La présente invention concerne un procédé pour la séparation par adsorption d'un composé gazeux facilement adsorbable d'un mélange avec des composés gazeux difficilement adsorbables. Le procédé selon l'invention est en particulier applicabie à la concentration du chlore dilué par des composés tels que l'hydrogène, l'azote, l'oxygène et l'anhydride carbonique dont les propriétés physiques, température critique, température d'ébullition, poids moléculaire et éventuellement la pression partielle, sont très différentes de celles du chlore.
I1 est connu (brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 1825707) de traiter de tels mélange gazeux en contre-courant avec un lit mobile d'adsorbant dans une colonne d'adsorption, de prélever l'adsorbant saturé de gaz fortement adsordable au bas de cette colonne d'adsorption, de l'introduire dans une zone de désorption chauffée pour en dégager le gaz adsorbé et de recycler l'adsorbant au sommet de la colonne d'adsorption après l'avoir refroidi.
Selon ce procédé, l'adsorbant est prélevé au bas de la colonne d'adsorption par un appareil mécanique, par exemple, un transporteur à vis, et envoyé dans la zone de désorption d'où il est repris, après dégazage, par un appareil analogue.
Ce procédé présente l'inconvénient d'être d'un réglage difficile, l'adsorbant pouvant s'accumuler dans la zone d'adsorption ou la zone de désorption si les transporteurs sont mal réglés. En outre, des gaz difficilement adsorbables peuvent diffuser dans la zone de désorption et abaisser la concentration du gaz facilement adsorbable.
On a maintenant trouvé un procédé qui permet d'effectuer l'adsorption et la désorption continues du gaz adsorbable dans une colonne unique comportant des zones d'adsorption et de désorption superposées, l'écoulement de l'adsorbant d'une zone dans l'autre s'effectuant par gravité sans l'intervention de transporteurs mécaniques.
Selon le procédé de l'invention, un composé gazeux aisément adsorbable est séparé de ses mélanges avec des composés gazeux difficilement adsorbables par traitement dans une colonne d'adsorptiondésorption dans laquelle se déplace, du haut vers le bas, un lit mobile d'adsorbant, qui est caractérisé en ce que le mélange à séparer est introduit au bas d'une zone d'adsorption, le composé adsorbable pur est prélevé au bas d'une zone inférieure de désorption chauffée, la diffusion des composés gazeux non adsorbables dans la zone de désorption étant empêchée par balayage de la section de séparation des deux zones au moyen d'une navette de gaz adsorbable pur.
L'adsorbant peut être constitué d'un gel pulvérisé, par exemple du gel de silice ou mieux, d'un charbon actif en granules ou en poudre.
Dans le dessin annexé, donné à titre d'exemple:
la fig. 1 est une vue schématique en élévation d'un dispositif utilisable pour l'application du procédé, et
la fig. 2 montre à plus grande échelle un détail de ce dispositif.
Bien que le procédé soit applicable à la séparation de tout gaz ou de toute vapeur aisément adsorbable, pour la simplification et pour faciliter la compréhension, on décrira ci-après l'application particulière de la concentration du chlore, dilué par des composés difficilement adsorbables tels que H2, 02,
N2 et CO2.
Le dispositif est constitué essenticllement d'une colonne comprenant une zone de réfrigération A, une zone d'adsorption B et une zone de désorption C.
La colonne représentée à la figure est composée de faisceaux tubulaires dans lesquels l'adsorbant circule à l'intérieur des tubes tandis que le liquide de refroi
Procédé pour la séparation de composés gazeux facilement adsorbables dissement des zones A et B, l'eau par exemple, et le liquide de chauffage de la zone C, l'huile par exemple, circulent à l'extérieur des tubes. La colonne pourrait aussi être constituée par assemblage de faisceaux tubulaires horizontaux ou inclinés, l'adsorbant se déplaçant dans l'espace laissé libre entre les tubes tandis que le liquide nécessaire à l'échange thermique se déplace dans les tubes.
En dessous des zones A, B et C sont intercalées des grilles D,, D2 et D3 pennettant l'introduction ou la sortie des gaz ainsi que la répartition uniforme, sur toute la section transversale de l'appareil, à la fois de l'adsorbant et du gaz. Ces grilles ou pièces intercalaires comprennent chacune (fig. 2) une plaque perforée p, munie de tubulures q qui canalisent l'adsorbant dans une chambre à gaz g communiquant avec la tubulure d'entrée ou de sortie t.
