FR2832078A1

FR2832078A1 - Gas purification filter comprises induction coil to allow even induction heating during desorption

Info

Publication number: FR2832078A1
Application number: FR0114598A
Authority: FR
Inventors: Olivier Pateau; Fabrice Leboeuf; Georges Grevillot; Anne Sophie Lamine
Original assignee: Electricite de France SA; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Electricite de France SA; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-05-16
Anticipated expiration: 2021-11-12
Also published as: FR2832078B1

Abstract

An envelope is pierced at the internal and external concentric cylindrical faces to ensure a radial circulation of the gas through the body A gas purification filter comprises an annular cartridge in a body (1) for adsorption of impurities from the gas, an envelope (2, 3) containing the body and at least one induction coil (8) for desorption of the body placed around the envelope. The filter forms a tube (6) separating the external cylindrical face from the envelope of the induction coil (8) and describes with the external cylindrical face an annular chamber (7) for gas flow. Inlets and outlets are in axial extensions (25, 27) of the envelope, one opening between the external cylindrical face and the cylindrical wall via a divergence chamber (26), the other opens into the central chamber (24) contained in the internal cylindrical face. The adsorption body is made of grains, pellets or balls, or is a monolithic structure, or is a tissue rolled in many layers about an internal part (2) of the envelope. Induction heating using the coil precedes gas circulation.

Description

FILTRE A CHARBONS ACTIFS DE PURIFICATION DE GAZ,
COMPRENANT UNE DESORPTION PAR CHAUFFAGE A INDUCTION
DESCRIPTION
Le sujet de cette invention est un filtre de purification de gaz, dans lequel une adsorption des impuretés de gaz est produite sur un corps pouvant être constitué par des charbons actifs. ACTIVE GAS PURIFICATION CARBON FILTER,
INCLUDING DESORPTION BY INDUCTION HEATING
DESCRIPTION
The subject of this invention is a gas purification filter, in which an adsorption of gas impurities is produced on a body which can be constituted by active carbon.

De tels filtres sont d'un emploi usuel et comprennent, dans leur forme de réalisation la plus simple, une couche de la matière adsorbante à travers un conduit d'écoulement des gaz. Afin d'assurer une purification suffisante, on prévoit une épaisseur conséquente de la couche, de sorte que la cartouche composée du corps d'adsorption et de l'enveloppe qui contient ce corps prend une forme cylindrique que le gaz parcourt axialement. Such filters are in common use and comprise, in their simplest embodiment, a layer of the adsorbent material through a gas flow conduit. In order to ensure sufficient purification, a substantial thickness of the layer is provided, so that the cartridge composed of the adsorption body and of the envelope which contains this body takes a cylindrical shape which the gas traverses axially.

Plutôt que de remplacer le corps d'adsorption quand il est saturé, on réalise le plus souvent une opération de désorption des impuretés par chauffage, généralement au moyen d'une circulation de vapeur d'eau ou d'un gaz chaud, l'air en général. En effet, le chauffage des charbons actifs leur fait céder les impuretés qu'ils avaient adsorbées auparavant, et le courant de gaz à travers le filtre entraîne les impuretés et les achemine ailleurs. Rather than replacing the adsorption body when it is saturated, it is most often carried out an operation of desorption of the impurities by heating, generally by means of a circulation of steam or hot gas, the air in general. In fact, the heating of the activated carbon causes them to give up the impurities which they had previously adsorbed, and the current of gas through the filter entrains the impurities and directs them elsewhere.

