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Procédé de liquéfaction et de reotifioation de l'air et des' gaz physiquement analogues L'invention a pour objet, un procédé de traitement de l'air suivant lequel l'air est liquéfié- et rectifié en. vue,de la séparation de ses éléments constitutifs (oxygène et auote).
¯ ¯ Ce procédé permet d'obtenir la dite séparation dans des conditions particulièrement avantageuses ainsi que cela ressortira, au cours de la description qui suit.
Afin de faciliter la compréhension du processus du traitement général, auquel suivant, la présente invention, l'air estsoumis, les,dessins oi-joints montrent d'une manière très.schématique les dispositions utilisées pour réaliser le procédé'.
Sur ses dessinas
La fig. 1. représente la combinaison d'organes'ou
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d'appareils en!ployés pour effectuer la première phase opératoire, cette première phase oonsistant dans la liquéfaction de l'air.
La fig. 2 montre comment, en vue de faire suivre la liquéfaction de l'air par une rectification de ce gaz, (rectification constituant la deuxième phase opératoire) sont combinés les organes ou appareils de liquéfaction avec ceux produisant la rectification.
La fig. 3 indique une variante opératoire d'après laquelle t'oxygène séparé est obtenu à. l'état liquide.
L'inventeur sait qu'il existe actuellement de nombreux appareils servant à. ldquéfier l'air. Dans tous ces appareils, les gaz , retournant en contre-courant dans les échangeurs, pardonnent à ces organes avec une perte de poids, par rapport à. celui des gaz comprimés dont ils dérivent, égale à toute la,¯ quantité liquéfiée dont ils ont été séparés.
Cette circonstance diminue la quantité de froid pouvant être restituée au gaz comprimé et il a été démontré que, en utilisant convenablement le jeu des chaleurs spécifiques, il était possible de,combler une partie du déficit ainsi oréé, dans une région oà la température est assez élevée pour que l'on puisse y introduire des frigories auxiliaires obtenues presque,gratuitement au moyen d'une machine à gaz liquéfié, à ammoniac par exemple.
En fait, dans certains appareils de grande puissance,' aux 7 frigories par kilog. d'air produites par détente interne, nu prix de 78 frigories brutes par cheval, on est arrivé à ajouter 3,5 frigories presque gratuites ce qui élève le rendement frigorifique brut de l'ensemble, c'est-à-dire compté en dehors des pertes d'échangeur, à plus de 110 frigories par cheval de compression.
Alors que, jusqu'ici, les chercheurs se sont donné 'Pour but, avec des succès variés, d'améliorer péniblement les systèmes utilisant surtout comme moyen frigorifique, la détente de l'air avec production de travail extérieur, et ce en élevant la température d'admission, au détendeur au prix, la plupart du temps, d'une perte de froid, à l'échangeur,
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mal4eureusementi.ppu compensatrice, l'inventeur s'est demandé s¯ i,l ¯ n' éta3t ¯ p, possible d'aàgmenter le rendement des machines.
à, liquéfier en élevant, même au moyen d'un artifice onéreux en soi, la condensation spécifique du gaz comprimé
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à.¯la, sortie du liquéfacteur, ce qui permettrait, ainsi qu'il vient d'être'exposé, un plus large ap el au concours du froid auxiliaire presque gratuite
L'économie' de cette méthode ressort de ce fait que
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toute augmentation, même minime, de la conàenuation,appellera une-quantité correspondante de froid gratuit qui, générateur
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u3éme d'une nouvelle condensation, viendra., jusqu'à nouvel équilibre, amplifier l'effet initial qui pourra, par conséquent, être emprunté, même d'une façon onéreuse, aux phénomènes de détente mis à profit dans les machines à liquéfier l'air.
