WO2013150196A1 - Réduction des volumes morts d'un adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux - Google Patents

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Christian Monereau
Guillaume Rodrigues
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to an adsorber wherein a particulate adsorbent bed is surmounted by a parallel passage contactor; and an adsorption process using such an adsorber, preferably a PS A method.
  • the pressure swing adsorption separation processes are based on the physical adsorption phenomenon and make it possible to separate or purify gases by pressure cycling the gas to be treated through one or more adsorbent beds, such as a bed of zeolite, activated carbon, activated alumina, silica gel, molecular sieve or the like.
  • PSA process denotes any process for the separation of gas by pressure-swing adsorption, implementing a cyclic variation of the pressure between a high pressure, called the adsorption pressure, and a low pressure, called regeneration pressure. Therefore, the generic name PSA process is used interchangeably to designate the following cyclic processes:
  • VPSA or MPSA processes in which the adsorption is carried out at a high pressure substantially greater than atmospheric pressure, generally between 1.6 and
  • 8 bara preferably between 2 and 6 bara
  • the low pressure is below atmospheric pressure, typically between 30 and 800 mbar, preferably between 100 and 600 mbar.
  • the PSA processes in which the adsorption is carried out at a high pressure substantially greater than atmospheric pressure, typically between 1, 6 and 50 bara, preferably between 2 and 35 bara, and the low pressure is greater than or substantially equal to atmospheric pressure, therefore between 1 and 9 bara, preferably between 1, 2 and 2.5 bara.
  • RPSA process we will also speak later of "RPSA process" to designate very fast cycle PSA processes, generally less than one minute.
  • a PSA process makes it possible to separate one or more gas molecules from a gaseous mixture containing them, by exploiting the difference in affinity of a given adsorbent or, where appropriate, of several adsorbents for these different molecules of gas.
  • the affinity of an adsorbent for a gaseous molecule depends on the structure and composition of the adsorbent, as well as the properties of the molecule, including its size, electronic structure and multipolar moments.
  • An adsorbent may be, for example, a zeolite, an activated carbon, an activated alumina, a silica gel, a carbon molecular sieve, a metallo-organic structure, one or more oxides or hydroxides of alkali or alkaline-earth metals, or a porous structure containing a substance capable of reacting reversibly with one or more gas molecules, such as amines, physical solvents, metal complexing agents, metal oxides or hydroxides for example.
  • adsorbent materials are used in containers (reactors) called "adsorbers".
  • adsorbers The most conventional adsorber geometries are cylindrical adsorbers with vertical axis, horizontal axis and radial adsorbers.
  • the invention relates essentially to vertical axis adsorbers.
  • Such an adsorber 1 is shown schematically in FIG.
  • the diameter of such an adsorber is generally fixed by the allowable pressure drops either in production or in regeneration and more generally by the concern not to set in motion the adsorbent particles. Indeed, the friction of moving particles between them or with the wall of the adsorber causes an attrition phenomenon which creates dust and ends up destroying the particles.
  • dead volumes such as that represented by reference 10 of Figure 1 are generally detrimental to the performance of PSA units.
  • the gas contained in the head of the adsorber is clean gas not recovered in the production and as such partially lost.
  • a problem that arises is to reduce the dead volume at the top of the adsorbers while avoiding attrition and an increase in pressure drops.
  • a solution of the invention is an adsorber for adsorption of a gas stream, comprising a particulate adsorbent material 4 and at least one parallel passage contactor 7 located on the production side of the adsorber.
  • particulate adsorbent material is meant an adsorbent in the form of grain, beads, rod ... of millimeter size, generally of equivalent diameter in the range of 0.5 to 5mm.
  • Parallel passage contactor means a device in which the fluid passes through channels whose walls contain adsorbent.
  • the fluid circulates in essentially obstacle free channels, these channels allowing the fluid to flow from an input to an output of the contactor.
  • These channels can be rectilinear connecting directly the input to the output of the contactor or present changes of direction.
  • the fluid is in contact with at least one adsorbent present at said walls.
