FR2986440A1 - Adsorbeur constitue de plusieurs contacteurs a passage paralleles - Google Patents

Abstract

Elément d'adsorption pour l'épuration ou la séparation d'un fluide, comprenant : - M modules ((3), (4), (5)...) en parallèle, avec M > 2, chaque module étant espacé du module voisin par un volume (17) et comprenant au moins 1 contacteur à passages parallèles, - une section d'entrée (6), et - une section de sortie (7), et caractérisé en ce que le ratio du volume d'adsorbant compris dans les M modules sur le volume libre accessible au fluide, entre la section d'entrée et la section de sortie du dit élément, est supérieur à 0.75%.

Description

L'invention se rapporte à un élément d'adsorption comprenant une pluralité de modules disposés en parallèle comprenant eux-mêmes 1 ou plusieurs contacteurs en série; à un dispositif de purification ou de séparation d'un flux gazeux mettant en oeuvre un tel adsorbeur et à l'utilisation d'un tel dispositif dans un procédé d'adsorption de type TSA ou PSA. 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 (adsorption à pression et température modulée). Lorsque la régénération d'un PSA s'effectue sous vide, on utilise généralement le sigle 20 VSA (vacuum swing adsorption). Par la suite, et sauf application particulière, nous n'utiliserons, par souci de simplicité que les termes PSA et TSA pour décrire tous ces procédés d'adsorption comportant une étape de régénération in situ suivant que l'effet prépondérant utilisé pour régénérer l'adsorbant soit la pression ou la température.. 25 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 5 mm. Les particules les plus petites permettent d'améliorer la cinétique d'adsorption et par là 30 l'efficacité du procédé mais en contre partie elles créent sur la phase fluide des pertes de charge importantes.

Pour contrebalancer cet effet, on utilise des adsorbeurs présentant une grande section de passage au fluide tels que les adsorbeurs cylindriques à axe horizontal ou les adsorbeurs radiaux. Cependant, lorsqu'on veut aller plus loin dans l'amélioration de la perte de charge et/ ou de la cinétique, cette technologie conduit à des géométries d' adsorbeurs non industrielles. C'est par exemple le cas lorsqu'on veut traiter d'importants débits gazeux en basse pression comme pour la capture du CO2 dans des effluents à pression atmosphérique ou lorsqu'on veut réaliser des cycles rapides, en particulier des cycles PSA. Dès 1996, Ruthven et Thaeron -in Gas Sep. Purif. Vol. 10, p.63- montrent qu'une telle amélioration peut être obtenue en utilisant des contacteurs à passages parallèles. Il s'agit de système dans lequel le fluide passe dans des canaux dont les parois contiennent de l'adsorbant. Actuellement, seuls des systèmes où l'adsorbeur se présente sous la forme d'une roue tournant autour de son axe central sont fabriqués de façon industrielle en grandes dimensions, c'est à dire avec des diamètres atteignant plusieurs mètres. De nombreuses brochures commerciales décrivent ces appareils et on peut citer par exemple parmi les plus connus NovelAire Technologies, Munters, EcoDry, ProFlute, DST Seibu Giken. Ces roues présentent des inconvénients qui les rendent inefficaces pour la majorité des procédés d'adsorption et en pratique, elles ne sont utilisées presque exclusivement que pour le séchage partiel de l'air. Un de ces inconvénients résulte du fait que le volume d'adsorbant par rapport au volume de la roue est très faible, souvent de l'ordre de 10%. On peut également noter que ces contacteurs formés par enroulage ou par empilage de feuilles dépassent rarement quelques dizaines de centimètres dans le sens de circulation du fluide, ce qui constitue également un sérieux obstacle à leur utilisation dans d'autres applications. Le document EP 1 413 348 cite par exemple un contacteur à passages parallèles enroulés en spirale d'environ 10 cm de long. Le document US 6 692 626 décrit un contacteur avec des longueurs de canaux de 10 à 20 centimètres. Le document US 7 300 905 quant à lui indique des longueurs de canaux de 1 centimètre à 1 mètre et préférentiellement de 5 à 30 centimètres.

