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" Perfectionnements aux procédés et appareillages pour la purification de mélanges gazeux ".
La présente invention est relative à un procédé et à un appareillage pour purifier un mélange gazeux en refroi- dissant le mélange à très basse température, et, plus particulièrement,pour purifier un mélange gazeux, tel que l'air, avant qu'il ne soit séparé par rectification en ses deux constituants principaux en vue de récupérer un de ces constituants sous forme de liquide ou de gaz.
Dans une installation de séparation de l'air en vue d'obtenir de l'oxygène, l'air entrant, peut être purifié par refroidissement dans un échangeur de chaleur à contre- courant. L'air circule dans l'échangeur de son extrémité chaude à son extrémité froide par une série de passages , tandis qu'un fluide froid, constitué, par exemple, par un des produits de la rectification de l'air préalablement purifié, circule en sens opposé dans une autre série de passages.
Pendant que l'air entrant est progressivement
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refroidi de cette manière, les impuretés peu volatiles qu'il contient, telles que la vapeur d'eau, l'anhydride carbonique et (si l'air est sensiblement à pression atmos- phérique et est refroidi sensiblement jusqu'à sa température de liquéfaction) l'acétylène sont condensés et se déposent sur les surfaces d'échange thermique . Lorsque ce dépôt con- tinue, les passages réservés à l'air de l'échangeur se nt congestionne/éventuellement à tel point que les impuretés déposées doivent être chassées. Ceci se fait généralement en dégivrant l'échangeur.
Pour éviter des chômages périodi- ques de l'installation pendant l'opération de dégivrage, le courant d'air entrant et de fluide de refroidissement peut être aiguillé vers un second échangeur de chaleur,dans lequel l'air est refroidi et purifié comme précédemment . En même temps, un fluide chaud, constitué soit par de l'air, soit par le produit de rebut de la rectification, est chassé dans les passages d'air du premier échangeur de chaleur,pour vaporiser les impuretés qui s'y sont déposées, et est ensuite déchargé dans l'atmosphère en même temps que ces impuretés.
Bien que l'emploi alternatif de deux échangeurs de cha- leur de la manière mentionnée ci-avant permette de produire de l'oxygène en continu, seul un des échangeurs de chaleur est, en fait, en service, à un moment déterminé. Dans cha- que cycle alternatif, l'échangeur subissant un dégivrage n'accomplit aucune fonction de refroidissement. De plus, l'emploi d'un fluide chaud pour dégivrer l'échangeur bouché élève la température des surfaces d'échange thermique dans la mesure nécessaire pour vaporiser et chasser les impuretés déposées. Un travail additionnel doit alors être exécuté pour fournir le froid nécessaire pour refroidir à nouveau ces sur- faces jusqu'à leurs températures de fonctionnement normal.
La présente invention a notamment pour objets un procé- dé et un appareillage pour refroidir et purifier un mélange
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gazeux, en refroidissant ce mélange à très basse température avant de le rectifier ou de le séparer en ses deux consti- tuants principaux, l'appareillage de refroidissement et de purification accomplissant, à tout moment et même lorsqu'on est en train d'en opérer le dégivrage, une fonction de re- froidissement utile, tandis que la quantité de froid requise pour refroidir à nouveau l'appareillage après son dégivrage est considérablement moindre que celle nécessaire dans les autres installations de séparation et que les opérations de refroidissement , de purification et de dégivrage s'effec- tuent de manière efficace et économique.
L'invention a encore pour objet de réduire, par comparai son avec les autres installations de séparation de gaz, la superficie totale des surfaces d'échange thermique de l'instal lation, ce qui diminue le coût . initial de celle-ci.
Suivant la présente invention, les échangeurs de cha- leur, employés pour purifier un mélange gazeux, accomplis- sent une fonction de refroidissement à tout moment, même lorsqu'on est entrain de les dégivrer. Dans la mise en prati- que de l'invention, deux échangeurs de chaleur interchangea- bles et à contre-courants sont employés alternativement de la manière suivante : Dans un échangeur, un mélange gazeux est refroidi et purifié dans un passage ou dans une série de passages, par échange thermique indirect avec un fluide froid ne contenant pas d'impuretés condensables.
Dans le second échangeur, un fluide comprimé chaud exempt d'impuretés condensables est similairement refroidi par un fluide de refroidissement, qui est en même temps suffisamment chaud que pour vaporiser et chasser les impuretés, qui se sont déposées dans cet échangeur , pendant le cycle opératoire précédent, ou cet échangeur fonctionnait comme purificateur.
