Pi#oeédé pour séparer de leurs mélanges des gaz se liquéfiant à des températures très différentes. Pour séparer<B>du,</B> leurs mélanges des gaz se liquéfiant à des températures très diffé rentes, un procédé connu consiste, après re froidissement préalable du mélange gazeux sous pression par échange de températures avec les gaz séparés, à liquéfier d'abord la plus grande partie de l'élément le plus faci lement condensable au moyen de la vapori sation, sous une pression moindre, d'une quantité correspondante, précédemment liqué fiée, de cet élément lui-même,
et à liquéfier ensuite ce qui reste de cet élément eu refroi dissant le mélange gazeux résiduel, toujours sous la pression initiale, à une température plus basse que la précédente, ce refroidisse ment étant obtenu par contact indirect avec le gaz le plus volatil, détendu avec produc tion de travail extérieur, après les liquéfac tions ci-dessus.
Un dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé, appliqué par exemple à la sépa- tion de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone du gaz à l'eau, est rappelé schématiquement par la fig. 1 ci-jointe.
D'après celle-ci,, on fait passer le gaz -à l'eau sous pression au sortir des échangeurs de températures _1 dans un faisceau tubulaire entouré à sa partie inférieure d'un bain .B d'oxyde de carbone bouillant sous la pression atmosphérique ou sous une pression réduite et provenant du traitement des parties pré cédentes de gaz;
on provoque ainsi la con densation de la plus grande partie de l'oxyde de carbone. Le gaz résiduel résultant de cette condensation est alors soumis dans la partie C it une température encore plus basse obtenue comme il va être dit; il perd alors le complément de son oxyde de carbone. On obtient donc, comme résidu gazeux, de l'hy drogène à peu prés pur qui, toujours sous la pression initiale est conduit à un moteur D oii il effectue une détente avec travail exté rieur. Cette détente le refroidit extrêmement.
et c'est cet hydrogène détendu qui, envoyé par T vers le faisceau de liquéfaction, pro voquera la condensation complémentaire à très basse température dont il a été question ci-dessus. Ce procédé présente l'inconvénient d'ame ner le gaz le plus volatil au détendeur à une température très basse puisqu'il vient d'être refroidi par le gaz détendu, d'où il résulte que, le rendement de la détente étant relati vement médiocre, on doit fonctionner à des pressions assez élevées pour compenser les pertes calorifiques et pour que la quantité de liquide en jeu ne diminue pas. On ne se trouve donc pas dans les meilleures condi tions au point de vue de la dépense d'énergie.
Dans le procédé faisant l'objet de la pré sente invention pour séparer de leurs mélan ges des gaz se liquéfiant à de-, températures très différentes, après refroidissement préa lable du mélange gazeux sous pression par échange de températures avec les gaz séparés, on traite une partie de ce mélange gazeux sous pression de façon à en liquéfier la plus grande partie de l'élément le plus facilement condensable au moyen de la vaporisation, sous une pression moindre, d'une quantité corres pondante précédemment liquéfiée de cet élé ment lui-même, la liquéfaction de ce qui reste de l'élément le plus facilement condensable étant obtenue, toujours sous la pression ini tiale, au moyen de la vaporisation, sous une presbion moindre,
d'une quantité correspon dante précédemment liquéfiée de cet élément contenant en dissolution une certaine propor tion de l'élément le plus volatil, la tempéra ture de l'élément le plus volatil qui forme le résidu final étant relevée, après les liqué factions ci-dessus et avant sa détente avec travail extérieur, par contact indirect avec la partie du mélange moins froid des gaz à séparer qui doit être, aussitôt après, liquéfiée partiellement comme il est dit plus haut, le froid de cet élément le plus volatil étant employé après cette détente pour liquéfier partiellement le reste du mélange sous pres sion des gaz à séparer, le liquide ainsi for mé servant d'appoint à celui qui est produit par les autres liquéfactions partielles.
Dans l'application du procédé ci-dessus, pour que. l'élément le plus condensable con tienne en dissolution, lors de sa vaporisation, une certaine proportion de l'élément le plus volatil, ou peut refroidir, sous sa pression de liquéfaction; au moyen du liquide en cours de vaporisation, le liquide qui est destiné à être vaporisé ensuite sous une pression moin dre, ce qui maintient en dissolution dans ce liquide, lors de son passage à la pression de vaporisation, une certaine quantité de l'élé ment le plus volatil que l'élément le plus facilement condensable entraine lors de sa condensation.
