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Lavage des gaz

Les laveurs de gaz sont des équipements destinés à éliminer les polluants d'un flux gazeux, en le mettant en contact avec un liquide de lavage. Le flux gazeux peut être un flux d'air provenant d'une atmosphère de travail, de fumées de combustion, d'évent de respiration de bacs de stockage, ou encore d'un gaz de procédé.
Bien que partageant certains équipements, les absorbeurs de gaz qui traitent des gaz quasi purs (synthèse d'acide, systèmes frigorifiques à absorption, ...) sont confrontés à des contraintes différentes et ne seront pas traités dans cette page.
Les polluants à éliminer peuvent être des particules solides ou liquides en suspension, des composés gazeux ou les deux simultanément.
Le gaz à épurer est mis en contact avec un liquide qui entraînera les particules solides ou absorbera les gaz par un mécanisme physico-chimique. Si le gaz et le liquide sont à des températures différentes un échange thermique se produira, ce qui peut parfois être l'objet principal de l'opération, ou bien limiter l'efficacité de l'absorption.
Le liquide est souvent de l'eau ou une solution aqueuse de réactif. Une huile lourde peut aussi être utilisée pour absorber des vapeurs d'hydrocarbures.
L'épuration des gaz par lavage permet de:
 - traiter des poussières inflammables avec un minimum de risque
 - simultanément absorber ou neutraliser un gaz corrosif et éliminer des poussières
 - simultanément refroidir et épurer un gaz
Le principal inconvénient du lavage des gaz est qu'il génère un effluent liquide qui doit être traité à son tour. Cependant une concentration élevée en polluant dans l'effluent facilitera son traitement.

Les polluants concernés par la technique de traitement par absorption sont les composés odorants et les Composés Organiques Volatils (COV) non odorants.

 

Principe de l'absorption

L’absorption d'un gaz par un liquide est un processus de transfert de masse d’un composé de la phase gazeuse vers la phase liquide. Les étapes successives sont:
 - diffusion du composé au sein de la phase gazeuse vers la surface du liquide
 - condensation/dissolution du composé dans la phase liquide
 - diffusion du composé au sein de la phase liquide

La vitesse d'adsorption est favorisée par:

 - la turbulence du gaz qui permet de renouveler rapidement le gaz en contact avec le liquide
 - la dispersion du liquide au sein du gaz, ou bien la dispersion du gaz au sein du liquide qui augmente la surface de contact
 - la turbulence du liquide qui permet de renouveler le liquide en contact avec le gaz

L'absorption est limitée par:

 - la solubilité du composé dans le liquide de lavage
 - la température du liquide de lavage (la solubilité des gaz diminue quand la température du liquide augmente)

Lorsque le composé transféré n’est pas modifié, le processus est une simple absorption physique.

L'absorption d'un gaz dans un liquide s'accompagne le plus souvent d'une élévation de sa température (chaleur de dissolution). Pour conserver au liquide sa capacité d'absorption maximale, il convient d'éliminer cette chaleur de dissolution afin de le maintenir à une température la plus basse possible.

L’ajout dans la solution de lavage de réactifs chimiques, permettant l’élimination des polluants et modifiant par conséquent le profil de concentrations à proximité de l’interface, favorise le transfert de la phase gazeuse vers la phase liquide.

Solubilité des gaz

Pour les gaz très dilués dans un inerte, leur solubilité dans un liquide est proportionnelle à sa pression partielle dans le gaz. Elle est généralement exprimée par la loi de Henry:
C = H.p
 - H est le coefficient de Henry. De nombreuses publications proposent des valeurs du coefficient de Henry pour de nombreuses substances tant minérales qu'organiques.
 - p est la pression partielle du composant dans le gaz. Même si sa fraction molaire dans le gaz reste inchangée, la pression partielle d'un composant, et donc sa solubilité, augmente avec la pression totale du gaz.

Contrairement aux liquides ou solides, la solubilité des gaz diminue quand la température augmente; le coefficient de Henry est donc lui-même fonction de la température.

Lorsque le gaz réagit chimiquement avec le solvant, ce qui est le cas général des gaz acides ou basiques avec l'eau ou les solutions aqueuses, le coefficient de Henry ne donne la solubilité que de l'espèce qui n'a pas réagit. La solubilité totale du gaz doit tenir compte en plus de la fraction ayant réagit avec le solvant.