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L' irive rt5l,lr connaît, parmi certains procédés de traitement de l'air par liquéfaction suivie d'une rectification en vue¯ d' obtenir aussi économiquement que possible de l'oxâlg6.np le.procédé qui consiste à, envoyer au point convenable du
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e9:l.fioatu, l'air liquide, fourni par une machine à liquéfier séparée, liquide qui joue le rôle d'appoint et dont la chaleur
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de.vaporisation vient compenser les yertes de froid du groe reotifioateura 0- inconvénient de cette méthode réside dans le fait e l'e3Coeptlon des 7 liquéfiés, l'air évoluant dans la .machine à. liquéfier ne peut .être utilisé dans la colonne de . rectification, par ce que ce système exige que le contre-cou3ant des¯ échangeurs faisant partie du groupe liquéfaoteur soit
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.
maintenu,et recueilli à 50 atmq alors que la colonne fonctionne à la pression atmosphérique.
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-- On ne peut donc-utiliser;, au reotifioateur, une portion 4/"fi" déjà comprimé et faire l'économie sur cette partie de - la oompress:l'on:l exigée par:la. rectification.
:,'0¯'.'" Par 6oh-bre, la m&oh3ne à liquéfier, étant complètement feparee¯ Pt lndependante du reotifloateure peut toujours fonctionner sous son régime le plus économique.
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C'est cette circonstance heureuse qui a maintenu en usage le dispositif dont s'agit.
Plus tard,' on a cherché à utiliser, pour la rectification, le circuit même du dispositif de liquéfaotion.
Mais, si la colonne bénéficie de l'utilisation d'un gaz dont la compression et la purificoation ont déjà été effectuées pour les besoins de la liquéfaction, le rendement économique du liquéfaoteur se trouva abaissé pour différentes raisons bien connues, qu'il serait trop long d'énumérer, à telle enseigre que l'inventeur de cette combinaison-a essayé de relever de rendement en utilisant la force motrice de son détendeur pour remonter la pression de la portion d'air envoyé au liquéfacteur de la. machine à liquéfier. Par ce moyen, le rendement de cette dernière n'est relevé que partiellement et la force motrice récupérée est perdue pour un autre usage.
Nécessité de comprimer séparément la totalité de l'air à. rectifier, ou abaissement du rendement de la machine à. liquéfier, tels sont les deux défauts que présente toujours la combinaison de cet appareil avec un groupe rectificateur.
Dans certaines machines à liquéfier, le circuit détendu avec travail externe, jusqu'à la pression atmosphérique, ne peut même pas donner le bénéfice de l'épuration de l'air qui le traverse Pt qui pourrait'- à la rigueur, être rectifié à cette pression, paroe que, la détente s'opérant en surchauffe et donnant, d'après un homme de l'art, un échappe- ment à -150 , l'air ainsi détendu constituerait, pour la colonne, un apport de chaleur et non dei froide On serait dans le pas de l'appareil précité, dans lequel la machine à ammoniac serait utilisée, avec un liquide bouillant à -50 , refroidir une colonne fonctionnant à -190 , environ.
Même difficulté avec d'autres' machinée dans lesquelles le circuit détendu et constituant les 5/ de l'air comprima s'échappe- du détendeur entre -150 et -160 environ. C'est. en.somme, un des dispositifs précités, dans lequel le liquéfao- teur se trouve placé sur un circuit distinct afin qu'il soit possible de le porter à une pression plus élevée que celle
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du circuit de détente. Il a été indiqué plus haut comment on
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avait déjà réalise cet artifice.
On voit donc que l'air, évacué sous¯pression, de la,machine a, liquéfier ne peut même Pas etre u-bîligé au* reo-blfl42àcte=, s," il ne satisfait pas à certaines conditions de température<,
Le procédé général de traitement de l'air-consiste, suivant la présente invention, en ce qui concerne la
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l3quéfao3a, comprimer l'air à une très haute pression, .de¯],'ordre de 200 atm, ou plus, par un compresseur 1 (^03 la fig. 1) ¯et â'1e refroidir dans un réfrigérant à eau 2.