Ce refroidissement du liquide destiné à être vaporisé peut encore être accentué par un second refroidissement, également sous la pression de liquéfaction, obtenu au moyen, de ce liquide lui-même ramené à la pression de vaporisation après ce second refroidissement.
Dans le même but, c'est-à-dire pour que l'élément le plus condensable contienne, lors de sa vaporisation, une certaine proportion de l'élément le plus volatil, on peut aussi faire passer dans le liquide condensé, avant sa vaporisation, un courant gazeux de l'élément le plus volatil.
Les traitements ci-dessus peuvent d'ail leurs être répétés et combinés entre eux pour cumuler leurs effets.
Au lieu de collecter un seul liquide pour le vaporiser ensuite, on peut aussi collecter séparément plusieurs liquides formés au cours de la condensation progressive de l'élément le plus condensable et dont les derniers, en raison de leur température plus basse con tiennent une teneur plus élevée en l'élément le plus volatil; ces liquides destinés à être vaporisés séparément pour créer des zones de températures progressivement décroissantes, pourront être soumis aux traitements ci-dessus de manière à contenir le plus possible de l'élément le plus volatil.
D'après ce qui précède, on voit que par le procédé qui fait l'objet de la présente in vention, la basse température nécessaire. pour séparer pratiquement tout l'élément le plus facilement condensable de l'élément le plus volatil est obtenue au moyen du ou des li quides mêmes produits par la liquéfaction, ce ou ces liquides étant de composition mixte et leur température de vaporisaton étant ainsi nettement inférieure à celle de l'élément le plus condensable seul;
il s'ensuit que le refroidissement complémentaire par l'élément le plus volatil après détente de celui-ci. i)é- cessaire dans le procédé déjà connu et rappelé au début, devient inutile et qu'on petit ré chauffer cet élément immédiatement avant sa détente, comme il est indiqué ci-dessus, ce qui améliore l'effet utile de la détente et par suite réduit la dépense d'énergie.
Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé appliqué, à titre d'exemple, à la sé paration de l'hydrogène d'un mélange gazeux tel que le gaz ii l'eau qui le contient mélangé à l'oxyde de carbone., est indiqué. schéniati- citienient dans le dessin ci-annexé à la fig. LI. Les fig. 3, 4 et 5 se rapportent à des variantes.
En se référant à la fig. 2 du dessin ci- joint, oi) voit due le gaz d'eau à traiter arri vant un G, est réparti dans l'échangeur double AB ont il circule en contre-courant de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène déjà séparés. Une partie de ce gaz arrive froid et sous pression dans le compartiment JI au tour du prolongement F' du faisceau de sé paration F. II y circule autour de l'hydrogène comprimé restant après la liquéfaction dans le faisceau et se refroidit encore à son con tact.
Il arrive ensuite par le tuyau T à la base du faisceau de liquéfaction F, monte dans ce faisceau ont il rencontre, comme il sera expliqué, des températures de plus en plus basses, et s'y dépouille de soir oxyde de carbone. Arrivé dans la partie F' du faisceau correspondant air compartiment 1(, l'hydrogène se réchauffe fortement au contact du gaz à l'eau extérieur et arrive cri D pour y effectuer sa détente.
L'hydrogène détendu sortant cri H, de même que l'oxyde de carbone évaporé sortant en C, avant d'être renvoyés dans leurs échangeurs respectifs, d'oii ils sortent en B' et C', passent dans deux compartiments dis tincts d'un liquéfacteur L alimenté par l'au tre partie du gaz à l'eau. Grâce à la présence de ce liquéfacteur L, les gaz séparés envoyés dans les échangeurs sont fortement réchauf- fés et refroidissent air minimum possible le gaz d'eau ai#rivant.
Le liquide formé dans ce liquéfacteur est ,joint à celui formé dans le faisceau de sépa ration, refroidi avec lui soirs pression dans le serpentin S¯ et déversé dans la partie su périeure du vaporiseur, sur des plateaux successifs P.
Le liquide ainsi déversé crée alors dans le haut du vaporiseur, en raison de sa teneur momentanée en hydrogène, la température très basse nécessaire à, l'aiclréve- ment de la purification des gaz ascendants d e F.
Les éléments noir liquéfiés dans le liqué- facteur L se rendent par le même conduit que le liquide dans le collecteur placé. au- dessous du faisceau de séparation et s'y mêlent avec le mélange gazeux arrivant dans ce collecteur par le tuyau 7'.