Dans une installation de production d'oxygène, le mélange ga- zeux à refroidir et à purifier dans le premier échangeur
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(c'est-à-dire celui fonctionnant comme purificateur dans un cycle opératoire donné) est constitué par de l'air,tandis que le fluide de refroidissement passant dans cet échangeur peut être soit de l'azote gazeux froid, qui a été séparé de l'air, soit de l'air froid qui a été préalablement purifié, suivant le système de séparation utilisé.
Le fluide de re- froidissement circulant dans le second échangeur (c'est-à-di- re celui qui fonctionnait comme purificateur pendant le cycle précédent) est, de préférence, de l'azote de rebut froid, qui a été séparé de l'air et qui a été préalablement réchauffé, en un endroit quelconque du système, jusqu'à une température généralement voisine de -265 F., c'est-à-dire jusqu'à une température supérieure à la température de l'air quittant le premier échangeur , mais non sensiblement supé- rieure à la température nécessaire pour vaporiser les di- verses impuretés, qui se sont déposées dans les passages bou- chés du second échangeur.
Le fluide, qui est refroidi dans le second échangeur peut être soit de l'azote comprimé, qui a été séparé de l'air et qui est remisen circulation dans le système, soit de l'air comprimé, qui a été préalablement pu- rifié, suivant le système de séparation utilisé. Dans une installation de production d'air liquide, dans laquelle l'air entrant doit être purifié et liquéfié, mais non séparé en ses constituants principaux, les divers fluides gazeux circulant dans les deux échangeurs sont constitués par de l'air soumis à des conditions variables de température ou de pression.
L'appareillage nécessaire à la mise en pratique de l'invention est illustré schématiquement sur les dessins ci- annexés et sert à la production d'oxygène à partir d'air.
Dans ces dessins :
La fig. 1 montre un appareillage convenant pour être employé dans une installation de production d'oxygène gazeux de capacité élevée et ne comportant qu'une seule colonne de
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rectification ; la fig. 2 représente une variante de l'appareillage de la fig. 1, convenant pour être employée dans une installa- tion de production d'oxygène gazeux de faible capacité et comportant également une seule colonne de rectification, et la fig. 3 représente un appareillage convenant pour être employé dans une installation de production d'oxygène gazeux à double colonne de rectif ication.
Il est bien entendu que la présente invention n'est pas limitée au refroidissement et à la purification d'air et qu'elle est également applicable à la purification d'au- tres mélanges gazeux, aussi bien dans le cas où il s'agit de séparer ces derniers en leurs deux constituants principaux par refroidissement et rectification que dans le cas où il s'agit de les liquéfier sans les séparer.
Les deux échangeurs de chaleur interchangeables A et B, représentés sur les dessins, peuvent être du type habituel, comportant un ou plusieurs passages pour un fluide gazeux à refroidir et un ou plusieurs passages distincts pour un fluide de refroidissement. Pour la simplicité de la présente description, deux passages distincts seulement sont indiqués pour chaque échangeur.
La fig. 1 montre l'agencement de ces deux échangeurs dans un système de séparation d'air à basse pression, de grande capacité et comportant une seule colonne de rectifica- tion . Dans ce système, de l'air sensiblement à pression atmosphérique est d'abord refroidi et purifié, puis rectifié, de manière à produire de l'oxygène gazeux de grande pureté. Le froid total requis par le système et le liquide de reflux requis pour la rectification de l'air sont obtenus en fai- sant circuler une partie de l'azote séparé dans un cycle auxiliaire . Le fonctionnement d'un tel système est décrit en détail dans la demande de brevet belge déposée le 22 décembre 1948 sous le n 378.395.
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Dans l'installation représentée à la fig. 1, l'air à basse pression est introduit dans un tuyau 1 par une soufflerie (non représentée) . Pour diminuer la quantité de givre déposée dans l'échangeur de chaleur fonctionnant comme purificateur dans un cycle donné et pour permettre à cet échangeur de fonctionner pendant une période plus longue, avant d'avoir à être dégivré, il est ordinairement souhaita- ble d'abaisser le point de rosée de l'air entrant, en élimi- nant une partie de l'humidité y contenue . Ceci peut être réalisé par un dispositif approprié quelconque, non représen- té, tel qu'un dispositif de réfrigération et un sécheur à gel de silice.
Si on suppose que l'échangeur de chaleur A est celui, dans lequel l'air entrant est refroidi et purifié pendant un cycle donné de fonctionnement de l'installation, l'air arrivant par le tuyau 1 est conduit, par un tuyau de bran- chement 2 et par un tuyau 3, à l'extrémité chaude d'un passage 4 de l'échangeur . En circulant dans ce passage, cet air est refroidi par échange thermique indirect avec de l'azote froid circulant en sens inverse dans un passage 15 ménagé dans le même échangeur. L'eau se dépose, sous forme de givre, dans le passage 4, à partir d'une zone où la tempéra- ture de la surface d'échange thermique correspond au point de rosée de l'air entrant.
