FR3106989A1 - Enrichment of an air flow with oxygen by extractive membrane separation - Google Patents
Enrichment of an air flow with oxygen by extractive membrane separation Download PDFInfo
- Publication number
- FR3106989A1 FR3106989A1 FR2001255A FR2001255A FR3106989A1 FR 3106989 A1 FR3106989 A1 FR 3106989A1 FR 2001255 A FR2001255 A FR 2001255A FR 2001255 A FR2001255 A FR 2001255A FR 3106989 A1 FR3106989 A1 FR 3106989A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- flow
- air
- membrane
- box
- enriched
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 96
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 34
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims description 15
- 239000003570 air Substances 0.000 claims abstract description 97
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 33
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 239000002274 desiccant Substances 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 2
- 239000012465 retentate Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 6
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 6
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 4
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 3
- 229910000805 Pig iron Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 2
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 2
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 2
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 2
- 238000010981 drying operation Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 2
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009360 aquaculture Methods 0.000 description 1
- 244000144974 aquaculture Species 0.000 description 1
- 238000011138 biotechnological process Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000004320 controlled atmosphere Methods 0.000 description 1
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 1
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 1
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000009372 pisciculture Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 230000000384 rearing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
- B01D53/229—Integrated processes (Diffusion and at least one other process, e.g. adsorption, absorption)
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
- C01B13/02—Preparation of oxygen
- C01B13/0229—Purification or separation processes
- C01B13/0248—Physical processing only
- C01B13/0251—Physical processing only by making use of membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
- B01D2256/12—Oxygen
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/80—Water
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/20—Capture or disposal of greenhouse gases of methane
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Dispositif (1) d’enrichissement d’un flux d’air (F1) en dioxygène, ledit dispositif (1) comprenant un caisson (10) et une pompe à vide (20), ledit caisson (10) comprenant une entrée d’air (110) apte à prélever un flux d’air (F1) ambiant à la pression atmosphérique, au moins une membrane (130), disposée dans ledit caisson (10) et comprenant au moins une paroi de filtration moléculaire (131), ladite au moins une paroi (131) étant apte à recevoir ledit flux d’air (F1) prélevé et délimitant un espace interne (133), ladite membrane (130) étant apte à séparer le flux d’air (F1) prélevé en un flux de perméats (F2), enrichi en dioxygène et évacué au niveau dudit espace interne (133) via un collecteur (135), et en un flux de rétentats (F3), enrichi en azote et évacué à travers l’au moins une paroi, une sortie (120) apte à évacuer ledit flux de rétentats (F3) vers l’extérieur du caisson (10), la pompe à vide (20) étant connectée fluidiquement au collecteur (135) afin d’aspirer le flux de perméats (F2) enrichi en dioxygène depuis l’espace interne (133). Figure 1Device (1) for enriching an air flow (F1) with dioxygen, said device (1) comprising a box (10) and a vacuum pump (20), said box (10) comprising an inlet for air (110) capable of taking a flow of ambient air (F1) at atmospheric pressure, at least one membrane (130), arranged in said chamber (10) and comprising at least one molecular filtration wall (131), said at least one wall (131) being able to receive said air flow (F1) taken and delimiting an internal space (133), said membrane (130) being able to separate the air flow (F1) taken into a flow permeates (F2), enriched in dioxygen and evacuated at the level of said internal space (133) via a collector (135), and in a flow of retentates (F3), enriched in nitrogen and evacuated through the at least one wall, an outlet (120) capable of evacuating said flow of retentate (F3) to the outside of the box (10), the vacuum pump (20) being fluidly connected to the manifold (135) in order to suck the flow of permeate s (F2) enriched with oxygen from internal space (133). Figure 1
Description
L’invention concerne le domaine du traitement de l’air et plus particulièrement un système et un procédé d’enrichissement d’un flux d’air en dioxygène par séparation membranaire extractive.The invention relates to the field of air treatment and more particularly to a system and a process for enriching an air flow with dioxygen by extractive membrane separation.
L’invention vise notamment à permettre l’enrichissement d’un flux d’air pour obtenir un flux d’air enrichi contenant entre 21 et 100 % de dioxygène.The invention aims in particular to allow the enrichment of an air flow to obtain an enriched air flow containing between 21 and 100% oxygen.
Etat de la techniqueState of the art
Le dioxygène peut être utilisé dans une variété d'applications. Par exemple, l'oxygène propre, sec et pur est utilisé dans l'approvisionnement en oxygène médical pour les patients. De même, l'élevage des poissons dans les aquacultures est généralement soutenu par un apport en dioxygène pur produit artificiellement qui favorise la santé et la croissance des animaux. L'oxygène peut également être utilisé pour divers procédés de récupération des métaux. Par exemple, le carbone, le soufre et le phosphore peuvent être éliminés de la fonte brute fondue par l'ajout d'oxygène lors du raffinage afin de la transformer en acier. Par ailleurs, la production de produits pharmaceutiques, de médicaments, d'antibiotiques ou de biopolymères est souvent soutenue par l'approvisionnement en oxygène pur dans des réacteurs de fermentation. L'enrichissement en dioxygène permet une prolifération plus rapide des organismes aérobies sous atmosphère contrôlée qui améliore la qualité et la productivité des processus biotechnologiques. Par ailleurs encore, dans le domaine de la production d’électricité ou de chaleur par combustion dans une moteur de cogénération, il est connu de fournir un flux d’air contenant du dioxygène audit moteur en tant que comburant afin de permettre la combustion.Oxygen can be used in a variety of applications. For example, clean, dry and pure oxygen is used in medical oxygen supply for patients. Similarly, the rearing of fish in aquacultures is generally supported by a supply of artificially produced pure oxygen which promotes the health and growth of the animals. Oxygen can also be used for various metal recovery processes. For example, carbon, sulfur and phosphorus can be removed from molten pig iron by adding oxygen during refining to turn it into steel. Furthermore, the production of pharmaceuticals, drugs, antibiotics or biopolymers is often supported by the supply of pure oxygen in fermentation reactors. Dioxygen enrichment allows faster proliferation of aerobic organisms under controlled atmosphere which improves the quality and productivity of biotechnological processes. Furthermore, in the field of the production of electricity or heat by combustion in a cogeneration engine, it is known to supply a flow of air containing oxygen to said engine as oxidizer in order to allow combustion.
Selon l’application qui en est faite, soit le dioxygène est pur, soit il constitue une fraction volumique d’un flux d’air enrichi en dioxygène. Dans les deux cas, le flux de gaz est obtenu par enrichissement d’un flux d’air atmosphérique en dioxygène jusqu’à obtenir la fraction volumique de dioxygène souhaitée. Il existe plusieurs procédés permettant d’enrichir en dioxygène un flux d’air ambiant, qui est constitué d’environ 20,9 % de dioxygène, pour en augmenter la proportion en dioxygène à une valeur comprise entre 21 et 100 %.Depending on the application made of it, either the oxygen is pure or it constitutes a volume fraction of an air flow enriched in oxygen. In both cases, the gas flow is obtained by enriching an atmospheric air flow with oxygen until the desired volume fraction of oxygen is obtained. There are several processes for enriching an ambient air flow with dioxygen, which is made up of about 20.9% dioxygen, to increase the proportion of dioxygen to a value between 21 and 100%.