  • the adsorber may have one or more of the following characteristics:
  • said adsorber comprises a cylindrical shell 2, a bottom bottom and an upper bottom 3; a particulate adsorbent material 4 contained in the cylindrical shell 2; and at least one contactor with parallel passages 7 contained at least partly in the upper bottom 3;
  • the internal diameter of the cylindrical shell is greater than or equal to 0.5 m, preferably greater than or equal to 1 m;
  • the upper bottom 3 is elliptical or hemispherical
  • the parallel passages contactor comprises a circular ring sealingly attached to its entire perimeter at the upper end; thus the incoming or outgoing gas flows completely crosses the contactor with parallel passages;
  • the parallel-channel contactor 7 comprises housings 56 enclosing channels the walls of which contain adsorbent; it should be noted that the adsorber according to the invention may comprise in its upper bottom several contactors with parallel passages in series and having different geometries;
  • the adsorbent is a zeolitic adsorbent of X or LSX type, and / or A; note that the zeolitic adsorbent can be exchanged or not; the adsorbent contained on or in the walls of the channels has a characteristic dimension of between 10 and 2,000 microns, preferably 40 to 500 microns, more preferably between 100 and 250 microns; "Characteristic dimension” means the average thickness of the adsorbent layer if it is deposited on a support, its half thickness if the gas flows on both sides of the adsorbent. In the case of a contactor cylinder in the form of fibers, it will be the radius of the fiber.
  • the parallel passage switch 7 has a passage for filling and / or emptying the cylindrical shell
  • the adsorber comprises an outlet pipe 6 and the parallel passage contactor 7 comprises a removable portion from the outlet pipe;
  • the contactor with parallel passages 7 has a thickness of between 25 and 1000 mm, preferably between 50 and 600 mm;
  • the contactor with parallel passages 7 is in the form of a truncated cone whose smallest diameter is between 95% and 30% of the internal diameter of the cylindrical shell of the adsorber, preferably between 80% and 50%> of the internal diameter of the cylindrical shell of the adsorber.
  • Figures 2.1 to 2.7 show schematically, but not limited to, different types of contactors. Indeed, the contactors may comprise channels of different shapes and sizes. We then distinguish:
  • the fluid can also circulate in the free space left by solid walls presented in the form of cylinders or fibers ( Figure 2.6).
  • the solid walls can also have the "packing" configuration as used in distillation ( Figure 2.7).
  • Many configurations are possible because the geometry of the channels is varied (triangle, trapeze, ellipse ).
  • the fluid which is preferably a gaseous flow, circulates in channels presenting little (or no) obstacle to flow. and the adsorbent is located or constitutes the wall of said channels.
  • Figure 3 shows an adsorber according to the invention. At least a portion of the parallel passage contactor 7 is located in an area whose gas passage section Sm (8) is smaller than the passage section of the adsorber S.
  • section of passage of ⁇ adsorber means the normal section to the axis of the ferrule.
  • the minimum section of the structured adsorbent bed Sm is generally between 0.95 and 0.5 S.
  • FIG. 8 shows a system comprising two contactors 81 and 82 in series and of different geometry.
  • PSA H2 treating a SMR gas to produce hydrogen containing less than 10 ppm mole of CO. It is a 12-3-4 cycle following the usual nomenclature of PSA (12 adsorbers including 3 in production and 4 balancing).
  • the diameter of each adsorber is 3 m and the height of the shell is 5 m.
  • the head of the adsorber is a hemispherical bottom having an outlet tubing of diameter approximately 600mm.
  • this background represents a significant volume relative to the volume of adsorbent.
  • a contactor with parallel passages is used in a part of the upper bottom. So, we increases the amount of useful adsorbent and especially decreases the dead volume.
  • the ratio R evolves very favorably allowing an increase of the production at fixed feed rate.
  • This bottom comprises a structure, preferably metal, fixed sealingly to the wall. This structure is likely to accommodate channels, whose walls contain adsorbent, which are housed in the spaces provided for this purpose. Many structural geometries and structured adsorbents are possible.
  • this structure makes it possible to perform filling and emptying of the adsorber either because it leaves enough free passage to perform these operations, or because it is partially removable from the outlet pipe.
  • the parallel passage contactor is preferably implemented in full after filling the adsorbent with the particulate adsorbent material. This makes it possible to avoid any pollution of the contactor with parallel passages following prolonged contact with the atmosphere. Another possibility is to provide a protection for the contactor with parallel passages installed beforehand (sealed envelope for example or removable covers), protection removed after filling the adsorber.
  • Figure 4 shows the upper part of an adsorber, the element 41 being the upper part of the shell 2, the element 3 the upper bottom, the element 6 the outlet pipe which also serves as an outlet for the gas.
  • the particulate adsorbent 4 for example beads, reaches the tangent line 5 with the bottom.