L'adsorbant circule dans l'appareil, de haut en bas, par simple gravité. L'adsorbant réchauffé dans la zone de désorption C est remonté dans la zone A par un élévateur quelconque, par exemple, un élévateur à gaz alimenté au moyen d'une soufflerie 12 par un gaz non adsorbable tel que l'air venant de 13 et 14, ou bien par les gaz inertes ou difficilement adsorbables séparés du chlore. Le mélange d'adsorbant et de gaz inerte, formé dans l'éjecteur E, est séparé dans un appareil cyclone à section élargie F et la matière solide descend par gravité dans la zone de réfrigération A où elle est refroidie au contact du liquide de circulation entrant par 5 et sortant par 6, avant d'entrer dans la zone d'adsorption B où elle rencontre à contre-courant le chlore dilué introduit en 1.
L'adsorbant se charge de chlore au contact de ces gaz tandis que les composés difficilement adsorbables s'échappent en 2 par l'intermédiaire de la pièce intercalaire D. La chaleur d'adsorption est dissipée et emportée par le liquide de refroidissement introduit en 3 et évacué en 4.
Bien que le refroidissement de la zone B par circulation de liquide s'avère quelquefois nécessaire lorsque le gaz entrant est riche en composé aisément adsorbable, il a été constaté que dans certaines conditions de fonctionnement, en particulier lors du traitement de gaz relativement dilué, il était possible de choisir un rapport débit adsorbant/débit gaz tel que la température dans la zone B puisse être maintenue à une valeur convenable sans qu'il soit nécessaire de refroidir cette zone par circulation de liquide froid. I1 en résulte de ce fait une simplification possible de l'appareillage par suppression d'un faisceau tubulaire.
Le lit mobile d'adsorbant descend dans la zone de désorption C où il est réchauffé, par exemple, par une circulation extérieure d'huile à 200-2500 C. Dans le cas où l'adsorbant est constitué de charbon actif, le chauffage de la zone de désorption peut également être réalisé par passage du charbon entre deux élec -trodes maintenues sous tension appropriée. Dans ce cas, le faisceau tubulaire dans cette zone n'est plus nécessaire.
Sous l'action de la chaleur, le chlore est désorbé et prélevé au bas de la colonne en 9. Les propriétés physiques du chlore étant très différentes de celles des autres constituants du mélange, il s'établit au bas de l'appareil un volume rempli de chlore pur. Pour éviter la diffusion des composés difficilement adsorbables à travers la zone de désorption et le mélange de ces gaz avec le chlore pur, on établit dans la zone
C, un courant ascensionnel de chlore qui balaye la section XY de séparation des zones B et C. Ce balayage peut être continu ou intermittent. I1 peut être effectué au moyen d'une navette externe ou interne de chlore pur. Cette navette prélevée sur la sortie 9, peut par exemple être introduite dans la partie supérieure de la zone C par une pièce intermédiaire analogue aux pièces D.
Si cette navette est continue elle empêche les gaz difficilement adsorbables de franchir la section transversale X'Y'. Plus avantageusement, on réalise une navette interne de chlore pur en ne soutirant en 9 qu'une quantité de chlore inférieure à celle dégagée par désorption; le chlore en excès ne pouvant s'adsorber dans la zone chauffée C s'échappe vers le haut, franchit la section
XY et vient s'adsorber dans la zone d'adsorption B.
Toutefois cette navette peut être intermittente.
Le réglage de cette navette peut êre effectué automatiquement en se basant sur la différence de température T2-T1, T2 étant la température mesurée dans la zone d'adsorption immédiatement au-dessous de l'introduction du mélange à séparer et T1 étant la température mesurée dans la zone d'adsorption immédiatement au-dessus de l'introduction du mélange.
I1 a été constaté en effet que le gaz navettant pouvait être aisément adsorbé dans l'adsorbant se trouvant immédiatement au-dessous de l'entrée des gaz 11.
En cet endroit, l'adsorbant est saturé en chlore à la pression partielle du chlore dans le gaz entrant mais il peut encore adsorber des quantités relativement importantes de chlore pur provenant de la navette. Cette adsorption se traduit par une hausse sensible de la température T2 mais est pratiquement sans effet sur la température T1 si tout le chlore de navette est adsorbé dans cette zone. Si accidentellement du chlore pur franchit la zone où la température T, est mesurée, il se produit un échauffement qui peut être partiellement compensé par le refroidissement de la zone B.
