FR3063438A1 - Sechage d'un flux d'air au moyen d'une membrane d'oxyde de graphene - Google Patents
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Abstract
Dispositif de séparation des gaz de l'air mettant en œuvre un flux d'air (4) comprenant de la vapeur d'eau comprenant : a) une membrane d'oxyde de graphene (1) permettant de sécher le flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux, et b) une unité de séparation des gaz de l'air permettant de séparer les gaz du flux d'air séché (6).
Description
Titulaire(s) : L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : L'AIR LIQUIDE.
FR 3 063 438 - A1 (54) SECHAGE D'UN FLUX D'AIR AU MOYEN D'UNE MEMBRANE D'OXYDE DE GRAPHENE.
©) Dispositif de séparation des gaz de l'air mettant en oeuvre un flux d'air (4) comprenant de la vapeur d'eau comprenant:
a) une membrane d'oxyde de graphene (1) permettant de sécher le flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux, et
b) une unité de séparation des gaz de l'air permettant de séparer les gaz du flux d'air séché (6).
i
La présente invention est relative à un dispositif et à un procédé de séparation des gaz de l'air mettant en œuvre un flux d'air comprenant de l'eau.
Le séchage d'air plus la décarbonation et l'élimination des hydrocarbures (C2H2), NOx et SOx sont une étape préalable et critique à la séparation des gaz de l'air (N2,O2,Ar ) quelle que soit la méthode et la production d'air comprimé .
Plusieurs techniques de séchage de l'air ont été et sont encore utilisées.
Préalablement à une unité de distillation cryogénique visant à produire de l'oxygène, on utilise habituellement les procédés de séchage suivant :
- REVEX : refroidissement de l'air jusqu'au point de condensation de l'eau et réchauffage alternatifs,
- PSA : procédé d'adsorption à variation de pression (pressure swing adsorption)
- TSA : procédé d'adsorption à variation de température (thermal swing adsorption)
- PTSA : procédé d'adsorption à variation de pression et de température (thermal pressure swing adsorption).
Néanmoins dans la majorité des cas, l'air qui est préalablement comprimé dans un compresseur doit être refroidi par des tours à eaux (ou échangeurs) pour condenser une partie importante (50 à 90%) de l'eau avant de l'envoyer dans des lits d'adsorbants dimensionnés pour éliminer le résiduel d'eau, CO2, N2O, CnHm.
Le séchage de l'air et son épuration avant envoi dans la colonne à distiller peut représenter une partie significative de l'énergie dépensée dans les ASU (unité de séparation d'air) et de l'investissement ainsi que qu'une source principale des coûts de maintenance.
Préalablement à une unité de production d'azote par cryogénie à partir d'air, l'air sortant du compresseur est habituellement refroidi au moyen de groupes froids mécaniques qui condensent l'eau accompagnée des autres impuretés présentes (CO2, NOx, SOx, CnHm, huiles). Ces groupes froids consomment entre 5% et 10% de l'énergie nécessaire à la production N2 et sont la principale source de besoin de maintenance.
Préalablement à une unité PSA 02 ou N2 mettant en œuvre un flux d'alimentation d'air, l'air sortant du compresseur est habituellement refroidi par des groupes froids mécaniques jusqu'à la condensation partielle ou totale de l'eau accompagnée des autres impuretés et/ou une couche d'adsorbant en tête des lits de séparation des gaz adsorbe de façon réversible H2O, CO2...
Les principaux inconvénients de cette technique sont de consommer une partie significative de l'énergie nécessaire à la production des gaz et consommer une partie du gaz sec produit pour régénérer l'adsorbant.
Préalablement à une unité VSA 02 mettant en œuvre un flux d'alimentation d'air, l'air est habituellement séché et épuré par un lit d'adsorbants placé avant l'adsorbant servant à retirer l'azote de l'air entrant dans le système. L'eau et les autres impuretés sont désorbées alternativement par un flux de gaz sec à contre-courant. Ceci représente une part significative de l'énergie de séparation et de l'investissement.
Partant de là, un problème qui se pose est de fournir un dispositif et un procédé amélioré pour la séparation des gaz de l'air.
Une solution de la présente invention est un dispositif de séparation des gaz de l'air mettant en œuvre un flux d'air comprenant de la vapeur d'eau comprenant :
a) une membrane d'oxyde de graphene 1 permettant de sécher le flux d'air 4, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux, et
b) une unité de séparation des gaz de l'air permettant de séparer les gaz du flux d'air séché 6. Selon le cas le dispositif selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- ledit dispositif comprend en amont de la membrane d'oxyde de graphene 1 un compresseur permettant de comprimer le flux d'air 4 à une pression supérieure à 1 barg,
- la membrane d'oxyde de graphene 1 a la forme d'un cylindre creux,
- la membrane d'oxyde de graphene 1 est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air
3,
- le conduit de circulation du flux d'air 2 présente un diamètre D et le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene 1 présente un diamètre d tel que 0,6D < d < 0,8D,
- ledit dispositif comprend un espace cylindrique 3 entre le conduit de circulation du flux d'air 4 et la membrane d'oxyde de graphene 1 permettant la récupération et la circulation d'eau,
- le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene constitue également un conduit de circulation du flux d'air,
- le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene se trouve dans le prolongement d'un conduit de circulation du flux d'air,
- le support poreux est constitué d'un matériau inorganique, et préférentiellement une céramique,
- le support poreux sera constitué d'un matériau polymère, de préférence choisi parmi le PTFE, le PVDF et le polycarbonate.
