dans le volume de solution absorbante contenu dans le réservoir, on entend dans la présente description la vitesse descendante moyenne sur toute la surface en section transversale du réservoir. Cette vitesse descendante dépend, outre de la surface en section transversale du réservoir, du débit de solution absorbante injecté en entrée de colonne et des caractéristiques physiques et physicochimiques de la solution absorbante et du réservoir, telles que la masse volumique, la viscosité et la tension superficielle de la solution absorbante, et la rugosité de la paroi du réservoir.
Lorsque la solution absorbante est l'eau, cette vitesse descendante de la solution absorbante, V|iq, peut être approximée de manière relativement précise par l'équation :
V|iq = QL / SR où QL est le débit de solution absorbante introduite dans la colonne d'absorption, et SR est la surface en section transversale du réservoir. Par vitesse ascensionnelle de bulles du mélange gazeux dans le volume de solution absorbante contenu dans le réservoir, on entend la vitesse terminale ascensionnelle des bulles du mélange gazeux dans ce volume de liquide au repos. Cette vitesse ascensionnelle terminale, qui dépend du diamètre des bulles de mélange gazeux entraînées par la solution absorbante dans sa descente dans le réservoir, et des caractéristiques physiques et physico-chimiques de la solution absorbante, telles que sa masse volumique, sa viscosité et sa tension superficielle, peut également être déterminée par des calculs du ressort de l'homme du métier, ou de manière empirique.
Quelle que soit la composition du mélange gazeux, et le diamètre des bulles que ce mélange est susceptible de former dans le bouchon liquide, et quelles que soient les caractéristiques de la solution absorbante, pour des conditions opératoires classiques, notamment dans le domaine du traitement des biogaz, dans le dispositif selon l'invention, la vitesse ascensionnelle des bulles de mélange gazeux susceptibles d'être entraînées dans le volume de solution absorbante contenu dans le réservoir est avantageusement toujours supérieure à la vitesse descendante de la solution absorbante dans ce même volume, si bien que les fuites de mélange gazeux hors du réservoir, à travers le bouchon liquide, sont fortement réduites.
En particulier, lorsque le mélange gazeux est composé principalement de méthane et de dioxyde de carbone, comme c'est le cas pour les biogaz issus de la méthanisation, et que les conditions opératoires mises en œuvre prévoient que de faibles débits de mélange gazeux sont introduits dans la colonne d'absorption, par exemple de l'ordre de 40 Nm3/h, correspondant aux débits de biogaz produits par des systèmes de méthanisation courants de taille petite ou moyenne, avec un débit adapté en conséquence de solution absorbante, typiquement de l'eau, d'environ 10 Nm3/h, dans le dispositif selon l'invention la zone de séparation est dimensionnée, de manière classique en elle-même, pour présenter une surface en section transversale d'environ 0,07 m2, et le réservoir une surface en section transversale supérieure ou égale à 0,14 m2. Ceci permet d'assurer que l'ensemble des bulles susceptibles d'être entraînées dans le réservoir par la solution absorbante s'écoulant depuis la zone de séparation de la colonne d'absorption, remontent vers cette zone de séparation plus rapidement que la solution absorbante ne s'écoule dans le réservoir.
Ceci peut aisément être vérifié par observation, au moyen d'une caméra, du fluide s'échappant au niveau de l'orifice de sortie hors du réservoir, ce fluide ne véhiculant aucune bulle de gaz.
Autrement, il entre dans les compétences de l'homme du métier du génie de procédé de le vérifier théoriquement, pour chaque couple mélange gazeux - solution absorbante donné, sur la base de ses connaissances générales, illustrées notamment dans le chapitre 7 des travaux de R. Clift, J.R. Grâce and M.E. Weber, Bubbles drops and particles, Dover Publications, Inc. Mineola, New York, 1978.
En particulier, le diamètre des bulles de gaz pour lesquelles la vitesse ascensionnelle dans le bouchon liquide contenu dans le réservoir est égale à la vitesse descendante de la solution absorbante dans ce même bouchon liquide, peut être approximé par l'équation suivante, dérivée de l'équation de Stokes : (QL / SR) /2 x 18 χ μ
où d est le diamètre des bulles de gaz (m), QL est le débit de solution absorbante introduite dans la colonne d'absorption (m3/s), SR est la surface en section transversale du réservoir (m2), piiq est la masse volumique du liquide (kg/m3), pgaz est la masse volumique de gaz (kg/m3), g est l'accélération gravitaire (m/s2), et μ est la viscosité de la solution absorbante (Pa.s).
Pour toutes les bulles de diamètre supérieur, dans le bouchon liquide la vitesse ascensionnelle est supérieure à la vitesse descendante de la solution absorbante. Il est alors aisé pour l'homme du métier de vérifier que ce diamètre d théorique est bien inférieur au diamètre des bulles susceptibles de se former dans la réalité dans le bouchon liquide.