De toute façon, la plus grande partie de la chaleur d'adsorption sera dégagée dans la zone de mesure de la température T9 et il subsistera toujours une différence de température T2-T1 suffisante pour permettre le réglage par action sur le mécanisme d'ouverture et de fermeture de la vanne 10 placée sur la canalisation de sortie du gaz pur. I1 suffit, en effet, d'utiliser un appareil de réglage automatique qui, sous l'action de la température T2, ou de la différence de température T2-Tt provoquera l'ouverture ou la fermeture de la vanne 10 placée sur la canalisation de sortie du chlore pur.
Ce réglage peut se faire de manière intermittente, par tout ou rien , la vanne 10 étant ouverte pour une valeur déterminée de T2 ou T2-T1 et fermée lorsque T2 tend vers Tl. Les conditions optima doivent être déterminées expérimentalement car elles dépendent de la nature de l'adsorbant, de la nature, du débit et de la concentration du gaz adsorbable à séparer et de l'appareillage, notamment de la chaleur transmise par conduction de l'appareil de désorption à l'adsorbant situé immédiatement au-dessus de la section
XY. L'influence de la navette sur la température T2 est à ce point sensible qu'il est possible d'effectuer un réglage précis en se basant sur une différence de température T2-T1 de l'ordre de So C.
La différence de température à adopter comme point de réglage dépend évidemment de la sensibilité des appareils de contrôle. Généralement, de bons résultats sont obtenus en maintenant une différence de température T.-TI comprise entre 5 et 500 C.
Le réglage de la navette basé sur les variations de température engendrées par la chaleur d'adsorption peut être remplacé par un réglage basé sur la mesure des variations d'autres propriétés physiques ou chimiques des gaz en mouvement, par exemple, la mesure de la pression totale du gaz ou de la concentration en un quelconque de ses constituants. Au moyen de manomètres sensibles, il est possible en se basant sur la mesure des pressions P8 et Pt, respectivement dans la canalisation de sortie du gaz aisément adsorbable pur et dans la canalisation d'entrée du gaz à traiter, de régler la navette de gaz pur de manière à provoquer un scellement convenable entre les zones d'adsorption et de désorption.
En effet, la pression Pl, à l'entrée des gaz, est sensiblement constante pour un débit donné et est surtout fonction des pertes de charge dans le circuit gazeux au-dessus de la section de séparation des zones d'adsorption et de désorption.
Pour une pression donnée Pt, la pression P, 3 dans la canalisation de sortie est déterminée par les phénomènes de désorption se produisant dans la zone inférieure chauffée. Si la vanne 10 est fermée, la pression tend à augmenter dans la zone de désorption et devient supérieure à Pl. En ouvrant la vanne 10, la pression P8 diminue mais il subsiste dans la zone de désorption une pression plus élevée que P1 et P3. Ce ventre de pression évite le mélange du gaz entrant avec le gaz désorbé et le gaz sortant par la vanne 10 est techniquement pur.
En maintenant une différence de pression Pl-P3 bien déterminée, on obtient d'excellents résultats même avec des fluctuations relativement importantes du débit des gaz à traiter.
La différence de pression Pl-P3 à maintenir par ouverture et fermeture de la vanne 10 est fonction des dimensions de l'appareillage. La valeur optimum doit être déterminée expérimentalement. Dans une installation prévue pour la production de 1 tonne métrique par jour (Tm/j) de chlore pur, cette différence de pression peut être de l'ordre de 80 mm H,O.
Un dispositif de sécurité permet d'éviter la présence de gaz aisément adsorbables, par exemple du chlore, dans les gaz inertes ou difficilement adsorbables s'échappant de l'appareil d'adsorption. Suivant une première variante, on place un appareil de lecture pour mesurer la température T8 dans l'adsorbant situé immédiatement au-dessus de la zone d'adsorption B. Toute augmentation de T3 par rapport à sa valeur normale révèle une adsorption de chlore à cet endroit et le danger de voir du chlore libre s'échapper avec les gaz résiduaires en 2. Par mesure de sécurité, un appareil automatique influencé par la mesure de la température T3 ferme la vanne d'admission 1 1 lorsque cette température dépasse une valeur critique.
