FR3101554A3 - adsorber provided with a self-sealing means of the system for maintaining granular materials - Google Patents
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Abstract
Adsorbeur, notamment d'une installation de purification des gaz, comportant au moins un lit d’adsorbant, le lit comportant au moins matériau granulaire actif et matériau granulaire de colmatage ayant chacun une granulométrie différente.Adsorber, in particular of a gas purification installation, comprising at least one adsorbent bed, the bed comprising at least active granular material and granular sealing material each having a different granulometry.
Description
La présente invention est relative à un adsorbeur pourvu d’un moyen d’auto-colmatage du système de maintien des matériaux granulaires.The present invention relates to an adsorber provided with a self-sealing means of the system for maintaining granular materials.
L’invention concerne tout récipient contenant des matériaux granulaires maintenus par des éléments de maintien, tels que des toiles ou du micro métal, mais porte aussi sur des procédés d’adsorption mettant en œuvre de tels récipients.The invention relates to any container containing granular materials held by retaining elements, such as cloths or micro metal, but also relates to adsorption processes using such containers.
Les procédés industriels de séparation ou de purification des gaz sont classiquement composés d’au moins un récipient contenant un matériau adsorbant sous forme granulaire.Industrial gas separation or purification processes are conventionally composed of at least one container containing an adsorbent material in granular form.
Ces grains sont la plupart du temps retenus via des toiles supportées par des grilles et dont les ouvertures sont adaptées afin de ne pas être bouchées par les plus petits grains tout en préservant une surface de passage très élevée.These grains are most of the time retained via webs supported by grids and whose openings are adapted so as not to be blocked by the smallest grains while preserving a very high passage surface.
Il existe deux grandes familles d’adsorbeurs, distinguées par le sens d’écoulement des gaz, l’une étant à écoulement vertical et l’autre à écoulement radial. Si la première est généralement choisie pour les unités de petite taille, la seconde est adaptée aux plus grandes capacités.There are two main families of adsorbers, distinguished by the direction of gas flow, one being vertical flow and the other radial flow. While the former is generally chosen for smaller units, the latter is suitable for larger capacities.
La technologie axiale doit répondre à de nombreuses contraintes techniques, comme la diminution des pertes de charges et des volumes vides, la bonne distribution du gaz, le maintien des adsorbants pouvant être entrainés par le gaz ou les aléas liés aux mouvements des adsorbeurs lors de leur transport depuis l’atelier jusqu’au site de production.Axial technology must meet many technical constraints, such as reducing head losses and empty volumes, good distribution of the gas, maintaining the adsorbents that may be entrained by the gas or the hazards associated with the movements of the adsorbers during their transport from the workshop to the production site.
On rencontre principalement deux solutions permettant de soutenir les matériaux granulaires dans des adsorbeurs à écoulement axial.There are mainly two solutions for supporting granular materials in axial flow adsorbers.
Une première solution connue consiste à installer, en partie basse des récipients, une grille rigide présentant des orifices de passage du gaz de grande taille, bien souvent de section supérieure au cm, sur laquelle est fixée une toile de maille beaucoup plus fine empêchant le matériau granulaire de s’écouler.A first known solution consists in installing, in the lower part of the receptacles, a rigid grid having large gas passage orifices, very often with a section greater than one cm, on which is fixed a much finer mesh fabric preventing the material. granular to flow.
Cette solution permet de minimiser les pertes de charge et la distribution dans la zone basse des adsorbeurs, mais ne diminue pas les volumes morts. Cette solution augmente le coût de fabrication et présente un risque de fuite du matériau granulaire en cas de défaut sur l’installation de la toile ou de dommage sur celle-ci.This solution makes it possible to minimize the pressure drops and the distribution in the lower zone of the adsorbers, but does not reduce the dead volumes. This solution increases the cost of manufacture and presents a risk of leakage of the granular material in the event of a defect in the installation of the fabric or of damage thereto.
Une deuxième solution connue consiste à remplir la partie basse des récipients d’un matériau dit « de supportage », le plus souvent de type céramique et dont les particules sont de grande taille afin de minimiser les pertes de charge et de faciliter la distribution gazeuse.A second known solution consists in filling the lower part of the receptacles with a so-called "support" material, most often of the ceramic type and the particles of which are large in order to minimize pressure drops and to facilitate gas distribution.
Selon les cas, un « mesh » souple pourra être installé entre le matériau de supportage et le matériau actif de beaucoup plus faible granulométrie.Depending on the case, a flexible “mesh” can be installed between the support material and the active material of much smaller particle size.
