<Desc/Clms Page number 1>
Procédé et dispositif pour la séparation et l'accumulation ainsi que la transformation éventuelle des constituants des mélanges de gaz.-
On a déjà proposé, pour effectuer la séparation d'un mélange gazeux en ses constituants, de soumettre le mélange des -gaz enfermé dans un dispositif rotatif à un mouvement de rota- tion autour de l'axe de ce dispositif,, de manière à provoquer sous l'aotion de la force centrifuge une concentration crois-' sante des constituants les plus lourds dans le dispositif lui- même, en particulier lorsque l'effet de la force centrifuge dure longtemps et va en augmentant.
Mais on ne tarde pas à constater que si, en dépit de cer- @ faines difficultés, la séparation et l'obtention des gaz à - densités élevées est bien possible, il est moins aisé d'isoler les constituants légers surtout quand ils-possèdent une vitesse moléculaire plus élevée.
La présente invention a pour objet un procédé permettant d'obtenir séparément les divers oonstituants d'un mélange de gaz par stratification en utilisant plusieurs efforts centri- fuges conjugués et même en tirant'parti dans certains cas des
<Desc/Clms Page number 2>
vitesses moléculaires des constituants gazeux individuels ainsi que des différences de densité ou de poids spécifique c'est-à-dire de comportement vis-à-vis de la pesanteur, voire même de réactions particulières à la force centrifuge,
L'invention repose sur l'application pratique des princi- pes suivants :
a) Les forces internes qui agissent sur un mélange de gaz tournant dans un espace délimité sont à tout moment en équi- libre, de sorte qu'elles ne peuvent s'opposer d'aucune façon à une force quelconque s'exerçant de l'extérieur sur ce mé- lange de gaz. b) Dans une masse de gaz en rotation se composant de deux gaz ayant des densités différentes, la concentration du gaz le plus lourd augmente à partir des couches internes vers les couches externes. c) Le travail de séparation thermodynamique est d'autant plus grand que la masse de la fraction la plus légère est plus petite par rapport à celle de la fraction la plus lourde. d) Le pourcentage de la concentration du gaz le plus lourd est d'autant plus grand que la quantité de ce gaz dans le mélange gazeux est plus petite avant la centrifugation.
Ces principes connus sont mis en application conformément à l'invention grâce à un procédéet à un dispositif particuliers qui seront décrits ci-après à l'aide d'un exemple de réalisa- tion schématique.
La stratification ou division en couches ou zones qui doit être effectuée tout d'abord et qui permet ensuite la sépara- tion dépend :
1 - de la vitesse du mouvement de rotation qui anime la masse de gaz ;
2 - des poids moléculaires des constituants du mélange des gaz et par conséquent des vitesses moléculaires correspon- dantes ;
3 - du rapport initial du volume du gaz le plus lourd et
<Desc/Clms Page number 3>
de celui du gaz le plus léger, ce±deux gaz formant par leur ensemble le mélange gazeux ;
4 - du trajet que doit parcourir le mélange gazeux du centre à la périphérie dans le dispositif animé d'un mouvement de rotation, et aussi de la durée du processus de séparation.
Que le dispositif mécanique tourne autour de son axe de symétrie et entraîne avec lui la masse de gaz qui se trouve enfermée dans les oanaux conducteurs, ou qu'au contraire ce dispositif mécanique demeure immobile alors que c'est la masse de gaz qui, par suite de l'énergie cinétique qui lui a été auparavant imprimée, s'engouffre dans les canaux conducteurs, il faut que dans chaque canal les molécules les plus lourdes qui se trouvent vers la zone interne aient pendant que s'exerce la force centrifuge la possibilité d'atteindre la zone externe.
5 - de l'état physique des constituants du mélange ga- seux qui est soumis à l'influence de la température, de la pression, de la tension ou des efforts de traction ou de poussée. Le potentiel de pression qui résulte de la force centrifuge doit être maintenu surtout assez petit pour que les contre-pressions nuisibles puissent être réduites au minimum, de façon que le potentiel de pression indiqué se mue en un potentiel cinétique pour atteindre le but visé.
Quant aux difficultés signalées au sujet de la séparation des constituants les plus légers d'un mélange de gaz, il faut encore mentionner le fait que la vitesse moléculaire varie de façon inversement proportionnelle aux poids moléculaires cor- respondants, de sorte que ces difficultés peuvent être suppri- mées en facilitant de façon correspondante la dilatation des gaz les plus légers dans des zones de dilatation ad hoc (par exemple en obligeant le gaz à parcourir des canaux permettant une expansion, par rapport à l'axe de symétrie du dispositif c'est-à-dire à l'encontre de la force centrifuge) dans les- quelles zones les vitesses moléculaires plus élevées provoque- ront leur séparation par rapport aux molécules du gaz le plus
<Desc/Clms Page number 4>
lourd,
de telle sorte que ces dernières doivent se stratifier le long des parois internes. Par suite du mouvement auquel le mélange gazeux est impérativement soumis à tout moment dans le séparateur, on utilise deux efforts de séparation centri- fuges s'exerçant sur le même mélange gazeux, le principal de ces efforts étant dû au mouvement de rotation du dispositif, l'autre au parcours imposé dans les canaux ou le long des élé- ments séparateurs qui, par suite de leur construction parti- culière, donnent naissance au sein de la masse de gaz à un effet de centrifugation simultané, et de même sens que le pré- cédent, effet que multiplient les canaux. Enfin on tire parti de l'action séparatrice des vitesses moléculaires qui a déjà été indiquée et qui est de même sens que la force centrifuge.