Ces limitations proviennent en particulier du mode de dépôt de l'adsorbant sur le support qui nécessite des opérations assez complexes pour obtenir les caractéristiques mécaniques nécessaires (tenue dans le temps, porosité...). Généralement, les contacteurs de plus grand diamètre ont des longueurs n'excédant pas 30 cm alors que cette même longueur peut être un peu supérieure pour les contacteurs de petit diamètre de type laboratoire. Cette limitation de la longueur des canaux à quelques dizaines de centimètres pour des contacteurs industriels ne permet pas non plus aujourd'hui d'envisager la technologie des contacteurs à passage parallèle pour toutes les applications.

Une autre contrainte dans une majorité de cas va être d'obtenir une bonne distribution du fluide dans toute la section du contacteur. La méthode la plus efficace est d'obtenir une géométrie régulière en particulier pour les canaux de circulation du fluide avec de faibles tolérances. On conçoit qu'il est plus facile de contrôler la régularité de fabrication d'un module de petite ou moyenne dimension, par exemple de diamètre ou plus généralement de dimensions de quelques dizaines de centimètres que d'un module de grande taille, par exemple supérieure au mètre. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un dispositif d'adsorption, comprenant des adsorbeurs à contacteur à passages parallèles, amélioré de manière à pouvoir être mis en oeuvre dans une plus large gamme d'applications.

Une solution de l'invention est un élément d'adsorption pour l'épuration ou la séparation d'un fluide, comprenant : - M modules (3, 4, 5...) en parallèle, avec M > 2, chaque module étant espacé du module voisin par un volume 17 et comprenant au moins 1 contacteur à passages parallèles, - une section d'entrée 6, et - une section de sortie 7, et caractérisé en ce que le ratio du volume d'adsorbant compris dans les M modules sur le volume libre accessible au fluide , entre la section d'entrée et la section de sortie du dit élément, est supérieur à 0.75. Notons que la solution selon l'invention permet de résoudre le problème de la limitation de la longueur des canaux à quelques dizaines de centimètres et le problème des volumes morts néfastes au bon fonctionnement des unités TSA ou PSA.

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. Par module, on entend un élément d'adsorption comprenant un ou plusieurs contacteurs en série tels que définis ci-dessus ; La section des M modules peut être de forme et dimensions identiques, par exemple circulaire de même diamètre, ou au contraire de formes et/ ou dimensions différentes, par exemple certains modules seront de forme trapézoïdale et d'autres rectangulaire, le but par exemple étant de «remplir » au mieux la virole de 1' adsorbeur. Il convient aussi de définir clairement ce qu'on entend ici par « volume d'adsorbant » et « volume libre accessible au fluide ».

Prenons d'abord l'exemple d'un adsorbeur classique renfermant un lit d'adsorbant, ce dit lit ayant une section d'entrée Si et une section de sortie S2 quand on considère l'étape de purification. Ces 2 sections et les parois de l'adsorbeur délimitent un volume V qui va contenir le lit d'adsorbant. Il s'agit du volume géométrique qu'on appelle parfois volume en eau ou volume fût vide. Lorsqu'on remplit ce volume V de particules, il se crée entre les dites particules un volume libre dit inter particulaire que peut occuper un fluide. Le volume total V se répartit ainsi entre un volume libre accessible au fluide et un volume occupé par les particules solides. Il convient de faire 3 remarques. Si on a placé d'autres internes tels des tubes d'échangeur, des éléments de mesure... dans le volume V, ces internes occupant un volume v, c'est le volume restant V-v que l'on doit considérer comme se répartissant en un volume libre accessible au fluide et un volume occupé par les particules d'adsorbant. Les particules d'adsorbant elles mêmes présentent une porosité interne constituée de macropores et micropores. Cette porosité est nécessaire pour permettre aux molécules de s'adsorber au sein de la particule. On admet ici que cette porosité intragranulaire fait partie intégrante de la particule d'adsorbant et qu'elle ne fait donc pas partie par définition du volume libre accessible au gaz. Enfin, la majorité des adsorbants particulaires sont mis en forme au moyen d'un liant dont la proportion volume initiale va de quelques % à généralement 25% maximum. Une partie de ce liant peut ensuite être rendu éventuellement actif. On admet que le liant résiduel fait partie intégrante de l'adsorbant. Ainsi dans le cas d'adsorbant sous forme de bille sphérique par exemple, on compte comme volume adsorbant le volume total de la sphère. Par la suite on généralise le principe de cette définition à des adsorbeurs non classiques tels que des contacteurs. On définit de même une section d'entrée où commence l'adsorbant et une section de sortie où il se termine. Le volume V compris entre ces sections va généralement se subdiviser en un volume occupé par le support de l'adsorbant, un volume d'adsorbant proprement dit (incluant sa porosité et son liant éventuel) et un volume libre accessible au fluide.