  • Element 7 corresponds to the contactor with parallel passages. In this figure, this contactor 7 is fixed on the upper bottom of the adsorber at 40. This fixation (continuous welding, suspension with tie rods and with seal ...) whatever it is is essentially gas-tight which must pass through the contactor with parallel passages 7.
  • the geometry of the support structure may be of varied shape, adapted to receive the structured adsorbent elements that will generally be implemented via the outlet pipe.
  • the structure of the parallel-channel contactor shown in FIG. 5 comprises a circular ring 57 and spacers 58 creating housings 56 that fill the structured adsorbent elements.
  • This structure is a radius structure intended to accommodate preferentially channels, whose walls contain the adsorbent manufactured in the form of a wheel. The size of the channels must allow them to pass and be put in place from the outlet pipe. These elements are based on the lower part of the structure on the outer 50 and inner 51 supports. Many types of support and more generally of maintaining the channels can be used.
  • the gas tightness between the structure and the channels, whose walls contain the adsorbent, is achieved by any of the known means (seal, slightly conical elements maintained by a pressure ).
  • the channels can themselves be housed in an envelope, the seal between the channels and the wall of said envelope can be made permanently by an adhesive, a binder ..., the envelope being then fixed in a sealed manner in the structure for example by a seal at the periphery.
  • Figure 6 shows the structure of the parallel passage contactor with the channels, the walls of which contain the adsorbent (62, 63 ..., 69) in place.
  • the metal structure comprises 8 45 ° angle cells in which are inserted channels of channels cut on a wheel whose walls are covered with a layer of zeolite (LiLSX for example).
  • each cell could receive one or more sets of channels maintained for example by a grid 4 placed under the structure.
  • the various sets of channels are cut in a wheel whose dimensions have been defined to fit the structure.
  • the assemblies may have their lateral faces (parallel to the flow of gas) as cut or covered by a material providing protection during handling.
  • the set of channels sets is done after filling the adsorber.
  • a plastic film will advantageously protect the elements of the atmospheric moisture and more generally any pollution before placement.
  • the structure instead of being welded in the upper bottom during manufacture can also be held in place in the head of the adsorber being "pulled up" by one or more tie rods bearing on the This can avoid any welding inside the adsorber.
  • Figure 7.1, 7.2 and 7.3 show another type of structure suitable for various forms of parallel-passage contactors.
  • FIG. 7.1 corresponds to a structured adsorbent 70 in the form of a stack of sheets
  • Figure 7.2 corresponds to smaller elements, for example monoliths
  • Figure 7.3 shows schematically that the element can be of any shape (72, 73), the structure easily adapting to receive and hold them in place. It will be noted that the non-central elements 75 can be put in place beforehand, the filling of the cylindrical shell then being done by the central free section 74.
  • the adsorber according to the invention can be used in various PSA processes such as H2 PSAs to produce high purity hydrogen, PSA C02, PSA 02, etc. It can also be used to dry, decarbonate or quench secondary impurities of a gas stream, especially from atmospheric air.
  • secondary impurities we mean the traces of hydrocarbons, NOx, SOx ...

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Abstract

Adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux, comprenant un matériau adsorbant particulaire (4) et au moins un contacteur à passages parallèles (7) situé côté production de l'adsorbeur.

Description

Réduction des volumes morts d'un adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux
La présente invention se rapporte à un adsorbeur dans lequel un lit d'adsorbant particulaire est surmonté par un contacteur à passages parallèles ; et à un procédé d'adsorption mettant en œuvre un tel adsorbeur, de préférence un procédé PS A.
Les procédés de séparation par adsorption modulée en pression reposent sur le phénomène d'adsorption physique et permettent de séparer ou de purifier des gaz par cyclage en pression du gaz à traiter à travers un ou plusieurs lit d'adsorbant, tel un lit de zéolite, de charbon actif, d'alumine activée, de gel de silice, de tamis moléculaire ou analogues.
Dans le cadre de la présente invention, on désigne par les termes « procédé PSA », tout procédé de séparation de gaz par adsorption modulée en pression, mettant en œuvre une variation cyclique de la pression entre une pression haute, dite pression d'adsorption, et une pression basse, dite pression de régénération. Par conséquent, l'appellation générique procédé PSA est employée indifféremment pour désigner les procédés cycliques suivants :
- les procédés VSA dans lesquels l'adsorption s'effectue sensiblement à la pression atmosphérique, dite « pression haute », c'est-à-dire entre 1 bara et 1,6 bara (bara = bar absolu), préférentiellement entre 1 , 1 et 1 ,5 bara, et la pression de désorption, dite « pression basse », est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 30 et 800 mbara, de préférence entre 100 et 600 mbara.
