FR2974735A1 - Adsorbeur comprenant des contacteurs a passages paralleles avec isolation integree - Google Patents
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Abstract
Adsorbeur pour adsorption d'un fluide, comprenant une bouteille avec au moins deux contacteurs à passages parallèles disposés en série dans le sens du trajet du fluide à adsorber, et caractérisé en ce que chaque contacteur comprend une isolation interne.
Description
L'invention se rapporte à l'isolation d'un adsorbeur comprenant plusieurs contacteurs à passages parallèles et à l'utilisation de ce même adsorbeur. L'adsorption est un phénomène physique de plus en plus utilisé industriellement pour séparer ou épurer des flux gazeux.
Par exemple, l'adsorption est utilisée classiquement pour sécher des flux gazeux divers, en particulier l'air, le gaz naturel, pour la production d'hydrogène, pour la production d'oxygène et/ou d'azote à partir d'air atmosphérique, pour capturer de nombreux constituants d'effluents variés avant leur utilisation dans un procédé aval ou leur mise à l'évent comme les VOC, des oxydes d'azote, du mercure...
Les procédés mis en oeuvre sont soit à charge perdue (on parle alors généralement de lit de garde) soit régénérables. La régénération s'effectue soit par baisse de pression soit par augmentation de la température. On peut aussi coupler ces deux effets. On parle respectivement de PSA (pressure swing adsorption = adsorption à pression modulée), TSA (temperature swing adsorption = adsorption à température modulée), PTSA (pressure temperature swing adsorption = adsorption à pression et température modulée). Lorsque la régénération d'un PSA s'effectue sous vide, on utilise généralement le sigle VSA (vacuum swing adsorption = adsorption avec variations de vide). La présente invention concernera en particulier les TSA. L'adsorbant utilisé se présente généralement sous forme de particules dont on remplit un adsorbeur. Ces particules peuvent se trouver sous forme de granulés, de bâtonnets, de billes, de concassés. Les dimensions caractéristiques de ces particules vont généralement de 0.5 mm à 5mm. Les particules les plus petites permettent d'améliorer la cinétique d'adsorption et par là l'efficacité du procédé mais en contre partie elles créent sur la phase fluide des pertes de charge importantes. Les bouteilles axiales d'adsorbants classiques sous forme de billes (circulation du fluide ascendante ou descendante) utilisent une isolation thermique entre les lits de billes et l'ambiante. Sur une petite bouteille, typiquement avec un diamètre inférieur à 2m, on utilise plutôt une isolation externe rapportée sur la virole extérieure de la bouteille, de type isolation laine de verre, ou verre cellulaire ou mousse de polyuréthane : cette isolation reste peu performante, car en phase de chauffage en régénération de la bouteille, une partie de l'énergie thermique est utilisée pour chauffer le métal de la bouteille, nécessitant de compenser la perte thermique en sur-dimensionnant le débit de régénération. Sur une bouteille de grande taille, typiquement avec un diamètre supérieure à 2m, on utilise une isolation interne : celle-ci doit mécaniquement pouvoir contenir les lits de billes d'adsorbants, ne pas favoriser la création de passage préférentiel de gaz (en dehors du lit d'adsorbants) et pouvoir résister aux éventuels cycles de compression / décompression entre l'adsorption et la régénération. On utilise classiquement un système de simple ou double lames de gaz qui fait office de coussin isolant, considérant que la lame d'air reste immobile. Ces lames, relativement performantes en terme d'isolation, sont difficiles à mettre en oeuvre et coutent relativement chères. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir des adsorbeurs présentant une meilleure isolation, pour un fonctionnement en TSA. Une solution de l'invention est un adsorbeur pour adsorption d'un fluide, comprenant une bouteille avec au moins deux contacteurs à passages parallèles disposés en série dans le sens du trajet du fluide à adsorber, et caractérisé en ce que chaque contacteur comprend une isolation interne. Par « isolation interne », on entend une isolation qui est propre à chaque contacteur à passages parallèles ; autrement dit intégrée dans chaque contacteur.
