Procédé de fractionnement de mélanges gazeux,à bas point d'ébullition, en leurs constituants
Il a été décrit des procédés de fractionnement de mélanges gazeux,à bas point d'ébullition,en particulier d'air, en leurs
constituants, en deux étages par l'utilisation d'accumulateurs de
froid changés périodiquement, dans lesquels l'air est comprimé uniquement à la pression qui permet sa liquéfaction, ou celle de l'azote, en échange de température avec de l'oxygène bouillant. le
froid, nécessaire pour couvrir les pertes, a, dans ce procédé appelé
à basse pression, été obtenu jusqu'ici par la détente d'une partie
de l'air comprimé, ou de l'azote séparé sous pression,à basse température, avec production de travail extérieur. Par ce mode de
production de froid, la qualité de la rectification est toutefois
liée directement à la production de froid, car les besoins de
froid déterminent la quantité de gaz, qui doit être prélevée de la
en
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te et qui est ainsi perdue pour la colonne supérieure comme liquide de lavage. Pour maintenir l'installation de fractionnement en
équilibre, il est nécessaire de régler d'après les besoins de
froid. On n'atteindra par suite que rarement le degré optimum,
pour lequel les besoins de froid et la qualité de la rectifica-tion sont déterminés exactement l'un par rapport à l'autre; mais
au contraire, la plupart du temps, la rectification fournira un mauvais rendement, par suite d'un manque de liquide de lavage, ou un excès en liquide de lavage ne pourra pas âtre utilisé.
La présente invention obvie à ces difficultés et permet
en outre de réduire davantage les besoins d'énergie pour le fractionnement des mélanges gazeux en leurs constituants. Conformément
à l'invention, on effectue une opération particulière de production de froid par la détente d'une quantité relativement faible d'air comprimé à haute pression, pour produire en totalité ou en partie
le froid nécessaire pour couvrir les pertes.
On obtient le reste de la quantité de froid, nécessaire pour maintenir l'état de régime, par le fait qu'indépendamment des besoins de froid, on prélève continuellement du premier étage de fractionnement une quantité constante d'azote et qu'on la détend, avec production de travail extérieur,dans une machine à détente ou turbine. Avant cette détente,l'azote doit être chauffé jusqu'à un degré tel qu'il ne se produise pas de condensation lors de sa détente, Au lieu d'utiliser à cet effet,comme jusqu'ici,une faible quantité d'air comprimé à 10 - 20 atm, cet air est,conformément à l'invention, comprimé jusqu'à environ 200 atm et l'opération de production de froid est réalisée par la détente de cet air à haute pression.
Ce mode de production de froid est particulièrement rationnel,car cette partie de l'air doit sans cela être comprimée à
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port de pression de 5-10 est seulement nécessaire. Si la quantité
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on peut, pour une compression à 200 atm,en utilisant un refroidissement préalable de l'air à haute pression à -10[deg.], atteindre une production de froid d'environ 1 koal/m de la totalité de l'air traité avec une consommation additionnelle d'énergie d'environ
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qu'en cas de besoin des quantités relativement grandes d'oxygène, à l'état liquide, peuvent également être prélevées de l'appareil, ce qui est parfois nécessaire, lorsqu'on veut empêcher qu'il se
<EMI ID=5.1> produise un enrichissement en impuretés dans le vaporisateur. En outre, le fait qu'on fait marcher la machine à détente avec une puissance constante et un nombre de tours constant, permet d'utiliser complètement, de manière notablement plus simple, l'énergie de détente. Tandis qu'on était obligé jusqu'ici de faire absorber l'énergie, fournie par la machine à détente, par une machine de commande qui, comme une pompe à eau, peut s'adapter aux variations de puissance de la machine à détente et qui dans certaines circonstances ne pouvait pas utiliser l'énergie de détente, on peut maintenant accoupler la maohine à détente ou turbine, par exemple, directement avec le compresseur.
Le procédé peut être appliqué de manière analogue lorsqu'au lieu de l'azote,prélevé de la colonne sous pression, on détend de manière connue dans la machine à détente une partie de l'air non fractionné en ses constituants.
Le seul changement consiste en ce que l'air à haute pression est amené en échange de température, non pas avec l'azote, mais avec la partie de l'air qui doit être détendue.
La quantité d'azote ou d'air à basse pression, qui est détendue dans la machine à détente ou turbine, peut être réduite à volonté. Dans ce cas, la quantité de froid alors manquante est obtenue par détente d'air à haute pression, en une quantité et à une pression appropriées. La quantité d'azote peut même être ainsi abaissée jusqu'à la limite inférieure 0, c'est-à-dire qu'on produit la totalité de froid par la détente d'air à haute pression. Dans
ce cas, la totalité de l'azote, séparé dans la colonne sous pression, devient disponible comme liquide de lavage pour la colonne supérieure et on atteint par conséquent les conditions les plus favorables pour un haut rendement et une grande pureté des produits
de la séparation fractionnée. Avec ce mode opératoire, il est particulièrement avantageux de n'étrangler qu'une partie de l'air
à haute pression et de détendre le reste avec production de travail extérieur.
