BE471048A

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Publication number: BE471048A
Authority: BE
Priority date: 1944-02-22
Also published as: FR902079A

Description


  "Procédé et appareil de séparation de mélanges gazeux par condensation fractionnée sous pression".

  
L'invention se rapporte à un procédé et à un appareil de séparation de mélanges gazeux par condensation fractionnée sous pression.

  
Il est connu de séparer des mélanges gazeux par refroidissement du mélange sous pression, en recueillant séparés les constituants se condensant consécutivement.

  
Le froid nécessaire est produit d'une part par vaporisation

  
du liquide fermé et par les gaz refroidis, et d'autre part

  
par une source de froid supplémentaire. Ce froid supplémentaire est nécessaire pour compenser les pertes de froid,

  
et aussi pour produire du froid à basse température.

  
Il est connu aussi de détendre dans une machine

  
 <EMI ID=1.1>  fractions de gaz ne se liquéfiant pas pendant l'opération. Le froid libéré par cette détente peut être utilisé pour compenser des pertes de froid. De cette manière, le rendement du procédé est déjà amélioré.

  
On a aussi proposé d'améliorer davantage encore l'économie de froid du procédé, en ne détendant pas seulement de cette manière les fractions ne se liquéfiant pas dans le procédé, mais en détendant les fractions liquéfiées, non pas directement à la pression atmosphérique, mais bien, entièrement ou en partie, à une pression située entre la pression de séparation et la pression atmosphérique, détente suivie par une vaporisation et un réchauffage,après  quoi la détente à la pression atmosphérique a lieu avec production de froid et de travail. Le froid produit peut aussi être utilisé pour compenser des pertes de froid.

  
Cette méthode ne donne, cependant, pas plus que la possibilité d'obtenir un surplus de froid par détente des fractions condensables, d'une pression intermédiaire

  
à la pression atmosphérique, avec production de froid et

  
de travail, de manière tout à fait analogue à l'obtention de froid par la même détente des fractions non-liquéfiables. La présente invention est basée sur cette conception que le rendement peut encore être considérablement amélioré par vaporisation de quantités de liquide déterminées, sous des pressions déterminées, outre que le gaz produit peut être ensuite détendu dans une machine de détente.

  
Selon l'invention, on choisit la ou les quantités de liquide et la ou les pressions de vaporisation de telle manière qu'à chaque point du trajet de température parcouru par les gaz, ou par les liquides, il existe du côté basse température, un surplus de froid au moins égal au déficit de froid du oôté température élevée, et que le travail fictif qui serait nécessaire pour transporter les

  
 <EMI ID=2.1>  

  
des niveaux auxquels elles sont libérées, jusqu'à un niveau de température quelconque, situé à ou sous le

  
plus bas des niveaux mentionnés, ait une valeur minimum aussi grande que possible.

  
Les avantages du procédé selon l'invention peuvent se manifester de différentes manières. Le gaz obtenu sous pression peut être détendu, avec production de travail extérieur; dans le cas de fourniture du gaz à une grande distance, on peut épargner de l'énergie de compression, et ceci vaut aussi lorsque des bouteilles sont remplies avec le gaz sous pression, ou quand il faut traiter le gaz sous pression dans une opération suivante, , etc...

  
L'invention peut par exemple être appliquée, de manière avantageuse, dans la séparation du gaz des fours

  
à coke, dans laquelle on vaporise la fraction dite fraction de méthane, à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Cette vaporisation devient très avantageuse lorsque la pression totale sous laquelle la séparation est effectuée est si élevée que les pertes de froid, à une température relativement élevée (supérieure à par exemple -

  
 <EMI ID=3.1> 

  
détente de la fraction de méthane, vaporisée sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, avec production de travail extérieur.

  
Pour faire mieux comprendre l'invention, elle sera ci-dessous exposée à l'aide des dessins annexés, portant sur un exemple très simple.

  
Dans la figure 1 sont tracées quelques courbes se rapportant à un mélange de deux gaz, dont l'un est condensé et l'autre non condensé dans le procédé. Ces courbes indiquent la relation existant entre la température (ou bien la pression partielle) et la quantité de vapeur qui est encore présente dans le mélange, et qui doit être

  
 <EMI ID=4.1>  pressions totales différentes, sous lesquelles la séparation est effectuée.

  
Ce mélange est séparé, de manière connue, par refroidissement sous pression, et le froid nécessaire est fourni par vaporisation du liquide formé par échange de chaleur avec du liquide et du gaz, et par addition de froid supplémentaire. Dans la figure 2 sont tracées les lignes indiquant le besoin et la production de froid pour un refroidissement ou un chauffage de 1[deg.] C d'une moléculegramme du mélange.

  
La quantité de froid la plus grande est nécessaire au commencement de la condensation. La quantité de gaz condensant par degré C diminue cependant continuellement, à mesure que le liquide se forme, de sorte qu'également le besoin de froid, par molécule-gramme et par degré C, diminue régulièrement quand la température baisse. La courbe de production de froid accuse un grand sommet, dépassant de beaucoup le besoin, à la température à laquelle le liquide formé se vaporise de nouvzau, attendu que tout le froid nécessaire à la condensation et qui a été absorbé pendant un grand trajet, est de nouveau libéré à cette température. Le point du trajet de température où est situé cet excès de froid dépend de la pression sous laquelle la vaporisation a lieu.