'ai' opré ,est ensuite'desséohe.et déoarbonaté selon la technique, courante et introduit,, suivant une direction desoen'-' dante: ou,ascendante., dans un édhangéur 3<.¯ De là, après avoir été ¯ refroidi vers .12' , par exçwpje, il " est ' conduit dans un ; fr3rrfère¯4 un. ga'liquéfié approprié, de l'ammoniac si l'on ,veut, bouillant sous pression réduite, abaisse la température vers -par exemple.
A le sortie'du frigorifère, cet air comprimé et froid
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eàt partagé suivant deux direotions. Une,'PO2?tl0n, pouvant ne pas dépaàser 40 Yo de toute la masse est dirigée vers un robinet¯8 qui la détend partielle- ment vers 50 atm. par exemple, pour l'introduire, sous cette pression, dans une machine à expansion *9, où elle est
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détendue, jusau'à la pression atmosphérique, derrière un piston' dent le travail peut être utilisé, ,Si, au point 12, la température est de -50 et siaprès le robinet 8,'La.
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pression est Élbajesép à j atmla température d'admission PU moteur¯ est voisine de 189" èt.l/air,, détendu à la pression atmosphérique, contient 4,5 t'l- de..
,uiçé , compte tenu des pertes par frottement et'entrée de* chaleur, . Tous ces chiffres neont i?ien'd'ab5ClU, et peuvent être modifiés suivant les 1 cas.
.Les restants environ d'air comprimé à 200 atm..
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refroidis a, -56", traversent un condenseur liuéfaoteur 5# pour aboutir à un robinet de décharge 11 qui les détend à la pression atmosphérique dans le vase d'expansion 6, d'où la
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'portion liquéfiée est extraite par le robinet 7. La partie non liquéfiée rejoint au bas du liquéfacteur 5 l'air d'éohap- pement du détendeur 9, et le tout se réchauffe en contre-
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courant dans le liquéfao-beur 5 et l"échangeur :3 pour s'échapper par le tuyau 10 à quelques degrés (5 ou 6) au-dessous de la température de l'air comprimé à son entrée dans l'échangeur.
La, répartition des deux portions, cheminant respeoti- vement vers le oondenseur 5 et le moteur à détente 9, est
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réglée par le robinet 8, dP telle façon que le oontre-aouran% marque, dans le branoheweno 14,.une température inférieure à celle (-50 d'après l'hypothèse faite) du point 12, la différence correspondant aux quelques degrés seulement (4 ou 5) indispensables à l'échange thermique en ce point,.
Le départ du branohement 15 peut être placé au point 12 ou au point 13, et la pression d'admission au moteur peut
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être dq¯2Ùù¯atà, ou abaissée, comme il vient d'être dit, d'une quantité dépendant de la pression d'échappement qui peut être relevée dans certaines applications.
Le calcul indique que la liquéfaction, dans le vase d'expansion 6, est, dans l'hypothèse faite, de 28 % de la totalité de l'air comprimé, tandis que, dans certaine
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dispositifs connus, elle ne dépasse gu '' et 11 dans d'autres. Alors que le poidsdu contre-courant dépasse dans un procédé 90 % du poids du ga@ oomprimé, que, dans un autre appareil, il atteint le triple du circuit comprime-
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du. condenseur et 5 à¯9 µÉ du circuit comprimé de lléohangeux ¯ il n'arrive pas, dam 1 P p rooédé dont il s'agit loi aux 5 du circuit comprimé du liquéfaoteur et aux 75 % de l'ai'r
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comprimé traversant 1' é ohangeur 3.
- . sussi 8st....11 possible d'introduire, dans le circuit du gaz comprimé, une quantité de frigories fournies par la
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&2a-ohine-à, ammoniac à raison de 800 frigories par cheval, c'est-à-dire presque gratuitement, dépassant 8! des :f':r1o- ries de détente, alors que,' dans un appareil connu, elle n'atteint pas la moitié.