On a aussi eu l'idée de chauffer le corps d'adsorption par induction au moyen d'une bobine entourant la cartouche cylindrique qui est entièrement remplie. Cette conception paraît commode mais se heurte à l'impossibilité de chauffer de façon homogène le corps d'adsorption : les courants induits se We also had the idea of heating the adsorption body by means of a coil surrounding the cylindrical cartridge which is completely filled. This design seems convenient but comes up against the impossibility of heating the adsorption body in a homogeneous manner: the induced currents

concentrent en effet à la périphérie de la cartouche, près de la bobine, et le centre de la cartouche n'est chauffé ni par induction ni par conduction, la résistance thermique étant importante, de sorte qu'il ne bénéficie pas de la désorption et perd définitivement sa capacité d'adsorption une fois qu'il a été saturé. Comme la fonction d'échauffement dans la cartouche d'après le rayon mesuré de l'axe de la bobine a l'allure d'une exponentielle, presque nulle sur l'axe, faible sur la plus grande partie du rayon mais très élevée à la périphérie, il n'est pas possible d'obtenir un chauffage satisfaisant au centre sans le rendre excessif à la périphérie, ce qui explique qu'on ait proposé d'évider les cartouches chauffées ainsi en supprimant le corps d'adsorption autour de l'axe de la cartouche et en laissant soit un volume vide, soit un volume occupé par un barreau perméable aux champs magnétiques qui améliore un peu l'uniformité de l'induction. Cet art antérieur est illustré par le brevet français 2 739 305. concentrate in fact on the periphery of the cartridge, near the coil, and the center of the cartridge is neither heated by induction nor by conduction, the thermal resistance being important, so that it does not benefit from desorption and permanently loses its adsorption capacity once it has been saturated. As the heating function in the cartridge according to the measured radius of the axis of the coil has the shape of an exponential, almost zero on the axis, weak over most of the radius but very high at at the periphery, it is not possible to obtain satisfactory heating in the center without making it excessive at the periphery, which explains why it has been proposed to hollow out the heated cartridges in this way by removing the adsorption body around the 'axis of the cartridge and leaving either an empty volume or a volume occupied by a bar permeable to magnetic fields which slightly improves the uniformity of induction. This prior art is illustrated by French patent 2,739,305.

Ce défaut d'uniformité de chauffage est d'autant plus prononcé que le rayon de la bobine est grand pour les fréquences de fonctionnement nouvelles, ce qui limite irrémédiablement la section des cartouches et le débit de gaz qu'elles peuvent purifier. La désorption par chauffage à induction n'a donc apparemment pas encore été employée dans l'industrie. This lack of uniformity of heating is all the more pronounced as the radius of the coil is large for the new operating frequencies, which irreparably limits the section of the cartridges and the flow of gas which they can purify. Desorption by induction heating has therefore apparently not yet been used in industry.

L'invention concerne un filtre de purification de gaz comprenant une cartouche d'un corps d'adsorption d'impuretés du gaz, qui puisse vraiment The invention relates to a gas purification filter comprising a cartridge of a gas impurity adsorption body, which can really

être régénéré par désorption au moyen de l'induction électromagnétique produite par au moins une bobine disposée autour de lui, et ayant une grande capacité d'adsorption sans que l'efficacité de la régénération soit sacrifiée. La forme annulaire de la cartouche n'est pas modifiée, mais le trajet des gaz à purifier ou des gaz de désorption prend une direction nouvelle et en particulier radiale à travers le corps fragmenté d'adsorption, grâce à des perçages ménagés à des faces cylindriques, intérieure et extérieur, concentriques de l'enveloppe qui contient le corps et donne sa forme à la cartouche. be regenerated by desorption by means of electromagnetic induction produced by at least one coil arranged around it, and having a large adsorption capacity without the efficiency of regeneration being sacrificed. The annular shape of the cartridge is not modified, but the path of the gases to be purified or of the desorption gases takes a new and in particular radial direction through the fragmented adsorption body, by means of bores made on cylindrical faces. , inside and outside, concentric of the envelope which contains the body and gives its shape to the cartridge.