On réalise alors avantageusement la production de froid
<EMI ID=6.1> en introduisant, diaprés le procédé de Heylandt, la quantité d'air passant à travers la machine à détente, avec une pression de 200 atm, à la température de l'eau de refroidissement, dans la machine à détente. Jusqu'ici on a, dans des procédés de fractionnement de mélanges gazeux en leurs constituants, pour autant qu'on n'obtenait pas de produits liquides (oxygène liquide), dû renoncer à employer ces procédés pour la production de froid, par ce que le froid, dégagé lors de la détente avec production de travail extérieur,
ne se laisse transmettre qu'incomplètement à du gaz frais . On devait, soit renoncer à un échange complet de température et perdre ainsi directement du froid, soit admettre une perte indirecte de froid, par le fait qu'on réduisait fortement la partie de l'air à haute pression passant à travers la machine à détente. Par suite
de la petite différence de température lors de la transmission de chaleur, des échangeurs de température particulièrement grands étaient en outre nécessaires.
Or, ces inconvénients du procédé de liquéfaction sont, conformément à la présente invention, transformés en un avantage par l'utilisationderégénérateurs pour l'échange de froid. En effet, il a été constaté,dans l'utilisation de régénérateurs, qu'il est pratiquement nécessaire de faire passer à travers les régénérateurs une quantité plus grande de gaz froid qu'il ne pénètre
de gaz chaud dans ceux-ci, pour maintenir, par cette addition de froid, la différence de température entre les périodes de chauffage et de refroidissement,dans la partie froide des régénérateurs, si petite que la nouvelle vaporisation des produits de condensation, séparés du gaz frais,est absolument assurée. Or, les besoins additionnels de froid, nécessaires à cet effet, sont couverts d'une manière particulièrement avantageuse par l'excès de froid,qui ne peut autrement pas être utilisé, du procédé de liquéfaction.
Les conditions sont analogues lorsque, au lieu de travailler d'après le procédé de Heylandt, on utilise un autre procédé de liquéfaction d'air pour la production de froid, procédé dans lequel une partie de l'air est détendue avec production de travail
n extérieur, et le reste de l'air est détendu par étranglement.
C'est ainsi qu'on peut, par exemple, comprimer la plus grande partie de l'air, employé pour la production de froid, jusqu'à environ 16 atm, et, après refroidissement préalable, le détendre dans une machine à détente, tandis que la partie de l'air, qui est étranglée après refroidissement préalable, est comprimée à environ 40 atm.
La quantité de liquide de lavage, accrue par les nouveaux modes opératoires de production de froid, dans la colonne supérieure, est, conformément à une autre caractéristique de l'invention, utilisée par le fait qu'on insuffle de l'air additionnel, sous une faible surpression, dans cette colonne.
L'utilisation d'air sous trois pressions différentes
peut apparaître comme une complication désavantageuse,d'autant plus que, lors de l'utilisation d'accumulateurs de froid,les difficultés de la répartition exacte des quantités de gaz,qui est nécessaire pour atteindre un échange complet de chaleur, deviennent d'autant plus grandes qu'un plus grand nombre de courants gazeux et par
suite de régénérateurs sont nécessaires. On peut toutefois éviter cette complication lorsqu'on choisit, conformément à l'invention,
la quantité d'air, qui est insufflée dans la colonne supérieure, exactement égale à la quantité de l'oxygène obtenu. Dans ce cas,
il suffit des deux paires de régénérateurs qui sont autrement également nécessaires, paires de régénérateurs dont l'une permet l'échange de température entre l'azote et l'air comprimé à la pression de condensation, et dont l'autre permet l'échange de température entre l'oxygène et l'air d'insufflation. Le refroidissement de la petite partie d'air, comprimé à une pression élevée, qui est autrement également nécessaire pour des raisons pratiques pour la transmission de froid, s'effectue toujours dans des échangeurs de température à contre-courant travaillant de façon continue.
Le procédé suivant l'invention est décrit ci-après de façon plus détaillée, à titre d'exemple,pour l'obtention d'oxygène
<EMI ID=7.1> densation, c'est-à-dire environ 4 atm; on le refroidit dans des régénérateurs, en échange de température avec l'azote séparé, jusqu'à la température de condensation; on l'introduit ensuite dans la colonne sous pression d'un appareil de fractionnement à deux étages, et on l'y fractionne en ses constituants, de la manière habituelle. Si on effectue la condensation de l'air dans un condenseur à reflux et si on vaporise l'oxygène liquide en équicourant avec ses vapeurs, la pression de condensation s'abaisse jusqu'à environ 3,2 atm. De l'azote, séparé dans la colonne sous pression
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tat de gaz et on le détend avec production de travail extérieur, tandis que le reste est chargé comme liquide de lavage dans la co-
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marne quantité que la quantité d'oxygène obtenue- dans unesoufflerie à 0,4 atm, on le refroidit en échange de température avec l'oxygène jusqu'à la pression de condensation, et on l'insuffle sous forme de gaz dans la colonne supérieure.