Pour le cas particulier exposé ci-avant, dans lequel le mélange gazeux est constitué principalement de méthane et de dioxyde de carbone, et la solution absorbante est de l'eau, le réservoir présentant une surface en section transversale égale à deux fois la surface en section transversale de la zone de séparation, c'est-à-dire égale à 0,14 m2, on déduit de cette équation un diamètre de bulles de 134 μηι. Ce diamètre correspond au diamètre des bulles de mélange gazeux pour lesquelles la vitesse ascensionnelle est égale à la vitesse descendante de la solution absorbante, et sont donc susceptibles d'être emportées avec cette dernière. Ce diamètre théorique est inférieur au diamètre des bulles de mélange gazeux réellement susceptibles d'être entraînées dans le réservoir par la solution absorbante s'écoulant depuis la zone de séparation de la colonne d'absorption. Une observation en conditions d'expérimentation réelle a permis aux présents inventeurs de déterminer que ce diamètre réel moyen est de 500 μηι environ, et le diamètre des plus petites bulles observées étant d'environ 150 μηι. Ceci démontre bien que dans ce cas, le dimensionnement du réservoir par rapport à la zone de séparation de la colonne d'absorption, tel que préconisé par la présente invention, permet avantageusement d'éviter toute fuite de gaz à travers le bouchon liquide lors de la mise en œuvre du dispositif pour la séparation des constituants du mélange gazeux.
Préférentiellement, la surface en section transversale du réservoir de la colonne d'absorption est choisie de sorte à obtenir que la vitesse descendante de la solution absorbante, dans le volume de solution absorbante contenu dans le réservoir, soit au moins deux fois inférieure à la vitesse ascensionnelle du mélange gazeux dans ce même volume de solution absorbante. Il est du ressort de l'homme du métier de déterminer, en prenant en compte les explications ci-avant, la surface en section transversale du réservoir nécessaire à cet effet.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, la surface en section transversale du réservoir de la colonne d'absorption est comprise entre 2 et 4 fois la surface en section transversale de la zone de séparation de la colonne d'absorption, et préférentiellement encore comprise entre 2 et 3 fois la surface en section transversale de cette zone de séparation. En particulier, de telles bornes supérieures de ces fourchettes de valeurs facilitent avantageusement la fabrication et l'opération du dispositif selon l'invention.
La solution absorbante est choisie en fonction du mélange gazeux à traiter, et notamment du premier constituant gazeux et du deuxième constituant gazeux qu'il contient. Dans le cas d'application particulier du dispositif selon l'invention dans lequel le mélange gazeux est un biogaz, il s'agit de préférence d'une solution aqueuse, telle qu'une solution aqueuse de soude, d'amine(s) ou de chaux, et plus généralement une solution basique. Préférentiellement, la solution absorbante est l'eau. Selon des modes de réalisation particuliers, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, l'orifice de sortie, hors du réservoir de la colonne d'absorption, de solution absorbante dans laquelle est dissous le deuxième constituant gazeux, est ménagé dans une paroi latérale du réservoir, de préférence à proximité d'une paroi de fond de ce dernier. Par une telle caractéristique, le dispositif selon l'invention diffère des dispositifs proposés par l'art antérieur, qui prévoient au contraire une sortie du liquide à travers la paroi de fond du réservoir. Cette caractéristique permet avantageusement de limiter plus encore, s'il tant est qu'il en soit besoin, les fuites de mélange gazeux au niveau de l'orifice de sortie de la solution liquide. Elle diminue en effet les possibilités de mise en mouvement de fluide, sous forme de vortex, au niveau du bouchon liquide, et par conséquent le risque qu'il se produise un effet de « perçage » du bouchon liquide qui pourrait être induit par une telle mise en mouvement.
Un tel résultat avantageux est d'autant mieux atteint lorsque, conformément à une caractéristique particulière de l'invention, au moins une plaque de déflexion, de préférence une pluralité de plaques de déflexion, est / sont disposée(s) dans le réservoir de la colonne d'absorption, de sorte à s'étendre dans la direction d'écoulement de la solution absorbante. Cette ou ces plaque(s) de déflexion permettent notamment de limiter plus encore les risques de génération d'un vortex dans le bouchon liquide, et ainsi d'éviter un perçage de ce dernier.
Chaque plaque de déflexion est de préférence disposée dans une zone périphérique du réservoir, de sorte à s'étendre sensiblement depuis la paroi latérale de ce dernier, en direction de son centre. Chaque plaque est en outre préférentiellement disposée dans une partie inférieure du réservoir.
Dans le cas d'une pluralité de plaques de déflexion, ces dernières sont de préférence disposées à intervalle régulier les unes des autres. Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, la zone de séparation de la colonne d'absorption contient des moyens de facilitation de l'absorption du deuxième constituant gazeux dans la solution absorbante, tels que des plateaux ou un garnissage, en particulier un garnissage en vrac, permettant d'augmenter la surface de contact entre la phase liquide et la phase gazeuse circulant à contre-courant dans la zone de séparation. Le garnissage peut par exemple être un garnissage de type plastique. Il peut notamment consister en des anneaux de Raschig
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens de facilitation de l'absorption s'étendent alors de préférence dans la partie supérieure du réservoir de la colonne d'absorption, de sorte à assurer qu'il n'existe pas, ou très peu, d'espace libre entre ces moyens de facilitation de l'absorption et la surface supérieure du bouchon liquide qui remplit le réservoir, en opération du dispositif. Dans les dispositifs de l'art antérieur, un espace important existe entre le garnissage de la colonne d'absorption et le bouchon liquide, ce qui favorise l'accélération de gouttes de solution absorbante s'écoulant depuis le garnissage, et par conséquent un fort impact de ces gouttes à la surface du bouchon liquide, et l'entraînement de microbulles de mélange gazeux dans le bouchon liquide.