Un premier procédé d’enrichissement est connu sous le nom de PSA pour «Pressure Swing Adsorption» ou «adsorption par inversion de pression». Le procédé PSA consiste par exemple à faire passer de l'air comprimé préalablement filtré au travers d'une colonne contenant un tamis moléculaire appelé zéolite. La structure de ce tamis lui permet de capter l'azote pour obtenir en sortie de l'air enrichi en oxygène à 93% et au-delà.A first enrichment process is known as PSA for “Pressure Swing Adsorption” or “adsorption by pressure inversion”. The PSA process consists, for example, of passing compressed air that has been filtered beforehand through a column containing a molecular sieve called zeolite. The structure of this sieve allows it to capture the nitrogen to obtain at the outlet air enriched in oxygen at 93% and beyond.
Un deuxième procédé d’enrichissement est basé sur la séparation membranaire de l’azote et du dioxygène. La séparation membranaire est un procédé de séparation utilisant comme agent séparant une ou plusieurs membranes synthétiques, chaque membrane étant une couche mince de matière, par exemple comprise entre 100 nm à un peu plus de 1 cm. Elle permet l’arrêt ou le passage sélectif de certaines substances dissoutes ou non dans un mélange, entre les deux milieux qu’elle sépare. La partie du mélange retenue par la membrane est appelée rétentat (ou concentrat) alors que celle qui traverse cette dernière est appelée perméat. La séparation de l’azote et du dioxygène contenus dans un flux d’air ambiant se fait sous l’action d’une force motrice de transfert obtenue en comprimant ledit flux d’air ambiant.A second enrichment process is based on the membrane separation of nitrogen and oxygen. Membrane separation is a separation process using as separating agent one or more synthetic membranes, each membrane being a thin layer of material, for example between 100 nm to just over 1 cm. It allows the stopping or the selective passage of certain substances dissolved or not in a mixture, between the two media that it separates. The part of the mixture retained by the membrane is called retentate (or concentrate) while that which passes through the latter is called permeate. The separation of nitrogen and dioxygen contained in an ambient air flow takes place under the action of a transfer driving force obtained by compressing said ambient air flow.
Ces deux procédés ont en commun la nécessité de comprimer un flux d’air en amont des membranes ou des colonnes de PSA. Or, l’utilisation d’un compresseur complexifie le dispositif et en augmente surtout la consommation en énergie électrique, ce qui le rend onéreux à la fabrication et à l’utilisation.These two processes have in common the need to compress an air flow upstream of the membranes or PSA columns. However, the use of a compressor complicates the device and above all increases its consumption of electrical energy, which makes it expensive to manufacture and use.
Il existe donc le besoin d’une solution simple, efficace et fiable permettant de remédier au moins en partie à ces inconvénients.There is therefore a need for a simple, effective and reliable solution that makes it possible to at least partially remedy these drawbacks.
L’un des buts de l’invention est donc de proposer un système et un procédé de production d’un flux d’air enrichi en dioxygène qui soit à la fois simple, fiable, efficace et optimisé, notamment dans le cadre d’une utilisation dans la combustion de gaz contenant du méthane.One of the aims of the invention is therefore to propose a system and a process for producing a flow of oxygen-enriched air which is at the same time simple, reliable, efficient and optimized, in particular in the context of a use in the combustion of gases containing methane.
A cette fin, l’invention concerne tout d’abord un dispositif d’enrichissement d’un flux d’air en dioxygène, ledit dispositif comprenantun caisson et une pompe à vide, ledit caisson comprenant:
- au moins une entrée d’air apte à prélever un flux d’air ambiant à la pression atmosphérique,
-au moins une membrane, disposée dans ledit caisson et comprenant au moins une paroi de filtration moléculaire, ladite au moins une paroi étant apte à recevoir ledit flux d’air prélevé et délimitant un espace interne, ladite membrane étant apte à séparer, à la pression atmosphérique, le flux d’air prélevé en un flux de perméats, enrichi en dioxygène (en % par rapport à flux d’air) et évacué au niveau dudit espace interne via un collecteur, et en un flux de rétentats, enrichi en azote,
- une sortie apte à évacuer ledit flux de rétentats vers l’extérieur du caisson,
la pompe à vide étant connectée fluidiquement au collecteur afin d’aspirer le flux de perméats enrichi en dioxygène depuis l’espace interne, vers l’extérieur du dispositif.To this end, the invention firstly relates to a device for enriching an air flow with dioxygen, said device comprising a box and a vacuum pump, said box comprising:
- at least one air inlet capable of taking in a flow of ambient air at atmospheric pressure,
-at least one membrane, disposed in said box and comprising at least one molecular filtration wall, said at least one wall being capable of receiving said flow of air drawn off and delimiting an internal space, said membrane being capable of separating, at the atmospheric pressure, the flow of air sampled into a flow of permeates, enriched in oxygen (in % relative to the flow of air) and evacuated at the level of said internal space via a collector, and into a flow of retentates, enriched in nitrogen ,
- an outlet capable of evacuating said flow of retentates to the outside of the box,
the vacuum pump being fluidly connected to the collector in order to suck the flow of permeates enriched in dioxygen from the internal space, towards the outside of the device.