Pour atteindre la stratification nécessaire, on diminue suivant l'invention dans le mélange gazeux et avant la centri- fugation le pourcentage du gaz le plus lourd jusqu'à une valeur correspondante qui est déterminée par la quantité des molécules de ce gaz que projette la force centrifuge donnée.
Cette diminution du pourcentage volumétrique du gaz le plus lourd est réalisée en l'additionnant d'un gaz auxiliaire (ou d'une vapeur condensable ultérieurement) chimiquement inerte vis-à-vis du mélange gazeux et possédant un poids moléculaire plus faible que le gaz lourd. Ce gaz auxiliaire est récupéré séparément du gaz lourd au cours du processus, ce qui permet de l'utiliser à nouveau. Si le mélange gazeux auquel doit être appliqué ce nouveau procédé de séparation est de l'air ordinaire (et qu'on veuille par conséquent séparerl'oxygène de l'azote) on peut notamment choisir comme gaz auxiliaire de l'azote.
Si l'on traite de l'air par exemple dans un tambour ro- tatif ayant un diamètre de 200 mm. et tournant à 10.000 tours par minute, la quantité d'oxygène centrifugée s'élève à envi- ron 2 parties en volume c'est-à-dire à un dixième environ de la teneur normale en oxygène de l'air. Pour obtenir une par-
<Desc/Clms Page number 5>
faite séparation en zones ou couches, il faudrait donc di- luer l'air au moyen d'azote à deux parties en volume au lieu des vingt qui s'y trouvent à l'origine.
Il faut donc, suivant ce procédé-.,, traiter un plus grand volume de gaz Que celui du mélange gazeux, ce qui entraîne à des dépenses d'énergie plus grandes mais bien inférieures ce- pendant à celles que nécessiterait une séparation "intégrale" du gaz le plus lourd, soit en augmentant la vitesse de ro- tation du séparateur, soit au moyen d'autres moyens connus.
Dans tous les cas, il est très important d'éviter les oscillations surtout celles de la partie rotative du sépara- teur et par conséquent du mélange gazeux, surtout les oscil- lations qui risquent de se manifester dans des plans perpendi- culaires à l'axe de l'arbre de rotation. Ceci impose un centrage et un équilibrage parfaits du rotor du séparateur.
Des précautions doivent, en outre, être prises pour que, pendant la durée de tout le processus de séparation, l'effet séparateur qui s'exerce sur le mélange gazeux se continue, sans interruption,assez longtemps pour que les molécules les plus lourdes puissent atteindre les couches externes. Ceci oblige à prévoir des canaux aptes à imposer un guidage et me- surant des dimensions suffisantes mais; calculées très étroites dans le sens radial et ayant leurs embouchures d'entrée sur la paroi interne du séparateur et réglant la quantité d'air aspirée de telle sorte qu'elle ne puisse varier lorsque la vitesse du .-gaz monte ou baisse.
C'est ainsi par exemple que, dans l'hypothèse d'un sépa- rateur dont le tambour mesure 200 mm. de diamètre et tournant à 10.000 tours-minute, chaque canal représente un arc de cer- cle dont la corde mesure environ 140 mm. et a une étendue radiale interne approximative de 7 mm.
Dans le dessin schématique annexé est représentée, à titre d'exemple, une réalisation du dispositif que prévoit l'inven- tion.
<Desc/Clms Page number 6>
Les figures 1 et 2 sont des vues en coupe axiale par les lignes 1-1 et II-II de la fig. 3.
La figure 3 est une vue en coupe horizontale par la ligne III-III des figs. 1 et 2.
1 désigne l'arbre d'entraînement sur lequel est fixé le rotor. Celui-ci est constitué par un cylindre creux dans les surfaces externes a-a' et internes b-b' duquel sont ménagés de nombreux canaux 7.7 relativement longs qui assurent la liai- son entre l'intérieur et l'extérieur. Les parois de ces ca- naux sont constituées par des secteurs d'anneaux cylindriques dont les axes sont excentrés par rapport à l'arbre 1. Autour du rotor est montée une enveloppe cylindrique 4 concentrique à lui, de diamètre notablement supérieur au diamètre externe du rotor a, a'. b. b'. Dans l'espace annulaire compris entre cette enveloppe externe 4 et la partie interne cylindrique et pourvue de canaux du rotor, sont prévus des cloisonnettes 2 et des organes séparateurs 3.