Les gaz entrent dans la cartouche par une face latérale de l'enveloppe, qui présente une superficie plus grande que les faces d'extrémité et peuvent donc accueillir un débit plus grand de gaz, toutes conditions égales par ailleurs, grâce à la grande hauteur qu'on peut donner librement à la cartouche. Or il faut remarquer que le trajet radial à travers la cartouche implique un trajet plus court des gaz à travers le corps d'adsorption, et donc on pourrait s'attendre à une efficacité moindre de la purification. Cet inconvénient n'est toutefois pas définitif, car la diminution du trajet des gaz implique aussi une réduction de la perte de charge à travers le filtre : il devient possible, pour rétablir une bonne efficacité de purification des gaz, d'utiliser un corps d'adsorption divisé plus finement qu'on ne le faisait auparavant afin d'accroître la surface d'adsorption totale dans un volume donné et l'intimité du mélange du gaz et du corps d'adsorption, en renonçant ainsi à The gases enter the cartridge through a lateral face of the envelope, which has a larger surface area than the end faces and can therefore accommodate a greater flow of gas, all conditions being equal, thanks to the great height that 'we can give freely to the cartridge. However, it should be noted that the radial path through the cartridge implies a shorter path of the gases through the adsorption body, and therefore one could expect a lower efficiency of the purification. This drawback is not, however, definitive, because the reduction in the path of the gases also implies a reduction in the pressure drop across the filter: it becomes possible, to restore good gas purification efficiency, to use a body of adsorption divided more finely than previously done in order to increase the total adsorption surface in a given volume and the intimacy of the mixture of the gas and the adsorption body, thereby renouncing

profiter de la réduction de perte de charge qui était offerte par le changement de trajet. take advantage of the reduction in pressure drop that was offered by the change of route.

Ces aspects de l'invention ainsi que d'autres seront mieux mis en évidence à la lecture de la description détaillée d'une réalisation de l'invention, qui est entreprise maintenant au moyen des figures suivantes : - la figure 1 est une vue en coupe d'un filtre conforme à l'invention, et la figure 2 est une autre vue en coupe, selon la ligne II-II de la figure 1. These aspects of the invention as well as others will be better highlighted on reading the detailed description of an embodiment of the invention, which is now undertaken by means of the following figures: - Figure 1 is a view in section of a filter according to the invention, and FIG. 2 is another view in section, along the line II-II in FIG.

Un volume annulaire de corps adsorbant 1 est contenu entre une paroi cylindrique intérieure 2 et une paroi cylindrique extérieure 3 concentrique à la précédente. Ces parois 2 et 3 sont poreuses ou percées de nombreux petits orifices qui les rendent perméables aux gaz. Un disque de support 4 porte les parois 2 et 3, et la cartouche de corps adsorbant 1 est complétée par un couvercle 5 dans lequel les sommets des parois 2 et 3 sont sertis. De plus, un tube 6 entoure la paroi extérieure 3 en délimitant une chambre annulaire 7 avec elle ; une bobine inductrice 8 entoure le tube 6 sur toute la hauteur de l'adsorbant 1, et enfin une ceinture 9 de protection entoure la bobine 8. Le tube 6, la bobine 8 et la ceinture 9 sont joints ensemble par des moyens non représentés. Comme de coutume, la bobine 8 est au repos en période de purification du gaz mais active pour libérer les impuretés adsorbées en période de régénération. An annular volume of adsorbent body 1 is contained between an inner cylindrical wall 2 and an outer cylindrical wall 3 concentric with the previous one. These walls 2 and 3 are porous or pierced with numerous small orifices which make them permeable to gases. A support disc 4 carries the walls 2 and 3, and the adsorbent body cartridge 1 is completed by a cover 5 in which the tops of the walls 2 and 3 are crimped. In addition, a tube 6 surrounds the outer wall 3 delimiting an annular chamber 7 with it; an induction coil 8 surrounds the tube 6 over the entire height of the adsorbent 1, and finally a protective belt 9 surrounds the coil 8. The tube 6, the coil 8 and the belt 9 are joined together by means not shown. As usual, the coil 8 is at rest during the gas purification period but active to release the adsorbed impurities during the regeneration period.