Au contraire, dans le dispositif selon l'invention, cette source de fuite de mélange gazeux dans le bouchon liquide est supprimée, ce qui participe avantageusement à améliorer le rendement de séparation du dispositif.
Dans des modes de réalisation particulièrement préférés de l'invention, la colonne d'absorption comporte, entre le réservoir et la zone de séparation, une portion intermédiaire, laquelle comporte un rétrécissement de sa surface en section transversale, de sorte à s'adapter, d'un côté, à la surface en section transversale de la zone de séparation, et de l'autre côté, à la surface en section transversale du réservoir de la colonne d'absorption. Les moyens de facilitation de l'absorption occupent alors l'ensemble du volume interne de cette portion intermédiaire, jusqu'à venir à fleur de surface du bouchon liquide. La colonne d'absorption est alors préférentiellement configurée de sorte que le mélange gazeux à purifier y soit introduit au niveau de cette portion intermédiaire, ou en partie inférieure de la zone de séparation.
Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif comporte des moyens de séparation de la solution absorbante et du deuxième constituant gazeux qui y est dissous. Ces moyens de séparation sont connectés fluidiquement à l'orifice de sortie, hors du réservoir de la colonne d'absorption, de la solution absorbante dans laquelle est dissous le deuxième constituant gazeux. Ainsi, la présente invention s'exprime également en termes d'un dispositif de récupération du deuxième constituant gazeux à partir du mélange gazeux le contenant en mélange avec le premier constituant gazeux.
Les moyens de séparation de la solution absorbante et du deuxième constituant gazeux peuvent être de tout type classique en lui-même.
Préférentiellement, ces moyens de séparation comportent :
- un conduit connecté fluidiquement au réservoir de la colonne d'absorption à une première extrémité, et débouchant dans un bac de dégazage à une deuxième extrémité opposée, - et un mélangeur disposé dans ce conduit.
De tels moyens de séparation sont notamment décrits dans le brevet FR-A-2 972 643 précité.
Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le dispositif comporte des moyens de mise en circulation, dans la zone de séparation de la colonne d'absorption, de la solution absorbante séparée du deuxième constituant gazeux par les moyens de séparation que comporte le dispositif, assurant ainsi un recyclage de la solution absorbante qui, une fois débarrassée du deuxième constituant gazeux, est alors à nouveau utilisée pour laver le mélange gazeux dans la zone de séparation de la colonne d'absorption.
Le dispositif selon la présente invention permettant de limiter très fortement les fuites de mélange gazeux à travers le bouchon liquide, la solution absorbante qui est ainsi régénérée est quasiment entièrement dépourvue de premier constituant gazeux. La perte de premier constituant gazeux est ainsi évitée.
Le dispositif peut en outre comporter des moyens de mise sous pression du mélange gazeux avant son introduction dans la colonne d'absorption, et des moyens de mise sous pression de la solution absorbante avant son introduction dans la colonne d'absorption, classiques en eux-mêmes. Il peut également comporter des moyens de pilotage automatisés de ses différents composants, notamment des vannes, compresseurs, pompes de circulation et d'injection, etc.
Ce dispositif est particulièrement adapté au traitement de petits débits entrants de mélange gazeux, notamment de l'ordre de 40 Nm3/h. Il a en particulier été constaté par les présents inventeurs qu'en opération à de tels débits, il ne se produit aucun engorgement de la colonne d'absorption, des débits entrants constants peuvent être maintenus tant pour le mélange gazeux que pour la solution absorbante, et il peut être récupéré, en sortie en haut de la colonne d'absorption, un gaz dont la concentration volumique en méthane est supérieure à 96 %, et, en sortie des moyens de séparation gaz-liquide, un gaz dont la concentration volumique en dioxyde de carbone est également supérieure à 96 %.
En plus de performances de séparation élevées, le dispositif selon l'invention présente de grandes compacité, sobriété énergétique, simplicité d'opération et de maintenance, ainsi qu'un coût de fabrication raisonnable. Pour la purification de biogaz, il ne requiert en outre la mise en œuvre d'aucun produit chimique.
Un autre aspect de l'invention est l'utilisation du dispositif répondant à l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-avant pour la séparation d'un premier constituant gazeux et d'un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux.
En particulier, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour la séparation de méthane, en tant que premier constituant gazeux, et de dioxyde de carbone, en tant que deuxième constituant gazeux, contenus dans un biogaz.
Le dispositif selon l'invention peut alors appartenir à une installation plus globale, comportant un système de méthanisation, pour la production de biogaz, en sortie duquel le dispositif selon l'invention est fluidiquement connecté, de sorte à permettre la récupération directe et en continu, à partir du biogaz produit, d'une part de méthane, et d'autre part de dioxyde de carbone, à des taux de pureté élevés.