L’invention permet de réaliser une séparation membranaire extractive. L’action de la pompe à vide permet de générer une différence de pression à travers l’au moins une paroi de la membrane, c’est-à-dire entre l’extérieur de l’au moins une paroi et l’espace interne afin d’attirer le gaz rapide qu’est le dioxygène vers la pompe à vide, via le collecteur. L’aspiration de l’air à travers la paroi de la membrane sous l’action de la pompe à vide permet d’extraire du dioxygène du flux d’air prélevé, qui est à pression atmosphérique, afin de créer un flux de perméats enrichi en dioxygène, en proportion par rapport au flux d’air prélevé, sans avoir besoin de comprimer le flux d’air prélevé, ce qui évite l’utilisation d’un compresseur énergivore et onéreux. Avec le dispositif selon l’invention, la proportion de dioxygène dans le flux de perméats peut atteindre une valeur supérieure à 45 %. Le flux de perméats peut alors être avantageusement utilisé par exemple pour améliorer la combustion de gaz dans un moteur, par exemple dans un moteur de cogénération qui permet de brûler du biogaz ou des gaz résiduels issus d’une épuration du biogaz en biométhane. Notamment, l’application des solutions antérieures de type PSA pour enrichir un flux d’air afin de l’utiliser comme comburant dans un moteur de cogénération pour réaliser une combustion autoconsommerait une part importante (supérieure à 80%) de l'énergie électrique produite par ledit moteur de cogénération lors de ladite combustion alors qu'avec l'invention, l'énergie nécessaire pour faire fonctionner le dispositif, dont la pompe à vide, et enrichir le flux d'air afin de l'utiliser comme comburant dans un moteur de cogénération pour réaliser une combustion n'autoconsommerait qu’une faible part (inférieure à 30%) de l'énergie électrique produite par ledit moteur de cogénération, soit une économie très importante d'énergie électrique.The invention makes it possible to carry out an extractive membrane separation. The action of the vacuum pump makes it possible to generate a pressure difference across the at least one wall of the membrane, that is to say between the outside of the at least one wall and the internal space in order to attract the fast gas which is the oxygen towards the vacuum pump, via the collector. The suction of air through the wall of the membrane under the action of the vacuum pump makes it possible to extract oxygen from the flow of air sampled, which is at atmospheric pressure, in order to create an enriched flow of permeates in oxygen, in proportion to the flow of air taken, without the need to compress the flow of air taken, which avoids the use of an energy-intensive and expensive compressor. With the device according to the invention, the proportion of oxygen in the flow of permeates can reach a value greater than 45%. The flow of permeates can then be advantageously used, for example, to improve the combustion of gas in an engine, for example in a cogeneration engine which makes it possible to burn biogas or residual gases resulting from purification of biogas into biomethane. In particular, the application of previous solutions of the PSA type to enrich an air flow in order to use it as an oxidant in a cogeneration engine to carry out combustion would self-consume a significant part (greater than 80%) of the electrical energy produced. by said cogeneration engine during said combustion whereas with the invention, the energy necessary to operate the device, including the vacuum pump, and to enrich the air flow in order to use it as combustion in an engine of cogeneration to carry out combustion would only self-consume a small part (less than 30%) of the electrical energy produced by said cogeneration engine, ie a very significant saving of electrical energy.
De préférence, la pompe à vide est apte à générer une différence de pression à travers l’au moins une paroi de l’au moins une membrane, entre l’extérieur de l’au moins une paroi et l’espace interne de la membrane (130), comprise entre 10 et 500 mbars absolus.Preferably, the vacuum pump is capable of generating a pressure difference across the at least one wall of the at least one membrane, between the outside of the at least one wall and the internal space of the membrane (130), between 10 and 500 mbar absolute.
Selon un aspect de l’invention, la sélectivité dioxygène/azote de l’au moins une membrane est supérieure à 5 afin de séparer efficacement le flux de perméats du flux de rétentats.According to one aspect of the invention, the oxygen/nitrogen selectivity of the at least one membrane is greater than 5 in order to effectively separate the flow of permeates from the flow of retentates.
De manière avantageuse, le dispositif comprend une pluralité de membranes afin d’améliorer la séparation du dioxygène et de l’azote, par exemple entre deux et plusieurs centaines de membranes.Advantageously, the device comprises a plurality of membranes in order to improve the separation of oxygen and nitrogen, for example between two and several hundred membranes.
Les membranes peuvent être disposées côte à côte parallèlement dans un but d’organisation ou bien dans n’importe quelle position les unes par rapport aux autres, par exemple de manière aléatoire.The membranes can be arranged side by side parallel for organizational purposes or in any position relative to each other, for example randomly.
Avantageusement encore, le dispositif comprend un filtre positionné au niveau de l’entrée d’air du caisson et qui est apte à filtrer les particules solides, notamment les poussières, contenues dans le flux d’air entrant dans le caisson afin d’éviter l’encrassement de la ou des membranes.Advantageously, the device comprises a filter positioned at the level of the air inlet of the box and which is able to filter the solid particles, in particular dust, contained in the flow of air entering the box in order to avoid the fouling of the membrane(s).
De préférence, le caisson comprend une chambre de séchage positionnée entre l’entrée d’air et l’au moins une membrane et qui est apte à sécher le flux d’air prélevé afin d’éviter la condensation de l’humidité contenue dans le flux d’air entrant sur la ou les membranes, ce qui pourrait réduire l’efficacité du dispositif.Preferably, the box comprises a drying chamber positioned between the air inlet and the at least one membrane and which is capable of drying the flow of air drawn off in order to prevent condensation of the humidity contained in the air flow entering the membrane(s), which could reduce the efficiency of the device.
Dans une forme de réalisation, la chambre de séchage est adaptée pour réaliser le séchage par refroidissement et condensation d’eau, ce qui est à la fois un moyen simple et peu onéreux pour sécher l’air. Dans ce cas, la chambre de séchage comprend avantageusement un canal d’extraction des condensats de séchage vers l’extérieur du caisson.In one embodiment, the drying chamber is adapted to achieve drying by cooling and condensing water, which is both a simple and inexpensive way to dry air. In this case, the drying chamber advantageously comprises a channel for extracting the drying condensates to the outside of the box.
De manière avantageuse, la chambre de séchage par refroidissement et condensation d'eau peut être munie d'un échangeur croisé de récupération de frigorie (appelé communément «économiseur») placé en amont de l'échangeur principal afin de pré-refroidir le flux d'air entrant dans la chambre de séchage au moyen du flux d'air froid et sec sortant de la chambre de séchage. Cet échangeur croisé permet de réduire notablement la consommaton énergétique de l'opération de séchage.Advantageously, the drying chamber by cooling and water condensation can be equipped with a cross heat exchanger for refrigerant recovery (commonly called "economizer") placed upstream of the main exchanger in order to pre-cool the flow of water. air entering the drying chamber by means of the flow of cold, dry air exiting the drying chamber. This crossed exchanger makes it possible to significantly reduce the energy consumption of the drying operation.
Dans une autre forme de réalisation, la chambre de séchage est adaptée pour réaliser le séchage par l’utilisation d’agents de dessiccation, tel que par exemple un agent de type «gel de silice».In another embodiment, the drying chamber is adapted to carry out the drying by the use of desiccating agents, such as for example an agent of the “silica gel” type.
Selon une caractéristique de l’invention, le caisson comprend un organe de circulation d’air apte à diriger le flux d’air prélevé, éventuellement filtré et séché, vers l’au moins une membrane.According to one characteristic of the invention, the box comprises an air circulation member capable of directing the flow of air drawn off, possibly filtered and dried, towards the at least one membrane.
De préférence, l’organe de circulation d’air se présente sous la forme d’un ventilateur, qui est un moyen simple, efficace et peu onéreux pour mettre un flux d’air en circulation.Preferably, the air circulation member is in the form of a fan, which is a simple, effective and inexpensive way to put a flow of air into circulation.
En variante ou en complément, la circulation de l’air peut se faire par ventilation naturel d’un courant d’air produit par le vent ou par le déplacement du caisson, par exemple lorsque ledit caisson est fixé sur un véhicule qui se déplace.As a variant or in addition, the circulation of the air can take place by natural ventilation of an air current produced by the wind or by the movement of the box, for example when said box is fixed to a moving vehicle.