Le filtre dans son ensemble porte la référence 10 ; il est situé à la jonction de deux The filter as a whole bears the reference 10; it is located at the junction of two

conduits 11 et 12 en prolongement, situés dans son axe X. Le conduit 12 se raccorde au disque de support 4 et l'autre conduit 11 se raccorde à un disque supérieur 13 situé au-dessus du couvercle 5, auquel il est relié par des barres 14 axiales de maintien comprenant des bagues souples 15. Deux plaques 16 et 17 sont prévues aux disques 4 et 13 et sont reliées par des tirants 18 parallèles à l'axe X qui, quand ils sont boulonnés, approchent les plaques 16 et 17 et donc les disques 4 et 13 l'un de l'autre. Les bagues souples 15 subissent alors un certain écrasement de la part d'une plaque supérieure 19 montée au sommet du couvercle par des boulons 20. Tout cet agencement permet aussi de retenir le tube 6, en pesant sur des joints d'étanchéité 21 et 22 situés sur et sous lui et en contact aussi avec les disques 13 et 4 pour produire un serrage élastique et étanche. conduits 11 and 12 in extension, located in its axis X. The conduit 12 is connected to the support disc 4 and the other conduit 11 is connected to an upper disc 13 located above the cover 5, to which it is connected by axial holding bars 14 comprising flexible rings 15. Two plates 16 and 17 are provided on the discs 4 and 13 and are connected by tie rods 18 parallel to the axis X which, when they are bolted, approach the plates 16 and 17 and so discs 4 and 13 from each other. The flexible rings 15 then undergo a certain crushing on the part of an upper plate 19 mounted at the top of the cover by bolts 20. All this arrangement also makes it possible to retain the tube 6, by weighing on seals 21 and 22 located on and under it and also in contact with the discs 13 and 4 to produce an elastic and tight clamping.

Les parois 2 et 3, de même que le tube 6 ne sont pas conducteurs de l'électricité. Le champ magnétique d'induction doit cependant parvenir dans le filtre et le corps adsorbant 1. Un barreau perméable aux champs magnétiques 23 peut être disposé au coeur du filtre 10, dans une partie d'une chambre centrale 24 entourée par la paroi intérieure 2. La ceinture 9 est en un matériau formant un blindage magnétique. The walls 2 and 3, as well as the tube 6 are not electrically conductive. The induction magnetic field must however reach the filter and the adsorbent body 1. A bar permeable to magnetic fields 23 can be placed at the heart of the filter 10, in a part of a central chamber 24 surrounded by the interior wall 2. The belt 9 is made of a material forming a magnetic shield.

Le gaz à purifier traverse le filtre 10 en venant du conduit 11 supérieur pour entrer dans une ouverture 25 du couvercle supérieur 13, fait un coude pour contourner le couvercle 5 dans une chambre de divergence 26 comprise entre celui-là et le disque supérieur 13, puis il reprend un trajet axial dans la The gas to be purified passes through the filter 10 from the upper conduit 11 to enter an opening 25 in the upper cover 13, makes a bend to bypass the cover 5 in a diverging chamber 26 between this one and the upper disc 13, then it resumes an axial path in the

chambre annulaire 7 avant de s'écouler par la paroi extérieure 3, le corps adsorbant 1 et la paroi intérieure 2 ; il est alors arrivé dans la chambre centrale 24, où il reprend un trajet axial qui le fait traverser une ouverture 27 centrale du disque de support 4 avant de joindre le conduit inférieur 12. annular chamber 7 before flowing through the outer wall 3, the adsorbent body 1 and the inner wall 2; it then arrived in the central chamber 24, where it resumes an axial path which makes it pass through a central opening 27 of the support disc 4 before joining the lower duct 12.

Le sens radial centripète est préféré, car l'encrassement touche d'abord les couches extérieures de l'adsorbant 1 qui sont les plus faciles à régénérer par chauffage comme on l'a déjà signalé. The centripetal radial direction is preferred, because the fouling first affects the outer layers of the adsorbent 1 which are the easiest to regenerate by heating as already mentioned.