Dans le cas d'une roue de diamètre D, de profondeur h supportant par exemple du silica-gel, le volume (n* D2* h/4) se répartira par exemple en 10% de feuille support, 10% d'adsorbant et 80% de volume libre accessible au fluide. Pour déterminer les pourcentages de support et d'adsorbant, il convient de faire un petit calcul géométrique basé sur des mesures directes sur la roue ou sur une photographie agrandie d'une portion de l'équipement. On détermine par exemple sur une portion représentative la longueur de support par unité de section et son épaisseur moyenne ; on détermine aussi l'épaisseur moyenne d'adsorbant. Il est alors facile de calculer selon nos définitions le volume libre accessible au gaz, le volume d'adsorbant et d'en tirer le ratio. On suppose que le volume du support lui-même, même s'il présente une certaine porosité comme l'adsorbant n'est pas accessible au fluide dès lorsqu'il sert de support essentiellement par sa ou ses surfaces, c'est-à-dire que l'adsorbant est fixé dessus et que moins de 10% de la quantité totale d'adsorbant a pénétré dans le volume du support. Il convient de traiter également le cas où l'adsorbant est fixé intimement dans un réseau de fibres qui sert également de support.

Le volume total se répartit alors en un premier volume accessible au fluide et un second volume de support/ adsorbant. Ce second volume peut être séparé en un volume support inerte et un volume d'adsorbant. Le ratio dont il est question dans la présente invention est le rapport entre le volume d'adsorbant et le volume accessible au fluide. De préférence le ratio du volume d'adsorbant compris dans les M modules sur le volume accessible au fluide, entre la section d'entrée et la section de sortie est supérieur à 1.0, encore préférentiellement supérieur à 1.25. Avec des valeurs égales ou supérieures à 1.5, on se place dans les conditions de ratio des adsorbants particulaires classiques. En effet, le taux de vide d'un lit d'adsorbant granulaire est de l'ordre de 38 % ce qui correspond au ratio 1.63. L'impact négatif d'une diminution de ce ratio peut être déterminé au moyen des programmes de simulation d'adsorption maintenant bien répandus. Cela peut se traduire, pour un ratio de 1 par une perte de plusieurs pourcents sur le rendement d'un PSA H2, ce qui n'est pas acceptable industriellement. Il n'a pas de règles générales pour déterminer l'impact de ce paramètre, pas plus que pour les volumes morts amont/aval, l'impact dépendant à la fois du cycle de l'unité d'adsorption, des propriétés des adsorbants, des performances recherchées.... Avec des valeurs supérieures à 0.75 dans des cas non critiques (certains TSA), surtout à 1.0 et mieux encore supérieures à 1.25, on se rapproche des ratios standards et on limite voire on annule ou on améliore l'impact des volumes libres accessible au fluide. On remarquera que si la section d'un contacteur se répartit en 20% support, 40% adsorbant, 40% passage du fluide, ce qui pour ce contacteur conduirait à un ratio de 1 à priori acceptable au moins pour certains procédés mais que pour une section de l'élément d'adsorbant (comprenant plusieurs modules en parallèle) normale à la circulation du fluide, les modules installés en parallèle n'occupent que 75 % de la section totale et donc la section libre est de 25% , le ratio volume d'adsorbant sur volume laissé au fluide n'est alors que de l'ordre de 0.55 ( (0.4*0.75)/(0.25+ (0.4*0.75)) = 0.55) ce qui sera insuffisant pour rendre une majorité de procédés TSA et PSA efficaces.. Il faudra donc sélectionner pour rester dans le cadre de l'invention non seulement des contacteurs de caractéristiques particulières en termes d'épaisseur de couche adsorbante et de passage réservé au fluide mais aussi utiliser des technologies particulières pour la mise en parallèle des modules.