Lorsque l'air atteint une zone de température égale à -110 F., le givre ne se dépose plus en quantité appréciable , parce que, en-dessous de cette température, la quantité de vapeur d'eau subsistant dans l'air est extrêmement faible. A mesure que l'air progresse dans le passage vers des zones de plus en plus froides de l'échangeur, l'anhydride carbonique se dépose sous forme de neige, à partir d'une zone où la température de la surface d'échange thermique est d'environ -225 F.
Lorsque l'air est ensuite refroidi jusqu'à une température d'environ il
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-310 F, un pourcentage élevé de l'acétylène et des autres hydrocarbures éventuellement présents se dépose, en sorte qu'on évite la présence de ces impuretés à concentration explosive dans l'oxygène liquide obtenu à la base d'une colonne de rectification 10 dans laquelle l'air purifié est rectifié.
L'air purifié, se trouvant à une température d'environ -310 F, est conduit de l'extrémité froide de l'échangeur
A, par un tuyau 5, à un tuyau de branchement 6 et ensuite, par un tuyau 7, à un accumulateur 8, qui est rempli de gel de silice ou d'une autre matière appropriée et agit comme réservoir de froid. De l'accumulateur 8, l'air est introduit par un tuyau 9 à un niveau intermédiaire de l'unique colonne de rectification 10, dans laquelle cet air est rectifié ou séparé de la manière usuelle en oxy- gène et en azote relativement purs. L'oxygène est recueilli initialement, sous forme de liquide à la base de la colonne, tandis que l'azote quitte le sommet de la colonne par un tuyau 11, sous forme d'un gaz sensiblement à pression atmosphérique et à une température de -318 F. environ.
Une partie de l'azote froid quittant la colonne par le tuyau 11 est conduite, par un tuyau 12, un tuyau de bran- chement 13 et un tuyau 14, à l'extrémité froide du passage
15 de l'échangeur A. En circulant dans ce passage, l'azote refroidit l'air entrant circulant dans le passage 4 et est, à son tour, chauffé jusqu'à une température légère- ment inférieure à celle de l'air entrant dans le passage 4.
L'azote quitte l'extrémité chaude de l'échangeur A par un tuyau 16 et est conduit ensuite par un tuyau de branchement
17 à un tuyau 18. Une proportion déterminée de l'azote circulant dans le tuyau 18 est déchargée, en manoeuvrant une valve 19 dans une mesure appropriée , dans l'atmosphère par des tuyaux 20 et 21, l'azote non déchargé dans l'atmosphère étant délivré à un compresseur . L'azote pénétrant dans le compresseur 22 y est comprimé, de préférence, jusqu'à
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une pression d'environ 80 à 100 livres anglaises pour pource carré (absolu), la chaleur de compression étant éliminée dans un post- refroidissèur 23 .
L'azote comprimé quitte le post -refroidisseur par un tuyau 24, une partie de cet azote étant conduite, par un tuyau 25 , un tuyau de branchement 26 et un tuyau 27, à l'extrémité chaude d'un passage 28 de l'échangeur B. En circulant dans ce passage, l'azote est refroidi par l'azote de refroidissement circulant en sens opposé dans un passage 50 du même échangeur.
L'azote comprimé refroidi dans l'échangeur B quitte le passage 28, à une température d'environ -255 F., par un tuyau 29 et est amené, par un tuyau de branchement 30, à un tuyau 31 ou il est divisé en deux fractions* Une fraction est conduite, après ouverture d'une valve 32, par un tuyau 33 à un détendeur chargé 34, qui est, de préférence, du type turbine. Après détente, avec production de travail externe, jusqu'à une pression sensiblement égale à la pres- sion atmosphérique et refroidissement jusqu'à -318 F en- viron, cette fraction d'azote est conduite par un tuyau 35 au tuyau 12, où elle vient grossir le courant d'azote froid allant de tuyau'11 à l'échangeur A.
La fraction res- tante de l'azote comprimé du tuyau 31, qui n'a pas subi de détente, pénètre dans un échangeur de chaleur 36, dans le- quel elle est davantage refroidie par échange thermique indirect avec de l'azote de refroidissement venant d'un tuyau 46. L'azote comprimé, refroidi dans l'échangeur 36, est conduit, par un tuyau 37, à un tuyau 38, où il se joint au courant d'azote comprimé venant du tuyau 24, qui a été refroidi dans un échangeur 39. Ces courants combinés d'azo- te comprimé froid sont conduits à un réchauffeur 40, prévu à la base de la colonne de rectification, où ils sont refroidis davantage et condensés en fournissant de la cha-
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leur à l'oxygène liquide entourant le réchauffeur.