En tenant compte des pertes et de la récupération
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possible, le¯ cal oui donne,, pour une machine du système décrit.pouvant traiter 2J50m5 d'air à l'heure, un rendement net.. dépassant 110 frigories par cheval, ce qui fait ressor-dr, en faveur du système, une augmentation de rendement de 50 %, par rapport à celui des.appareils actuels..
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... guimnt ce que ge propose l'inventeur, l'air ainsi liquéfie peut ensuite être rectifié en envoyant vers la rectification la totalité de l'air comprimé circulant dans les circuits de liquéfaction.
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.... A cet effeti' après avoir été comprimé, refroidi par exemple à 20 , puis épuré et enfin après avoir passé dans.
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l'éohangeur 3 et dans le frigorifère 4, comme cela a été. déjà expliqué, l'air à la sortie du liquéfaoteur 5, au lieu d'être étendu, et de retourner, pour la portion restée gageuse , en contre-courant dans les échangeurs 5 et 3, est dirigé
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Pis. 2 toujours b, la pression de 200 atm., vers un robinet.16 qui.peut.en détendre une portion au point convenable d'une.colonne.17 faisant partie d'un groupe à double rectifi- cation analogue à celui décrit dans le brevet français
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4l 34.881, dU 10 Décembre 1907.
L'autre portion pénètre 4éÀn5.Un S949entiW C'OnOerltrabeUr 18 permettant de relever le titre du mélange riche évacué au bas de la colonne 17 et s'¯.',ee,, apxês liquéfaction totale, au point (3onvene,blê de la meme -oôlonne .Si la totalité de l'air par le tuyau ill eât néoessa-ire à la ooneeht'oeatÎOn, le robinet 1 demeure fermé.
.La seconde portion de l'air comprimé dans l'appareil à liquéfier est envoyée, comme il estdit ci-dessus dans un
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détendeur àtiwa,Zl extérieur 9, au moyen d'un robinet 8 qui, 'par une, détente interne préalable,' permet d'admettre -au détendeur, à la pression de 50 atmv envîronor'aîr qui, .jusque robinet 8, était à, la PreààlOn de 200 atm. Id' écsppe 44en b du moteur, au lieu, de retourner en oOntre..0oux,nt dans' les. 'S "> 5 et, 3, est envoyé, à la pression atmosphérique au point convenable, dans la colonne reotifi(15trlôe 19.
Fili raison de.. la aonoent,-3'?at-Ijon du mélange riche/là- colonne 17, qui reçoit, du compresseur .1. de 12aîa? comprimé
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à 5 ou 6 atm., refroidi et purifié, fournit un excédent d'azote liquide par rapport à la quantité exigée pour la rectification, dans la colonne 19. du liquide riche obtenu au bas de la colonne 17.
Get excédent est toujours suffisant pour rétrograder l'air venant du-détendeur et représentant seulement 4 environ, de la totalité de l'air à rectifier. Si l'excédent d'azote liquide est supérieur au besoin indiqué, on pourra encore envoyer-, au même point de la colonne 19, une quantité correspondante d'air sans pression, purifié et refroidi dans l'échangeur éccompagnant la colonne, dont le volume sera mesuré par le compresseur 22.
Il est facile de voir que le procédé décrit laisse les échangeurs de la machine à air liquide sans¯ contre-courant, ce qui ne peut être admis, Mais il sera ¯ facile de rétablir le contre-courant convenable au moyen d'une partie de l'azote gazeux sortant de la colonne 19, convenablement mesurée par le robinet répartiteur 20, et dirigée au bas du liquéfaoteur 5, d'où elle passera à l'échangeur 3 pour être finalement'évacuée dans l'étmos- 'hère ou recueillie dans un gazomètre.
L'utilisation, dans la colonne 19, de l'échappe- ment du détendeur 9 sera possible parce que la détente s'effectuera, en régime humide.