- la couche d'oxyde de graphene présente une épaisseur comprise entre 10 pm et 100 pm.
-l'unité de séparation des gaz de l'air est une unité de distillation cryogénique ou une unité de séparation par adsorption de type PSA, VSA, ou VPSA ; pour rappel une unité VSA est une unité d'adsorption à variation de pression avec régénération sous vide de l’adsorbant, une unité PSA est une unité d'adsorption à variation de pression, avec une variation de pression supérieure à l'atmosphère et une unité VPSA est une unité d'adsorption dans laquelle on observe une variation de pression entre une pression inférieure à l'atmosphère et une pression supérieure à l'atmosphère.
Vues latéralement, les couches d'oxyde de graphene sont constituées d'un plan d'atomes de carbone issu du graphene sur lequel sont greffés des groupements -COOH, -COH, -OH des deux côtés et de façon aléatoire.
Lorsque deux plans d'oxyde de graphene sont mis en regard, ils sont très fortement liés des liaisons H. Il se crée entre les deux plans, un nanocanal. Ce nanocanal est imperméable à tous les gaz et liquides sauf l'eau et les hydrates dont la taille est< 5 nm.
A faible pression partielle de vapeur d'eau, les molécules d'eau s'intercalent entre les groupement greffés créant une pression, écartant ainsi les deux plans. Lorsque la pression partielle d'eau à l'entrée du canal augmente, il se forme de l'eau liquide qui migre sans résistance dans le nanocanal. La seule force motrice de la migration de l'eau est la différence de pressions partielles H20 entre l'entrée et la sortie du nanocanal.
Une membrane de 1 m2 pour une humidité relative de 100 % à la température ambiante, laisse passer 500 g/h d'eau soit l'équivalent de la totalité de l'eau contenue dans environ 30 m3 d'air.
Usuellement l'oxyde de graphene est vendu sous forme de flocons dispersés par ultrasonification dans des solutions aqueuses ou organiques. Il peut être appliqué sur des surfaces au moyen de sprays puis séché.
Dans le cas présent, des couches d'oxyde de graphene sont déposées sur un support poreux au moyen d'un spray. Une fois séchées les couches de GO déposées , forment en empilement en chicane , créant une multitude de canaux au travers desquels migrent l'eau et ses hydrates si leur taille est < 5 nm.
Le support poreux peut -être un matériau plastique poreux de type polycarbonate, PVDF, poly aramide résistant à des températures proches de 200 °C ou un matériau céramique ou métallique poreux dont la porosité est suffisamment fine pour servir de support aux flocons de GO et laisser passer l'eau.
Le support peut être plat, cylindrique ou d'une autre géométrie compatible avec le design. Le principe est d'installer les systèmes de séchage constitués des supports renfermant ces couches de GO, en aval des compresseurs, de les faire fonctionner à la pression et température de sortie du compresseurs (5 bar et 150°C par exemple), voir une température légèrement refroidie pour être compatible avec les matériaux utilisés.
La surface extérieure peut par exemple être gainée par exemple dans un conduit de circulation d'air et balayée continuellement dans l'espace 3 par un gaz sec chaud ou un adsorbant jetable (Figure 1).
L'autre solution consiste à faire jouer à la membrane d'oxyde de graphene le rôle de conduit de circulation du flux d'air (figure 2). Pour cela la membrane d'oxyde de graphene cylindrique sera raccordée à un conduit de circulation du flux d'air.
La présente invention a également pour objet un procédé de séparation des gaz de l'air à partir d'un flux d'air comprenant de la vapeur d'eau, mettant en œuvre un dispositif selon l'invention et comprenant les étapes suivantes :
a) une étape de séchage du flux d'air 4 au moyen de la dite membrane d'oxyde de graphene 1, et
b) une étape de séparation des gaz du flux d'air séché 6 à l'étape a).
Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- ledit procédé comprend en amont de l'étape a) de séchage une étape de compression du flux d'air à une pression supérieure à lbarg au moyen du dit compresseur.
- la membrane d'oxyde de graphene 1 a la forme d'un cylindre creux et est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air 2, et l'étape de séchage a) comprend successivement les sous-étapes suivantes :
i) circulation du flux d'air 4 à l'intérieur de la membrane d'oxyde de graphene 1 présentant une forme de cylindre creux, ii) mise en contact du flux d'air 4 avec la surface intérieure de la membrane d'oxyde de graphene 1, iii) migration de l'eau présent dans le flux d'air 4 à travers la membrane d'oxyde de graphene 1, iv) circulation de l'eau qui a migré dans l'espace cylindrique 3 situé entre le conduit de circulation du flux d'air 2 et la membrane d'oxyde de graphene 1 et
v) récupération en sortie du conduit d'un flux d'air séché 6 et d'un flux d'eau 7.