Liquide de lavage

Le choix d’un liquide de lavage adapté doit tenir compte des contraintes suivantes:
 - présenter une forte capacité d’absorption vis à vis des composés à éliminer,
 - posséder une viscosité faible afin de faciliter sa mise en œuvre, limiter les consommations énergétiques, et favoriser la turbulence
 - avoir une pression de vapeur suffisamment basse afin d’éviter qu’il ne devienne lui-même un polluant,
 - ne pas présenter de risque pour la santé et la sécurité, surtout dans le traitement de l'air avant rejet à l'atmosphère
 - être inerte vis à vis des matériaux utilisés,
 - être peu cher ou régénérable à faible coût.

L’eau est largement utilisée en tant que solution de lavage lorsque les composés à éliminer sont solubles ou dissociables dans l’eau, comme par exemple pour éliminer l’ammoniac, les amines, les alcools, les acides …. Cependant, l’absorption à l’eau seule peut nécessiter une très grande quantité de liquide ; l'ajout d'un réactif chimique permet d’éliminer en continu les composés absorbés et par conséquent d’améliorer le transfert de matière, et diminuer la quantité d'eau mise en oeuvre. Sans réaction chimique, le polluant absorbé est préservé et peut souvent être concentré, recyclé, .... Si une réaction chimique a été mise en oeuvre, l'absorption génère le plus souvent un effluent qui doit être traité à son tour.

D’autres liquides de lavage, ne permettant pas la destruction des composés odorants mais pouvant améliorer le transfert de matière, peuvent également être mis en œuvre.


 

Solutions avec réactif chimique

Les réactions chimiques permettant l’élimination des composés peuvent être de deux types suivant la nature des polluants :

Réactions acide/base

L'absorption d'un composé acide est favorisée par un liquide présentant un caractère basique. C'est le cas des acides minéraux (HCl, HBr, HF), des acides organiques (formique, acétique, ...), des anhydrides (CO2, SO2, SO3, NO2, ...), mais aussi de la plupart des composés souffrés (H2S, mercaptans, ...). Le liquide de lavage peut être une solution aqueuse de soude ou de chaux, ou bien une amine lourde qui ne présente d'intérêt économique que si sa régénération est possible.
Les composés azotés, tels que l’ammoniac ont un caractère basique : un lavage à l’acide est alors préconisé.

Réactions d’oxydation

L’utilisation d’une solution oxydante va également permettre la régénération en continu de la solution de lavage par oxydation des polluants. Les oxydants les plus fréquemment rencontrés en désodorisation de gaz sont l’hypochlorite de sodium (eau de javel), l’eau ozonée, le permanganate de potassium et l’eau oxygénée. Il faut noter que l'hypochlorite de sodium dans la solution de lavage présente l'inconvénient de former, avec certains COV, des composés organo-chlorés.

Autres liquides de lavage

Des composés organiques hydrophobes (hydrocarbures aromatiques et aliphatiques par exemple), peuvent être éliminés en utilisant des solvants lourds, tels que des huiles minérales, des huiles de silicone ou du polyéthylène glycol.
La vapeur d'eau peut être absorbée par des alcools lourds (souvent des glycols).
Après saturation, ces liquides peuvent être régénérés par distillation, distillation sous vide ou stripping à la vapeur. Les composés récupérés lors de la régénération sont concentrés et peuvent alors être récupérés ou éliminés.

Configurations des laveurs de gaz

Les technologies les plus utilisées sont les colonnes à garnissage, les tours à pulvérisation et atomisation. Notons qu’un pré-traitement des gaz est souvent nécessaire avant de les introduire dans ces contacteurs. C’est le cas par exemple de gaz poussiéreux pour lesquels un dépoussiérage préalable est nécessaire afin d’éviter le colmatage du garnissage ou d’effluents gazeux chauds qui doivent être refroidis afin d’être ramenés à des températures ambiantes favorisant la solubilité. De plus, il convient de prendre en compte le problème de corrosion lié à l’emploi de solutions acides ou oxydantes. Des matériaux plastiques, céramiques ou en acier inoxydable sont le plus souvent préconisés.