On notera également que les volumes laissés au fluide dont on parle ici ne comprennent pas les volumes morts nécessaires en amont et en aval de l'élément, volumes nécessaires à l'introduction et à la bonne répartition du fluide. Selon le cas, l'élément d'adsorption peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le fluide est un flux gazeux ; - chaque module comprend au moins 2 contacteurs à passages parallèles disposés en série dans le sens du trajet du fluide à adsorber ; - chaque module présente des parois étanches ; - les sections d'entrée et de sortie présentent entre chaque module des éléments d'étanchéité ; ces éléments d'étanchéité peuvent être choisis parmi les moyens connus : joints, soudure, collage... ; - le volume (17) est au moins partiellement rempli par un garnissage limitant ou excluant la présence d'un flux gazeux ; il peut s'agir d'un polymère tel par exemple que de l'époxy ou d'un solide, particulaire (quartz, billes de céramiques, copeaux...) ou pas (tresse, fibres...) remplissant les vides ; - les modules sont essentiellement cylindriques ; c'est-à-dire que leur base est proche d'un cercle avec des écarts sur les rayons R1/R2 inférieurs à 5% . On pourra se référer à la Figure 15 ou le contacteur 1 est formé par l'enroulement d'un support imprégné d'adsorbant (détail 2) sur un mandrin central 3 ; - les contacteurs comprennent un matériau adsorbant fixé sur une feuille support plissée, ladite feuille étant enroulée en spirale seule ou associée à une feuille plane ; - les contacteurs comprennent un matériau adsorbant fixé sur une feuille enroulée en une spirale dont les passages sont maintenus ouverts par des espaceurs ; - l'épaisseur du matériau adsorbant est inférieur à 500 microns, de préférence inférieure à 250 microns ; notons que l'utilisation de couches adsorbantes minces permet d'améliorer la cinétique. Notons également que les modules de l'élément d'adsorption selon l'invention peuvent être de différents diamètres, préférentiellement de 2 diamètres différents. Ceci peut en effet permettre d'augmenter la densité de contacteurs de l'élément d'adsorption. La longueur, quant à elle, des modules est à priori identique quel que soit le diamètre ainsi que le flux du fluide (débit divisé par la section de passage) à travers les différents modules. L'invention n'exclut pas la mise en parallèle de modules de sections de forme différente (carré, rectangulaire, trapézoidale...) mais la fabrication de tels contacteurs, essentiellement par empilage de feuilles support puis découpe éventuelle, parait moins industrielle que le bobinage en cylindre. La figure 14 représente un exemple d'élément d'adsorption 1 selon l'invention. L'élément d'adsorption est logé dans une enveloppe 2, comprenant généralement un fond inférieur et un fond supérieur avec des ouvertures pour le passage du flux gazeux (non représentés sur la Figure). Cette enveloppe peut faire partie intégrante de l'élément et rajoutée lors de la fabrication ou il peut s'agir de la virole d'un adsorbeur, l'élément étant logé dans cet adsorbeur. L'élément 1 est constitué d'une pluralité de modules (3, 4, 5...) installés en parallèle. De façon préférentielle, chaque module est constitué de plusieurs contacteurs disposés en série (11, 12, 13...). Les sections 6 et 7 figurent les sections d'entrée et de sortie de l'élément 1. Le volume 17 représente le volume libre entre les modules. Afin d'obtenir un ratio acceptable pour le volume mort gazeux, l'essentiel de ce volume 17 doit être rendu inaccessible au gaz. Une première solution consiste à faire une double étanchéité 15 et 16, c'est-à-dire à chacune des extrémités de l'élément.

