BE482369A - - Google Patents
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Description
" Procédé de séparation des mélanges de gaz " L'invention concerne la séparation des mélanges \de gaz et plus particulièrement de ceux qui sont suscepti- <EMI ID=1.1> /ment et de se séparer en deux ou plusieurs fracti ons à points d'ébullition différents. Un exemple type de ces mélanges de gaz est l'air, et pour rendre l'invention plus facile à comprendre, elle est décrite ci-après dans son application à la séparation des constituants de l'air. On sait que la séparation des constituants de l'air peut s'effectuer dans une colonne unique à la base de laquelle l'air comprimé est liquéfié par échange de chaleur indirect, l'air ainsi liquéfié se détendant à travers une soupape et étant introduit au sommet de la colonne pour y servir de reflux. La vapeur en équilibre avec l'air liquide contient environ 6,5 % d'oxygène qui, par suite, est le... ..seul constituant de l'atmosphère qui puisse être extrait à l'état sensiblement pur par rectification dans une colonne unique. Une proportion notable d'oxygène sort de la partie supérieure de la colonne avec l'azote et constitue une perte de rendement si importante qu'on n'emploie que rarement une colonne unique dans les installations industrielles de production de l'oxygène. On peut remédier à ces difficultés au moyen de la double colonne bien connue. Dans ce dispositif, l'azote liquide sensiblement pur est extrait d'une colonne inférieure dans laquelle l'air se rectifie en partie sous une pression d'environ 5 atmosphères, le reste de l'air étant extrait à la partie inférieure de la colonne inférieure sous forme d' <EMI ID=2.1> ces liquides en des points appropriés de la colonne Supérieure dans laquelle la rectification s'achève en donnant de l'oxygène et de l'azote sensiblement purs. Cependant, la séparation dans la colonne double présente plusieurs inconvénients. La colonne a une hauteur considérable et doit être installée dans un bâtiment de grandes dimensions et, en raison de sa hauteur, les pertes de froid par rayonnement et par convection sont assez fortes. Un autre inconvénient consiste en ce que, pour produire de l'oxygène sensiblement pur, il <EMI ID=3.1> sion d'au moins 5,5 atmosphères absolues; de plus, la quantité de reflux dont on dispose est limitée et, spécialement lorsqu'on produit de l'oxygène liquide, elle est à peine suffisante pour préparer l'azote en quantité convenable et au degré de pureté voulu dans la colonne inférieure. En outre, lorsqu'il s'agit de recueillir une fraction riche en un ou plusieurs gaz rares, la pureté de l'un ou l'autre des produits principaux en est fâcheusement affectée. Un progrès important dans la technique de la séparation des gaz, en particulier à l'échelle industrielle, a consisté dans l'adoption des ébhangeurs de chaleur alternatifs, en employant pour refroidir le mélange de gaz comprimé des régénérateurs périodiquement inversés ou des échangeurs réversibles. Le refroidissement dans ces échangeurs de chaleur alternatifs a le grand avantage de rendre inutile la purification préalable du mélange de gaz, mais il a présenté jusqu'à présent l'inconvénient de souiller les courants des produits par le mélange de gaz existant dans les échangeurs au moment de l'inversion. On a proposé, dans le cas de la séparation de l'air en ses éléments, pour éviter de souiller la fraction d'oxygène, de combiner un couple unique de régénérateurs avec une colonne unique et de né renvoyer à travers les régénérateurs que la fraction d'azote, les frigories de la fraction d'oxygène séparée étant récupérées en la faisant passer dans un échangeur tubulaire à contre-courant avec un courant d'air comprimé qui est alors introduit à la partie inférieure de la colonne. Le procédé de séparation des éléments d'un mélange de gaz suivant l'invention en une fraction à bas points d'ébullition et une fraction à points d'ébullition plus élevés, consiste à comprimer le mélange, à refroidir le mélange comprimé dans des échangeurs de chaleur alternatifs, à traiter le mélange comprimé refroidi de façon à former une vapeur saturée oontenant la majeure partie de la fraction à points d'ébullition élevés, à introduire cette vapeur dans une colonne de rectification unique et à utiliser au moins une partie de la fraction séparée à bas points d'ébullition pour provoquer l'ébullition et le reflux dans la colonne. L'expression " la majeure partie " doit être <EMI ID=4.1> comme s'appliquant spécialement au cas où la totalité des constituants à points d'ébullition élevés est introduite dans la colonne à l'état de vapeur. Dans une forme de mise en oeuvre de l'invention, le traitement du mélange comprimé sortant des échangeurs de chaleur alternés comprend une détente isentropique. Dans une autre forme de mise en oeuvre, le traitement du mélange comprimé refroidi sortant des échangeurs de chaleur alternés s'effectue dans un " enrichisseur ". Le traitement dans l'enfichisseur peut être suivi d'une détente isentropique. <EMI ID=5.1> pour effectuer une condensation partielle du mélange par transmission de chaleur indirecte au produit de condensation formé dans l'appareil, ce produit ou condensat s'évaporant à une pression plus faible que celle du mélange à condenser, et dans lequel on fait circuler le mélange de bas en haut à contre-courant et en contact direct avec le produit de condensation formé, et à contre-courant et en contact indirect avec le condensat qui s'évapore, et enfin dans lequel ce dernier condensat circule dans le môme sens que la vapeur formée au cours de son évaporation. Le mélange introduit dans l'enrichisseur peut être à une pression propre à provoquer la condensation de la fraction à bas point d'ébullition qui s'y forme, par échange de chaleur avec la fraction à point d'ébullition plus élevé, tandis que cette fraction sert de fluide d'ébullition à la base de la colonne. On peut aussi élever la pression de la fraction à bas point d'ébullition sortant de l'enrichisseur à une valeur propre à provoquer la condensation de cette fraction à la base de la colonne par échange de chaleur indirecte avec la fraction à point d'ébullition plus élevé qui s'y trouve. La proportion de la fraction à bas point d'ébullition qui est utilisée comme fluide de reflux dans la colonne, peut provenir, au moins en partie, de la fraction à bas point d'ébullition séparée, soit en totalité avant qu'elle revienne dans l'échangeur de chaleur alternatif lorsque la fraction est à basse température, soit.en totalité après que la fraction a traversé l'échangeur et qu'elle est sensiblement à la température atmosphérique, ou bien une partie peut être dérivée de cette fraction avant qu'elle pénètre dans l'échangeur, et du complément une fois qu'elle l'a traversé. Si le gaz est chaud, il peut être comprimé par un compresseur approprié à un ou plusieurs étages ou, s'il est froid, il peut Atre comprimé par un compresseur rotatif, tel qu'un turbo-compresseur ou un compressieur à circulation axiale, susceptible de fonctionner avec des fluides à des températures voisines du point de liquéfaction de la fraction à bas point d'ébullition. Si l'on dispose d'un courant de gaz chaud, le gaz froid peut être comprimé par un injecteur susceptible de fonctionner à des températures voisines du point de liquéfaction de la fraction à bas point d'ébullition, le gaz chaud servant dans ce cas de fluide moteur pour <EMI ID=6.1> <EMI ID=7.1> sortant de l'échangeur alternatif sensiblement à la températu- re atmosphérique, ou en faisant passer une portion de la fraction à bas point d'ébullition séparée froide dans un réchauffeur spécial. Dans le cas où la fraction à bas point d'ébullition qui doit être comprimée pour servir de reflux est prélevée, au moins en partie, dans le courant de la fraction séparée à bas point d'ébullition sortant de l'échangeur de chaleur alternatif qui contient les produits de condensation déposés au cours du cycle précédent, on a constaté qu'en raison de la différence entre les volumes réels du mélange de gaz comprimés <EMI ID=8.1> bullition qui y revient, la presque totalité des produits de condensation dans les.échangeurs de chaleur alternatifs a été revaporisée par la fraction à bas point d'ébullition bien avant la fin du cycle. Par conséquent, la fraction à bas point d'ébullition sortant de l'échangeur pendant la dernière partie du cycle est en principe exempte des produits de condensation revaporisés, et on peut mettre à profit cette circonstance en se servant, à titre de reflux, de cette portion de queue relativement pure de la portion à bas point d'ébullition. Cette portion de queue peut alors être avantageusement refroidie dans un échangeur continu sans risque d'obstruction prématurée par accumulation de produits de condensation revaporisés à point de congélation relativement élevé. Lorsqu'on applique le procédé à la séparation de l'air en ses constituants ainsi qu'il est décrit plus spécialement ci-après, il n'est nécessaire, en aucun cas, de comprimer l'air à une pression supérieure à six atmosphères absolues environ, sauf dans les cas particuliers dont il sera question <EMI ID=9.1> une partie de l'air dans le cas particulier où l'azote sortant de l'enrichisseur est envoyé directement à la partie inférieure de la colonne. Dans les autres cas, il suffit de comprimer l'air à une pression d'environ 2,6 atmosphères absolues. Cependant, il est nécessaire de produire un nombre de frigories suffisant pour compenser les pertes dans le milieu environnant et les pertes inévitables de l'échange de chaleur. Les frigories peuvent être produites, par exemple, en comprimant une quantité supplémentaire d'air à une pression sensiblement supérieure à six atmosphères et, après avoir éliminé la chaleur de la compression, cet air est détendu isentropiquement ou isenthalpiquement, ou de ces deux manières, la pression finale de l'air étant telle qu'elle permette de traiter <EMI ID=10.1> on peut détendre l�air sensiblement à la pression atmosphérique, de façon à l'introduire directement dans la colonne, ou le détendre 4 une pression intermédiaire ne dépassant pas six atmosphères absolues, et soit l'introduire dans l'enrichisseur, soit s'en servir à titre de fluide supplémentaire de réébullition dans la colonne. Un autre procédé de production des frigories consiste à comprimer, à une pression supérieure à six atmosphères absolues, l'azote qui doit servir de reflux et, après avoir éliminé la chaleur de la compression, à détendre cet azote isentropiquement ou isenthalpiquement, ou de ces deux manières, à une pression finale de six atmosphères absolues. On peut aussi produire les frigories en comprimant une partie de l'air à une pression ne dépassant pas six atmosphères absolues, en refroidissant l'air comprimé dans deux échangeurs de chaleur alternatifs, en introduisant l�air comprimé refroidi dans l�enrichisseur et en détendant isentropiquement la fraction d'oxygène sortant de cet enrichisseur avant de l'introduire dans la colonne, le complément de l'air n'étant <EMI ID=11.1> deux autres échangeurs de chaleur alternatifs et détendu isentropiquement avant d'être introduit dans la colonne. La description qui précède s'applique en grande partie à la séparation de l'air en ses constituants, mais il est. à remarquer que le procédé peut servir à séparer d'autres mélanges de gaz tels que, par exemple, des mélanges de gaz d'hydrocarbures qui, en se refroidissant, forment une phase liquide homogène. L'expression " détente isentropique " doit être considérée comme désignant la détente dans une machine avec récupération du travail extérieur et production de frigories et comme englobant l'augmentation d'entropie qui résulte inévi-tablement des défauts connus propres à toutes ces machines. Il doit être bien entendu que l'expression ' échangeurs de chaleur alternés " doit être considérée comme désignant les régénérateurs et les échangeurs réversibles. L'invention, appliquée à la séparation de l'air en ses constituants, est décrite en détail ci-après en référence <EMI ID=12.1> quement six formes de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments analogues de toutes les figures sont désignés par les mêmes références. Ainsiqu'on le verra au cours de la description donnée ci-après, dans qhaque cas, l'air est comprimé, refroidi dans des échangeurs de chaleur alternatifs, traité de façon à former une vapeur saturée contenant la majeure partie de l'oxy- <EMI ID=13.1> tion unique, une partie au moins de la fraction de l'azote séparée servant de fluide de réébullition et de reflux dans la colonne. Sur toutes les figures, les échangeurs de chaleur <EMI ID=14.1> rateurs. Sur les fig. la?, deux régénérateurs combinés sont désignés par le môme numéro de référence et se distinguent respectivement par l'indice a ou b, l'indice a désignant le régénérateur de refroidissement et l'indice b le régénérateur en cours de refroidissement. Sur la fig. 6, trois régénérateurs <EMI ID=15.1> effluents de la séparation, ainsi qu'il est expliqué en détail ci-après. Dans tous les cas, la direction de la circulation dans la canalisation réunissant les éléments de l'installation est indiquée par des flèches. Pour éviter de compliquer la description d'une manière excessive, plusieurs particularités de mise en oeuvre du procédé, qui sont en elles-mimes connues des spécialistes, ont été omises sur les dessins. Par exemple, il est évident, dans la pratique, qu'on doit prévoir des moyens d'éliminer les der- <EMI ID=16.1> froidi sortant du régénérateur; qu'il est généralement nécessaire de filtrer les gaz condensés avant qu'ils se détendent; que les vapeurs doivent être surchauffées avant la détente isentropique; que les courants de gaz qui traversent les deux régénérateurs combinés doivent être équilibrés pour obtenir avec certitude les conditions thermiques nécessaires et éliminer complètement les produits de condensation; et enfin qu'un mécanisme à soupapes ou à robinets doit être prévu pour passer d'une série à l'autre des régénérateurs combinés. Toutes ces particularités sont connues et ont été omises pour plus de simplicité. <EMI ID=17.1> En détail, l'air est comprimé à une pression d'environ 2,0 atmosphères absolues et il est refroidi dans un régénérateur la à une température voisine de son point de liquéfaction; après détente isentropique sensiblement à la pression atmos- <EMI ID=18.1> tion d'oxygène, qui sortent respectivement extraites à la partie supérieure et à la partie inférieure de la colonne; une partie de la fraction gazeuse d'azote se réchauffe sensiblement à la température atmosphérique en traversant successivement un re- <EMI ID=19.1> fraction gazeuse d'azote se réchauffe sensiblement à la température atmosphérique en traversant successivement le refroidisseur <EMI ID=20.1> portion de la fraction gazeuse d'azote est recyclée, et comprimée à une pression d'environ 5,5 atmosphères absolues dans un <EMI ID=21.1> courants combinés étant ensuite liquéfiés par échange de chaleur indirect avec la fraction d'oxygène bouillant à la base de la <EMI ID=22.1> dans la partie supérieure de la colonne de séparation dans laquelle il sert de reflux liquide. Pour produire une fraction gazeuse d'azote conte- <EMI ID=23.1> Les fig. 2, 3 et 4 représentent une variante comportant la caractéristique commune selon laquelle l'air comprimé sortant des régénérateurs est traité dans un enrichisseur, tel qu'il a été défini précédemment, dans lequel s'effectue une condensation partielle de 13'air, en donnant une fraction d'azote et une fraction liquide enrichie en oxygène. Dans la forme de réalisation des fig. 2 et 3, la fraction d'azote sortant de l'enrichisseur est comprimée à une pression telle qu'elle se liquéfie par transmission de chaleur indirecte avec la fraction d'oxygène bouillant à la base de la colonne. La compression de l'azote peut s'effectuer à la température à laquelle il sort de l'enrichisseur ou après s'être réchauffé dans un échangeur de chaleur. <EMI ID=24.1> ne, la fraction d'azote ainsi liquéfiée étant introduite à la partie supérieure de la colonne pour y servir de reflux à la manière connue. Si l'on considère plus en détail la fig. 2, l'air est comprimé à 2,0 atmosphères absolues environ et se refroidit <EMI ID=25.1> en circulant dans le même sens que sa propre vapeur sous une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique. La fraction vaporisée enrichie en oxygène est introduite dans une <EMI ID=26.1> alternatif), de sorte que la fraction gazeuse d'azote sort à une pression légèrement inférieure à 2,0 atmosphères absolues. Puis, <EMI ID=27.1> <EMI ID=28.1> pression d'environ 200 atmosphères, débarassée de l'humidité et de l'anhydride carbonique, puis mise en échange de chaleur, dans <EMI ID=29.1> un courant d'air partiellement liquéfié qui se liquéfie en totalité par échange de chaleur indirect avec la fraction d'oxygène <EMI ID=30.1> ensuite introduit dans la colonne Il$ en un point approprié, à titre de reflux liquide supplémentaire. Pour obtenir une fraction gazeuse d'azote, conte- <EMI ID=31.1> Dans l'installation de la fig. 3, l'air est comprimé à environ 2,0 atmosphères absolues; il est refroidi dans <EMI ID=32.1> <EMI ID=33.1> culant dans le même sens que sa propre vapeur, sous une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique. La fraction vaporisée, enrichie en oxygène, est envoyée dans une colonne de <EMI ID=34.1> une pression légèrement inférieure à 2,0 atmosphères absolues. Puis elle est comprimée à une pression d'environ 15 atmosphères <EMI ID=35.1> combiné ainsi produit à l'état partiellement liquéfié subit un échange de chaleur indirect avec la fraction d'oxygène bouillant <EMI ID=36.1> La fraction d'azote formée dans la colonne de séparation est réchauffée sensiblement à la température atmosphérique en traver- <EMI ID=37.1> tandis que la fraction d'oxygène formée se réchauffe sensiblement à la température atmosphérique en traversant le régénérateur Zb . Pour produire une fraction gazeuse d'azote conte- <EMI ID=38.1> doit comprimer 100 parties d'air à une pression d'environ 2,0 atmosphères absolues et 52 parties d'azote de 1,8 à 15 atmosphères absolues, pour obtenir ainsi 21 parties de cette fraction d'oxygène. Si le rendement adiabatique des compresseurs est de <EMI ID=39.1> Bans la variante de la fig. 4, l'air est comprimé à environ 5,5 atmosphères absolues et il est refroidi dans le régénérateur la à une température voisine de son point de liquéfac- <EMI ID=40.1> purement facultative et l'enrichisseur peut être complètement séparé, si on lé désire, comme sur les fig. 2 et 3. L'air se sé- <EMI ID=41.1> d'oxygène. La majeure partie de ce liquide se détend par une sou- <EMI ID=42.1> des deux points d'admission intermédiaires. Le reste du liquide sortant de l'enrichisseur � est, après détente à travers une <EMI ID=43.1> au point le plus haut des deux points d'admission intermédiaires. Une quantité d'air supplémentaire est comprimée à une pression <EMI ID=44.1> valeur dépend de la quantité de frigories qui est nécessaire pour compenser les pertes dans le milieu environnant et qui, par suite, varie suivant les dimensions de l'installation. Une pression de 2,6 atmosphères absolues a donné de bons résultats dans un cas particulier. Cet air est refroidi dans le régénérateur <EMI ID=45.1> au point le plus haut des deux points d'admission intermédiaires. <EMI ID=46.1> le condenseur-évaporateur 28 et sort dans cet état dans un refroidisseur 33. dans lequel il se refroidit par échange de chaleur à contre-courant et d'où, après détente à travers une soupa- <EMI ID=47.1> par suite, se réchauffe sensiblement à la température atmosphérique. De même, la fraction d'oxygène passe dans le régénérateur <EMI ID=48.1> phères absolues et 22 parties d'air à 2,6 atmosphères absolues, pour obtenir ainsi 21 parties de cette fraction d'oxygène. Si <EMI ID=49.1> pureté de 97%. Dans l'installation de la fig. 5; l'air est comprimé à 2,0 atmosphères absolues environ et il est refroidi dans le régénérateur la, à une température voisine de son po�nt de liquéfaction. Après détente isentropique à une pression sensi- <EMI ID=50.1> intermédiaire. Il se sépare dans cette colonne en une fraction gazeuse d'azote et une fraction d'oxygène, qui sont extraites respectivement à la partie supérieure et à la partie inférieure de la colonne. Une partie de la fraction gazeuse d'azote se réchauffe en passant dans un refroidisseur 36, puis une partie se réchauffe sensiblement à la température atmosphérique en traver- <EMI ID=51.1> dans lequel il se comprime à une pression suffisante pour lui permettre, tout en servant de fluide d'ébullition dans la colon- <EMI ID=52.1> de sorte que la fraction d'oxygène est réchauffée sensiblement à la température atmosphérique et que, en même temps, l'azote comprimé est refroidi suffisamment pour servir de fluide moteur <EMI ID=53.1> Le nombre des échangeurs de chaleur alternatifs peut être réduit si on le désire, de la manière indiquée par exemple sur la fig. 6. Cette figure représente .une variante du <EMI ID=54.1> de l'invention et à la séparation de mélanges de gaz autres que l'air. Si l'on compare les fig. 3 et 6, on voit que, <EMI ID=55.1> la fig. 6 ne comporte que trois régénérateurs la, lb et le, et autre qu'il n'existe aucune /différence notable entre les figures 3 et 6. Dans le procédé de la fig. 3, les couples de régénérateurs 1 et 2 sont réchauffés et refroidis alternativement par le passage des courants d'air et d'azote;dans le procédé de la fig. 6, un des régénérateurs est d'abord réchauffé par le passage de la totalité de la charge d'air introduite dans l'installation, puis il est refroidi d'abord par l'oxygène et finalement par l'azote. Le cycle complet exige donc trois périodes au lieu des deux périodes plus courantes. Il doit être bien entendu que la fraction enrichie en oxygène, obtenue par un des procédés décrits ci-dessus, peut encore subir une nouvelle séparation, si on lé désire, pour obtenir une fraction enrichie en argon, de l'oxygène sensiblement pur, ou une fraction enrichie en krypton et xénon, ou à la fois ces trois gaz.
Claims (1)
- RESUMEProcédé de séparation des constituants d'un mélange de gaz en une fraction à bas point d'ébullition et une fraction à point d'ébullition plus élevé, caractérisé par les pointssuivants, séparément ou en combinaisons :1) on comprime le mélange, on refroidit le mélangecomprimé dans des échangeurs de chaleur alternatifs, on traitele mélange comprimé refroidi de façon à former une vapeur saturée contenant la majeure partie de la fraction à point d'ébullition élevé, on fait arriver cette vapeur dans une colonne de rec- <EMI ID=56.1>tion à bas point d'ébullition séparée à titre de fluide d'ébullition et de reflux dans la colonne.2) Le traitement du mélange comprimé sortant deséchangeurs de chaleur alternatifs comporte une détente isentropique.3) Le traitement du mélange comprimé refroidisortant des échangeurs de chaleur alternatifs s'effectue dansun "enrichisseur".4) Le mélange introduit dans l'enrichisseur està une pression telle que la fraction à bas point d'ébullition qui<EMI ID=57.1>la colonne, se condense par échange de chaleur avec la fractionà point d'ébullition plus élevé. 5) On fait prendre' la fraction à bas point d'é-<EMI ID=58.1>lonne, elle se condense par échange de chaleur avec la fraction à point d'ébullition élevé.6) La proportion de la fraction à bas point d'ébullition qui sert de fluide de reflux dans la colonne provient au moins en partie de la fraction à bas point d'ébullition séparée, avant qu'elle retourne dans l'échangeur de chaleur alternatif et soit ainsi à basse température.7) Cette proportion provient de la fraction à bas point d'ébullition séparée ayant traversé l'échangeur de chaleur alternatif et ayant atteint ainsi sensiblement la température atmosphérique.8) La fraction à bas point d'ébullition qui doit tire comprimée pour servir de reflux provient de la portion de queue relativement pure sortant des échangeurs de chaleur alternatifs .9) Le mélange de gaz est l'air qu'on sépare en une fraction d'azote à bas point d'ébullition et une fraction d'oxygène à point d'ébullition plus élevé.10) La fraction enrichie en oxygène dans l'enrichisseur est encore séparée en une fraction enrichie en argon, en oxygène sensiblement pur ou une fraction enrichie en krypton<EMI ID=59.1>
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