Les pièces constitutives du rotor telles qu'elles vien- nent d'être décrites sont réunies pour former un tout par deux plateaux 15, 15'. Chaque canal 7, 7' du cylindre creux interne se termine sur le pourtour externe vis-à-vis des or- ganes séparateurs 3 qui séparent en fait les chambres P des chambres L entre lesquelles se trouvent les cloisonnettes de mitoyenneté 2. Les chambres P sont desservies par des ori- fices 6 pratiqués à la partie inférieure dans l'enveloppe ex- terne 4. et les chambres L par des orifices 5 pratiqués dans cette enveloppe mais à sa partie supérieure. Le rotor est monté à l'intérieur d'un carter 12,de façon à ménager un es- pace libre ayant de préférence la forme d'un limaçon qui est divisé en deux compartiments 8, 9 par un diaphragme de refend 10 perpendiculaire à l'arbre 1.
Le mélange des gaz est introduit par un orifice d'admis- sion 13 prévu dans le carter 12 grâce à l'action d'aspiration engendrée par le rotor ou rationnellement aussi par un organe
<Desc/Clms Page number 7>
tel adducteur externe/par exemple que le ventilateur 14 ; il est soumis sous l'influence de ce rotor à une centrifugation dans les canaux 7 -7'. ce qui sépare le gaz le plus lourd qui vient ainsi former une couche ou nappe contre les parois externes des divers canaux 7 - 7'. L'élargissement 7' résultant dans la 'partie terminale des canaux 7 d'un ressaut interne de leur paroi favorise ici la séparation du gaz le plus lourd grâce à l'utilisation des vitesses moléculaires de la ma- nière déjà décrite.
Le gaz le plus lourd est ainsi amené dans les chambres P par les organes séparateurs 3, tandis que le gaz le plus léger (ou les constituants les plus légers du mélange gazeux) parviennent dans les chambres L. A sa sortie des chambres P, le gaz le plus lourd gagne le compartiment 9 en passant par les orifices 6. puis se rend au poste d'accu- mulation à l'extérieur* tandis que les gaz les plus légers parviennent par les orifices 5 dans le compartiment 8 d'où ils se rendent de même vers l'extérieur à leur propre poste d'ac- cumulation. La parfaite séparation du gaz le plus lourd est obtenue grâce à la dilution sus-décrite.
Même si la par- tie la plus légère se compose de deux ou plusieurs consti- tuants gazeux, le gaz le plus lourd peut de son cote être intégralement séparé après dilution préalable à condition d'amener à un autre séparateur ce résidu plus léger. Pour empêcher que les gaz séparés ne se mélangent partiellement dans les compartiments 8 et 9, l'enveloppe externe 4 est pour- vue d'une frette 11 qui, grâce à l'effet de centrifugation produit par elle, s'oppose à ce mélangeage.
Des essais effectués ont permis de constater au surplus que les corps allotropiques gazeux (comme par exemple l'oxy- gène de l'air) subissent une modification quand ils sont ex- posés à de grands efforts de centrifugation. Aussi est(--il rationnel de prévoir l'utilisation des nouveaux composés al- lotropiques qui peuvent éventuellement se produire et être.
conservés, de façon à mettre en valeur leur grande activité
<Desc/Clms Page number 8>
chimique qui accompagne leur faible stabilité telle qu'elle vient d'être indiquée.,
On réussit ainsi en faisant intervenir des efforts centri- fuges convenables à séparer les gaz en constituants présen- tant de nouvelles compositions moléculaires et aussi à ac- croître l'effet catalyseur sur les molécules des corps pré- sents, du fait qu'un gaz est ajouté qui peut exercer cet ef- fet catalyseur sur les constituants du. mélange des gaz.
Enfin il est possible même si le séparateur immobile ne subit aucun mouvement d'atteindre les buts indiqués en impri- mant au mélange gazeux à traiter (après dilution du gaz le plus lourd de la manière indiquée ) une énergie cinétique suffi- sante et en l'introduisant ensuite dans le séparateur dans le- quel il s'écoule à la vitesse requise à travers les divers ca- naux en réalisant ainsi une centrifugation qui produit une stra- tification et une séparation comme dans le premier cas examiné.
REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation de mélanges de gaz, caractérisé en ce que la séparation est atteinte grâce à une stratification du mélange gazeux qui s'écoule du centre vers la périphérie dans un dispositif pourvu de plusieurs canaux en forme d'arcs de cercle, des effets de même sens des efforts centrifuges, des vitesses moléculaires et, si possible, également de la pe- santeur étant utilisés.