Une seconde solution consiste à réaliser une étanchéité d'un seul côté, de préférence en partie basse si l'élément est utilisé verticalement, et de remplir l'espace entre modules d'un garnissage limitant ou excluant la présence de gaz. Il peut s'agir d'un polymère ou d'un solide particulaire remplissant les vides. Le volume (18) à la périphérie peut être traité de façon analogue ou au contraire de façon différente si l'élément d'adsorption est introduit dans une virole. . L'étanchéité au niveau de la paroi interne de l'enveloppe (2), pour éviter un passage préférentiel du flux gazeux à cet endroit, est réalisée par la simple pression de l'élément, supposée ici de forme circulaire, sur la paroi de l'enveloppe. Si nécessaire, cette étanchéité peut être améliorée par un quelconque des moyens connus (joints, soudure, collage, remplissage . . . ) Les figures 1 à 7 représentent schématiquement, de manière non exhaustive, les différents types de contacteurs. En effet, les contacteurs peuvent comprendre des canaux de différentes formes et de dimensions différentes. On distingue alors : - les canaux rectangulaires d'épaisseur ep faible par rapport à leur largeur 1, c'est à dire avec 1 supérieur à 10 ep (figure 1); - les canaux essentiellement carrés ou rectangulaires mais avec ep dans le même ordre de grandeur que la largeur 1 (figure 2) ; - les canaux de forme intermédiaire, avec la grande dimension dans un rapport 1.5 à 10 par rapport à la petite dimension (ellipse, rectangle...) ; - les canaux disposés en couronnes circulaires (figure 3) ; - les canaux disposés en hélice (figure 4) ; - les canaux circulaires (figure 5). Le fluide peut également circuler dans l'espace libre laissé par des parois solides présentés sous forme de cylindres ou fibres (figure 6). Les parois solides peuvent également avoir la configuration « garnissage » comme utilisée en distillation (figure 7). Dans ce dernier cas, il est possible d'utiliser toutes les possibilités géométriques relatives aux dits garnissages en jouant sur les angles de pliage, l'orientation des passages par rapport à la verticale (contacteur supposé vertical), les dimensions des canaux... De nombreuses configurations sont possibles car la géométrie des canaux est variée (triangle, trapèze, ellipse...). De façon générale, dans tous ces types de contacteurs, susceptibles d'être utilisés dans le cadre de l'invention, le fluide qui est préférentiellement un flux gazeux, circule dans des canaux présentant peu (ou pas) d'obstacle à l'écoulement et l'adsorbant est situé -ou constitue- la paroi des dits canaux. A titre d'exemple, les documents EP 1 413 348, EP 1 121 981 et WO 2005/094987 décrivent des contacteurs à passages parallèles. La réalisation du contacteur lui-même, et plus particulièrement de l'ensemble support - paroi, se fait suivant diverses techniques qui peuvent par exemple se classer selon la façon dont l'adsorbant est intégré à la paroi. Dans le cas de « monolithe », l'adsorbant, éventuellement mélangé à un liant constitue directement la paroi des canaux (Figure 8).