Les dispositifs suivant les fig. 3. 4 et 5 comportent les mêmes échangeurs de tenipé- rature B <I>et L</I> et le détendeur<I>D</I> qui n'ont pas été représentés.
Dans la. fig. 3 le refroidissement de l'oxyde de carbone liquide. avant son déversement dans l'étage supérieur F du vaporiseur h, est acceiittié cri le faisant, après soir passage dans le premier serpentin 8, circuler dans un second serpentin S) plongé dans le liquide ramené il, la pression de vaporisation après sa sortie de ce serpentin Si.
Suivant la. fig. 4 tir) autre moyen d'obte nir la basse température nécessaire dans les hautes régions du faisceau F consiste à dé verser dans ces régioi)s titre partie réglée par le vanne V, de l'oxyde carbone liquide, déjà refroidie dans le serpentin S et soumise dans le récipient Ii à un courant d'hydrogène ex trait dur compartiment A en quantité réglée par la vanne I'" dont oi)
augmentera le débit d'autant plus dii'oir voudra abaisser davantage la température.
Dans le dispositif de la fig. 5, un abais sement de température dans un étage supé rieur du vaporiseur est obtenu en déversant sur des plateaux P' le liquide relativement riche en lii-di,ogène produit dans les régions supérieures du faisceau, collecté dans un compartiment spécial Ii, puis refroidi sous pression en S'.
Pi # oeédé to separate from their mixtures gases which liquefy at very different temperatures. To separate <B> du, </B> their mixtures from gases which liquefy at very different temperatures, a known process consists, after pre-cooling of the gaseous mixture under pressure by exchange of temperatures with the separated gases, in liquefying d first the greater part of the most easily condensable element by means of the vaporization, under less pressure, of a corresponding quantity, previously liquefied, of this element itself,
and then liquefying what remains of this element by cooling the residual gas mixture, still under the initial pressure, to a temperature lower than the previous one, this cooling being obtained by indirect contact with the most volatile gas, expanded with production of external work, after the above liquefac tions.
A device for implementing this process, applied for example to the separation of hydrogen and carbon monoxide from gas with water, is recalled schematically in FIG. 1 attached.
According to this, the gas is passed to water under pressure at the outlet of the temperature exchangers _1 in a tube bundle surrounded at its lower part by a bath .B of boiling carbon monoxide under the atmospheric pressure or under reduced pressure and resulting from the treatment of the preceding parts of gas;
this causes the condensation of most of the carbon monoxide. The residual gas resulting from this condensation is then subjected in part C it to an even lower temperature obtained as will be said; it then loses the complement of its carbon monoxide. As a gaseous residue, therefore, more or less pure hydrogen is obtained which, still under the initial pressure, is taken to an engine D where it performs an expansion with external work. This relaxation cools him extremely.
and it is this relaxed hydrogen which, sent by T to the liquefaction bundle, will cause the additional condensation at very low temperature which was discussed above. This process has the drawback of bringing the most volatile gas to the expansion valve at a very low temperature since it has just been cooled by the expanded gas, from which it follows that, the efficiency of the expansion being relatively poor, we must operate at pressures high enough to compensate for heat losses and so that the amount of liquid in play does not decrease. We are therefore not in the best conditions from the point of view of energy expenditure.
In the process forming the subject of the present invention for separating from their mixtures gases which liquefy at very different temperatures, after pre-cooling of the gaseous mixture under pressure by exchange of temperatures with the separated gases, treatment is carried out. part of this gaseous mixture under pressure so as to liquefy the greater part of the most easily condensable element by means of the vaporization, under a lesser pressure, of a corresponding quantity previously liquefied of this element itself. even, the liquefaction of what remains of the most easily condensable element being obtained, always under the initial pressure, by means of vaporization, under a lesser pressure,
of a corresponding previously liquefied quantity of this element containing in solution a certain proportion of the most volatile element, the temperature of the most volatile element which forms the final residue being recorded, after the liquefactions below above and before its expansion with external work, by indirect contact with the part of the less cold mixture of the gases to be separated which must be, immediately afterwards, partially liquefied as mentioned above, the cold of this most volatile element being used after this expansion to partially liquefy the remainder of the mixture under pressure from the gases to be separated, the liquid thus formed serving as a make-up to that which is produced by the other partial liquefactions.
In the application of the above method, so that. the most condensable element contains in solution, during its vaporization, a certain proportion of the most volatile element, or can cool, under its liquefaction pressure; by means of the liquid being vaporized, the liquid which is then intended to be vaporized under a lower pressure, which maintains in solution in this liquid, during its passage to the vaporization pressure, a certain quantity of the element The most volatile element that the most easily condensable element entrains during its condensation.