Le dispositif selon l'invention sera maintenant plus précisément décrit dans le cadre de modes de réalisation préférés, qui n'en sont nullement limitatifs, représentés sur les figures 1 à 6, dans lesquelles :
- la figure 1 représente de manière schématique la colonne d'absorption d'un dispositif selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
- la figure 2 montre une vue en coupe transversale, selon le plan A-A, de la colonne de la figure 1 ;
- la figure 3 montre une vue en coupe longitudinale d'une partie de la colonne d'absorption de la figure 1 , incluant son réservoir ;
- la figure 4 représente de manière schématique un dispositif selon un mode de réalisation particulier de l'invention, comportant la colonne d'absorption de la figure 1 ;
- la figure 5 montre des photographies du fluide s'échappant hors de l'orifice de sortie du réservoir, (a) pour un dispositif de séparation selon l'art antérieur, dans lequel le réservoir présente un diamètre égal au diamètre de la zone de séparation, (b) pour un dispositif selon l'invention, dans lequel le réservoir présente un diamètre égal à 2 fois le diamètre de la zone de séparation ;
- et la figure 6 montre un graphe représentant le diamètre théorique des bulles retenues dans le bouchon liquide d'un dispositif de séparation des constituants gazeux d'un mélange gazeux, en fonction du rapport (diamètre du réservoir / diamètre de la zone de séparation).
L'exemple de dispositif selon l'invention décrit ci-après l'est en référence à un domaine d'application préféré de l'invention qui est la séparation, à partir de biogaz, de méthane (premier constituant gazeux) et de dioxyde de carbone (deuxième constituant gazeux), en vue de leur récupération pour leur valorisation. Un tel domaine d'application n'est toutefois nullement limitatif de la présente invention.
La colonne d'absorption 10 de ce dispositif selon l'invention est illustrée sur la figure 1 . Une partie des composants internes de cette colonne, normalement non visibles, sont montrés sur cette figure pour des raisons de meilleure compréhension de sa description.
La colonne d'absorption 10 comporte trois parties successives : une partie supérieure 1 1 , dite zone de séparation, une partie inférieure 12, dite réservoir, et, reliant les deux, une portion intermédiaire 13. Le réservoir 12 et la zone de séparation 1 1 peuvent présenter toute forme. Préférentiellement, tous deux présentent une forme sensiblement cylindrique. Conformément à la présente invention, le diamètre interne du réservoir 12 de la colonne d'absorption représentée sur cette figure 1 est au moins deux fois supérieur au diamètre interne de la zone de séparation 1 1 , plus précisément 2 fois supérieur.
La portion intermédiaire 13 présente quant à elle une partie en section transversale décroissante, de sorte à présenter, à une extrémité inférieure 131 , un diamètre interne sensiblement égal au diamètre interne du réservoir 12, et, à une extrémité supérieure opposée 132, un diamètre interne sensiblement égal au diamètre interne de la zone de séparation 1 1 .
La portion intermédiaire 13 est fixée, de manière étanche aux fluides, d'une part à la zone de séparation 1 1 , au moyen d'une bride de jonction 133, et d'autre part au réservoir 12, au moyen d'une bride de jonction 134.
La zone de séparation 1 1 est emplie d'un garnissage 1 1 1 , représenté par transparence en hachuré sur la figure 1 . Ce garnissage est par exemple formé d'anneaux de Raschig en matériau plastique. Il s'étend dans la portion intermédiaire 13, et au-delà, dans la partie supérieure 126 du réservoir 12.
Des grilles support du garnissage 1 12, 1 13 sont disposées respectivement dans la zone de séparation 1 1 et dans le réservoir 12, en partie supérieure 126 de ce dernier. La colonne d'absorption 10 comporte une première canalisation 14 pour sa connexion hydraulique avec une source de biogaz sous pression. Cette première canalisation 14 peut déboucher dans la partie inférieure de la zone de séparation 1 1 , ou, comme représenté sur la figure 1 , dans la portion intermédiaire 13, dans laquelle se trouve préférentiellement du garnissage 1 1 1 .
La colonne d'absorption 10 comporte également une deuxième canalisation 15 pour sa connexion hydraulique avec une source de solution absorbante du dioxyde de carbone, par exemple de l'eau, sous pression. Cette deuxième canalisation 15 débouche dans la partie supérieure de la zone de séparation 1 1 , au-dessus du garnissage 1 1 1 . Elle est de préférence associée à des moyens d'aspersion 151 répartis dans la zone de séparation 1 1 de telle sorte qu'ils permettent une aspersion uniforme de la solution absorbante sur le garnissage 1 1 1 .