Ce système, s’il est simple à mettre en œuvre et peu coûteux, induit un risque majeur d’écoulement du matériau actif au travers du matériau de supportage en cas de mauvaise installation du « mesh » souple, de « mesh » endommagé (par exemple par une soudure) ou de mouvements des lits (c’est souvent le cas, lors du transport des adsorbeurs remplis ou lors d’un changement de pression accidentel du procédé d’adsorption).This system, if it is simple to implement and inexpensive, induces a major risk of flow of the active material through the support material in the event of improper installation of the flexible "mesh", of damaged "mesh" (for example). for example by welding) or bed movements (this is often the case when transporting filled adsorbers or during an accidental pressure change in the adsorption process).
En alternative, des couches de matériau céramique superposées, respectant un facteur de taille décroissant (facteur 2 à 3), sont insérées.As an alternative, superimposed layers of ceramic material, respecting a decreasing size factor (factor 2 to 3), are inserted.
Cette dernière configuration, si elle respecte une épaisseur minimale de 7 à 10 cm pour chaque couche, présente l’avantage d’empêcher toute migration d’une couche à travers une autre (c’est la plus robuste) mais elle complexifie le processus de remplissage des adsorbeurs et ne permet pas une grande compacité de la zone de supportage.This last configuration, if it respects a minimum thickness of 7 to 10 cm for each layer, has the advantage of preventing any migration from one layer through another (it is the most robust) but it complicates the process of filling of the adsorbers and does not allow great compactness of the support zone.
Dans le cas des adsorbeurs à écoulement radial, il faut retenir le matériau actif entre des grilles concentriques rigides recouvertes de toile ou micro-métal.In the case of radial flow adsorbers, the active material must be retained between rigid concentric grids covered with fabric or micro-metal.
Lors de la fabrication d’un tel adsorbeur radial, un nombre important de bandes de micro-métal doivent être plaquées contre les grilles et maintenues grâce à des goujons soudés.When manufacturing such a radial adsorber, a large number of micro-metal strips must be pressed against the grids and held in place with welded studs.
Les risques de fuite des matériaux granulaires restent élevés sur ce type de technologie en raison :The risks of granular material leakage remain high with this type of technology due to:
- de la multiplicité des zones de soudage des goujons sur ces bandes de micro-métal (des petites rondelles limitant les risques de fuite peuvent être installées au niveau des zones de soudure, mais celles-ci sont toujours susceptibles d’être arrachées lors des phases d’inspection, de vidange, de remplissage des adsorbeurs) ;the multiplicity of stud welding zones on these micro-metal strips (small washers limiting the risk of leakage can be installed at the welding zones, but these are always liable to be torn off during the phases of 'inspection, emptying, filling of adsorbers);
- de la mauvaise application des bandes qui crée alors des plis ou des vagues qui laisseront passer le matériau granulaire en périphérie des bandes ;poor application of the bands which then creates folds or waves which will allow the granular material to pass around the periphery of the bands;
- de la perforation du micro métal lié bien souvent à des projections de soudure ou à une fragilisation du métal par contact accidentel avec l’outil de soudage.perforation of the micro metal often associated with welding spatter or weakening of the metal by accidental contact with the welding tool.
En conséquence, ce type de géométrie, lié aux adsorbeurs à écoulement radial, implique un haut niveau de savoir-faire de l’assembleur et de nombreuses inspections.As a result, this type of geometry, associated with radial flow adsorbers, involves a high level of assembler know-how and extensive inspections.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un adsorbeur pourvu d’un moyen d’auto-colmatage du système de maintien des matériaux granulaires.The present invention aims to effectively remedy these drawbacks by providing an adsorber provided with a self-sealing means of the system for maintaining granular materials.
Selon une réalisation, le système de maintien comporte au moins une toile ou du micro métal.According to one embodiment, the support system comprises at least one cloth or micro metal.
Selon une réalisation, l’adsorbeur comporte un récipient, contenant des matériaux granulaires.According to one embodiment, the adsorber comprises a container, containing granular materials.
Un tel moyen d’auto-colmatage de la toile ou du micro-métal, permet d’inhiber les fuites inhérentes au système de maintien des matériaux granulaires de petites taille (généralement de 0,5 mm à 5 mm).Such a means of self-sealing the canvas or the micro-metal, makes it possible to inhibit the leaks inherent in the system for holding small granular materials (generally 0.5 mm to 5 mm).
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit.The invention will be better understood on reading the following description.
L’invention consiste à mélanger un matériau granulaire actif MA (l’adsorbant), avec un matériau granulaire de colmatage MC dont la granulométrie moyenne a un diamètre moyen supérieur à celui du matériau granulaire actif MA.The invention consists in mixing an active granular material MA (the adsorbent), with a granular plugging material MC whose average particle size has an average diameter greater than that of the granular active material MA.
Le matériau granulaire de colmatage MC peut comporter un matériau granulaire inactif, comme un matériau céramique ou un deuxième matériau granulaire actif, tel que le matériau granulaire actif MA.The granular plugging material MC may include an inactive granular material, such as a ceramic material, or a second active granular material, such as the active granular material MA.