- les procédés VPSA ou MPSA dans lesquels l'adsorption s'effectue à une pression haute sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, généralement entre 1,6 et
8 bara, préférentiellement entre 2 et 6 bara, et la pression basse est inférieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 30 et 800 mbara, de préférence entre 100 et 600 mbara.
- les procédés PSA dans lesquels l'adsorption s'effectue à une pression haute nettement supérieure à la pression atmosphérique, typiquement entre 1 ,6 et 50 bara, préférentiellement entre 2 et 35 bara, et la pression basse est supérieure ou sensiblement égale à la pression atmosphérique, donc entre 1 et 9 bara, de préférence entre 1 ,2 et 2,5 bara.
On parlera aussi par la suite de « procédé RPSA » pour désigner des procédés PSA de cycle très rapide, en général inférieur à la minute. De manière générale, un procédé PSA permet de séparer une ou plusieurs molécules de gaz d'un mélange gazeux les contenant, en exploitant la différence d'affinité d'un adsorbant donné ou, le cas échéant, de plusieurs adsorbants pour ces différentes molécules de gaz.
L'affinité d'un adsorbant pour une molécule gazeuse dépend de la structure et de la composition de l'adsorbant, ainsi que des propriétés de la molécule, notamment sa taille, sa structure électronique et ses moments multipolaires.
Un adsorbant peut être par exemple une zéolite, un charbon actif, une alumine activée, un gel de silice, un tamis moléculaire carboné, une structure métallo -organique, un ou des oxydes ou des hydroxydes de métaux alcalins ou alcalino -terreux, ou une structure poreuse contenant une substance capable de réagir réversiblement avec une ou plusieurs molécules de gaz, telle que aminés, solvants physiques, complexants métalliques, oxydes ou hydroxydes métalliques par exemple.
Les matériaux adsorbants sont mis en œuvre dans des récipients (réacteurs) appelés « adsorbeurs ». Les géométries d'adsorbeurs les plus classiques sont les adsorbeurs cylindriques à axe vertical, à axe horizontal et les adsorbeurs radiaux.
L'invention porte essentiellement sur les adsorbeurs à axe vertical.
On notera que l'effet de réduction de section de passage pour le gaz existe également dans la partie supérieure d'un adsorbeur cylindrique à axe horizontal mais ce type d'adsorbeur étant moins utilisé pour l'application PSA, on se limite par la suite à décrire le cas de l'adsorbeur à axe vertical.
Un tel adsorbeur 1 est représenté schématiquement sur la Figure 1.
Il est constitué d'une virole cylindrique 2 terminée en partie supérieure d'un fond supérieur 3. L'adsorbant sous forme particulaire arrive jusqu'à la ligne de tangence 5. Le remplissage se fait via la tubulure de sortie 6.
Le diamètre d'un tel adsorbeur est généralement fixé par les pertes de charge admissibles soit en production, soit en régénération et plus généralement par le souci de ne pas mettre en mouvement les particules d'adsorbant. En effet, le frottement de particules en mouvement entre elles ou avec la paroi de l'adsorbeur provoque un phénomène d'attrition qui crée des poussières et finit par détruire les particules.
D'un autre côté, les volumes morts tel celui représenté par la référence 10 de la Figure 1 sont néfastes en général aux performances des unités PSA. En première approximation, le gaz contenu dans la tête de l'adsorbeur est du gaz épuré non récupéré dans la production et à ce titre partiellement perdu. Partant de là, un problème qui se pose est de réduire le volume mort en tête des adsorbeurs tout en évitant l'attrition et une augmentation des pertes de charge.
Une solution de l'invention est un adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux, comprenant un matériau adsorbant particulaire 4 et au moins un contacteur à passages parallèles 7 situé côté production de l'adsorbeur.
Par matériau adsorbant particulaire, on entend un adsorbant se présentant sous forme de grain, de billes, de bâtonnet... de dimension millimétrique, généralement de diamètre équivalent dans la fourchette allant de 0.5 à 5mm.
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.