Le réservoir 12 est associé à deux capteurs 127, 128 de niveau de liquide en son intérieur, disposés l'un au-dessus de l'autre au niveau de la partie supérieure 126 du réservoir 12. Ces capteurs sont destinés à réguler le niveau de liquide qui est contenu dans le réservoir 12 lorsque la colonne d'absorption 10 est en fonctionnement. Sur la figure 1 , la colonne 10 est représentée avec un volume de solution absorbante 1 6 contenu dans le réservoir 12. Ce volume 1 6 est désigné dans la suite de la présente description par les termes « bouchon liquide », ou encore « pied d'eau ». Le dispositif est piloté, à partir des informations relevées par les capteurs de niveau 127, 128, de sorte à assurer que la surface supérieure 1 61 du bouchon liquide 1 6 soit toujours située entre ces capteurs de niveau 127, 128 lors du fonctionnement du dispositif selon l'invention.
Préférentiellement, le garnissage 1 1 1 s'étend jusqu'à la hauteur du capteur de niveau supérieur 127, ou entre les deux capteurs de niveau 127, 128, de sorte à assurer que l'espace libre situé entre la surface supérieure 1 61 du bouchon liquide 1 6 et le garnissage 1 1 1 soit le plus réduit possible, voire sensiblement inexistant.
Le réservoir 12 est délimité périphériquement par une paroi latérale 121 , et il comporte une paroi de fond 122. A proximité de cette paroi de fond
122, sa paroi latérale 121 est percée d'un orifice 17 pour la sortie de liquide hors du réservoir 12, plus précisément de solution absorbante chargée en dioxyde de carbone extrait du biogaz, via une troisième canalisation 18. A l'extrémité supérieure 1 14 de la zone de séparation 1 1 , la colonne d'absorption 10 comporte une quatrième canalisation 19, pour la sortie, hors de la zone de séparation 1 1 , du gaz ayant transité par la zone de séparation 1 1 , c'est-à dire d'un gaz fortement enrichi en méthane, et sensiblement dénué de dioxyde de carbone. La colonne d'absorption 10 comporte en outre, dans le réservoir 12, des plaques de déflexion 124. Dans l'exemple de réalisation particulier illustré sur la figure 2, ces plaques 124 sont au nombre de 4, disposées à intervalle régulier l'une de l'autre, dans une zone périphérique 123 du réservoir 12. Ces plaques 124 s'étendent par exemple, pour leur largeur, depuis la paroi latérale 121 du réservoir 12, en direction de son centre, et comme illustré sur la figure 3, pour leur hauteur, depuis la paroi de fond 122 du réservoir 12, selon la direction 125 d'écoulement, dans le réservoir, du liquide provenant de la zone de séparation 1 1 de la colonne d'absorption 10. Les plaques de déflexion 124 s'étendent de préférence sur plus de la moitié de la hauteur du réservoir 12, de préférence sensiblement sur toute la hauteur de ce dernier. A titre d'exemple, elles peuvent présenter chacune une hauteur de 800 mm, une largeur de 50 mm et une épaisseur de 10 mm.
Un exemple de dispositif selon l'invention dans une configuration complète pour son fonctionnement pour la séparation et la récupération, à partir de biogaz, de méthane et de dioxyde de carbone, est montré sur la figure 4.
Ce dispositif comporte la colonne d'absorption 10 décrite ci-avant en référence aux figures 1 à 3.
Outre la colonne d'absorption 10, il comporte principalement les composants suivants. Sur la première canalisation 14, destinée à approvisionner la colonne d'absorption 10 en biogaz à traiter, sont montés successivement un organe 21 de désulfurisation du biogaz, à base par exemple de limaille de fer, et un compresseur 22 pour la mise sous pression du gaz avant son injection dans la colonne d'absorption 10. Le compresseur 22 est piloté par des moyens de commande automatiques, pour obtenir la pression et le débit souhaité de biogaz en entrée de la colonne d'absorption 10. Le biogaz parvient à la première canalisation 14 depuis l'installation dans laquelle il a été produit, selon la direction indiquée en 41 sur la figure 4, pour être injecté dans la portion intermédiaire 13 de la colonne d'absorption 10.
Dans la colonne d'absorption 10, le biogaz s'élève naturellement, pour sa plus grande partie, en direction de l'extrémité supérieure 1 14 de la zone de séparation 1 1 , comme indiqué en 42 sur la figure 4.
Sur la deuxième canalisation 15, qui amène la solution absorbante, par exemple de l'eau, dans la zone de séparation 1 1 , est montée une pompe 23, qui, comme tous les autres organes du dispositif, est pilotée par des moyens de commande automatique, de sorte à alimenter la colonne d'absorption 10 avec le débit de solution absorbante souhaité, à la pression souhaitée. Ces moyens de commande automatique sont classiques en eux- mêmes et ne sont pas représentés sur la figure 4.