- la membrane d'oxyde de graphene 1 a la forme d'un cylindre creux et constitue également un conduit de circulation du flux d'air, et l'étape de séchage a) comprend successivement les sousétapes suivantes :
i) circulation du flux d'air 4 à l'intérieur de la membrane d'oxyde de graphene 1 présentant une forme de cylindre creux, ii) mise en contact du flux d'air 4 avec la surface intérieure de la membrane d'oxyde de graphene (1), iii) migration de l'eau présent dans le flux d'air à travers la membrane d'oxyde de graphene 1, et iv) récupération en sortie du conduit d'un flux d'air séché 6.
De manière plus générale la présente invention concerne l'utilisation d'une membrane d'oxyde de graphene pour sécher un flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux.
Claims (17)
- Revendications1. Dispositif de séparation des gaz de l'air mettant en œuvre un flux d'air (4) comprenant de la 5 vapeur d'eau comprenant :a) une membrane d'oxyde de graphene (1) permettant de sécher le flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux, etb) une unité de séparation des gaz de l'air permettant de séparer les gaz du flux d'air séché (6).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend en amont de la membrane d'oxyde de graphene (1) un compresseur permettant de comprimer le flux d'air à une pression supérieure à 1 barg.15
- 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane d'oxyde de graphene (1) a la forme d'un cylindre creux.
- 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la membrane d'oxyde de graphene (1) est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air (2).
- 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conduit de circulation du flux d'air (2) présente un diamètre D et le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene (1) présente un diamètre d tel que 0,
- 6D < d < 0,8D.25 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un espace (3) cylindrique entre le conduit de circulation du flux d'air et la membrane d'oxyde de graphene permettant la récupération et la circulation d'eau.
- 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cylindre de la membrane d'oxyde de graphene (1) constitue également un conduit de circulation du flux d'air.
- 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le cylindre de la membrane d'oxyde5 de graphene se trouve dans le prolongement d'un conduit de circulation du flux d'air.
- 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support poreux est constitué d'un matériau inorganique, et préférentiellement une céramique.
- 10 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le support poreux sera constitué d'un matériau polymère, de préférence choisi parmi le PTFE, le PVDF et le polycarbonate.
- 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la couche d'oxyde de15 graphene présente une épaisseur comprise entre 10 pm et 100 pm.
- 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'unité de séparation des gaz de l'air est une unité de distillation cryogénique ou une unité de séparation par adsorption de type PSA, VSA, ou VPSA.
- 13. Procédé de séparation des gaz de l'air à partir d'un flux d'air comprenant de la vapeur d'eau, mettant en œuvre un dispositif tel que défini dans l'une des revendications 1 à 10 et comprenant les étapes suivantes :a) une étape de séchage du flux d'air (4) au moyen de la dite membrane d'oxyde de graphene25 (1), etb) une étape de séparation des gaz du flux d'air séché (6) à l'étape a).
- 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit procédé comprend en amont de l'étape a) de séchage une étape de compression du flux d'air à une pression supérieure à lbarg au moyen du dit compresseur.5 15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la membrane d'oxyde de graphene (1) a la forme d'un cylindre creux et est comprise dans un conduit de circulation du flux d'air (2), et l'étape de séchage a) comprend successivement les sous-étapes suivantes :i) circulation du flux d'air (4) à l'intérieur de la membrane d'oxyde de graphene (1) présentant10 une forme de cylindre creux, ii) mise en contact du flux d'air (4) avec la surface intérieure de la membrane d'oxyde de graphene (1), iii) migration de l'eau présent dans le flux d'air (4) à travers la membrane d'oxyde de graphene (D,
- 15 iv) circulation de l'eau qui a migré dans l'espace cylindrique (3) situé entre le conduit de circulation du flux d'air (2) et la membrane d'oxyde de graphene (1) etv) récupération en sortie du conduit d'un flux d'air séché (6) et d'un flux d'eau (7).
- 16. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la membrane20 d'oxyde de graphene (1) a la forme d'un cylindre creux et constitue également un conduit de circulation du flux d'air, et l'étape de séchage a) comprend successivement les sous-étapes suivantes :i) circulation du flux d'air (4) à l'intérieur de la membrane d'oxyde de graphene (1) présentant une forme de cylindre creux,25 ii) mise en contact du flux d'air (4) avec la surface intérieure de la membrane d'oxyde de graphene (1), iii) migration de l'eau présent dans le flux d'air à travers la membrane d'oxyde de graphene (1), et iv) récupération en sortie du conduit d'un flux d'air séché (6).ίο
- 17. Utilisation d'une membrane d'oxyde de graphene pour sécher un flux d'air, avec la membrane d'oxyde de graphene comprenant une couche d'oxyde de graphene supportée sur un support poreux.i
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