L’invention concerne également un procédé d’enrichissement d’un flux d’air atmosphérique (ou ambiant) en dioxygène, ledit procédé, mis en œuvre par un dispositif tel que présenté précédemment, comprenant les étapesde :
- prélèvement d’un flux d’air atmosphérique par l’au moins une entrée d’air du caisson,
- séparation, sous l’action de la pompe à vide, du flux d’air prélevé par l’au moins une paroi de l’au moins une membrane en un flux de perméats enrichi en dioxygène dans l’espace interne de ladite au moins une membrane et en un flux de rétentats enrichi en azote à l’extérieur de ladite au moins une membrane, les particules de ce gaz lent qu’est l’azote n’étant majoritairement pas aspirées sous l’action de la pompe à vide.The invention also relates to a process for enriching an atmospheric (or ambient) air flow with dioxygen, said process, implemented by a device as presented above, comprising the steps of:
- sampling of an atmospheric air flow by the at least one air inlet of the box,
- separation, under the action of the vacuum pump, of the flow of air drawn off by the at least one wall of the at least one membrane into a flow of permeates enriched with dioxygen in the internal space of said at least a membrane and in a flow of nitrogen-enriched retentates outside said at least one membrane, the particles of this slow gas that is nitrogen not being for the most part sucked up under the action of the vacuum pump.
L’évacuation du flux de rétentats est réalisée par la sortie du caisson tandis que le flux de perméats est évacué via un conduit relié aux collecteurs des membranes.The evacuation of the flow of retentates is carried out by the outlet of the box while the flow of permeates is evacuated via a conduit connected to the collectors of the membranes.
De préférence, le procédé comprend, antérieurement à l’étape de passage à travers l’au moins une paroi de l’au moins une membrane, une étape de filtration des particules solides du flux d’air prélevé pour éviter l’encrassement des membranes, notamment par de la poussière.Preferably, the method comprises, prior to the step of passing through the at least one wall of the at least one membrane, a step of filtering the solid particles of the flow of air sampled to avoid fouling of the membranes , especially dust.
De préférence, encore, le procédé comprend antérieurement à l’étape de passage à travers l’au moins une paroi de l’au moins une membrane, une étape de séchage du flux d’air prélevé afin d’éviter à l’humidité ou aux moisissures de se fixer sur la ou les membranes au risque de les endommager.Preferably, again, the method comprises, prior to the step of passing through the at least one wall of the at least one membrane, a step of drying the flow of air sampled in order to prevent humidity or mold from attaching itself to the membrane(s) at the risk of damaging them.
De préférence encore, le procédé comprend antérieurement à l’étape de passage à travers l’au moins une paroi de l’au moins une membrane, une étape d’accélération du flux d’air prélevé en direction de l’au moins une membrane afin d’améliorer la séparation du dioxygène et de l’azote par l’au moins une membrane.Preferably again, the method comprises, prior to the step of passing through the at least one wall of the at least one membrane, a step of accelerating the flow of air sampled in the direction of the at least one membrane in order to improve the separation of oxygen and nitrogen by the at least one membrane.
Description des figuresDescription of figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels:Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the description which follows. This is purely illustrative and should be read in conjunction with the attached drawings on which:
Description détaillée d’au moins un mode de réalisation
Detailed description of at least one embodiment
On a représenté à la figure 1 une forme de réalisation du dispositif selon l’invention. Le dispositif 1 selon l’invention est un dispositif de séparation membranaire permettant de séparer un flux d’air ambiant en un flux de perméats, enrichi en dioxygène, et un flux de rétentats, enrichi en azote. Par le terme enrichi, on entend que la proportion (en %) du composant concerné dans le flux est plus élevée que dans un flux d’air ambiant à pression atmosphérique.There is shown in Figure 1 an embodiment of the device according to the invention. The device 1 according to the invention is a membrane separation device making it possible to separate a flow of ambient air into a flow of permeates, enriched in oxygen, and a flow of retentates, enriched in nitrogen. By the term enriched, we mean that the proportion (in %) of the component concerned in the flow is higher than in an ambient air flow at atmospheric pressure.
Comme illustré à la figure 1, le dispositif 1 comprend un caisson 10 et une pompe à vide 20.As illustrated in Figure 1, device 1 comprises a box 10 and a vacuum pump 20.
Caisson 10Box 10
Le caisson 10 comprend une ou plusieurs parois et est par exemple de forme parallélépipédique ou cylindrique. Le caisson 10 comprend une entrée d’air 110, une sortie 120 de gaz et une pluralité de membranes 130, montées à l’intérieur du caisson 10 dans une chambre principale 11.The box 10 comprises one or more walls and is for example of parallelepiped or cylindrical shape. The box 10 includes an air inlet 110, a gas outlet 120 and a plurality of membranes 130, mounted inside the box 10 in a main chamber 11.
Dans cet exemple préféré, le dispositif 1 comprend en outre avantageusement un filtre 111 placé dans l’entrée d’air 110, une chambre de séchage 112 placée entre le filtre 111 et la chambre principale 11 et un organe de circulation d’air se présentant sous la forme d’un ventilateur 113 placé dans la chambre principale 11 entre la chambre de séchage 112 et les membranes 130. La présence du filtre 111, de la chambre de séchage 112 et du ventilateur 113, bien que particulièrement avantageuse, notamment dans leur combinaison, reste optionnelle et non limitative de la portée de la présente invention.In this preferred example, the device 1 also advantageously comprises a filter 111 placed in the air inlet 110, a drying chamber 112 placed between the filter 111 and the main chamber 11 and an air circulation member in the form of a fan 113 placed in the main chamber 11 between the drying chamber 112 and the membranes 130. The presence of the filter 111, of the drying chamber 112 and of the fan 113, although particularly advantageous, in particular in their combination, remains optional and not limiting the scope of the present invention.
Entrée d’air 110Air inlet 110
L’entrée d’air 110 est adaptée pour prélever un flux d’air F1 ambiant (i.e. d’air à pression atmosphérique), c’est-à-dire pour permettre à un flux d’air F1 ambiant de pénétrer dans le caisson 10.The air inlet 110 is adapted to take in an ambient air flow F1 (i.e. air at atmospheric pressure), that is to say to allow an ambient air flow F1 to enter the box. 10.
FiltreFiltered 1111 11
Le filtre 111 est positionné au niveau de l’entrée d’air 110 du caisson 10 et permet de filtrer les poussières contenues dans le flux d’air F1 entrant dans le caisson 10 afin d’éviter l’encrassement des membranes 130.The filter 111 is positioned at the level of the air inlet 110 of the casing 10 and makes it possible to filter the dust contained in the air flow F1 entering the casing 10 in order to avoid the clogging of the membranes 130.
Chambre de séchage 112Drying chamber 112
La chambre de séchage 112 est positionnée entre l’entrée d’air 110 et la chambre principale 11.The drying chamber 112 is positioned between the air inlet 110 and the main chamber 11.
La chambre de séchage 112 permet de sécher le flux d’air F1 prélevé afin d’éviter la condensation d’humidité ou la fixation de moisissures sur les membranes 130, ce qui pourrait les endommager.The drying chamber 112 makes it possible to dry the flow of air F1 sampled in order to prevent the condensation of humidity or the attachment of mold to the membranes 130, which could damage them.
Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, la chambre de séchage 112 est adaptée pour réaliser le séchage par refroidissement et condensation d’eau à l’aide d’un échangeur principal (non représenté pour des raisons de clarté car connu en soi), ce qui est à la fois un moyen simple et peu onéreux pour assécher le flux d’air F1. Dans ce cas, la chambre de séchage 112 comprend avantageusement un canal d’extraction 112A des condensats de séchage vers l’extérieur du caisson 10.In the embodiment illustrated in Figure 1, the drying chamber 112 is adapted to carry out the drying by cooling and condensation of water using a main exchanger (not shown for reasons of clarity because known per se ), which is both a simple and inexpensive way to dry the airflow F1. In this case, the drying chamber 112 advantageously comprises a channel 112A for extracting the drying condensates out of the box 10.
De manière avantageuse, la chambre de séchage 112 par refroidissement et condensation d'eau peut être munie d'un échangeur croisé de récupération de frigorie (appelé communément «économiseur»), non représenté, placé en amont de l'échangeur principal afin de pré-refroidir le flux d'air entrant dans la chambre de séchage au moyen du flux d'air froid et sec sortant de la chambre de séchage. Cet échangeur croisé permet de réduire notablement la consommaton énergétique de l'opération de séchage.Advantageously, the drying chamber 112 by cooling and water condensation can be equipped with a cross heat exchanger for the recovery of cold (commonly called "economizer"), not shown, placed upstream of the main exchanger in order to pre - cooling the flow of air entering the drying chamber by means of the flow of cold and dry air leaving the drying chamber. This crossed exchanger makes it possible to significantly reduce the energy consumption of the drying operation.
Dans une autre forme de réalisation, la chambre de séchage 112 peut être adaptée pour réaliser le séchage par l’utilisation d’agents de dessiccation, tel que par exemple un agent de type gel de silice.In another embodiment, the drying chamber 112 can be adapted to carry out the drying by the use of desiccants, such as for example a silica gel type agent.
Ventilateur 113Fan 113
Le ventilateur 113 est apte à diriger le flux d’air F1 prélevé, éventuellement filtré et séché, en l’accélérant vers l’ensemble de membranes 130 afin d’améliorer la circulation des flux à travers le caisson 10 et d’augmenter l’efficacité de la séparation du dioxygène et de l’azote.The fan 113 is capable of directing the flow of air F1 drawn off, possibly filtered and dried, by accelerating it towards the set of membranes 130 in order to improve the circulation of the flows through the box 10 and to increase the efficiency of the separation of oxygen and nitrogen.
MM embranes 130membranes 130
Les membranes 130 permettent de séparer, à la pression atmosphérique,au moins en partie le dioxygène et l’azote contenus dans le flux d’air F1 prélevé. Plus précisément, les membranes 130 permettent de générer un flux de perméats F2, enrichi en dioxygène, et un flux de rétentats F3, enrichi en azote. Par le terme «enrichi» en un composant, on entend que le composant est présent en proportion plus importante dans le flux enrichi que dans le flux d’air prélevé. Ainsi, le flux de perméats F2 enrichi en dioxygène présente une proportion (i.e. une fraction volumique) de dioxygène supérieure à la proportion de dioxygène contenu dans le flux d’air F1 ambiant prélevé dans l’atmosphère, qui est de l’ordre de 20,9 % de manière connue. De même, le flux de rétentats F3 enrichi en azote présente une proportion (fraction volumique) d’azote supérieure à la proportion d’azote contenu dans le flux d’air F1 ambiant prélevé dans l’atmosphère, qui est de l’ordre de 79 % de manière connue.The membranes 130 make it possible to separate, at atmospheric pressure, at least in part the dioxygen and the nitrogen contained in the flow of air F1 sampled. More precisely, the membranes 130 make it possible to generate a flow of permeates F2, enriched in dioxygen, and a flow of retentates F3, enriched in nitrogen. By the term “enriched” with a component, it is meant that the component is present in a greater proportion in the enriched flow than in the sampled air flow. Thus, the flow of permeates F2 enriched in dioxygen has a proportion (i.e. a volume fraction) of dioxygen greater than the proportion of dioxygen contained in the flow of ambient air F1 taken from the atmosphere, which is of the order of 20 .9% in a known manner. Similarly, the flow of retentates F3 enriched in nitrogen has a proportion (volume fraction) of nitrogen greater than the proportion of nitrogen contained in the flow of ambient air F1 taken from the atmosphere, which is of the order of 79% in a known way.
Dans l’exemple de la figure 1, les membranes 130 sont au nombre de huit. Ce nombre n’est pas limitatif de la portée de l’invention de sorte que, dans une autre forme de réalisation,le nombre de membranes 130 pourrait être inférieur ou supérieur à huit, entre une et plusieurs centaines de membranes 130. Notamment, le nombre de membranes 130 peut être choisi pour obtenir une proportion de dioxygène donnée en sortie 120 du caisson 10, cette proportion pouvant également être modifiée en fonction de la puissance de la pompe à vide 20 comme expliqué ci-après. Le choix du nombre de membranes 130 peut être réalisé en fonction de l’efficacité et de la taille des membranes 130. Par exemple, le dispositif 1 pourrait comprend une unique membrane 130 de dimensions importantes ou bien des centaines de membranes 130 de petites tailles selon la technologie des membranes 130 utilisées, la technologie des membranes évoluant très rapidement de nos jours.In the example of Figure 1, the membranes 130 are eight in number. This number does not limit the scope of the invention so that, in another embodiment, the number of membranes 130 could be less than or more than eight, between one and several hundred membranes 130. In particular, the number of membranes 130 can be chosen to obtain a given proportion of oxygen at the outlet 120 of the box 10, this proportion also being able to be modified according to the power of the vacuum pump 20 as explained below. The choice of the number of membranes 130 can be made according to the efficiency and the size of the membranes 130. For example, the device 1 could comprise a single membrane 130 of large dimensions or else hundreds of membranes 130 of small sizes according to the technology of the membranes 130 used, the technology of the membranes evolving very rapidly these days.
Comme illustré sur la figure 1, les membranes 130 sont disposées dans la partie centrale de la chambre principale 11 du caisson 10. Dans cet exemple, les membranes 130 sont disposées côte à côte et parallèlement sensiblement perpendiculairement au flux d’air F1 prélevé afin de pouvoir réaliser la séparation moléculaire dans le sens du flux d’air F1. Cependant, toute disposition des membranes 130 relativement les unes par rapport aux autres est possible, notamment un placement de manière aléatoire.As illustrated in Figure 1, the membranes 130 are arranged in the central part of the main chamber 11 of the box 10. In this example, the membranes 130 are arranged side by side and parallel substantially perpendicular to the flow of air F1 taken in order to to be able to carry out the molecular separation in the direction of the air flow F1. However, any arrangement of the membranes 130 relative to each other is possible, in particular a random placement.