   Ordinairement, la limite minimum de cette pression est 1 ata environ, parce qu'un détendant à une pression inférieure il est possible que

  
de l'air pénètre dans l'appareil, ce qui est dangereux quand on travaille avec des gaz combustibles; en outre, cet air représente une souillure, Sans tenir compter des pertes, un déficit de froid, à une température plus élevée, peut être compensé par cet excès de froid. Le froid nécessaire, à température plus basse, doit être fourni par une source de froid supplémentaire.

   Cette quantité de froid dépend de la quantité de gaz qui doit être condensée à , / cette température, et elle est plus petite à mesure que la pression sous laquelle la séparation a lieu est plus grande (voir fig.l, les quantités al,bl,cl)o En considérant quelles valeurs la quantité et la pression peuvent avoir quand, pour ce mélange simple, on veut vaporiser par exemple une seule partie du liquide, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, on constate ce qui suit;' (voir fig.3, qui représente une des courbes de la fig.l). Quand la pression (p<2>) est choisie élevée
(basse), la quantité de liquide disponible (a<2>). qui peut être vaporisée sous cette pression est petite (grande).  Le lieu de la température la plus avantageuse ne peut pas être indiqué sans l'aide d'autres considérations.

   Cependant, il faut mettre en ligne de compte qu'également la quantité

  
 <EMI ID=5.1> 

  
C'est que cette quantité de liquide est formée par addition de froid supplémentaire, amené du dehors, tandis que la quantité de liquide formée à une température supérieure à

  
 <EMI ID=6.1> 

  
froid amené du dehors et absorbé par ce liquide, constitue pour ainsi dire un supplément, eu égard à la quantité nécessaire. Ce froid peut être libéré à chaque température, et l'on a donc libre choix, quant à la pression sous laquelle on veut vaporiser cette partie.

  
La figure 4 montre maintenant, dans un diagramme, la quantité de froid qui est libérée par détente, dans une machine de détente, du gaz formé par vaporisation sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, et dépendant de cette pression. Cette courbe, qu'on peut imaginer être composée par une courbe représentant la détente de la <EMI ID=7.1>  représentant la détente de la quantité a , laquelle grandit

  
 <EMI ID=8.1> 

  
de la pression totale sous laquelle la séparation est effectuée), montre d'abord un sommet, dû au maximum de l'une des courbes constituantes, puis une descente, puis enfin une remontée, quand l'influence de l'autre courbe constituante commence à être prépondérante^

  
Dans la figure 5, le même diagramme a été encore représenté, dans ce cas pour la séparation du mélange sous une pression plus élevée.

  
Si l'on considère maintenant la figure 2, et si

  
 <EMI ID=9.1> 

  
sont causés par la vaporisation de parties de liquide sous des pressions différentes, on constate les faits suivants :
Lors de la vaporisation du liquide, la production de froid, à la température correspondante, accuse un sommet. Attendu qu'à cette température tout le froid de vaporisation qui

  
a été consommé pendanttout le processus de condensation
(donc tant à une température supérieure qu'à une température inférieure à cette température), se trouve libéré,

  
la surface entourée par ce sommet doit être égale à la surface entourée par la courbe indiquant la besoin de froid pour autant que cette surface est située au dessus des lignes horizontales de production de froid. Dans la mesure où la surface de la courbe de production de froid est située au dessus de la courbe de besoin de froid, cette surface représente un surplus de froid, de même que les surfaces, sous la courbe de besoin de froid, des deux côtés du sommet, représentent des déficits de froid, pour autant qu'elles sont situées au dessus des lignes horizontales de la production de froid. En vaporisant maintenant une partie du liquide sous une pression plus élevée, donc à

  
 <EMI ID=10.1>  La quantité maximum de liquide que l'on peut vaporiser à t<2> est déterminée par la valeur du déficit

  
 <EMI ID=11.1> 

  
il faudrait d'une manière quelconque, par exemple par addition de froid supplémentaire à une température égale à,

  
 <EMI ID=12.1> 

  
de nouveau l'équilibre dans la balance de froid. On peut donc choisir entre la séparation d'une grande quantité

  
de liquide, qu'on vaporise à basse température ou la séparation d'une petite quantité de liquide, qu'on vaporise à température élevée, ou bien la séparation d'une grande quantité de liquide qu'on vaporise à température élevée,

  
en rétablissant la balance du froid par addition de froid supplémentaire à une température basse.