Le gaz de purification effectue le même trajet dans le même sens ou dans le sens opposé, mais l'écoulement radial centripète peut aussi être préféré pour lui, surtout si le barreau 23 est omis, puisque l'échange de chaleur par convection dans le corps adsorbant 1 a alors pour effet d'uniformiser la température puisque le gaz passe d'abord par les régions les plus chaudes du corps adsorbant 1. The purification gas follows the same path in the same direction or in the opposite direction, but the centripetal radial flow may also be preferred for it, especially if the bar 23 is omitted, since the exchange of heat by convection in the body adsorbent 1 then has the effect of standardizing the temperature since the gas first passes through the hottest regions of the adsorbent body 1.

Le corps absorbant 1 est de nature poreuse. The absorbent body 1 is porous in nature.

Il peut être constitué de : e charbon actif en grains de formes irrégulières de taille caractéristique de l'ordre de 0,5 à 5 mm par exemple, les petites tailles étant plus avantageuses ; e charbon actif en bâtonnets de forme sensiblement cylindrique de rayon de l'ordre de 1 mm et de longueur de l'ordre de quelques mm, les petites tailles étant plus avantageuses ; a charbon actif provenant de la carbonisation de matériaux polymères, par exemple du polymère polystyrène-dininyl benzène (polymère servant It can be made up of: e activated carbon in irregularly shaped grains of characteristic size of the order of 0.5 to 5 mm for example, small sizes being more advantageous; e activated carbon in sticks of substantially cylindrical shape with a radius of the order of 1 mm and a length of the order of a few mm, small sizes being more advantageous; with activated carbon from the carbonization of polymeric materials, for example the polystyrene-dininyl benzene polymer (polymer used

de base à la réalisation des matériaux échangeurs d'ions), se présentant sous la forme de billes sensiblement sphériques, de diamètre de l'ordre de 0,2 mm à 2 mm, les petits diamètres étant plus avantageux. Dans une configuration avantageuse, toutes les billes constituant le corps ont des diamètres voisins de façon à réaliser une structure poreuse aussi homogène que possible ; * charbon actif en structure monolithique percée, en nid d'abeille notamment ; e tissus de charbon actif, se présentant sous la forme macroscopique d'un tissu habituel pour vêtement ou ameublement, d'épaisseur de l'ordre de 0,5 à 1 mm, constitué de fils de diamètre de l'ordre de 0,5 mm, fils eux-mêmes constitués de fibres de carbone activé de diamètre de l'ordre de 1 à 30 micromètres. basic to the production of ion exchange materials), being in the form of substantially spherical balls, with a diameter of the order of 0.2 mm to 2 mm, small diameters being more advantageous. In an advantageous configuration, all the balls constituting the body have close diameters so as to produce a porous structure as homogeneous as possible; * activated carbon in a pierced monolithic structure, in particular honeycomb; e activated carbon fabrics, in the macroscopic form of a usual fabric for clothing or furnishings, with a thickness of the order of 0.5 to 1 mm, consisting of threads of diameter on the order of 0.5 mm, wires themselves made of activated carbon fibers with a diameter of the order of 1 to 30 micrometers.

Ces tissus sont généralement obtenus par carbonisation de tissus de fibres de polymères. These fabrics are generally obtained by carbonization of polymer fiber fabrics.

Dans le cas de l'utilisation de tissus de charbon actif, la constitution du corps adsorbant est réalisée très avantageusement de la façon suivante :
Une bande de tissu de largeur égale à la hauteur du corps adsorbant que l'on veut réaliser est enroulée autour de la paroi 2, formant ainsi plusieurs couches dans le sens radial jusqu'à obtenir l'épaisseur nécessaire à atteindre la paroi 3. In the case of the use of activated carbon fabrics, the constitution of the adsorbent body is very advantageously carried out as follows:
A strip of fabric with a width equal to the height of the adsorbent body that one wishes to produce is wound around the wall 2, thus forming several layers in the radial direction until the thickness necessary to reach the wall 3 is obtained.