En somme, le Procédé général qui vient d'être décrit présente les caractéristiques suivantes:
En ce qui concerne la phase "liquéfaction". alors que l'on cherche, d'une façon générale,à augmenter 1 e rendement frigorifique des détentes, par cheval de compression et que l'on évite le concours de toute souroe de :froid étrangère, .en dehors d'un des procédés aotuels qui ne fait qu'un appel restreinte ce moyen, il en est fait ici. au contrairetpreffque le moyen principal, fin intensifiant le rendement frigorifique par kilog. d'air comprimé.
Dans toute la mesure possible, la liquéfaction spécifique par kilog. d'air comprima a été élevée, ce qui diminue considérablement le poids du contre-courant par rapport .le
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'à celui de, l'air comprimé puisque, éga,1, è6 10 près, à ce dernier'dans les an,es,rooédés, atteignant presque parfois le double dans ?e3?taln, s , où il cause-une forte perte frigorifique à-la sortie de léch--zgeur, il est ramené ici aune valeur de 55 et de 75% du poids de l'air comprimé.
Il résulte enfin de cette forte liquéfaction spécifique
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dans le procédé dont il s'agit ici Ok.07 et Qk.11 respectivement dans ceux plus anciens, par kg.d'air comprimé que,la machine se trouve réduite dans les mêmes proportions,
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oe¯ qui ¯diminue les frais de sa construction et de son établissement, ainsi que les pertes frigorifiques qui se
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produisent dans les éôhangeui-s de tous les appareils.
, ¯¯¯ . En. ce .qui concerne la p4se "rectification" combinée, suivant le procédé général de l'invention, avec la liquéfac-
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tion, on a vu que l'association décrite des moyens employés pour ob enî2r à la fois la liquéfaction et la rectification donne satisfaction au programme envisagé. - Ce dispositif ne changeant rien.aux conditions normales de'marche de la machine à
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liquéfiera on pgu3?ra¯*boujoui? faire'que ces conditions correspondent au maximum de rendement de la machine et la
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totali.te de.l'air qu'elle recevra, pour son fonotionnement, se:m rectifiée dans le groupe reotifioateur.
... ¯ Le calcul.montre qu'un groupe -semblable à celui qui vient.d'être décrit, susceptible de foux.' bzz M3 d'oxygène# environ à l'heure, permettrait d'obtenir le m3 d'oxygène
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moyennant une dépense de force motrice inférieure à 0,5 C.V.
Si l'on désirait recueillir de l'oxygène liquide, il faudrait légèrement modifier le dispositif,suivant la fig.3.
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Dans ce cas l'esoédent d'azote liquide fourni par la colonne 17 peut être légèrement insuffisante pour rétro-
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gra,der les vapeurs d'échappement du détendeur 9.
On pourra accentuer la condensation de ces mpeurs au moyen de l'échangeur 23, ou elles seront refroidies par l'azote sortant de la'colonne supérieure, 'de toute la. quantité.de liquide entraîné par ce gaz,, Les vapeurs à
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:
!étrOglade2? seront alors moiRë riches en oxygène et exigeront un peu moins d'azote "EF pour 'bre rétroerad* peu moins dpasote llquid'e e pour e brt- rét,.V09.redéeî6
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Si cet artifice n'est pas suffisant, il faudra se résoudre à. une très légère diminution du rendement de la machine à¯air liquide, et admettre, au détendeur 9, l'air à une pression un peu plus élevée, 80 atm. par exemple,afin de pouvoir relever, à 6 atm.
l'échappement du détendeur qui sera évacué, en compagnie de l'air fourni à la même pression par le compresseur 21, au bas de la colonne 17,
L'air sortant du détendeur 9 , ayant un volume supérieur au débit du compresseur 21, il sera encore possible d'envoyer à 6 atm. absolues l'échappement du détendeur-9, au bas de la colonne 17 et, à la pression atmosphérique dans la colonne 19, l'air simplement mesuré et non comprimé par le compresseur 21 , ou tout appareil convenable.