La solution absorbante, injectée en direction du garnissage 1 1 1 selon la direction indiquée en 43 sur la figure 4, et s'écoulant à travers ce garnissage, vient alors en contact avec le biogaz qui s'élève quant à lui, à contre-courant, dans la zone de séparation 1 1 . Il se produit une dissolution sélective dans la solution absorbante du dioxyde de carbone contenu dans le biogaz, sur une surface de contact importante. Le biogaz voit ainsi sa concentration en dioxyde de carbone diminuer tout au long de sa remontée de la zone de séparation 1 1 , alors que la solution absorbante se charge quant à elle de ce dioxyde de carbone tout au long de sa descente. Lorsqu'il parvient à l'extrémité supérieure 1 14 de la zone de séparation
1 1 , le gaz épuré de dioxyde de carbone, et très riche en méthane, emprunte la quatrième canalisation 19, qui présente une régulation mécanique de sa pression interne grâce à un déverseur 24 monté sur cette canalisation 19. Ce déverseur 24 ne s'ouvre que proportionnellement au débit entrant, et ce lorsque la pression souhaitée est atteinte. Le gaz épuré a trois possibilités de circulation : une voie de récupération du méthane en vue de sa revalorisation, selon la direction indiquée en 44 sur la figure 4, ou, le cas échéant, des voies de recirculation 25 dans la colonne d'absorption 10 ou de vidange 26, pour la mise à l'arrêt du dispositif.
La solution absorbante chargée en dioxyde de carbone s'écoule quant à elle, sous forme de gouttes, depuis le garnissage 1 1 1 jusqu'au réservoir 12, selon la direction indiquée en 125 sur la figure 4, pour y former le bouchon liquide 1 6. Comme exposé ci-avant, le niveau de solution absorbante dans le bouchon liquide 1 6 est régulé de sorte à ce que sa surface supérieure 1 61 se trouve en permanence située entre les capteurs de niveau 127, 128. Cette régulation est assurée par un système de régulation comprenant des moyens de pilotage automatique, en fonction des informations relevées par les capteurs de niveau 127, 128, de l'ouverture ou de la fermeture d'une vanne 27 montée sur la troisième canalisation 18, de sortie de solution absorbante, chargée en dioxyde de carbone, hors du réservoir 12. Le pilotage de la vanne 27 permet notamment de contrôler le débit de liquide circulant dans la troisième canalisation 18.
Lors de son écoulement dans le garnissage 1 1 1 , la solution absorbante est susceptible d'entraîner avec elles des microbulles de biogaz, en direction du réservoir 12 et dans le bouchon liquide 1 6. II a été déterminé par les présents inventeurs que de telles microbulles présentent un diamètre moyen de 0,5 mm. Pour cela, les inventeurs ont mis en œuvre un dispositif de séparation de l'art antérieur, tel que décrit dans le document FR-A-2 972 643, dans lequel le réservoir présente le même diamètre que la zone de séparation de la colonne d'absorption (soit 0,3 m), avec un débit entrant de biogaz de 40 Nm3/h et un débit entrant de solution absorbante (eau) de 10 Nm3/h. Une observation de la canalisation de sortie de solution absorbante, chargée en dioxyde de carbone, hors du réservoir du dispositif, a été effectuée. L'image observée est montrée sur la figure 5(a). On y observe, dans le liquide, la présence de nombreuses bulles gazeuses, sous forme de taches blanches, dont le diamètre moyen est mesuré à 0,5 mm. Le diamètre des plus petites bulles observées est d'environ 250 μηι.
Dans le dispositif selon l'invention tel que décrit ci-dessus, le bouchon liquide 1 6, en raison de la surface en section transversale du réservoir 12, qui a été avantageusement choisie à cet effet, les microbulles présentent une vitesse ascensionnelle, en direction de la zone de séparation 1 1 surplombant le réservoir 12, qui est bien supérieure à la vitesse descendante de la solution absorbante, chargée en dioxyde de carbone, dans le bouchon liquide 1 6. Les microbulles de biogaz remontent ainsi rapidement à la surface 1 61 du bouchon liquide 1 6, et seule la solution absorbante dans laquelle est dissous le dioxyde de carbone, mais dénuée de méthane, parvient, dans le fond du réservoir 12, à l'orifice de sortie 17.
Il a été réalisé l'observation du fluide circulant dans la canalisation 18 s'étendant depuis cet orifice de sortie 17, dans une expérience menée selon les conditions opératoires décrites ci-dessus en référence à la figure 5(a). Le réservoir présente un diamètre double de celui la zone de séparation de la colonne d'absorption (soit respectivement 0,6 m et 0,3 m), le débit entrant de biogaz est de 40 Nm3/h et le débit entrant de solution absorbante (eau) est de 10 Nm3/h. L'image observée est montrée sur la figure 5(b). On n'observe, dans le liquide, la présence d'aucune bulle de gaz, ce qui démontre l'efficacité du dimensionnement du réservoir préconisé par la présente invention. La très faible occurrence de fuite de biogaz par l'orifice 17 de sortie hors du réservoir 12 est d'autant plus accentuée par l'absence d'espace libre entre le garnissage 1 1 1 et la surface supérieure 1 61 du bouchon liquide 16, par la présence dans le réservoir des plaques de déflexion 124 et par le fait que l'orifice de sortie 17 est situé sur la paroi latérale 121 du réservoir 12, et non dans le fond de celui-ci. La solution absorbante chargée en dioxyde de carbone circule depuis cet orifice de sortie 17, dans la troisième canalisation 18, selon la direction indiquée en 45 sur la figure 4, à un débit régulé par la vanne 27. Cette vanne 27 constitue en outre un moyen de détente, permettant de ramener la solution absorbante à pression atmosphérique.