Par contacteur à passages parallèles, on entend un dispositif dans lequel le fluide passe dans des canaux dont les parois contiennent de l'adsorbant. Le fluide circule dans des canaux essentiellement libres d'obstacles, ces canaux permettant au fluide de circuler d'une entrée à une sortie du contacteur. Ces canaux peuvent être rectilignes reliant directement l'entrée à la sortie du contacteur ou présenter des changements de direction. Au cours de sa circulation, le fluide est en contact avec au moins un adsorbant présent au niveau des dites parois. La solution selon l'invention apporte les avantages suivants : - Facilité de mise en oeuvre, car intégrée aux contacteurs à passages parallèles : l'isolation est mise en place en même temps que l'on met en place les contacteurs dans l'adsorbeur. - Isolation de type interne, équivalente à une multitude de lames d'air immobile : très bonne performance d'isolation thermique, permettant soit de réduire sa taille à performance équivalent, soit d'augmenter la performance thermique à taille équivalente - Peu cher. Par ailleurs, les contacteurs à passages parallèles font moins de pertes de charges, ce qui permet à perte de charges équivalentes de réduire le diamètre de l'adsorbeur, en augmentant éventuellement sa hauteur.
Selon le cas, les contacteurs à passages parallèles de l'adsorbeur selon l'invention peuvent comprendre l'une ou l'autre des isolations internes suivantes. Selon une première alternative, l'isolation interne de chacun des contacteurs comprend : - un double envirolage étanche fixé sur l'ensemble de la hauteur du contacteur, et - un isolant introduit dans l'espace formé par le double envirolage.
On entend par étanche « qui empêche la création de passage préférentiel de gaz en dehors du contacteur à passages parallèles ». La Figure 1 représente un contacteur à passages parallèles avec le double envirolage. La Figure 2 représente un adsorbeur selon l'invention comprenant une série de contacteurs à passages parallèles avec le double envirolage.
L'isolant est de préférence choisi parmi la perlite, la laine de verre, la laine de roche, du verre cellulaire, du vide, de l'aérogel, de l'isolant multicouches ou tout autre isolant ou combinaison d'isolants classiquement mise en oeuvre... D'autre part, cette première alternative peut être complétée par des éléments d'étanchéité fixés sur la virole externe du double envirolage face à la virole interne de la bouteille. Les éléments d'étanchéité sont de préférence choisis parmi les balayettes, les joints, des soudures ou des éléments soudés, de la colle ou des éléments collés et de préférence dimensionnés de manière à pallier à l'éventuelle dilatation différentielle entre la virole de l'adsorbeur et le double envirolage des contacteurs à passages parallèles lors de la régénération de l'adsorbeur.
Selon une deuxième alternative, chaque contacteur à passages parallèles présente des canaux et les canaux sont au moins en partie obstrués sur une distance radiale centripète de 20 cm, préférentiellement 10 cm, encore plus préférentiellement 5 cm en partant du périmètre extérieur du contacteur à passages parallèles. Cette obstruction empêche la création de passage préférentiel de gaz dans les canaux concernés.
Notons que dans cette deuxième alternative, les contacteurs à passages parallèles peuvent éventuellement présenter une virole. Dès lors, par «périmètre extérieur» on entend le bord du contacteur à passages parallèles ou le bord de la virole du contacteur à passages parallèles.
Pour réaliser l'obstruction des canaux : - les canaux devant être en partie obstrués sont comblés, sur au moins une partie de leur longueur, par de la résine, du mastic, du silicone ou tout élément qui peut être appliqué sous forme liquide ou pâteuse pour boucher durablement les canaux concernés ; et/ou - au moins une des extrémités des canaux devant être en partie obstrués est obstruée par une plaque métallique, ou une plaque plastique, ou un joint silicone ou caoutchouté, ou tout élément solide qui peut être posé ou fixé L'obstruction peut être faite en partie haute, en partie basse ou en partie de chaque canal concerné. Il peut être envisagé de boucher l'intégralité de la longueur de chaque canal concerné.
La Figure 3 représente un contacteur à passages parallèles avec une plaque métallique aux extrémités supérieures des canaux devant être obstrués. La Figure 4 représente un adsorbeur selon l'invention comprenant une série de contacteurs à passages parallèles avec une plaque métallique aux extrémités supérieures des canaux devant être obstrués.