On a représenté à la figure 2 un exemple de membrane 130. La membrane 130 est apte à séparer le flux d’air F1 pour constituer le flux de perméats F2 enrichi en dioxygène et le flux de rétentats F3 enrichi en azote.An example of a membrane 130 is shown in FIG. 2. The membrane 130 is able to separate the air flow F1 to constitute the flow of permeates F2 enriched in dioxygen and the flow of retentates F3 enriched in nitrogen.
A cette fin, la membrane 130 comprend au moins une paroi 131 de filtration moléculaire, apte à recevoir le flux d’air F1 prélevé, filtré et séché, et délimitant un espace interne 133, fermé par une paroi supérieure 134A et une paroi inférieure 134B, à travers laquelle est montée un collecteur 135 permettant d’évacuer l’air filtré enrichi en dioxygène pour constituer le flux de perméats F2, le flux de rétentats F3 étant évacué vers l’extérieur de la membrane 130. Dans cet exemple, la membrane 130 est de forme tubulaire et comprend une seule paroi 131. Cependant, en variante la membrane 130 pourrait par exemple comprendre deux parois reliées entre elles au niveau de leur bord en formant un espace interne.To this end, the membrane 130 comprises at least one wall 131 of molecular filtration, capable of receiving the flow of air F1 drawn off, filtered and dried, and delimiting an internal space 133, closed by an upper wall 134A and a lower wall 134B , through which is mounted a collector 135 for evacuating the filtered air enriched in dioxygen to form the flow of permeates F2, the flow of retentates F3 being evacuated to the outside of the membrane 130. In this example, the membrane 130 is tubular in shape and comprises a single wall 131. However, alternatively the membrane 130 could for example comprise two walls connected together at their edge, forming an internal space.
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif 1 comprend un conduit d’évacuation 25 reliant fluidiquement les collecteurs 135 à la pompe à vide 20 pour évacuer le flux de perméats F2 vers l’extérieur du dispositif 1.Referring to Figures 1 and 2, device 1 comprises an evacuation conduit 25 fluidly connecting collectors 135 to vacuum pump 20 to evacuate the flow of permeates F2 to the outside of device 1.
La paroi 131 de la membrane 130 permet une filtration moléculaire par perméation sélective du flux d’air F1 afin qu’une partie des molécules de dioxygène soient aspirées depuis l’espace interne 133 de chaque membrane 130, via les collecteurs 135, dans le conduit d’évacuation 25 sous l’action de la pompe à vide 20.The wall 131 of the membrane 130 allows molecular filtration by selective permeation of the air flow F1 so that part of the dioxygen molecules are sucked from the internal space 133 of each membrane 130, via the collectors 135, into the conduit evacuation 25 under the action of the vacuum pump 20.
A cette fin, par exemple, la paroi de la membrane 130 contient des milliers de fibres creuses asymétriques qui agissent comme un filtre moléculaire. Lorsque l’air traverse la paroi 131 de la membrane 130, notamment en étant poussé par le ventilateur 113, les composants du gaz se divisent selon le principe de la perméation sélective, les gaz rapides tels que le dioxygène pénètrent facilement la paroi 131 de la membrane 130 et sortent en étant aspiré depuis l’espace interne 133 sous l’action de la pompe à vide 20 au niveau du collecteur 135. Les gaz lents tels que l'azote pénètrent difficilement la paroi 131 de la membrane 130, contournant pour la majorité la membrane 130 afin de former le flux de rétentats F3. Seule une petite fraction de molécules d’azote se retrouve dans l’espace interne 133. La succession de membranes 130 permet de capter d’avantage de dioxygène et augmenter ainsi l’enrichissement du flux de perméats F2 en dioxygène. Le flux de rétentats F3 se constitue au fur et à mesure de la traversée des membranes 130 de manière à obtenir un flux de rétentats F3 final à la sortie 120 du caisson 10.To this end, for example, the membrane wall 130 contains thousands of asymmetric hollow fibers which act as a molecular filter. When the air crosses the wall 131 of the membrane 130, in particular by being pushed by the fan 113, the components of the gas divide according to the principle of selective permeation, fast gases such as dioxygen easily penetrate the wall 131 of the membrane 130 and come out being sucked from the internal space 133 under the action of the vacuum pump 20 at the level of the collector 135. Slow gases such as nitrogen hardly penetrate the wall 131 of the membrane 130, bypassing for the majority the membrane 130 in order to form the stream of retentates F3. Only a small fraction of nitrogen molecules is found in the internal space 133. The succession of membranes 130 makes it possible to capture more oxygen and thus increase the enrichment of the flow of permeates F2 in oxygen. The flow of F3 retentates is built up as the membranes 130 are crossed so as to obtain a final flow of F3 retentates at the outlet 120 of the box 10.
De préférence, la sélectivité des membranes 130 entre le dioxygène et l’azote est supérieure à 5 pour améliorer l’efficacité de la séparation.Preferably, the selectivity of the membranes 130 between oxygen and nitrogen is greater than 5 to improve the efficiency of the separation.
Pompe à vide 20Vacuum pump 20
Le pompe à vide 20 permet d’aspirer les gaz filtrés successivement par les membranes 130 au niveau de leur espace interne 133 afin de séparer les molécules de dioxygène des molécules d’azote par perméation sélective.The vacuum pump 20 makes it possible to suck in the gases filtered successively by the membranes 130 at the level of their internal space 133 in order to separate the molecules of dioxygen from the molecules of nitrogen by selective permeation.
De préférence, la pompe à vide 20 est apte à générer une différence de pression dans l’épaisseur de la paroi 131, c’est-à-dire entre l’extérieur de la paroi 131 de la membrane 130 et l’espace interne 133 de ladite membrane 130. Cette différence de pression peut avantageusement être comprise entre 10 et 500 mbars absolus selon la technologie de ladite membrane 130, de préférence entre 100 et 500 mbars absolus.Preferably, the vacuum pump 20 is able to generate a pressure difference in the thickness of the wall 131, that is to say between the outside of the wall 131 of the membrane 130 and the internal space 133 of said membrane 130. This pressure difference can advantageously be between 10 and 500 mbar absolute depending on the technology of said membrane 130, preferably between 100 and 500 mbar absolute.
De préférence, la pompe à vide 20 est apte à être commandée par exemple via une consigne ou une commande pour fonctionner à un régime d’aspiration dans une plage de régimes afin de pouvoir adapter la proportion de dioxygène dans le flux de perméats F2. Par exemple, une table de correspondance donnant le régime à appliquer en fonction de la proportion de dioxygène souhaitée dans le flux de perméats F2 peut être utilisée.Preferably, the vacuum pump 20 is capable of being controlled, for example via a setpoint or a command, to operate at a suction speed in a range of speeds in order to be able to adapt the proportion of dioxygen in the flow of permeates F2. For example, a correspondence table giving the regime to be applied according to the desired proportion of oxygen in the flow of permeates F2 can be used.
Mise en œuvreImplementation
L’invention va maintenant être décrite dans sa mise en œuvre en référence à la figure 3.The invention will now be described in its implementation with reference to Figure 3.