La troisième canalisation 18 amène la solution absorbante à un système de séparation de la solution absorbante et du dioxyde de carbone. Ce système comporte un mélangeur statique 28, qui crée une grande agitation mécanique et passive. Cette agitation permet un dégazage du dioxyde de carbone qui, à pression atmosphérique, est moins soluble dans la solution absorbante.
L'ensemble circule ensuite dans une conduite 29 de longue dimension, qui l'amène dans un bac de dégazage 30 de grand volume, dans lequel il est stocké. Il s'y produit une séparation de la solution absorbante et du dioxyde de carbone, ce dernier remontant à la surface sous forme de microbulles, pour s'en échapper selon la direction indiquée en 46 sur la figure 4. Le dispositif peut comporter des moyens de récupération de ce dioxyde de carbone (non représentés sur la figure), en vue de sa revalorisation.
La deuxième canalisation 15 est fluidiquement connectée, à une extrémité opposée à l'extrémité d'injection de solution absorbante dans la zone de séparation 1 1 de la colonne d'absorptionI O, à ce bac de dégazage 30. La pompe 23 montée sur cette deuxième canalisation 15 assure alors la circulation de solution absorbante régénérée, c'est-à-dire débarrassée du dioxyde de carbone, selon la direction indiquée en 47 sur la figure 4, dans cette canalisation 15, en vue de sa réinjection dans la colonne d'absorption 10. Une telle étape de recyclage de la solution absorbante permet avantageusement de diminuer le coût de fonctionnement du dispositif.
Comme indiqué ci-avant, le fonctionnement du dispositif selon l'invention peut être commandé de manière entièrement automatisée, notamment en ce qui concerne les débits circulant de gaz et de liquide, la pression à l'intérieur de la colonne et le niveau du bouchon liquide 1 6 dans le réservoir 12.
Les différentes étapes de calcul et de commande sont de préférence effectuées par un système du type ordinateur programmé, comportant au moins un microprocesseur et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire flash, disque optique, etc.) dans lesquels est mémorisé un produit programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble d'instructions de code de programme à exécuter pour mettre en œuvre les différentes étapes de calcul du procédé de pilotage du dispositif selon l'invention.
A titre d'exemple, il est réalisé l'expérience suivante de mise en œuvre du dispositif conforme à l'invention décrit ci-avant.
Le dimensionnement de la colonne d'absorption 10 est le suivant : hauteur totale : 2,10 m ; diamètre interne de la zone de séparation 1 1 : 0,25 m ; diamètre interne du réservoir 12 : 0,6 m ; hauteur du bouchon liquide 1 6 : 0,8 m. La pression à l'intérieur de la colonne d'absorption 10 est fixée à 7 bars. Le débit de mélange gazeux (biogaz) entrant dans la colonne 10 est de 40 Nm3/h, et le débit de solution absorbante (eau) entrant dans la colonne 10 est de 10 Nm3/h. La température est de 20 °C.
Pour de telles conditions, on détermine que le diamètre des bulles de biogaz susceptibles d'être entraînées par l'eau ruisselant depuis la zone de séparation 1 1 de la colonne 10 dans le bouchon liquide 1 6 est égal à 0,5 mm. On en déduit une vitesse terminale ascensionnelle de ces bulles dans le bouchon liquide 1 6 au repos proche de 0,06 m/s. Par ailleurs, la vitesse descendante de l'eau dans le bouchon liquide 1 6 est déterminée à 0,01 m/s. Cette vitesse est très nettement inférieure à la vitesse ascensionnelle du mélange gazeux, comme préconisé par la présente invention.
Lors du fonctionnement du dispositif dans de telles conditions, pendant 4 heures, on n'observe aucun engorgement de la colonne d'absorption 10. On récupère, en sortie en haut de colonne, un gaz dont la concentration volumique en méthane est supérieure à 96 %, et, en sortie des moyens de séparation gaz-liquide, un gaz dont la concentration volumique en dioxyde de carbone est également supérieure à 96 %.
La pertinence du choix d'un rapport de surface en section transversale du réservoir, par rapport à la surface en section transversale de la zone de séparation de la colonne d'absorption, supérieur ou égal à 2, a été confirmée de manière théorique et de manière expérimentale.
De manière théorique, dans le mode de réalisation décrit ci-avant d'un réservoir et d'une zone de séparation de forme cylindrique, le diamètre des bulles retenues dans le bouchon liquide a été calculé, pour différents rapports DR / Dz, où DR représente le diamètre du réservoir et Dz représente le diamètre de la zone de séparation, au moyen des équations ci-dessous. Il a été fixé les valeurs suivantes : Dz = 0,3 m et QL = 1 0 m3/h, avec le méthane en tant que gaz et l'eau en tant que solution absorbante.
= d bulle
et
4* QL
^ 7 ulle
T±Ti * Γ)R 2 j où dbuiie est le diamètre des bulles de gaz retenues (m), QL est le débit de solution absorbante introduite dans la colonne d'absorption (m3/s), DR est le diamètre du réservoir (m), puquide est la masse volumique du liquide (kg/m3), pgaz est la masse volumique de gaz (kg/m3), g est l'accélération gravitaire (m/s2), et μ est la viscosité de la solution absorbante (Pa.s).