Le calcul du volume d'adsorbant prendra en compte le liant dès lors que son pourcentage volume dépassera les 25%, pourcentage maximum habituel pour les adsorbants particulaires standards (billes, bâtonnets) comme indiqué précédemment. Ainsi un monolithe ayant 40% de section de passage libre pour le gaz et 60% de section constituée par le solide, ce solide comprenant moitié- moitié phase active, /liant, on ne retiendra pour être homogène avec ce qui précède qu'un volume de liant égal à 25% du volume actif d'adsorbant. Globalement, on aura donc 40% de la section libre pour le gaz, 37.5 % pour l'adsorbant et 22.5% considéré comme inactif. Le ratio est alors un peu inférieur à 1.

Dans le cas plus général d'adsorbant « supporté », l'adsorbant 110 est fixé sur un support 111, par exemple une feuille métallique, L'adhésion à la paroi peut se faire par l'intermédiaire du liant de l'adsorbant (dont le rôle est alors double : agglomération des micro particules d'adsorbants entre elles et fixation à la paroi) comme illustré dans la Figure 9 ou via une colle 120 spécifique (Figure 10). Le support aura généralement été traité pour faciliter l'adhésion, il peut être poreux par nature (membrane, tissu...) ; de nombreux matériaux peuvent être utilisés tels que des polymères, des céramiques, des métaux, du papier... Le support de l'adsorbant peut être plié (avant ou après dépôt de la couche adsorbante) et cette feuille pliée elle-même enroulée autour d'un axe central. La figure 3 du document US 5 771 707 montre un tel arrangement. Dans le cas de plis de forme essentiellement triangulaire, la hauteur du triangle et sa base seront généralement comprises entre 0.5 et 5 mm. L'adsorbant peut également être emprisonné. On trouve également deux sous groupes pour cette technique : « l'emprisonnement « peut être homogène, c'est-à-dire que les particules d'adsorbants 130 sont immobilisées par un réseau de fibres 131 fines et denses qui occupent tout le volume de la paroi (Figure 11). Un adhésif peut être ajouté pour renforcer la fixation.

L'emprisonnement de particules d'adsorbant dans des réseaux de fibres a été utilisé dans la fabrication de masque à gaz. On notera cependant que dans ce dernier cas, l'air respiré traversait le milieu adsorbant alors que dans le cas envisagé ici, le flux gazeux longe la paroi contenant l'adsorbant. Selon un autre mode de réalisation, les particules d'adsorbants 140 sont maintenues entre 2 parois (141,142) poreuses au fluide (Figure 12). Dans ce cas également, un liant et /ou une colle peuvent être ajoutés pour améliorer si nécessaire le maintien des particules entre les parois poreuses. Ces parois peuvent être de type métallique, polymères... Elles sont choisies de façon à pouvoir simultanément contenir les particules d'adsorbants et ne pas créer de résistance significative à la diffusion des molécules. A titre d'exemple, les documents US 7 300 905 et US 5 120694 décrivent de façon non exhaustive ces technologies. La Figure 13 représente la cellule de base, c'est-à-dire le plus petit élément qui permet de décrire la géométrie d'un contacteur à passage parallèle.

De gauche à droite, on trouve le canal 20, dans lequel circule le flux gazeux, d'épaisseur totale 2 epf, la membrane poreuse maintenant l'adsorbant 21 d'épaisseur epm, la couche d'adsorbant 22 d'épaisseur epads, une couche adhésive 23 d'épaisseur epc et la feuille support 24 d'épaisseur totale 2 eps. La cellule de base a donc pour dimension epf+epm+epads+epc+eps. Les ordres de grandeurs de ces épaisseurs sont par exemple : - De 50 microns à 3 mm pour le canal, mettons 2 epf = 150microns - De 10 à 100 microns pour la membrane poreuse, si elle existe, mettons 25 microns et une porosité de 50% - De 20 microns à 1 mm pour la couche d'adsorbants, mettons 150 microns - De 5 à 500 microns pour la couche adhésive, si elle existe, mettons 10 microns - De 5 microns à 1 mm pour la feuille support, si elle existe, mettons 2 eps= 100 microns. La cellule de base aurait donc dans l'exemple une épaisseur de 310 microns (75+25+150+10+50). La membrane poreuse, si elle existe, étant en relation directe avec le canal réservé au fluide, est intégrée à la section libre accessible au fluide, sa porosité étant prise en compte. Ici, le ratio serait donc de 150 divisé par (75+25/2), de l'ordre de 1.7 Dans l'élément d'adsorption selon l'invention, la largeur de l'espace laissé au fluide dans un canal (2epf) est de préférence inférieure à 2 fois l'épaisseur de la couche adsorbante epads (en cas de support) ou à l'épaisseur de ladite couche en cas d'absence de support.