Les colonnes à pulvérisation

Configuration de lavageLe gaz est introduit dans une chambre dépourvue d'interne dans laquelle le liquide de lavage est pulvérisé par des buses. Gaz et liquide peuvent être à co-courant, à contre-courant ou à courants croisés. La surface de contact entre gaz et liquide est obtenue par la grande quantité de goutelettes formées. La dimension des gouttelettes est choisie pour optimiser le contact avec le gaz, mais aussi pour permettre sa séparation du gaz. Le liquide de lavage est de préférence recyclé pour augmenter l'efficacité de l'opération. Si des particules sont captées, elles ne doivent pas pouvoir boucher les buses de pulvérisation.
La perte de charge sur le flux gazeux est faible mais ce système est peu efficace pour l'élimination des particules solides. Des chicanes peuvent être disposées pour améliorer la captation des particules, mais elles favorisent la coalescence des gouttelettes de liquide.
Les colonnes à pulvérisation sont souvent utilisées comme prétraitement avant une autre technologie. Les gaz chauds peuvent être refroidis par évaporation du liquide pulvérisé. La majeure partie des composants solides peuvent être abattus. On les trouve comme première étape de traitement des effluents d'incinérateurs ou de traitements thermiques.


Les cyclones à pulvérisation

Ils combinent la technique des cyclones pour capturer les particules et et des colonnes à pulvérisation.
Le flux gazeux entre dans la chambre tangentiellement et à haute vitesse. La vitesse du gaz plaque les particules et les gouttelettes de liquide sur la paroie du cyclone. Ceci autorise une pulvérisation du liquide en plus fines gouttelettes pour accroitre l'efficacité de l'opération.
La perte de charge sur le flux gazeux est plus importante que pour les colonnes à pulvérisation, mais le besoin en liquide de lavage est moindre.


Laveur Venturi

Le gaz est introduit dans une chambre présentant une zone convergente et suivie d'une zone divergente. Le liquide est introduit à co-courant dans la zone la plus étroite. L'expansion du gaz dans le divergent favorise la dispersion des gouttelettes de liquide.
La perte de charge sur le flux gazeux est parmis les plus élevées des systèmes de lavage de gaz, mais c'est un système peu encombrant, facile à mettre en place et l'un des plus efficace pour la captation de particules.
Le venturi permet l'aspiration du gaz à traiter. Le liquide de lavage sert alors de fluide moteur, permettant de s'affranchir d'un autre équipement tel qu'un ventilateur ou un compresseur.
Laveur de gaz de type VenturiLa séparation du gaz et du liquide de lavage, en aval du venturi peut être obtenue dans une capacité de plus forte section où la vitesse du gaz est plus faible. Un cyclone disposé en aval peut aussi être utilisé.

Laveurs à garnissage

Laveur à garnissageIls contiennent un ou plusieurs lits de garnissage tel que des anneaux Raschig, des selles de Berl, .... Le fonctionnement est le plus souvent à contre-courant, le gaz circulant de bas en haut et le liquide de lavage s’écoulant par gravité de haut en bas sur le garnissage. Le liquide de lavage doit être parfaitement distribué sur toute la section de passage de la colonne. Un dévésiculeur peut être disposé en partie haute de la colonne pour éliminer le liquide de lavage qui pourrait être entrainé avec le gaz épuré.
Les laveurs à garnissage comme les laveurs à plateaux sont particulièrement recommandés pour les épurations poussées. La grande surface de contact entre le gaz et liquide permet d'approcher les conditions d'équilibre. Si le taux de recirculation du liquide du bas vers le haut de la colonne est faible ou nul, plusieurs étages théoriques d'absorption peuvent être obtenus.
Le choix du garnissage, élément essentiel de ce type de contacteur, est dicté par la surface de contact offerte entre le gaz et le liquide utilisé, le calcul des pertes de charge et son prix. Les garnissages peuvent être de formes variées (anneaux, selles…), de matériaux différents (céramique, verre, métal…) et être rangés ou disposés en vrac.


Laveur à garnissage et courants croisésLes colonnes à garnissage sont principalement utilisées pour l'absorption de polluants gazeux. La captation de particules solides est possible mais risque de conduire à un colmatage du garnissage. Si le gaz à épurer contient des particules solides, une disposition horizontale est préférable, avec un fonctionnement à courants croisés.
Un laveur à garnissage et courant croisé peut aussi être utile pour des lavages complexes mettant en oeuvre plusieurs réactifs successifs (acide, hypochlorite, soude par exemple). Plusieurs lits seront ainsi disposés en série sur le parcours du gaz, chacun mettant en oeuvre un des réactifs, sans qu'ils ne se mélangent.