Selon une réalisation, le matériau granulaire de colmatage MC et le matériau granulaire actif MA ont une granulométrie différente.According to one embodiment, the granular plugging material MC and the active granular material MA have a different particle size.
Selon une réalisation, un ratio de taille et/ou de densité doit être respecté entre le matériau granulaire actif et le matériau granulaire de colmatage.According to one embodiment, a size and / or density ratio must be observed between the active granular material and the granular plugging material.
En cas de fuite du matériau granulaire actif MA à travers un orifice du système de maintien, dont la section sera nécessairement supérieure au diamètre de la plus grosse particule du matériau granulaire actif MA, celui-ci s’écoulera jusqu’à ce qu’une particule du matériau granulaire de colmatage MC vienne obstruer au moins partiellement l’orifice.In the event of leakage of the active granular material MA through an orifice of the holding system, the section of which will necessarily be greater than the diameter of the largest particle of the active granular material MA, the latter will flow until a particle of the granular plugging material MC comes to at least partially obstruct the orifice.
Le choix du matériau granulaire de colmatage MC doit répondre à plusieurs critères pour que l’effet d’auto-colmatage soit efficace et ne réduise pas l’efficacité du procédé d’adsorption :The choice of the MC granular sealing material must meet several criteria so that the self-sealing effect is effective and does not reduce the efficiency of the adsorption process:
- le diamètre moyenne des particules du matériau granulaire de colmatage MC doit être au maximum trois fois plus grand que celui du matériau granulaire actif MA ; en effet, si le ratio excédait ce facteur de trois, les particules du matériau granulaire actif MA pourraient migrer au travers des particules du matériau granulaire de colmatage MC accumulées au niveau de l’orifice ; pour maximiser la taille des orifices de fuite pouvant être bouchés via ce dispositif, plusieurs granulométries de matériau granulaire de colmatage MC pourront être utilisées, chacune respectant le ratio de taille moyenne précédemment cité ; ainsi, les granulométries de chaque matériau granulaire de colmatage seraient telles que : MA ≤ MC1≤ … ≤ MCnavec MC1≤ 3 x MA , MCn≤ 3 x MCn-1, avec n granulométries différentes (donc n matériaux MC1, MCn-1, MCn);the average particle diameter of the granular plugging material MC must be at most three times greater than that of the active granular material MA; in fact, if the ratio exceeded this factor of three, the particles of the active granular material MA could migrate through particles of the granular plugging material MC accumulated at the orifice; in order to maximize the size of the leak orifices which can be plugged via this device, several particle sizes of granular plugging material MC may be used, each respecting the aforementioned average size ratio; thus, the particle sizes of each granular plugging material would be such as: MA ≤ MC1≤… ≤ MCnotwith MC1≤ 3 x MA, MCnot≤ 3 x MCn-1, with n different grain sizes (therefore n MC materials1, MCn-1, MCnot);
- la quantité totale du matériau granulaire de colmatage MC doit être faible, et représenter moins de 1% du volume de matériau granulaire actif MA, préférentiellement moins de 0,5% du volume de celui-ci ;the total amount of granular plugging material MC must be low, and represent less than 1% of the volume of active granular material MA, preferably less than 0.5% of the volume thereof;
- la densité du matériau granulaire de colmatage MC doit être proche de celle du matériau granulaire actif MA, préférentiellement +/- 10 %, afin de minimiser les risques de ségrégation du matériau granulaire actif MA et du matériau granulaire de colmatage MC ; on choisira préférentiellement un matériau granulaire de colmatage MC de même nature que le matériau granulaire actif MA.the density of the granular plugging material MC must be close to that of the active granular material MA, preferably +/- 10%, in order to minimize the risks of segregation of the active granular material MA and granular plugging material MC; one will preferentially choose a granular plugging material MC of the same nature as the active granular material MA.
Dans un exemple de réalisation d’un VSA O2 (VSA, pour « Vacuum Swing Adsorption »), l’adsorbeur de type radial et centrifuge comporte un matériau granulaire actif MA comportant du lithium dont la granulométrie moyenne est comprise entre 0,9 mm et 1,1 mm, et la granulométrie maximale est de 1,6 mm. Le « mesh » présente un orifice dont la section est de 4 mm (cet orifice est par exemple lié à un défaut de fabrication).In an exemplary embodiment of a VSA O2 (VSA, for “Vacuum Swing Adsorption”), the adsorber of the radial and centrifugal type comprises an active granular material MA comprising lithium, the average particle size of which is between 0.9 mm and 1.1 mm, and the maximum particle size is 1.6 mm. The “mesh” has an orifice whose section is 4 mm (this orifice is for example linked to a manufacturing defect).