Dans le cadre de l'invention, les contacteurs installés en série peuvent avoir des caractéristiques différentes en particulier l'adsorbant déposé peut être différent d'un contacteur à un autre, par exemple 2 zéolites de nature différentes comme CaLSX et LiLSX ou l'épaisseur des couches peut être différente, par exemple plus mince pour le dernier des contacteurs d'une série pour en favoriser la cinétique. Plus généralement, il peut s'agir de différences sur l'une quelconques des caractéristiques liées à la géométrie ou aux propriétés physiques, par exemple : - densité, capacité calorifique, conductibilité thermique, éventuellement porosité de la feuille support; - densité, capacité calorifique, conductibilité thermique, éventuellement porosité de la couche adhésive éventuelle; - porosité totale, taille moyenne des macropores, densité des particules d'adsorbants, éventuellement dimension, porosité interne, capacité calorifique, conductibilité thermique ainsi que isothermes d'adsorption et de co-adsorption liant l'adsorbant et les molécules présentes dans le flux gazeux pour la couche adsorbante. La présente invention a également pour objet un dispositif de séparation ou de purification d'un fluide comprenant au moins un élément d'adsorption selon l'invention. Ce dispositif peut être utilisé plus spécialement : - pour capturer le CO2 contenu dans un flux gazeux ; ou - dans une unité TSA dont l'étape d'adsorption est de durée inférieure ou égale à 30 minutes, préférentiellement d'environ 15 minutes ; ou - dans un cycle PSA H2, PSA 02, VSA 02, PSA ou VSA CO2. 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.

L'invention va maintenant être décrite dans le cas d'un TSA (Temperature Swing Adsorption) destiné à retirer l'eau et l'essentiel du CO2 d'un flux d'air sous moyenne pression. L'unité comprend 2 adsorbeurs comme celui représenté sur la Figure 16.

Le cycle utilisé est un cycle classique comportant une étape d'adsorption à 5 bar abs et à température ambiante qui permet de produire de l'air sec et décarbonaté. Pendant ce temps, le second adsorbeur est en régénération. La particularité du cycle est que les étapes d'adsorption et de régénération ne durent que 10 minutes. L'utilisation de contacteurs permet de conserver des zones de transfert de masse réduite et d'utiliser l'essentiel de l'adsorbant à l'équilibre. Chaque adsorbeur comprend un élément d'adsorption 1 selon l'invention logé dans une enveloppe 2 comprenant une virole 8 et des fonds 9,10. Les éléments 13,14,15 représentent les tubulures d'entrée/sortie. L'élément d'adsorption est constitué d'une pluralité de modules 3,4..., chacun des modules étant formé de 2 contacteurs en série 11 et 12 séparés par un espaceur de type croisillon 16 évitant un bouchage éventuel des passages réservés à l'air. Les 2 contacteurs et l'espaceur central sont assemblés en un seul module rendu étanche vers l'extérieur par l'enveloppe 19. Les différents modules sont supportés par la plaque de fond 6, elle-même fixée à la virole. L'étanchéité à l'extrémité inférieure se fait par l'intermédiaire d'un système de joint 20 classique. Ici, la plaque supérieure 7 a seulement un rôle de guide maintenant en place les divers modules. L'espace entre les modules 17 est rempli d'un matériau isolant thermique 18 de sorte que le volume libre résiduel est inférieur à 35%. L'espace entre modules représente environ 25% du volume de l'élément. En prenant en compte le volume libre des modules, on arrive à un système présentant un volume offert au gaz de l'ordre de 30%, ce qui est comparable - et même plus faible- que ce que l'on trouve avec des lits d'adsorbants classiques. En adsorption, l'air humide 31 rentre en partie basse, est séché et décarbonaté et sort 32 par une des tubulures en partie supérieure. Après 10 minutes de fonctionnement, l'adsorbeur est dépressurisé puis le gaz de régénération 33 est introduit en tête d' adsorbeur. Ce gaz est chauffé via l'échangeur 34 à une température de l'ordre de 150°C. Chaque adsorbeur comporte son propre réchauffeur situé à proximité de l'élément adsorbant, ceci afin de minimiser l'inertie thermique. Le matériau isolant 18 a le double rôle d'isoler l'élément de la virole (à la périphérie) et de diminuer le volume mort tout en limitant l'inertie thermique.