Tout d’abord, dans une étape E1, un flux d’air F1 ambiant est prélevé par l’entrée d’air 110, ce prélèvement étant avantageusement accéléré par le ventilateur 113.First of all, in a step E1, an ambient air flow F1 is drawn off by the air inlet 110, this drawing off being advantageously accelerated by the fan 113.
Lors de sa traversée de l’entrée d’air, le flux d’air F1 est tout d’abord filtré dans une étape E2 par le filtre 111 afin d’en enlever les éléments solides pouvant encrasser les membranes 130, tels que les poussières.As it passes through the air inlet, the air flow F1 is first of all filtered in a step E2 by the filter 111 in order to remove the solid elements which can foul the membranes 130, such as dust .
Le flux d’air F1 filtré traverse ensuite la chambre de séchage 112 dans une étape E3, dans laquelle il est séché. Dans cet exemple, le séchage consiste en une condensation de l’humidité de l’air, qui est évacuée sous forme de condensats via le canal d’extraction 112A.The filtered air flow F1 then passes through the drying chamber 112 in a step E3, in which it is dried. In this example, the drying consists of a condensation of the humidity of the air, which is evacuated in the form of condensates via the extraction channel 112A.
Le flux d’air F1 séché est ensuite acheminé à travers le ventilateur 113 qui l’accélère dans une étape E4 jusqu’aux membranes 130.The dried air flow F1 is then routed through the fan 113 which accelerates it in a step E4 to the membranes 130.
Une partie du flux d’air F1 traverse alors la paroi 131 des membranes 130 qui sépare ledit flux d’air F1 en un flux de perméats F2 et un flux de rétentats F3 sous l’action de la pompe à vide 20 dans une étape E5.Part of the air flow F1 then crosses the wall 131 of the membranes 130 which separates said air flow F1 into a flow of permeates F2 and a flow of retentates F3 under the action of the vacuum pump 20 in a step E5 .
Plus précisément, lors de la traversée de la paroi 131 des membranes 130, une partie des molécules de dioxygène du flux d’air F1 traverse la paroi 131 et pénètre dans l’espace interne 133 sous l’effet de la différence de pression générée par la pompe à vide 20 afin d’être évacuée via chaque collecteur 135 jusqu’au conduit d’évacuation 25, formant ainsi le flux de perméats F2 enrichi en dioxygène (étape E5A). Ce flux de perméats F2 peut contenir des molécules d’azote ayant traversé la paroi 131.More precisely, during the crossing of the wall 131 of the membranes 130, a part of the dioxygen molecules of the air flow F1 crosses the wall 131 and enters the internal space 133 under the effect of the pressure difference generated by the vacuum pump 20 in order to be evacuated via each collector 135 to the evacuation conduit 25, thus forming the flow of permeates F2 enriched in dioxygen (step E5A). This flow of permeates F2 may contain nitrogen molecules having crossed the wall 131.
La partie du flux d’air restant n’ayant pas traversé la paroi 131 des membranes 130, c’est-à-dire ayant contourné les membranes 130, qui se retrouve appauvri en dioxygène et donc enrichi en azote en proportion du flux d’air F1 prélevé, forme le flux de rétentats F3 (étape E5B) qui est évacué du caisson 10 via la sortie 120 lors d’une étape E6, par exemple dans l’atmosphère.The part of the remaining air flow that has not passed through the wall 131 of the membranes 130, that is to say having bypassed the membranes 130, which is found depleted in dioxygen and therefore enriched in nitrogen in proportion to the flow of air F1 withdrawn, forms the flow of retentates F3 (step E5B) which is evacuated from the box 10 via the outlet 120 during a step E6, for example into the atmosphere.
Le flux de perméats F2 qui peut contenir par exemple plus de 45 % de dioxygène est évacué du dispositif 1 via le conduit d’évacuation 25. Ce flux de perméats F2 peut être utilisé dans une variété d’applications, notamment pour la combustion des flux de gaz contenant du méthane, à des fins médicales, dans les élevages de poisson, dans le nettoyage de la fonte brute fondue ou dans la production de produits pharmaceutiques, de médicaments, d'antibiotiques ou de biopolymères.The flow of permeates F2 which can contain for example more than 45% of oxygen is evacuated from the device 1 via the evacuation pipe 25. This flow of permeates F2 can be used in a variety of applications, in particular for the combustion of the flows gas containing methane, for medical purposes, in fish farming, in the cleaning of molten pig iron or in the production of pharmaceuticals, drugs, antibiotics or biopolymers.
Notamment, le flux de perméats F2 peut permettre la valorisation énergétique par combustion du méthane contenu dans les gaz résiduels issus de l’épuration du biogaz en biométhane, notamment afin de réduire la teneur en méthane des gaz rejetés dans l'atmosphère à une valeur conforme aux normes et seuils en vigueurs.In particular, the flow of permeates F2 can allow energy recovery by combustion of the methane contained in the residual gases resulting from the purification of biogas into biomethane, in particular in order to reduce the methane content of the gases released into the atmosphere to a value in accordance with to the standards and thresholds in force.
Une autre application du dispositif 1 selon l’invention peut consister en une utilisation embarquée dans un véhicule, par exemple sur le toit d’un poids lourd afin de créer un flux enrichi en dioxygène pour traiter des gaz lors d’un transport. Dans ce cas, le flux d’air F1 entrant est accéléré lorsque le véhicule roule de sorte qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser un organe de ventilation d’air tel qu’un ventilateur pour faire circuler l’air dans le caisson 10.Another application of the device 1 according to the invention can consist of use on board a vehicle, for example on the roof of a heavy goods vehicle in order to create a flow enriched in dioxygen to treat gases during transport. In this case, the incoming air flow F1 is accelerated when the vehicle is moving so that it is not necessary to use an air ventilation device such as a fan to circulate the air in the box 10.
Toute autre application adaptée du dispositif 1 selon l’invention peut être envisagée. La forme et les dimensions du dispositif 1 et de ses éléments, notamment le caisson 10 et les membranes 130, peuvent varier et être adaptées à l’utilisation qui est faite du dispositif 1 sans que cela ne soit limitatif de la portée de la présente invention.
Any other suitable application of the device 1 according to the invention can be envisaged. The shape and dimensions of the device 1 and its elements, in particular the box 10 and the membranes 130, can vary and be adapted to the use made of the device 1 without this limiting the scope of the present invention. .