  
Lorsqu'on choisit les quantités de liquide, et

  
les pressions sous lesquelles, ou bien les températures auxquelles on les vaporise, de la manière indiquée ci-dessus, le rendement du procédé est maximum. Les calculs sont relativement simples. Ce n'est pas seulement le cas pour les mélanges simples, comme dans l'exemple donné, mais aussi pour des mélanges compliqués, comme dans le gaz de fours à coke, dont les constituants liquéfiables ne se vaporisent pas à une seule température, mais suivant un trajet de températures. Etant donné le schéma de l'appareillage, on peut tracer la courbe du besoin de froid correspondant au trajet total de température. La courbe de production de froid peut aussi être tracée et seules la position et

  
la valeur des quantités de froid libérées des fractions vaporisantes dépendent encore du nombre des parties de

  
 <EMI ID=13.1> 

  
vaporisation désirée. Quand ce nombre de parties de liquide est déterminé, on peut calculer pour une pression px quelconque, sous laquelle on veut vaporiser une partie du liquide, la quantité maximum de liquide qui est disponible pour vaporisation sous cette pression et la quantité de froid libérée par cette vaporisation, ainsi que sa répartition sur le trajet de températures, suivant lequel ce

  
froid est libéré. On peut effectuer ce calcul pour chaque partie du liquide. Ensuite, on peut calculer la valeur du travail qui serait nécessaire pour transporter ces quantités de froid, par le chemin le plus favorable, à un niveau de température choisi arbitrairement, mais fixé, et qui

  
doit être situé à ou sous le plus bas des niveaux mentionnés.

  
Quand on fait varier cette pression pour les parties du liquide qui entrent en ligne de compte, pour vaporisation sous une autre pression, ce travail fictif peut être calculé de nouveau. Le maximum peut être déterminé par voie graphique.

  
En général, il est naturellement possible d'appliquer le procédé selon l'invention dans chaque processus dans lequel des gaz sont séparés par condensation fractionnée,

  
et ceci pour chaque fraction condensante.

  
L'application du procédé selon l'invention peut être particulièrement avantageuse pour la séparation des

  
gaz de fours à coke. Lorsqu'on vaporise par exemple une partie ou plusieurs parties de la fraction de méthane, condensant sous une pression supérieure à 1 ata, et qu'ensuite on détend dans des machines de détente, jus qu'à la pression atmosphérique, les réfrigérants à ammoniaque qui sont employés pour compenser les pertes de froid, à des températures relativement élevées, peuvent être omis si l'on choisit d'une manière appropriée la pression totale sous laquelle le gaz est refroidi, tandis que le travail provenant des machines de détente peut être utilisé à

  
 <EMI ID=14.1>  La figure 7 représente un schéma d'un appareil-  lage de séparation de gaz de fours à coke selon un procédé connu, utilisant des réfrigérants à ammoniaque. Le chemin de la fraction de méthane condensée, et de la vapeur de méthane, est indiqué par une ligne grasse. Au contraire, la figure 8 représente un sohéma d'un tel appareillage au moyen duquel le procédé selon l'invention est appliqué.

  
Une partie de la fraction de méthane condensée est détendue sous une pression supérieure à la pression atmosphérique (ligne grasse pointillée) et se vaporise sous cette pression, tandis que la vapeur obtenue est alors détendue jusqutà la pression atmosphérique, dans un détenteur à turbine. La partie du liquide détendue jusqu'à environ

  
la pression atmosphérique paroourt l'appareillage de manière normale (ligne grasse).

  
Le surplus de froid recueilli suffit pour compenser les pertes dé froid dans le trajet au dessus de

  
par exemple - 75[deg.] C, de sorte que les réfrigérants à ammoniaque peuvent être omis, ce qui, en plus du gain d'énergie, représente une simplification considérable de l'appareillage.

  
Il est naturellement possible aussi d'envoyer la partie de la fraction de méthane recueillie sous pression dans un réseau de distribution, pour fourniture à distance sans l'intermédiaire d'un compresseur, au lieu de la détendre dans une machine de détente, etc.

Claims

RESUME

1. Procédé de séparation de mélanges gazeux par condensation fractionnée sous pression, dans lequel une ou plusieurs parties du liquide se vaporisent sous des pressions supérieures à la pression atmosphérique, caractérisé en ce qu'on choisit la ou les quantités de liquide <EMI ID=15.1>

qu'à chaque point du trajet de températures parcouru par les gaz, ou par les liquides, il existe du côté basse

<EMI ID=16.1> de froid du côté température élevée, et que le travail fictif qui serait nécessaire pour transporter les quantités de froid libérées par vaporisation de liquide, des niveaux auxquels elles sont libérées, jusqu'à un niveau de température quelconque, situé à ou sous le plus bas des niveaux mentionnés, ait une valeur minimum aussi grande que possible.

2. procédé de séparation des gaz des fours à

coke selon la revendication 1, dans lequel on vaporise une partie de la fraction de méthane sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce que la pression totale sous laquelle la séparation est effectuée est si élevée que les pertes de froid, à un niveau de température relativement élevé (supérieur à par exemple

- 75[deg.] C environ) sont compensées à l'aide du froid libéré par détente, avec production de travail extérieur, de la fraction de méthane vaporisée sous une pression supérieure à la pression atmosphérique.

3. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, composé d'échangeurs de chaleur et de colonnes de séparation, caractérisé par plus d'un seul système de conduite pour la fraction de méthane se vaporisant, et par une ou plusieurs machines de détente, dans un ou plusieurs de ces systèmes.