Laveurs à plateaux

Laveur à plateauxComme les laveurs à garnissage, ils offrent une excellente efficacité de captation des polluants solubles. Les technologies de plateaux peuvent être identiques à celles utilisées en distillation.
Les plateaux perforés ou à clapets peuvent être utilisés sur les services faiblement encrassants. Les plateaux à cloches autorisent les rapports liquide / gaz les plus faibles, mais sont très sensibles à l'encrassement par les particules solides.
Pour les services encrassants et l'élimination de poussières, des plateaux spécifiques sont souvent développés par les fournisseurs.

Etagement des laveurs

 Exemple d'absorption d'acide chlorhydrique en trois étages:
Schéma de principe d'un absorbeur à trois étages
Le gaz à épurer contient des vapeurs d'acide chlorhydrique, qui doit être absorbé dans l'eau. L'acide absorbé doit être valorisé sous la forme d'une solution concentrée (30 à 35%). Le gaz est épuré en trois étapes successives:
 - lavage par une solution riche en acide dans un venturi alimenté par la solution extraite de l'étage intermédiaire
 - lavage par une solution de concentration intermédiaire (10%) dans un venturi . Cet étage est alimenté en solution pauvre en acide provenant de l'étage final
 - lavage final dans une colonne à garnissage alimenté en eau fraiche, qui permet d'atteindre une épuration poussée
L'absorption étant exothermique, les solutions doivent être refroidies
Pour maximiser l'efficacité d'un laveur de gaz, il est généralement nécessaire d'adopter un débit de liquide le plus important possible. Pour limiter le débit de purge de liquide et maximiser sa concentration en polluant, le liquide de lavage est donc largement recyclé sur le laveur. La contrepartie est qu'il devient alors difficile d'atteindre un niveau poussé d'épuration en raison de l'équilibre existant entre la composition du liquide et celle du gaz. Pour atteindre néanmoins une épuration poussée, il faut procéder en plusieurs étages d'épuration; par exemple:
 - un premier étage traitera le gaz entrant par le liquide le plus concentré en polluant d'où on prélèvera la purge
 - un étage intermédiaire traitera le gaz partiellement épuré sortant du premier étage, par le liquide provenant du dernier étage
 - un dernier étage achever l'épuration du gaz avant sa sortie, au moyen d'un liquide faiblement pollué et continuellement alimenté en liquide frais.

Application des laveurs de gaz

Dépoussièrage

Domaine d'application des laveurs dépoussiéreursL’efficacité d’un traitement de gaz par un procédé d’absorption dépend de la nature des composés, de la solution de lavage utilisée, du type de contacteur retenu et des conditions de fonctionnement.
Les performances d’épuration par lavage dépassent très souvent 95 %, atteignant même plus de 98 % dans de nombreux cas.
Le domaine d’application des procédés d’absorption est très large : les débits de gaz à traiter peuvent être compris entre 1000 et 100 000 m3/h et les concentrations en polluants peuvent varier de 200 mg/m3 à 30 g/m3 suivant le secteur d’activité.


Performance pour la captation de particules
Type de laveur Efficacité Perte de charge
Pa
(kW/1000m3/h)
Débit liquide
m3/1000m3
Colonne à pulvérisation 70%
(>10µm)
800 - 4000
(0,2 - 1)
0,1 - 3
Cyclone à pulvérisation 90%
(>5µm)
1500 - 5000
(0,5 - 1,5)
0,3 - 1
Venturi 98%
(>0,5µm)
5000 - 15000
(1,5 - 5)
0,4 - 2

Elimination de vapeurs acides

Des vapeurs acides sont générées par de nombreux procédés de l'industrie chimique mais aussi dans la production de semi-conducteurs et de batteries, de métaux, de verreries ou des installations de combustion.
Le lavage par une solution aqueuse de soude permet de convertir l'acide en un sel soluble dans l'eau et non volatil.

Acide chlorhydrique (HCl)

L'acide chlorhydrique est par exemple courant dans les fumées de combustibles contenant des chlorures ou des composés chlorés. La réaction de neutralisation est la suivante:
HCl + NaOH ---> NaCl + H2O

Acide cyanhydrique (HCN)

L'acide cyanhydrique peut être neutralisé par une solution de soude et converti en cyanate moins toxique que le cyanure par une solution d'hypochlorite (eau de Javel). Les réactions mises en jeu sont les suivantes:
HCN + NaOH ---> NaCN + H2O
NaCN + NaOCl ---> NaCNO + NaCl
Le pH doit être maintenu entre 9 et 11 pour éviter la formation chlorure cyanogène (CNCl) ou de trichlorure d'azote (NCl3)

Hydrogène sulfuré (H2S)