Selon le cas, l'adsorbeur peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- ledit adsorbeur comprend une virole cylindrique 2, un fond inférieur et un fond supérieur 3 ; un matériau adsorbant particulaire 4 contenu dans la virole cylindrique 2 ; et au moins un contacteur à passages parallèles 7 contenu au moins en partie dans le fond supérieur 3 ;
- le diamètre interne de la virole cylindrique est supérieur ou égal à 0,5 m, de préférence supérieur ou égal à 1 m ;
- le fond supérieur 3 est elliptique ou hémisphérique ;
- le contacteur à passages parallèles 7 est fixé au fond supérieur 3 ;
- le contacteur à passages parallèles comprend une couronne circulaire fixée de façon étanche sur l'ensemble de son périmètre au fond supérieur ; ainsi les flux gazeux entrant ou sortant traverse en totalité le contacteur à passages parallèles ;
- le contacteur à passages parallèles 7 comprend des logements 56 renfermant des canaux dont les parois contiennent de l'adsorbant ; notons que l'adsorbeur selon l'invention peut comprendre dans son fond supérieur plusieurs contacteurs à passages parallèles en série et présentant des géométries différentes ;
- l'adsorbant est un adsorbant zéolitique de type X ou LSX, et/ou A ; notons que l'adsorbant zéolitique peut être échangé ou non ; - l'adsorbant contenus sur ou dans les parois des canaux présente une dimension caractéristique comprise entre 10 et 2 000 microns, préférentiellement 40 à 500 microns, encore préférentiellement entre 100 et 250 microns ; par « dimension caractéristique », on entend l'épaisseur moyenne de la couche adsorbante si celle-ci est déposée sur un support, sa demi épaisseur si le gaz circule des deux côtés de l'adsorbant. Dans le cas de cylindre - contacteur sous forme de fibres-, il s'agira du rayon de la fibre.
- le contacteur à passages parallèles 7 présente un passage permettant le remplissage et/ou la vidange de la virole cylindrique ;
- l'adsorbeur comprend une tubulure de sortie 6 et le contacteur à passages parallèles 7 comprend une partie démontable à partir de la tubulure de sortie ;
- le contacteur à passages parallèles 7 présente une épaisseur comprise entre 25 et 1000 mm, de préférence entre 50 et 600 mm ;
- le contacteur à passages parallèles 7 a la forme d'un cône tronqué dont le plus petit diamètre est compris entre 95% et 30% du diamètre interne de la virole cylindrique de l'adsorbeur, de préférence entre 80%> et 50%> du diamètre interne de la virole cylindrique de l'adsorbeur.
Les figures 2.1 à 2.7 représentent schématiquement, de manière non exhaustive, 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 2.1) ;
- les canaux essentiellement carrés ou rectangulaires mais avec ep dans le même ordre de grandeur que la largeur 1 (figure 2. 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 2.3) ;
- les canaux disposés en hélice (figure 2.4) ;
- les canaux circulaires (figure 2.5) ;
Le fluide peut également circuler dans l'espace libre laissé par des parois solides présentés sous forme de cylindres ou fibres (figure 2.6). Les parois solides peuvent également avoir la configuration « garnissage » comme utilisée en distillation (figure 2.7). 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.
Lorsque l'adsorbant constitue la majorité de la paroi, on parle généralement de monolithe. ( 2.8)
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 Figure 3 représente un adsorbeur selon l'invention. Une partie au moins du contacteur à passages parallèles 7 est situé dans une zone dont la section de passage au gaz Sm (8) est inférieure à la section de passage de Γ adsorbeur S.
Par section de passage de Γ adsorbeur, on entend la section normale à l'axe de la virole.
La section minimale du lit d'adsorbant structuré Sm est généralement comprise entre 0,95 et 0,5 S.
La figure 8 présente un système comportant 2 contacteurs 81 et 82 en série et de géométrie différente.
L'invention va être maintenant décrite plus en détail à partir de l'exemple d'un PSA H2. Plus particulièrement, on prend le cas d'un PSA H2 traitant un gaz de SMR pour produire de l'hydrogène contenant moins de 10 ppm mole de CO. Il s'agit d'un cycle 12-3- 4 suivant la nomenclature habituelle des PSA (12 adsorbeurs dont 3 en production et 4 équilibrages).
Pour un débit de 100 000 Nm3/h d'hydrogène produit, le diamètre de chaque adsorbeur est de 3 m et la hauteur de la virole est de 5m.