Moyennant éventuellement de légères modifications, le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans divers procédés PSA tels que les PSA H2 devant produire de l'hydrogène à haute pureté, le déballastage en CO2 par PSA ou VSA, les PSA/ VSA 02. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à la capture du CO2 dans les flux gazeux basse pression, de l'ordre de 0,8 à 2 bar absolus. En effet, des études ont montré qu'une des parts importante dans le coût de la capture du CO2 dans les flux gazeux basse pression était la consommation énergétique liée à la perte de charge dans le procédé de capture. On notera que dans les systèmes régénérables, c'est également la diminution de la perte de charge pendant la régénération qui peut-être le moteur pour le choix d'adsorbeurs à contacteurs à passages parallèles.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Elément d'adsorption pour l'épuration ou la séparation d'un fluide, comprenant : - M modules ((3), (4), (5)...) en parallèle, avec M > 2, chaque module étant espacé du module voisin par un volume (17) et comprenant au moins 1 contacteur à passages parallèles, - une section d'entrée (6), et - une section de sortie (7), et caractérisé en ce que le ratio du volume d'adsorbant compris dans les M modules sur le volume libre accessible au fluide, entre la section d'entrée et la section de sortie du dit élément, est supérieur à 0.75.
2. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un flux gazeux.
3. 3. Elément selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque module comprend au moins 2 contacteurs à passages parallèles disposés en série dans le sens du trajet du fluide à adsorber.
4. 4. Elément selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque module présente des parois étanches.
5. 5. Elément selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les sections d'entrée et de sortie présentent entre chaque module des éléments d'étanchéité.
6. 6. Elément selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le volume (17) est au moins partiellement rempli par un garnissage limitant ou excluant la présence d'un flux gazeux.
7. 7. Elément selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les modules sont essentiellement cylindriques.
8. 8. Elément selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les contacteurs comprennent un matériau adsorbant fixé sur une feuille support plissée, ladite feuille étant enroulée en spirale seule ou associée à une feuille plane.
9. 9. Elément selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les contacteurs comprennent un matériau adsorbant fixé sur une feuille enroulée en une spirale dont les passages sont maintenus ouverts par des espaceurs.
10. 10. Elément selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'épaisseur du matériau adsorbant est inférieur à 500 microns, de préférence inférieure à 250 microns.
11. 11. Dispositif de séparation ou de purification d'un fluide comprenant au moins un élément d'adsorption selon l'une des revendications 1 à 10.
12. 12. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 11 pour sécher, décarbonater ou arrêter des impuretés secondaires d'un flux gazeux.
13. 13. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 11 pour capturer le CO2 contenu dans un flux gazeux.
14. 14. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 11 dans une unité TSA dont l'étape d'adsorption est de durée inférieure ou égale à 30 minutes, préférentiellement d'environ 15 minutes.
15. 15. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 11 dans un cycle PSA H2, PSA 02 ou VSA 02.