This cooling of the liquid intended to be vaporized can be further accentuated by a second cooling, also under the liquefaction pressure, obtained by means of this liquid itself brought back to the vaporization pressure after this second cooling.
For the same purpose, that is to say so that the most condensable element contains, during its vaporization, a certain proportion of the most volatile element, it is also possible to pass into the condensed liquid, before its vaporization, a gas stream of the most volatile element.
The above treatments can also be repeated and combined with each other to cumulate their effects.
Instead of collecting a single liquid for subsequent vaporization, it is also possible to separately collect several liquids formed during the gradual condensation of the more condensable element and of which the last, due to their lower temperature, contain a higher content. high in the most volatile element; these liquids intended to be vaporized separately to create progressively decreasing temperature zones, may be subjected to the above treatments so as to contain as much of the most volatile element as possible.
From the foregoing, it can be seen that by the process which is the subject of the present invention, the necessary low temperature. to separate practically all the most easily condensable element from the most volatile element is obtained by means of the same liquid (s) produced by the liquefaction, this or these liquids being of mixed composition and their vaporization temperature thus being significantly lower to that of the most condensable element alone;
it follows that the additional cooling by the most volatile element after expansion of the latter. i) necessary in the process already known and recalled at the beginning, becomes unnecessary and that this element can be reheated immediately before its expansion, as indicated above, which improves the useful effect of the expansion and consequently reduces the expenditure of energy.
A device for carrying out the process applied, by way of example, to the separation of hydrogen from a gaseous mixture such as the gas ii the water which contains it mixed with carbon monoxide., is indicated. schéniati- citienient in the drawing appended to FIG. LI. Figs. 3, 4 and 5 relate to variants.
Referring to fig. 2 of the attached drawing, oi) sees due the water gas to be treated arriving at a G, is distributed in the double exchanger AB have it circulates in counter-current of carbon monoxide and hydrogen already separated. Part of this gas arrives cold and under pressure in the compartment JI around the extension F 'of the separation bundle F. It circulates there around the compressed hydrogen remaining after liquefaction in the bundle and still cools at its con tact.
It then arrives by pipe T at the base of the liquefaction bundle F, rises in this bundle when it meets, as will be explained, lower and lower temperatures, and then sheds carbon monoxide there. Arrived in part F ′ of the corresponding compartment air beam 1 (, the hydrogen heats up strongly on contact with the gas with the external water and arrives cry D to effect its expansion there.
The relaxed hydrogen exiting cry H, as well as the evaporated carbon monoxide exiting at C, before being returned to their respective exchangers, from which they exit at B 'and C', pass into two distinct compartments of a liquefier L fed by the other part of the gas with water. Thanks to the presence of this liquefier L, the separated gases sent to the exchangers are strongly heated and cool the air as much as possible of the flowing water gas.
The liquid formed in this liquefier is, joined to that formed in the separation bundle, cooled with it even by pressure in the coil S¯ and poured into the upper part of the vaporizer, on successive plates P.
The liquid thus discharged then creates in the top of the vaporizer, due to its momentary hydrogen content, the very low temperature necessary for the purification of the ascending gases from F.
The black elements liquefied in the liquefactor L pass through the same conduit as the liquid in the placed collector. below the separation bundle and mingle with the gas mixture arriving in this collector via pipe 7 '.
The devices according to fig. 3. 4 and 5 have the same temperature exchangers B <I> and L </I> and the pressure reducer <I> D </I> which have not been shown.
In the. fig. 3 cooling the liquid carbon monoxide. before its discharge into the upper stage F of the vaporizer h, is acceiittié cry doing so, after evening passage through the first coil 8, circulate in a second coil S) immersed in the liquid brought back there, the vaporization pressure after its exit from this coil Si.
Following the. fig. 4 shot) another means of obtaining the low temperature necessary in the high regions of the beam F consists in pouring into these regions, as part regulated by the valve V, liquid carbon monoxide, already cooled in the coil S and subjected in the container Ii to a stream of hydrogen ex hard line compartment A in an amount regulated by the valve I '"of which oi)
will increase the flow the more you will want to lower the temperature further.
In the device of FIG. 5, a lowering of temperature in an upper stage of the vaporizer is obtained by pouring onto trays P 'the liquid relatively rich in lii-di, ogene produced in the upper regions of the bundle, collected in a special compartment Ii, then cooled. under pressure in S '.