Ce dispositif basé sur la mesure de la variation de température T3 dans l'adsorbant situé immédiatement au-dessus de la zone d'adsorption B pour le réglage du débit de gaz à traiter est très efficace lorsqu'il est possible de faire varier à volonté le débit de gaz entrant. Ce n'est pas toujours le cas et il arrive très souvent, au contraire, que l'installation d'adsorption soit tenue de traiter tout le gaz provenant d'une autre fabrication, le débit de gaz à traiter n'étant pas nécessairement constant.
C'est notamment le cas lors de la reconcentration du chlore dilué provenant d'une électrolyse de solutions aqueuses de chlorures de métaux alcalins.
Suivant une seconde variante, la présence de gaz pur, par exemple de chlore, dans les gaz inertes peut être évitée de manière continue et efficace en effectuant le réglage automatique du débit d'adsorbant en fonction de la mesure d'une des caractéris tiques physiques du gaz quittant l'appareil d'adsorption.
On place par exemple entre la zone d'adsorption et la sortie des gaz inertes, une chambre non refroidie dans laquelle on mesure la température T3.
Lorsque l'adsorption est complète dans la zone
B, cette température T3 reste constante. Dès que la capacité d'adsorption de la zone B devient insuffisante, une adsorption se produit dans la chambre supérieure et la chaleur d'adsorption engendre une hausse de la température T3. Un dispositif automatique agit alors sur le débit d'adsorbant afin de l'augmenter jusqu'à ce que l'adsorption soit complète, c'est-à-dire jusqu'à ce que la température T3 soit ramenée à sa valeur initiale. Pour autant qu'une légère quantité d'adsorbant frais soit toujours présente au-dessus du point de mesure de la température T3, on peut arrêter complètement le gaz aisément adsorbable.
Ce dispositif permet d'utiliser toujours l'installation d'adsorption à sa capacité maximum correspondant à un débit donné ou fluctuant du gaz aisément adsorbable.
Indépendamment de l'emploi des dispositifs de sécurité dont il a été question ci-dessus, on peut, si on le désire, arrêter les traces éventuelles de gaz aisément adsorbables en les faisant passer sur de l'adsorbant frais ou de l'adsorbant régénéré à température relativement élevée sous courant de gaz inerte. Les gaz provenant de cette régénération peuvent être introduits en 1 avec les gaz dilués à traiter.
Exemple
Pour la préparation de 1 Tm/j de chlore pur à partir d'un chlore dilué de composition suivante:
H2 5 /o en vol.
CO2 5
Air 11 79 79 79
On utilise un appareil analogue à celui de la figure annexée, les surfaces de réfrigération des zones
A et B étant respectivement de 13,5 et 9 m2, la surface de chauffe de la zone C de 9 m2. La réfrigération est assurée par de l'eau introduite à 1 5o C, le chauffage de la zone de désorption par de l'huile introduite à 2500 C.
L'adsorbant est constitué par du charbon actif et circule au débit de 250 kg/h. I1 est remonté par un élévateur à gaz et le gaz transporteur, qui peut être de l'air, est réutilisé pour la dilution du mélange à traiter.
Avant leur introduction dans l'appareil de désorption, les gaz sont dilués par de l'air sec, environ 1 vol/vol, de manière que la teneur en hydrogène des gaz non adsorbables reste toujours inférieure à la concentration limite inférieure d'explosibilité.
En régime, la température T1 au-dessus de l'intro- duction des gaz se maintient à 70O C, la température
T2 au-dessus de la zone de désorption est maintenue à 900 C par ouverture et fermeture de la vanne 10.
La concentration en chlore à la sortie de la zone de désorption est pratiquement de 100 /o. Les gaz non adsorbables sont évacués exempts de chlore.
REVENDICATIONS
I. Procédé pour la séparation de composés gazeux facilement adsorbables de leurs mélanges avec des composés gazeux difficilement adsorbables par traitement dans une colonne d'adsorption-désorption dans lequel un lit mobile d'adsorbant se déplace du haut vers le bas, caractérisé en ce que le mélange à séparer est introduit au bas d'une zone d'adsorption refroidie, le composé aisément adsorbable pur est prélevé au bas d'une zone inférieure de désorption chauffée, la diffusion des composés gazeux non adsorbables dans la zone de désorption étant empêchée par balayage de la section de séparation des deux zones au moyen d'une navette de gaz aisément adsorbable pur.