On obtient les résultats indiqués dans le tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 - Diamètre des bulles retenues dans le bouchon liquide en fonction du rapport (diamètre du réservoir DR / diamètre de la zone de séparation Dz) Il a été tracé à partir de ces valeurs le graphe montré sur la figure 6. Ce graphe montre qu'au-delà d'un rapport (diamètre du réservoir / diamètre de la zone de séparation) égal à 2, la taille des bulles retenues varie peu, et est largement inférieure à la taille réelle des bulles pouvant être observées expérimentalement. Lorsque ce rapport est inférieur à 2, la taille des bulles retenues varie de manière importante en fonction du rapport de diamètres.
Ces résultats théoriques ont été complétés par des expériences réelles réalisées comme décrit ci-avant en référence aux figures 5(a) et 5(b). Comme exposé ci-avant, une observation du liquide en sortie du réservoir a montré, pour un rapport DR / Dz égal à 1 , la présence de nombreuse bulles. Pour un rapport DR / Dz égal à 1 ,8 (observations non montrées sur les figures), on a toujours observé la présence dans le liquide de bulles de gaz, de faible diamètre, en quantité moindre cependant. Pour un rapport DR / Dz égal à 2 (observation montrée sur la figure 5(b)), conforme à la présente invention, on n'a observé aucune bulle de gaz dans le liquide.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de séparation d'un premier constituant gazeux et d'un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux, comportant :
- une colonne de séparation par absorption liquide-gaz, dite colonne d'absorption (10), comportant une partie inférieure, dite réservoir (12), et une partie supérieure, dite zone de séparation (1 1 ),
- des moyens de mise en contact par circulation à contre-courant, dans la zone de séparation (1 1 ) de ladite colonne d'absorption (10), dudit mélange gazeux et d'une solution liquide apte à absorber sélectivement ledit deuxième constituant gazeux, dite solution absorbante, - le réservoir (12) de la colonne étant destiné à recevoir un volume
(1 6) de solution absorbante dans laquelle est dissous le deuxième constituant gazeux, et comportant un orifice (17) de sortie hors dudit réservoir (12) de ladite solution absorbante dans laquelle est dissous ledit deuxième constituant gazeux, - et des moyens (19) de récupération dudit premier constituant gazeux séparé dudit deuxième constituant gazeux, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la surface en section transversale du réservoir (12) de la colonne d'absorption (10) est supérieure ou égale à deux fois la surface en section transversale de la zone de séparation (1 1 ) de la colonne d'absorption (10).
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la surface en section transversale du réservoir (12) de la colonne d'absorption (10) est comprise entre 2 et 4 fois la surface en section transversale de la zone de séparation (1 1 ) de la colonne d'absorption (10).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel l'orifice (17) de sortie, hors du réservoir (12) de la colonne d'absorption (10), de solution absorbante dans laquelle est dissous le deuxième constituant gazeux, est ménagé dans une paroi latérale (121 ) dudit réservoir (12), de préférence à proximité d'une paroi de fond (122) dudit réservoir (12).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une plaque de déflexion (124), de préférence une pluralité de plaques de déflexion (124), sont disposées dans le réservoir (12) de la colonne d'absorption (10), de sorte à s'étendre dans la direction (125) d'écoulement de la solution absorbante, de préférence dans une zone périphérique (123) dudit réservoir (10).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la zone de séparation (1 1 ) de la colonne d'absorption (10) contient des moyens (1 1 1 ) de facilitation de l'absorption du deuxième constituant gazeux dans la solution absorbante, tels que des plateaux ou un garnissage, et dans lequel lesdits moyens de facilitation de l'absorption (1 1 1 ) s'étendent dans la partie supérieure (126) du réservoir (12) de la colonne d'absorption (10).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant des moyens de séparation (28, 29, 30) de la solution absorbante et du deuxième constituant gazeux qui y est dissous, connectés fluidiquement à l'orifice (17) de sortie, hors du réservoir (12) de la colonne d'absorption (10), de ladite solution absorbante dans laquelle est dissous ledit deuxième constituant gazeux.
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les moyens (28, 29, 30) de séparation de la solution absorbante et du deuxième constituant gazeux qui y est dissous, comportent :
- un conduit (29) connecté fluidiquement au réservoir (12) de la colonne d'absorption (10) à une première extrémité, et débouchant dans un bac de dégazage (30) à une deuxième extrémité opposée,
- et un mélangeur (28) disposé dans ledit conduit (29).
8. Dispositif selon la revendication 7, comportant des moyens (15,23) de mise en circulation, dans la zone de séparation (1 1 ) de la colonne d'absorption (10), de la solution absorbante séparée du deuxième constituant gazeux par lesdits moyens de séparation (28, 29, 30).
9. Utilisation d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour la séparation d'un premier constituant gazeux et d'un deuxième constituant gazeux contenus dans un mélange gazeux.
10. Utilisation selon la revendication 9, selon laquelle le mélange gazeux est un biogaz, le premier constituant gazeux est le méthane et le deuxième constituant gazeux est le dioxyde de carbone.
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