Claims (10)
- une entrée d’air (110) apte à prélever un flux d’air (F1) ambiant à la pression atmosphérique,
-au moins une membrane (130), disposée dans ledit caisson (10) et comprenant au moins une paroi (131) de filtration moléculaire, ladite au moins une paroi (131) étant apte à recevoir ledit flux d’air (F1) prélevé et délimitant un espace interne (133), ladite membrane (130) étant apte à séparer, à la pression atmosphérique, le flux d’air (F1) prélevé en un flux de perméats (F2), enrichi en dioxygène et évacué au niveau dudit espace interne (133) via un collecteur (135), et en un flux de rétentats (F3), enrichi en azote,
- une sortie (120) apte à évacuer ledit flux de rétentats (F3) vers l’extérieur du caisson (10),
la pompe à vide (20) étant connectée fluidiquement au collecteur (135) afin d’aspirer le flux de perméats (F2) enrichi en dioxygène depuis l’espace interne (133).Device (1) for enriching an air flow (F1) with oxygen, said device (1) comprising a box (10) and a vacuum pump (20), said box (10) comprising:
- an air inlet (110) capable of taking in an ambient air flow (F1) at atmospheric pressure,
- at least one membrane (130), arranged in said box (10) and comprising at least one wall (131) for molecular filtration, said at least one wall (131) being able to receive said flow of air (F1) withdrawn and delimiting an internal space (133), said membrane (130) being capable of separating, at atmospheric pressure, the flow of air (F1) withdrawn into a flow of permeates (F2), enriched in dioxygen and evacuated at the level of said internal space (133) via a collector (135), and in a flow of retentates (F3), enriched with nitrogen,
- an outlet (120) able to evacuate said flow of retentates (F3) to the outside of the box (10),
the vacuum pump (20) being fluidically connected to the collector (135) in order to suck the flow of permeates (F2) enriched in dioxygen from the internal space (133).
- prélèvement (E1) d’un flux d’air (F1) atmosphérique par l’au moins une entrée d’air (110) du caisson (10),
- séparation (E5), sous l’action de la pompe à vide (20), du flux d’air (F1) prélevé par l’au moins une paroi (131) de l’au moins une membrane (130) en un flux de perméats (F2) enrichi en dioxygène dans l’espace interne (133) de ladite au moins une membrane (130) et en un flux de rétentats (F3) enrichi en azote à l’extérieur de ladite au moins une membrane (130).Method for enriching an air flow (F1) with dioxygen, said method, implemented by a device (1) according to any one of the preceding claims, comprising the steps of:
- sampling (E1) of an atmospheric air flow (F1) through the at least one air inlet (110) of the box (10),
- separation (E5), under the action of the vacuum pump (20), of the air flow (F1) drawn off by the at least one wall (131) of the at least one membrane (130) into one flow of permeates (F2) enriched in oxygen in the internal space (133) of said at least one membrane (130) and in a flow of retentates (F3) enriched in nitrogen outside of said at least one membrane (130 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2001255A FR3106989A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Enrichment of an air flow with oxygen by extractive membrane separation |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2001255A FR3106989A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Enrichment of an air flow with oxygen by extractive membrane separation |
| FR2001255 | 2020-02-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3106989A1 true FR3106989A1 (en) | 2021-08-13 |
Family
ID=70008972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2001255A Pending FR3106989A1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Enrichment of an air flow with oxygen by extractive membrane separation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3106989A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2273577A1 (en) * | 1974-06-04 | 1976-01-02 | Gen Electric | APPARATUS FOR THE ENRICHMENT OF AIR WITH OXYGEN |
| US5500036A (en) * | 1994-10-17 | 1996-03-19 | Air Products And Chemicals, Inc. | Production of enriched oxygen gas stream utilizing hollow fiber membranes |
| WO2000029093A1 (en) * | 1998-11-16 | 2000-05-25 | Compact Membrane Systems, Inc. | Highly selective gas permeation |
| WO2004002884A1 (en) * | 2002-06-28 | 2004-01-08 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for separating a membrane and device for separating a membrane for enriching at least one gas component in a gas flow |
-
2020
- 2020-02-07 FR FR2001255A patent/FR3106989A1/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2273577A1 (en) * | 1974-06-04 | 1976-01-02 | Gen Electric | APPARATUS FOR THE ENRICHMENT OF AIR WITH OXYGEN |
| US5500036A (en) * | 1994-10-17 | 1996-03-19 | Air Products And Chemicals, Inc. | Production of enriched oxygen gas stream utilizing hollow fiber membranes |
| WO2000029093A1 (en) * | 1998-11-16 | 2000-05-25 | Compact Membrane Systems, Inc. | Highly selective gas permeation |
| WO2004002884A1 (en) * | 2002-06-28 | 2004-01-08 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for separating a membrane and device for separating a membrane for enriching at least one gas component in a gas flow |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR930007495A (en) | Membrane Gas Separation Method | |
| FR2459281A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR THE DIALYSIS REDUCTION OF THE ALCOHOL CONTENT OF FERMENTED BEVERAGES | |
| FR2540396A1 (en) | GAS DEHYDRATION PROCESS | |
| FR2566797A1 (en) | CLARIFICATION OF WINE BY TRANSVERSAL FLOW FILTRATION | |
| FR2682613A1 (en) | PROCESS FOR AT LEAST PARTIAL DEHYDRATION OF AN AQUEOUS COMPOSITION AND DEVICES FOR IMPLEMENTING THE METHOD. | |
| EP1287112B1 (en) | Preparing a sample to be analysed from a sample with very large volume | |
| WO2009004208A1 (en) | Equipment and system for processing a gaseous mixture by permeation | |
| FR3093169A1 (en) | Installation and process for separating gases from air using a parallelepiped shaped adsorber | |
| FR3106989A1 (en) | Enrichment of an air flow with oxygen by extractive membrane separation | |
| CN102505732B (en) | Membrane air water intake device | |
| FR2911517A1 (en) | Carbondioxide gas separating method for e.g. purifying carbondioxide gas, involves dispersing nitrogen and carbondioxide gas mixture in liquid phase at specific temperature and at pressure equal to/higher than atmospheric pressure | |
| EP0241349A1 (en) | Process and device for treating fluids containing particles in suspension | |
| FR3047997A1 (en) | PROCESS FOR MATURING AT LEAST ONE ALCOHOLIC LIQUID WITH RECOVERY OF VOLATILE COMPOUNDS AND CORRESPONDING INSTALLATION | |
| EP3443070B1 (en) | Method for culturing microalgae and/or cyanobacteria from industrial gas effluents containing carbon dioxide and facility for implementing said method | |
| CN1042847A (en) | A kind of treatment fluid wet polycarbonate membrane is to improve the method for its divided gas flow performance | |
| EP1311335B1 (en) | Method and device for separating or enriching concentration in a mixture of gaseous or liquid constituents | |
| JP2006517146A5 (en) | ||
| WO1999039758A1 (en) | Method for transforming plasma and implementing device | |
| FR2580514A1 (en) | COMPOSITE ASSEMBLY OF FILTRATION MEMBRANES AND ITS USE IN A BIOREACTOR | |
| EP2788610B1 (en) | Air centrifuge device | |
| JP2005349268A (en) | Substance separation and purification process utilizing diffusion through porous film | |
| WO2019025670A1 (en) | System for harvesting microalgae and microalga exudates from culture water loaded with same, comprising tangential flow on a membrane filter | |
| EP0052391A2 (en) | Apparatus for the fractionation of a solution by electrophoresis | |
| KR102525458B1 (en) | Process for capturing carbon dioxide from flue gas inked with drying stage by membrane dryer | |
| FR3137302A1 (en) | System and process for extracting volatile molecules from plant raw materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20210813 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |