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L'invention concerne une installation séparatrice de gaz comportant une colonne séparatrice, dont on prélève de la chaleur à l'aide d'une machine frigorifique à gaz froid. Les installations séparatrices de gaz connues jusqu'à présent, dans lesquelles la chaleur n'est pas prélevée de la colonne à l'aide d'une machine frigorifique à gaz froid, comportent en général un mécanisme assez compliqué qui, par exemple par le réglage de vannes et de robinets, permet de modifier l'alimentation du mélange gazeux à séparer et/ou l'évacuation d'une ou de plusieurs des fractions produites par l'installation. Aussi les installations connues demandent-elles la pré- sence permanente de personnel de surveillance qui, au besoin, puisse intervenir et régler une ou plusieurs vannes.
Dans ces installations, il est assez difficile d'obtenir une adaptation entièrement automatique de l'alimentation et/ou de l'évacuation lors d'une modification des conditions.
La Demanderesse a déjà proposé de prélever, à l'aide d'une ma- chine frigorifique à gaz froid, de la chaleur de la colonne séparatrice d'une installation séparatrice de gaz. Ceci permet d'équiper l'installation d'une colonne de construction assez simple, et d'obtenir néanmoins des produits dont la pureté ne le cède pas à celle des produits obtenus jusqu'à présent à l'aide des installations usuelles, à colonnes plus compliquées.
Fait étonnant, on a constaté que, dans ce cas, il est en-outre possible, dans cette installation, d'adapter automatiquement l'alimentation à l'évacuation.
Suivant l'invention, au moins un des fluides à amener à l'installation, ou à évacuer de celle-ci, est amené , ou évacué, suivant la production de froid de la machine. On choisira cette variation d'une manière telle que la quantité de fluide amenée à la colonne ou la quantité évacuée de cette colonne soit égale à la quantité que l'installation peut traiter. La variation dépend de la résistance offerte au fluide et des pertes d'isolement de l'installation. Par production de froid, on entend ici la production de froid par unité de temps.
On pourra trouver, en divers points de l'installation, une grandeur qui dépend de la production de froid de la machine frigorifique à gaz froid.
Dans une forme de réalisation de l'invention, l'alimentation en mélange gazeux à fractionner et/ou l'évacuation d'au moins une des fractions, sont réglées en fonction de la différence de pression résultant de la perte de charge, sur au moins une partie de la canalisation pour la vapeur entre la colonne et la machine frigorifique. Ce procédé pourra être utilisé surtout lorsque dans la colonne séparatrice de gaz même règne une pression plus élevée que la pression atmosphérique.
Lorsqu'à l'endroit de la colonne ou est amené le mélange gazeux à fractionner, règne une pression qui est plus basse que la pression atmosphérique, suivant une forme de réalisation de l'invention, on peut également utiliser une autre forme de construction, dans laquelle l'alimentation en mélange gazeux à fractionner et/ou l'évacuation d'au moins une des fractions sont réglées en fonction de la différence entre une pression régnant dans le système séparateur de de gaz, et la pression atmosphérique.
Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, l'alimen- tation en mélange gazeux à fractionner et/ou l'évacuation d'au moins une des fractions sont réglées à l'aide d'un compteur de débit qui est dgeré dans une canalisation que traverse une quantité de produit de condensation proportionnelle à la quantité de produit de condensation formé par unité de temps par la machine frigorifique à gaz froid. Ce compteur peut mesurer par exemple, une quantité, un poids, une vitesse de passage du liquide ou même la hauteur de niveau d'un liquide.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, l'alimentation en mélange gazeux à fractionner et/ou l'évacuation d'au moins l'une
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des fractions, sont réglées en fonction de la température de la tête de la machine frigorifique à gaz froid. Cette température peut être releyée, par exemple, sur la paroi de limitation de l'enceinte de congélation, ou sur les,' ailettes du congélateur.
Dans le cas d'une installation telle qu'au moins l'une des frac- tions soit évacuée à l'état liquide, on obtient une' tonne de construction très simple lorsque, dans la canalisation d'évacuation de cette fraction, on a prévu une garde hydraulique. Dans ce cas, il ne faut pas recourir à d'autres moyens pour amener à la colonne le mélange gazeux à fractionner.
Lorsque la fraction à point d'ébullition le plus bas est évacuée de la colonne sous forme de vapeur, suivant une autre forme de réalisation de l'invention, on peut régler l'alimentation en mélange gazeux à fraction- ner et/ou l'évacuation de la fraction à point d'ébullition le plus bas d'une façon telle que, lors d'une variation de'la production de froid, la quantité requise de cette fraction soit toujours évacuée.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non li- mitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien en- tendu, partie de l'invention.
La fig, 1 représente une installation séparatrice de gaz, dans laquelle l'alimentation en mélange gazeux à fractionner est tributaire de la différence de pression dans la canalisation pour la vapeur entre la machine frigorifique à gaz froid et la colonne:
Sur la fig. 2 il règne au point de la colonne où l'on in- troduit le mélange gazeux à fractionner, une pression plus basse que, la pression atmosphérique et l'alimentation en ce mélange gazeux est tributaire de la différence'de .pression existant entre un point de cette instal- lation et 1'atmosiphère
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La fig. 3 est une partie d'une installation dans laquelle la température de la tété de la machine frigorifique à gaz froid est déte minante pour la quantité de mélange gazeux à fractionner qui est en± à la colonne .
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La fig' 4 est un appareil de mesure de liquide que l'on peut utiliser dans l'installation.
La fig. 5 représente une installation de fractionnement de gaz dans laquelle le mélange gazeux à fractionner est amené à la colonne à l'aide d'une garde hydraulique.
La fig. 6 montre une installation séparatrice de gaz dans laquelle la fraction à point d'ébullition le plus élevé est obtenue à l'état gazeux.
La fig. 7 représente une machine frigorifique à gaz froid utilisable dans les installations spécifiées ci-dessp.s.
L'installation séparatrice de gaz représentée sur la fige 1 comporte une colonne séparatrice de gaz 1, à cuve d'ébullition 2. Dans cette cuve d'ébullition se trouve un échangeur de chaleur 3, muni d'une canalisation d'alimentation4, comportant un échangeur de chaleur 5, canalisation qui se reccorde à un compresseur 6. Ce compresseur, qui est monté sur l'arbre d'une machine frigorifique à gaz froid 7, et qui est entraînée avec cette machine frigorifique, par un moteur électrique 8, comporte une canalisation d'aspiration 9. Dans cette canalisation d'aspiration 9 se trouvent une vanne 10 et des cuves 11 et 12, dans lesquelles est purifié le mélange gazeux, aspiré par le compresseur 6, par exemple de l'air. L'échangeur de-chaleur 3 communique avec la colonne par l'intermédiaire d'une canalisation 13.
A la partie supérieure, la colonne comporte une canalisation 14 par laquelle la vapeur se trouvant en cet endroit est amenée à la ma-
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chine frigorifique à gaz froid 7. Dans cette machine frigorifique à gaz froid., la vapeur se condense et une partie du produit condensé est ramenée, par l'intermédiaire d'une canalisation 15, comme reflux, à la colonne, tan- dis qu'une autre partie est évacuée de l'installation par l'intermédiaire de la canalisation 16. La fraction à point d'ébullition le plus élevé, est évacuée de la cuve d'ébullition par l'intermédiaire de la canalisation 17 et de l'échangeur de chaleur 5. La canalisation 14 pour la vapeur comporte deux points de mesure 18 et 19 auxquels on mesure la différence de pression dans cette canalisation.
La différence de pression est transmise à des servomécanismes 20 et 21 qui règlent la vanne 10. La colonne comporte un disposi- tif de protection contre la pression 22.
Le dispositif fonctionne de la manière suivante. Le mélange ga- zeux à fractionner, par exemple de l'air, est amené, à l'aide du compres- seur 6, aux échangeurs de chaleur 5 et 3. L'air aspiré a été débarrassé dans les cuves 11 et 12 de la vapeur d'eau et de l'anhydride carbonique qu'il contenait.
Dans l'échangeur de chaleur 5, l'air est refroidi par l'oxygène s'échappant de la cuve d'ébullition. Un autre refroidissement se produit dans 1'échangeur de chaleur 3, de la chaleur étant cédée au liquide contenu dans la cuve d'ébullition, liquide qui, sous l'effet de cette chaleur se vaporiser. L'air refroidi est ensuite amené à la colonne par la canalisation 13. Dans la colonne, l'air est séparé en fractions. A la partie supérieure, la vapeur qui s'y trouve, à savoir l'azote, s'écoule par la canalisation 14 vers la machine frigorifique, tandis qu'une partie du produit de condensation formé par la machine frigorifique retourne vers la colonne par une canalisation 15.
Lorsque la production de froid de la machine frigorifique augmente, la pression dans l'enceinte de la machine frigorifique à gaz froid, dans laquelle se condense la vapeur, diminue, de sorte qu'une plus grande quantité de vapeur traverse la canalisation 14 et la différence de pression entre les points 18 et 19 augmente. De ce fait, les servo-mécanismes 20 et 21 ajustent la vanne 10 d'une manière telle qu'une plus grande quantité de mélanges gazeux est fournie à la colonne. Par contre, lorsque la production effective de froid de la machine frigorifique à gaz froid est nulle, aucune vapeur ne circule vers la machine frigorifique, de sorte que la différence de pression entre les points 18 et 19 est nulle : la vanne 10 obture la canalisation 9, de sorte qu'aucun mélange gazeux n'est amené à la colonne.
Le réglage décrit ci-dessus agit indépendamment du fait que dans la colonne règne une surpression, la pression atmosphérique ou une dépression.
La figure 2 représente une installation qui, dans'ses grandes lignes, correspond à celle de la fig. 1, de sorte que les parties correspondant à celles de la fig. 1,portent les mêmes chiffres de référence que sur cette dernière.
Dans cette installation, la fraction à point d'ébullition le plus élevé est évacuée à l'état liquide par une canalisation 23, comportant une vanne. Dans la canalisation 14 se trouve un manomètre 25 et la différence entre cette fraction et la pression atmosphérique, mesurée à l'aide de la canalisation 25, détermine, à l'aide des servo-mécanismes 20 et 21, la position de la vanne 10. Le compresseur 6 amènent mélange gazeux à fractionner avec une surpression si faible qu'au point A de la colonne, point où le mélange gazeux est amené dans la colonne, règne une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Lorsque, dans cette forme de réalisation, la production de froid augmente, la quantité de vapeur condensée est plus grande, de sorte qu'au point de mesure 24, la pression diminue. De ce fait, la vanne 10 est déplacée par l'intermédiaire des mécanismes 20 et 21, de sorte qu'une plus gran- de quantité de mélange gazeux est amenée à la colore.
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Par contre, lorsque la production de froid diminue, la pression dans la canalisation 24 augmente, ce qui entraîne la fermeture de la vanne 10. Dans cette forme de réalisation, on pourra mesurer la pression non seulement dans la canalisation 14, comme le représente la figure, mais aussi en d'autres points, par exemple dans la colonne ou dans l'enceinte dans laquelle la vapeur se condense.
La fig. 3 représente une machine frigorifique à gaz froid, utilisable dans les installations décrites ci-dessus. La machine frigorifique à gaz froid 7 et le compresseur sont entraînés par le moteur électrique 8.
Dans la canalisation d'aspiration 9 du compresseur est prévue une vanne 10,.
A l'aide d'un dispositif de mesure 26, on relève la température de la tête de la machine frigorifique à gaz froid. Cette température mesurée détermi- ne, à l'aide d'un servo-écanisme 27,. la position de la vanne 10. Lorsque la production de froid augmente, la vanne 10 est ouverte. Par contre, lorsque la production de froid diminue,la vanne se ferme. Le dispositif de mesure de la température peut être, par exemple, un thermostat à pression de vapeur, ou une résistance à coefficient de température négatif.
La fig. 4 représente un appareil de mesure de liquide qui peut être inséré dans une canalisation d'évacuation, par laquelle peut être évacué le produit de condensation formé par la machine frigorifique à gaz froid ou une partie déterminée de ce produit de condensation. Dans ce cas le dispositif de mesure de liquide est raccordé à une canalisation d'amer née 28 pour le produit de condensation. Le produit de condensation est collecté dans un bac 29, percé d'ouvertures 30 à travers lesquelles le produit de condensation s'écoule. Dans le bac se trouve un flotteur 31, muni d'un bras 32.
Un déplacement de ce bras peut provoquer, par l'inter- médiaire d'un servo-mécanime non représenté sur le dessin, une variation de la position d'une vanne dans la canalisation d'alimentation ou dans la canalisation d'évacuation. Lorsque la production de froid de la machine frigorifique augmente,-'il se tonnera une plus grande quantité dq produit de condensation, de sorte que le flotteur s'élève et qu'une plus grande quantité de mélange gazeux peut être fournie ou qu'une plus grande quantité de produit de condensation peut être évacuée. Par contre, lorsque la production diminue, le flotteur baisse et la vanne 10 se ferme.
L'installation séparatrice de gaz représentée sur la fig. 5 correspond, dans ses grandes lignes, aux installations décrites ci-dessus les parties correspondant à celles de la fig. 1 portent les mêmes chiffres de référence que sur cette dernière. La machine frigorifique à gaz froid comporte une canalisation d'évacuation verticale 33 munie d'uné garde hydraulique 34. Par suite de la dépression dans l'enceinte de la machine fri- gorifique à gaz froid, dans laquelle se condense la vapeur évacuée de la colonne, il se forme, dans la canalisation d'évacuation 33, une colonne liquide, qui, lorsque le tube est suffisamment long, suffit pour amener à la colonne le mélange gazeux à fractionner.
Celui-ci traverse d'abord les cuves 11 et 12, dans lesquelles il est purifié, ensuite l'échangeur de chaleur 3 et, par la canalisation 13, il est amené à la colonne dans laquelle il est fractionné.
Lorsque, dans cette installation, la production de froid augmente, la dépression dans l'enceinte dans laquelle la vapeur est condensée, augmente également, ce qui forme dans la canalisation 33 une plus haute colonne liquide, de sorte qu'une plus grande quantité de gaz est fournie à la colonne.
Lorsque la productionde froid diminue, et qu'elle tombe à zéro, la colonne liquide dans la canalisation 33 se rapproche également de la différence de hauteur par rapport au coude 35 de la 'garde hydraulique qui est de plusélevé !le sorte qu'aucun mélange gazeux ne sera fourni à la colonne.
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Dans l'installation représentée sur la fig. 6,les parties correspondant à celles de la fig; 1 portent à nouveau les mêmes chiffres de référence que sur cette dernière. Dans cette installation, la canalisation 14 comporte une canalisation d'évacuation 36, qui se raccorde à l'échangeur de chaleur 5 et qui peut évacuer une partie de la fraction de vapeur à point d'ébullition le plus bas, formée dans la colonne. La colonne comporte du côté supérièur, deux points de me-sure 18 et 19, pour mesurer la différence de pression dans cette canalisation, tandis qu'une variationde cette différence de pression provoque, par l'intermédiaire des servo-mécanismes 20 et 21 et de la vanne 10, une variation de la quantité de gaz fournie au compresseur 6.
Dans cette forme de réalisation, les variations de la quantité de gaz fourni à la colonne et de la production de froid sont telles que, lors d'une variation de la production de froid, on évacue la quantité exacte de cette fraction'. Ce résultat peut s'obtenir en ajustant la vanne 37 dans la canalisation d'évacuation de l'azote, vanne qui, ce qui n'est pas montré sur la figure, peut également être réglée à l'aide des servo-mécanismes 20 et 21. Les variations spécifiés ci-dessus sont déterminées par la résistance de la canalisation 36 comportant l'échangeur de chaleur 5, et par les pertes d'isolement de l'installation.
La fig. 7 représente, à plus grande échelle, une machine frigorifique à gaz froid. Cette machine frigorifique à gaz froid comporte un cylindre 40, dans lequel peuvent se déplacer un balayeur 41 et un piston 42.
A cet effet, le balayeur 41 est accouplé, par l'intermédiaire d'un système de bielles 43, à une manivelle 44 d'un vilebrequin 45, tandis que le piston 42 est accouplé, par des systèmes de bielles 46, aux manivelles 47. Les manivelles 44 et 47 forment un certain angle,de sorte que le piston et le balayeur se déplacent avec un certain décalage. Au dessus du balayeur se trouve une enceinte 48, influencée par ce balayeur et appelée "chambre de congélation" qui communique, par l'intermédiaire d'un congélateur 49, d'un récupérateur 50 et d'un réfrigérant 51, avec une enceinte formée entre le balayeur et le piston.
Du côté supérieur de la machine frigorifique se trouve une paroi 53, à propriétés calorifuges, ce qui forme une enceinte 44 dans laquelle peut se condenser un fluide. Cette enceinte comporte une ouverture d'alimentation 55 et un canal annulaire 56 pour le produit de condensation, canal annulaire qui comporte une ouverture d'évacuation 57 pour le produit de condensation.
La machine frigorifique à gaz froid représentée est du type à balayeur. Toutefois,on peut également réaliser la machine frigorifique à gaz froid sous forme de machine à double effet, ou de machine dont l'enceinte active est combinée avec celle d'un moteur à gaz chaud. Les machines frigorifiques à gaz froid permettent d'obtenir en un seul stade de très basses températures, par exemple de -200 C, de sorte que ces machines peuvent servir à condenser des vapeurs à bas point de fusion, par exemple à condenser de l'azote à la pression atmosphérique.
Dans les exemples de réalisation réprésentés, la modification de la quantité de gaz amené ou de la quantité de gaz évacué s'effectue à l'aide d'une vanne. Toutefois, cette quantité peut également être modifiée par d'autres moyens, par exemple par une variation du nombre de tours du compresseur ou par une variation du nombre de courses d'une pompe à piston.