Pour couvrir les pertes de froid, on comprime environ
500 m<3> d'air/h à une pression de 200 atm et, après refroidissement préalable en échange de température à contre-courant avec des produits de fractionnement, on étrangle cet air et on l'introduit suivant les besoins dans le premier ou le second étage de fractionnement. Il est avantageux d'amener l'air à haute pression,préalablement refroidi,en échange de température avec l'azote, qui doit être détendu dans la machine à détente, pour éviter une liquéfaction lors de la détente et pour utiliser le froid, mis en liberté par la détente, de manière favorable pour l'opération de fractionnement.
Pour accroître la production de froid pouvant être atteinte par la détente de l'air à haute pression, on refroidit préalablement, le cas échéant, l'air à haute pression, avant l'échange de température avec les produits de fractionnement, au moyen d'une machine frigorifique particulière.
Le procédé est réalisé essentiellement de la même manière lorsque, d'après le deuxième mode opératoire indiqué, on produit
<EMI ID=10.1> le froid,nécessaire pour couvrir les pertes, exclusivement à l'aide de l'air à haute pression, en renonçant à la détente de l'azote et en détendant, au lieu de celui-ci, une partie de l'air à haute pression, avec production de travail extérieur,et en n'étranglant que le reste de l'air à haute pression. On peut conduire la détente de l'air à haute pression jusqu'à la pression du premier ou deuxième étage de fractionnement.
Dans le dernier cas, la production de froid est un peu plus grande, toutefois la quantité d'air, insufflée dans la colonne supérieure, est ainsi un peu accrue; dans le premier cas, on produit, il est vrai, une quantité moindre de froid, pais par contre on dispose, dans la colonne supérieure, d'une quantité plus grande de liquide de lavage. �n introduira par suite,suivant les besoins de froid et les conditions exigées en ce qui concerne la pureté de l'azote, les produits d'échappement de la machine à détente dans le premier ou le deuxième étage de fractionnement.
Les avantages du procédé suivant l'invention sont basés sur le fait que la consommation accrue d'énergie, qui est nécessaire pour comprimer quelques % de l'air, comprimé à, la pression de condensation, jusqu'à une haute pression en vue de l'opération de production de froid, est plus petite que l'économie d'énergie,
qu'on obtient par le fait qu'une quantité d'air, égale à la quantité d'oxygène, doit, au lieu d'être portée à la pression de condensation, âtre portée seulement à une faible surpression. Comme la quantité de l'air d'insufflation est automatiquement adaptée au degré de pureté de l'oxygène, le procédé possède une grande capacité d'adaptation, de sorte que malgré l'insufflation d'air, qui comme
il est connu rend plus difficile la rectification, il devient même possible de préparer de l'oxygène avec un degré de pureté de plus
de 99 %. Lors de l'obtention d'oxygène moins pur, on fractionne en ses éléments une quantité plus grande d'air, pratiquement sans compression, et la consommation d'énergie exigée par le fractionnement est ainsi -en outre de la diminution de la pression de condensationadditionnellement abaissée. Un autre avantage du procédé consiste en ce que les pertes en gaz comprimé, lors de chaque inversion des régénérateurs, deviennent plus faibles par le fait que la pression du gaz frais, s'écoulant à travers les régénérateurs à oxygène, est très faible. Par conséquent l'oxygène est également souillé dans une mesure plus faible que jusqu'ici par l'air, restant dans les régénérateurs lors de l'inversion de ceux-ci, c'est-à-dire que l'oxygène est obtenu à un degré plus élevé de pureté.
Le procédé suivant l'invention a été décrit ci-dessus
à titre d'exemple pour le fractionnement d'air en oxygène et azote. Il peut être utilisé de la même manière pour le fractionnement d'autres mélanges gazeux à bas point d'ébullition en deux constituants. Le constituant passant plus facilement à l'ébullition
joue alors le rôle de l'azote, et le constituant passant plus difficilement à l'ébullition joue le rôle de l'oxygène.
REVENDICATIONS
1) Procédé pour le fractionnement de mélanges gazeux
en leurs constituants, en particulier d'air, en deux étages, dans lequel la quantité principale de l'air à fractionner en ses éléments n'est comprimée que jusqu'à la pression qui permet la condensation de l'azote séparé en échange de température avec l'oxygène bouillant et dans lequel le refroidissement de l'air, ainsi que le réchauffage des produits du fractionnement, ont lieu dans des accumulateurs de froid changés périodiquement, caractérisé en ce qut on utilise une opération distincte de production de froid à l'aide d'une quantité relativement faible d'air comprimé à une pression élevée.