L'avantage de cette configuration utilisant du tissus est que, les courants induits se propageant dans le corps adsorbant dans de façon circulaire entre les parois 2 et 3, ils se propagent donc dans un milieux continu constitué par la bande de tissus. Ceci The advantage of this configuration using tissue is that, the induced currents propagating in the adsorbent body in a circular manner between the walls 2 and 3, they therefore propagate in a continuous medium constituted by the strip of tissue. This

conduit à un chauffage plus homogène du corps adsorbant. leads to a more homogeneous heating of the adsorbent body.

En outre la faible dimension des fibres de carbone permet d'accroître considérablement la surface de contact entre le gaz et le corps adsorbant dans un volume donné, ce qui augmente l'efficacité de capture des molécules que l'on veut retenir. In addition, the small size of the carbon fibers makes it possible to considerably increase the contact surface between the gas and the adsorbent body in a given volume, which increases the efficiency of capture of the molecules which it is desired to retain.

Une disposition avantageuse de l'invention est de pouvoir effectuer le chauffage du crops adsorbant et l'écoulement du gaz de purification indépendamment l'un de l'autre. Ceci est impossible avec les procédés traditionnels de désorption à la vapeur d'eau ou à l'air chaud, car ce sont ces gaz de purification qui échauffent eux-mêmes le corps adsorbant. An advantageous arrangement of the invention is to be able to heat the adsorbent crops and the flow of the purification gas independently of one another. This is impossible with the traditional methods of desorption with steam or hot air, because it is these purification gases which themselves heat the adsorbent body.

Ainsi, dans une mise en oeuvre préférentielle de l'invention, on commence par chauffer le corps adsorbant sans réaliser l'écoulement de gaz de purification, puis, quand un niveau d'échauffement désiré est atteint, on commence à écouler le gaz de purification, avec ou sans continuation de l'échauffement par induction. On obtient ainsi des concentrations des gaz désorbés plus importantes que si l'on réalise l'écoulement en même temps que le démarrage de l'échauffement. Ces concentrations importantes sont particulièrement avantageuses dans le cas où les molécules désorbées sont des composés organiques volatils car il est alors plus facile de les condenser pour les récupérer ou les évacuer. Thus, in a preferred implementation of the invention, one begins by heating the adsorbent body without carrying out the flow of purification gas, then, when a desired level of heating is reached, one begins to flow the purification gas , with or without continuation of the induction heating. Higher concentrations of the desorbed gases are thus obtained than if the flow is carried out at the same time as the start of the heating. These high concentrations are particularly advantageous in the case where the desorbed molecules are volatile organic compounds since it is then easier to condense them in order to recover or evacuate them.

De plus, les corps désorbés peuvent être nuisible dans l'eau ou non, ce qui n'est pas vrai avec les procédés usuels de désorption à la vapeur d'eau. In addition, the desorbed bodies can be harmful in water or not, which is not true with the usual methods of desorption with water vapor.

Claims

1. Gas purification filter, comprising an annular cartridge of a body (1) for adsorption of impurities from the gas, an envelope (2,3) containing the body, and at least one induction coil (8) for desorption of the body disposed around the envelope, characterized in that the envelope is pierced with concentric inner and outer cylindrical faces to establish a radial circulation of the gas through the body.

2. Filter according to claim 1, characterized in that it comprises a tube (6) separating the outer cylindrical face (3) of the casing of the induction coil (8) and delimiting with said cylindrical outer face (3) a annular gas flow chamber (7).

3. Filter according to claim 2, characterized in that it comprises inlet and outlet openings in extension (25, 27) oriented axially with respect to the envelope, one of the openings opening out between the external cylindrical face. and the cylindrical wall by a diverging chamber (26), the other of the openings opening into a central chamber (24) contained in the inner cylindrical face.

4. Filter according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the adsorption body is in grains, sticks or balls.

5. Filter according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the adsorption body is a monolithic structure.

6. Filter according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the adsorption body is a fabric wound in several layers around an inner portion (2) of the envelope.

7. Filter according to any one of the preceding claims, characterized in that the induction heating by the coil precedes the circulation of the gas.