L'hydrogène sulfuré est un polluant courant dans les activités de traitement des eaux usées ou agricoles, qui doit être éliminé pour son odeur et son caractère corrosif. L'hydrogène sulfuré peut être retiré par lavage par une solution de soude. Il peut en plus être oxydé en sulfate par une solution d'hypochlorite ou de peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée).
Les réactions mises en jeu sont:

neutralisation
H2S + 2NaOH ---> Na2S + 2H2O

oxydation
H2S + 2NaOH + 4NaOCl ---> Na2SO4  4NaCl + 2H2O
H2S + 2NaOH + 2H2O2 ---> Na2SO4 + 4H2O

Dioxyde de soufre (SO2)

Le dioxyde de soufre est courant dans les fumées de combustion. En présence d'eau il forme un acide. L'eau oxygénée permet la production d'acide sulfurique qui peut trouver un débouché commercial.
Il peut être neutralisé par une solution de soude. Un excès de soude produit une solution de sulfite, tandis qu'un défaut de soude produit une solution de métabisulfite.

en présence d'eau
SO2 + H2O ---> H2SO3

en présence d'eau oxygénée
SO2 + H2O2 ---> H2SO4

avec un excès de soude
H2SO3 + 2NaOH ---> Na2SO3 + 2H2O

avec un défaut de soude
2H2SO3 + 2NaOH ---> Na2S2O5 + 3H2O

Elimination des vapeurs d'halogène

Certaines industries peuvent générer des émissions de chlore (Cl2), de fluor (F2) ou de brome (Br2). Ces composants sont très corrosifs et fortement oxydants. Leur solubilité est importante dans les solutions aqueuses de soude ou de potasse avec lesquelles ils réagissent. Ces solutions constituent d'excellent liquides de lavage pour ces cas. Les réactions mises en jeu entre le chlore et la soude par exemple sont:

à température ambiante
Cl2 + 2NaOH ---> NaCl + NaOCl + H2O

à partir de 75°C
3Cl2 + 6NaOH ---> 5NaCl + NaClO3 + 3H2O

Elimination des vapeurs d'ammoniac

L'ammoniac est un composé employé dans de nombreux procédé chimiques mais aussi dans de nombreuse installations frigorifiques, ou encore est produit dans les procédés de traitement des eaux résiduaires. Il est assez soluble dans l'eau, de laquelle il peut être facilement extrait par une simple distillation. Ceci permet de le récupérer d'un gaz procédé et le recycler vers ce même procédé. Cependant, l'ammoniac présente une odeur très forte et désagréable, telle que la teneur résiduelle dans les effluents atmosphérique doit être extrêmement faible. Un lavage  avec un liquide acide permet alors sa transformation et sont élimination sous la forme d'un sel totalement non volatil. L'acide sulfurique qui est lui-même non volatil est recommandé. Les réactions mises en jeu sont:
2NH3 + H2SO4 ---> (NH4)2SO4

Elimination des composants organiques volatils (COV)

Le flux gazeux à traiter peut provenir de la respiration de bacs de stockage ou de postes de chargement d'expédition. Ces opérations sont typiquement discontinues et peuvent être espacées dans le temps. Dans ces situations le système de lavagedevra répondre aux exigences suivantes:
- Adaptable à de fortes concentrations en polluants et à de brusques variations de charge.
- Flexibilité et régularité de traitement
- Mise en route du procédé et redémarrage immédiats.
Le liquide de lavage sera le plus souvent une huile peu volatile destinée à concentrer les polluants retenus, et régénérée par distillation ou par strippage.
La distillation ou le strippage à la vapeur peut produire un distillat de composés organiques recyclages.
Le strippage à l'air peut produire un flux d'air chargé de composants organiques, régulier en débit et qualité, qui pourra plus efficacement être traité par un incinérateur ou un lit biologique.

Inconvénients du traitement par absorption

Génère un effluent

L'absorption dans un liquide génère un effluent liquide qu'il faut ensuite traiter.
Le dépoussièrage génère une suspension liquide dont la fraction solide devra être extraite par décantation ou filtration, laissant un gateau solide parfois difficile à manipuler.
Dans certaines applications cependant, l'absorption de poussières combustibles dans un liquide combustible également peut générer une suspension directement utilisable comme combustible.
L'absorption d'un gaz soluble dans le liquide peut produire une solution très diluée, qu'il faudra souvent concentrer pour pouvoir la recycler, ou qu'il faudra détruire.

 



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