En entrant dans le détail des calculs, on peut se rendre compte que c'est en premier lieu le dernier équilibrage qui est dimensionnant vis-à-vis du diamètre. On notera qu'en modifiant les temps d'étape, on peut se retrouver avec d'autres étapes qui deviendraient alors dimensionnantes.
La tête de l'adsorbeur est un fond hémisphérique comportant une tubulure de sortie de diamètre approximativement 600mm.
On notera que ce fond représente un volume non négligeable par rapport au volume d'adsorbant. Afin de modifier le ratio R volume mort sur volume d'adsorbant, on met en œuvre un contacteur à passages parallèles dans une partie du fond supérieur. Ainsi, on augmente la quantité d'adsorbant utile et surtout on diminue le volume mort. Le ratio R évolue très favorablement permettant une augmentation de la production à débit de' alimentation fixé. Ce fond comporte une structure, préférentiellement métallique, fixée de façon étanche à la paroi. Cette structure est susceptible d'accueillir des canaux, dont les parois contiennent de l'adsorbant, qui viennent se loger dans les espaces prévus à cet effet. De nombreuses géométries de structure et d'adsorbants structurés sont possibles.
De façon préférentielle, cette structure permet d'effectuer le remplissage et la vidange de l'adsorbeur soit qu'elle laisse suffisamment de passage libre pour effectuer ces opérations, soit qu'elle soit partiellement démontable à partir de la tubulure de sortie.
Le contacteur à passages parallèles est préférentiellement mis en place en totalité après le remplissage de l'adsorbant par le matériau adsorbant particulaire. Ceci permet d'éviter toute pollution du contacteur à passages parallèles consécutive à un contact prolongé avec l'atmosphère. Une autre possibilité est de prévoir une protection pour le contacteur à passages parallèles installé au préalable (enveloppe étanche par exemple ou caches démontables), protection enlevée après remplissage de l'adsorbeur.
La Figure 4 représente la partie supérieure d'un adsorbeur, l'élément 41 étant la partie supérieure de la virole 2, l'élément 3 le fond supérieur, l'élément 6 la tubulure de sortie qui sert également de sortie pour le gaz. L'adsorbant particulaire 4, par exemple des billes, arrive jusqu'à la ligne de tangence 5 avec le fond. L'élément 7 correspond au contacteur à passages parallèles. Sur cette figure, ce contacteur 7 est fixé sur le fond supérieur de l'adsorbeur au niveau de 40. Cette fixation (soudure continue, suspension avec tirants vers le haut et avec joint d'étanchéité...) quelle qu'elle soit est essentiellement étanche au gaz qui doit passer de ce fait à travers le contacteur à passages parallèles 7.
La géométrie de la structure support peut être de forme variée, adaptée à recevoir les éléments d'adsorbant structuré qui seront généralement mis en place via la tubulure de sortie.
La structure du contacteur à passages parallèles représentée Figure 5 comporte une couronne circulaire 57 et des entretoises 58 créant des logements 56 que viennent remplir les éléments d'adsorbant structuré. Cette structure est une structure en rayon destinée à loger préférentiellement des canaux, dont les parois contiennent de l'adsorbant fabriqué, sous forme de roue. La dimension des canaux doit leur permettre de passer et d'être mis en place à partir de la tubulure de sortie. Ces éléments reposent en partie inférieure de la structure sur les supports externe 50 et interne 51. De nombreux types de support et plus généralement de maintien en place des canaux peuvent être utilisés. L'étanchéité au gaz entre la structure et les canaux, dont les parois contiennent l'adsorbant, est réalisée par un quelconque des moyens connus (joint, éléments légèrement coniques maintenus par une pression ...). Les canaux peuvent eux-mêmes être logés dans une enveloppe, l'étanchéité entre les canaux et la paroi de la dite enveloppe pouvant être réalisée de façon définitive par une colle, un liant..., l'enveloppe étant fixée alors de façon étanche dans la structure par exemple par un joint à la périphérie.
La figure 6 représente la structure du contacteur à passages parallèles avec les canaux, dont les parois contiennent l'adsorbant (62, 63..., 69), en place. La structure métallique comporte 8 alvéoles d'angle 45° dans lesquelles viennent s'insérer des ensembles de canaux découpés sur une roue dont les parois sont recouvertes d'une couche de zéolite (LiLSX par exemple).
En fonction des dimensions respectives de la tubulure de sortie, du fond supérieur, ou de la structure, chaque alvéole pourrait recevoir un ou plusieurs ensembles de canaux maintenus par exemple par une grille 4 placée sous la structure. Les divers ensembles de canaux sont découpés dans une roue dont les dimensions ont été définies pour s'adapter à la structure. Les ensembles peuvent avoir leurs faces latérales (parallèle à la circulation du gaz) telles que découpées ou recouvertes par un matériau assurant une protection lors des manipulations.
La mise en place des ensembles de canaux se fait après remplissage de l'adsorbeur. Un film plastique protégera avantageusement les éléments de l'humidité atmosphérique et plus généralement de toute pollution avant mise en place.
On notera que la structure au lieu d'être soudée dans le fond supérieur lors de la fabrication peut aussi être maintenue en place dans la tête de l'adsorbeur en étant "tirée vers le haut' ' par un ou des tirants en appui sur la bride supérieure. Cela peut éviter toute soudure à l'intérieur de l'adsorbeur.
Les Figure 7.1, 7.2 et 7.3 représentent d'autre type de structure adaptés à diverses formes de contacteurs à passages parallèles.
La figure 7.1 correspond à un adsorbant structuré 70 se présentant sous forme d'un empilage de feuilles
La figure 7.2 correspond à des éléments plus petits, par exemple des monolithes
71 de 100 à 200 mm de côté.
La figure 7.3 montre schématiquement que l' élément peut être de forme quelconque (72, 73), la structure s'adaptant facilement pour les recevoir et les maintenir en place. On notera que les éléments non centraux 75 peuvent être mis en place au préalable, le remplissage de la virole cylindrique se faisant alors par la section libre centrale 74.
Le coût d'un contacteur à passages parallèles étant largement supérieur au coût du même adsorbant sous forme particulaire (par exemple un facteur 10 ramené au kg d'adsorbant), on comprend qu'il est très intéressant de limiter le contacteur à passages parallèles à la partie supérieure de l'adsorbeur.
L'adsorbeur selon l'invention peut être utilisé dans divers procédés PSA tels que les PSA H2 devant produire de l'hydrogène à haute pureté, PSA C02, PSA 02,... 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

Revendications
1. Adsorbeur pour adsorption d'un flux gazeux, comprenant :
- une virole cylindrique (2), un fond inférieur et un fond supérieur elliptique ou hémisphérique (3) ;
- un matériau adsorbant particulaire (4) contenu dans la virole cylindrique (2) ; et
- au moins un contacteur à passages parallèles comprenant un adsorbant (7) contenu au moins en partie dans le fond supérieur (3).
2. Adsorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre interne de la virole cylindrique (2) est supérieur ou égal à 0,5 m, de préférence supérieur ou égal à 1 m.
3. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le contacteur à passages parallèles (7) est fixé au fond supérieur (3).
4. Adsorbeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le contacteur à passages parallèles (7) comprend une couronne circulaire fixée de façon étanche sur l'ensemble de son périmètre au fond supérieur.
5. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contacteur à passages parallèles (7) comprend des logements (56) renfermant des canaux dont les parois contiennent de l'adsorbant.
6. Adsorbeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'adsorbant est un adsorbant zéolitique de type X ou LSX, et/ou A.
7. Adsorbeur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'adsorbant contenus sur ou dans les parois des canaux présente une dimension caractéristique comprise entre 10 et 2 000 microns, préférentiellement 40 à 500 microns, encore préférentiellement entre 100 et 250 microns.
8. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le contacteur à passages parallèles (7) présente un passage permettant le remplissage et/ou la vidange de la virole cylindrique.
9. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'adsorbeur comprend une tubulure de sortie (6) et le contacteur à passages parallèles (7) comprend une partie démontable à partir de la tubulure de sortie (6).
10. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le contacteur à passages parallèles (7) présente une épaisseur comprise entre 25 et 1000 mm, de préférence entre 50 et 600 mm.
11. Adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le contacteur à passages parallèles (7) a la forme d'un cône tronqué dont le plus petit diamètre est compris entre 95% et 30% du diamètre interne de la virole cylindrique de l'adsorbeur, de préférence entre 90%> et 50%> du diamètre interne de la virole cylindrique de l'adsorbeur.
12. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 11 pour sécher, décarbonater ou arrêter des impuretés secondaires d'un flux gazeux.
13. Utilisation d'un adsorbeur selon l'une des revendications 1 à 11, dans un cycle
PSA.
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