Dans cette seconde alternative, l'obstruction des canaux permet de bloquer la circulation du fluide dans ces canaux, et de créer une isolation à l'image de minuscules lames de gaz. Les cellules de gaz immobiles étant beaucoup plus petites que les lames de gaz classiques, on obtient une isolation thermique nettement plus performante. Alternativement, à performance d'isolation thermique équivalente, on peut fortement réduire l'épaisseur de l'isolation. D'autre part, cette seconde alternative peut être complétée par des éléments d'étanchéité fixés sur la face externe des contacteurs à passages parallèles face à la virole interne de la bouteille. Les éléments d'étanchéité sont de préférence choisis parmi les balayettes, les joints, des soudures ou des éléments soudés, de la colle ou des éléments collés et de préférence dimensionnés de manière à pallier à l'éventuelle dilatation différentielle entre la virole de l'adsorbeur, et le périmètre extérieur des contacteurs à passages parallèles lors de la régénération de l'adsorbeur. Les adsorbants susceptibles d'être utilisés dans les contacteurs à passages parallèles sont ceux utilisés dans les unités de séparation ou purification de flux gazeux classiques. Le choix dépend de l'application. Il est possible dans un même contacteur d'utiliser successivement plusieurs adsorbants différents. On pourra citer les gels de silice, l'alumine activée éventuellement dopée, les charbons actifs, les zéolites de type divers (3A, 4A, 5A, type X, LSX, Y etc. éventuellement échangées...). Les zéolites sont généralement utilisées sous forme de microcristaux, voire de nano cristaux selon les procédés de synthèse. D'autres adsorbants, par exemple les charbons actifs, peuvent être concassés pour obtenir des particules de l'ordre du micron. Les contacteurs peuvent être identiques ou au contraire, il est possible d'utiliser cette invention pour singulariser au moins un contacteur et l'adapter aux conditions opératoires se trouvant à ce niveau de l'adsorbeur. Concernant cette modification, il peut s'agir d'un autre type d'adsorbant, d'une modification de l'épaisseur de la couche adsorbante, de la section de passage, etc.... Le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans divers procédés tels que les TSA, PTSA... Il peut également être utilisé pour sécher, décarbonater ou arrêter des impuretés secondaires d'un flux gazeux, notamment issu de l'air atmosphérique. Par impuretés secondaires on entend les traces d'hydrocarbures, les NOx, les SOx...
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Adsorbeur pour adsorption d'un fluide, comprenant une bouteille avec au moins deux contacteurs à passages parallèles disposés en série dans le sens du trajet du fluide à adsorber, et caractérisé en ce que chaque contacteur comprend une isolation interne.
- 2. Adsorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'isolation interne de chacun des contacteurs comprend : - un double envirolage étanche fixé sur l'ensemble de la hauteur du contacteur, et - un isolant introduit dans l'espace formé par le double envirolage.
- 3. Adsorbeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'isolant est choisi parmi la perlite, la laine de verre, la laine de roche, du verre cellulaire, du vide, de l'aérogel, de l'isolant multicouches
- 4. Adsorbeur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit adsorbeur comprend des éléments d'étanchéité fixés sur la virole externe du double envirolage face à la virole interne de la bouteille.
- 5. Adsorbeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité sont choisis parmi les balayettes, les joints, des soudures, des éléments soudés, de la colle ou des éléments collés. 25
- 6. Adsorbeur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité sont dimensionnés de manière à pallier à la dilatation différentielle entre la virole de la bouteille et le double envirolage des contacteurs à passages parallèles lors de la régénération de l'adsorbeur. 30
- 7. Adsorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque contacteur à passages parallèles présente des canaux et les canaux sont au moins en partie obstrués sur une distance20radiale centripète de 20 cm en partant du périmètre extérieur du contacteur à passages parallèles.
- 8. Adsorbeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les canaux en partie obstrués sont comblés, sur au moins une partie de leur longueur, par un liquide ou une pâte, de préférence par de la résine, du mastic, ou de la silicone.
- 9. Adsorbeur selon la revendication 7, caractérisé ce qu'au moins une des extrémités des canaux en partie obstrués est obstruée par un élément solide posé ou fixé, de préférence par une plaque métallique, une plaque plastique, ou un joint silicone ou caoutchouté.
- 10. Adsorbeur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit adsorbeur comprend des éléments d'étanchéité fixés sur la face externe des contacteurs à passages parallèles face à la virole interne de la bouteille.
- 11. Adsorbeur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité sont choisis parmi les balayettes, les joints, des soudures, des éléments soudés, de la colle ou des éléments collés. 20
- 12. Adsorbeur selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité sont dimensionnés de manière à pallier à la dilatation différentielle entre la virole de la bouteille et le périmètre extérieur des contacteurs à passages parallèles lors de la régénération de l'adsorbeur. 25
- 13. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 12, pour sécher, décarbonater ou arrêter des impuretés secondaires d'un flux gazeux.
- 14. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 12, pour capturer les NOx, les SOx ou les traces d'hydrocarbures contenu dans un flux gazeux. 30
- 15. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 12 dans un cycle TSA, ou PTSA.
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