La taille maximale (notamment le diamètre maximal) des particules étant de 1,6 mm et l’adsorbeur étant soumis à des cycles de pression et de vibrations générées par le compresseur (ou « blower ») et la pompe à vide, le matériau granulaire actif MA situé en partie supérieure de l’orifice va s’écouler progressivement, jusqu’à arrêt de l’unité voire jusqu’à son endommagement.The maximum size (in particular the maximum diameter) of the particles being 1.6 mm and the adsorber being subjected to cycles of pressure and vibrations generated by the compressor (or “blower”) and the vacuum pump, the granular material active MA located in the upper part of the orifice will flow gradually, until the unit stops, or even until it is damaged.
Dans un exemple de réalisation d’un adsorbeur, au moment du remplissage de celui-ci, on mélange au matériau granulaire actif MA (c’est-à-dire à l’adsorbant) :In an exemplary embodiment of an adsorber, when it is filled, the following are mixed with the active granular material MA (that is to say with the adsorbent):
- 0,25% en volume de particules, notamment de même nature, de granulométrie moyenne égale à 3 mm (ces particules formant le matériau granulaire de colmatage MC1);0.25% by volume of particles, in particular of the same nature, with an average particle size equal to 3 mm (these particles forming the granular sealing material MC1);
- 0,25% en volume de particules, notamment de même nature, de granulométrie moyenne égale à 6 mm (ces particules formant le matériau granulaire de colmatage MC2).0.25% by volume of particles, in particular of the same nature, with an average particle size equal to 6 mm (these particles forming the granular sealing material MC2).
Ainsi, statistiquement, toutes les 400 particules du matériau granulaire de colmatage MC1 (de granulométrie moyenne égale à 3 mm), susceptibles de s’écouler au travers de l’orifice, une de ces particules aura un diamètre (ou une taille) supérieur ou égale à la section maximale de l’orifice et viendra l’obstruer au moins partiellement.Thus, statistically, for every 400 particles of the granular plugging material MC1 (with an average particle size equal to 3 mm), liable to flow through the orifice, one of these particles will have a diameter (or a size) greater or equal to the maximum section of the orifice and will obstruct it at least partially.
Par ailleurs, si uniquement des particules du matériau granulaire de colmatage, issues de la granulométrie moyenne égale à 6 mm étaient mélangés au matériau granulaire actif MA (dont la granulométrie moyenne est égale à 1 mm, dans l’exemple considéré), les particules du matériau granulaire de colmatage MC pourraient alors ne pas former une barrière efficace pour le matériau granulaire actif.Furthermore, if only particles of the granular sealing material, resulting from the average particle size equal to 6 mm were mixed with the active granular material MA (whose average particle size is equal to 1 mm, in the example considered), the particles of the granular plugging material MC might then not form an effective barrier for the active granular material.
Pour cette raison il est préférable d’opter pour un mélange de granulométries pour le matériau granulaire de colmatage, à savoir : la granulométrie moyenne égale à 3 mm et la granulométrie moyenne égale à 6 mm, respectivement pour MC1et MC2.For this reason, it is preferable to opt for a mixture of particle sizes for the granular sealing material, namely: the average particle size equal to 3 mm and the average particle size equal to 6 mm, respectively for MC 1 and MC 2 .
Sur un adsorbeur d’un VSA Oxygène permettant de produire 100 T/j, le volume de LiLSX d’un adsorbeur est de l’ordre de 20 m3, il faudrait donc mélanger 50 litres de chacun des matériaux granulaires de colmatage dans chaque adsorbeur.On an adsorber of an Oxygen VSA making it possible to produce 100 T / d, the volume of LiLSX of an adsorber is of the order of 20 m 3 , so it would be necessary to mix 50 liters of each of the granular plugging materials in each adsorber .
Pour optimiser le fonctionnement du système de colmatage, on pourrait injecter les matériaux granulaires de colmatage proche des zones susceptibles de fuir, à savoir le bas des lits dans un adsorbeur axial et à proximité des grilles qui ne sont pas la grille intermédiaire pour un adsorbeur radial.To optimize the operation of the sealing system, the granular sealing materials could be injected close to the areas liable to leak, namely the bottom of the beds in an axial adsorber and near the grids which are not the intermediate grid for a radial adsorber. .
On pourrait ainsi, au choix, augmenter localement la proportion de matériau de colmatage ou conserver la même proportion ce qui réduirait la quantité totale de matériaux granulaires de colmatage utilisé.It would thus be possible, as desired, to locally increase the proportion of plugging material or to keep the same proportion, which would reduce the total amount of granular plugging material used.
Pour les adsorbeurs transportés remplis, on s’assurera par des tests simulant les conditions réelles que les matériaux granulaires de colmatage choisis ne migrent pas vers le haut de l’adsorbeur.For the adsorbers transported filled, it will be ensured by tests simulating the real conditions that the granular filling materials chosen do not migrate upwards of the adsorber.
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