L'azote liquide froid, encore sous pression, s'écoule ensuite par un tuyau 41 à un sous-refroidisseur 42 et, après avoir subi dans une valve 43 une détente jusqu'à une pression sensible- ment égale à la pression atmosphérique, est introduit par un tuyau 44 à un niveau plus élevé de la colonne, comme liquide de reflux. La portion restante de l'azote quittant la colonne par le tuyau 11 est conduite par un tuyau 45 au sous=refroidisseur 42, pour refroidir l'azote liquide et est ensuite conduite par un tuyau 46 à l'échangeur 36 pour refroidir l'azote comprimé, comme décrit précédemment.
Pendant que cet azote de refroidissement passe par l'échan- geur 36, il est chauffé jusqu'à une température supérieure à celle de l'air froid quittant l'échangeur A , mais non sensible ment supérieure à celle nécessaire pour vaporiser les impuretés déposées par l'air dans ce dernier échangeur.Par suite de ce réchauffement,l'azote de refroidissement peut être employé, comme expliqué ci-après, pour dégivrer l'échangeur A lorsque celui-ci est venu à se boucher par les impuretés. L'azote de refroidissement quitte l'extrémité chaude de l'échangeur 36 à une température d'environ -265 F et est ensuite conduit par un tuyau 47, un tuyau de bran-
48 chement/et un tuyau 49, à l'extrémité froide du passage 50 de l'échangeur B.
En circulant dans ce passage, cet azote refroidit l'azote comprimé circulant dans le passage 28 du même échangeur et est, à son tour, réchauffé de quelques degrés seulement, en dessous de la température de l'azote comprimé entrant dans le passage 28. L'azote quitte l'extré- mité chaude de l'échangeur B par un tuyau 51, puis il est déchargé dans l'atmosphère par un tuyau de branchement 52 et un tuyau 21.
L'oxygène liquide se trouvant à la base de la colonne de rectification est vaporisé par l'azote relativement plus chaud circulant dans le réchauffeur 40. Une partie de l'oxy @ 1
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gène vaporisé, agit comme vapeur de reflux et le restant quitte la colonne par un tuyau 60. L'oxygène gazeux froid est conduit par un tuyau 60 à un échangeur 39, où il sert à refroidir l'azote comprimé délivré par le tuyau 24 au même échangeur. L'oxygène quitte l'extrémité chaude de l'échangeur 39 par un tuyau 61 et est déchargé dans un réceptacle approprié eu utilisé directement dans un procé- dé industriel.
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Après un certain temps, le passage/de l'échangeur A se bouche, au moyen des impuretés faiblement volatiles déposées par l'air entrant, à tel point que l'échangeur ne peut plus continuer à fonctionner de manière eff icace.
Il doit alors être dégivré. Ceci se fait en inversant les courants gazeux passant dans chaque échangeur de fa- çon que (a) l'azate froid , qui circulait précédemment dans le passage 15 de l'échangeur A, circule à présent, dans le même sens, dans le passage 28 de l'échangeur B, (b) l'azote comprimé, qui circulait précédemment dans le passage 28 de l'échangeur B, circule à présent, dans le même sens, dans le passage 15 de l'échangeur A, (c) l'air, qui circulait précédemment dans le passage 4 de l'échan- geur A, circule à présent dans le même sens, dans le passage 50 de l'échangeur B, et (d) l'azote de refroi- dissement, qui circulait précédemment dans le passage 50 de l'échangeur B, circule à présent, dans le même sens, dans le passage 4 de l'échangeur A.
Après aiguillage des courants d'air entrant et d'azote de ; refroidissement, l'air entrant par le tuyau 1 est refroidi dans l'échan- geur B par l'azote froid venant du tuyau 12, et l'azote comprimé venant du tuyau 26 est refroidi dans l'échangeur
A par l'azote de refroidissement venant du tuyau 47 comme précédemment. En même temps, l'azote de refroidissement, qui circule dans le passage 4 de l'échangeur A vaporise et entraîne les impuretés qui se sont déposées dans ce passage.
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Pour opérer le dégivrage de la manière la plus efficace il est important que, avant l'aiguillage des courants gazeux, chaque passage de l'échangeur A ait,sur toute sa longueur, une température inférieure à celle du passage correspondant de l'échangeur B, auquel il est connecté par des tuyaux à valves.
Ainsi, dans certaines conditions, un dégivrage satisfaisant peut être opéré, lorsque la température des surfaces d'échange thermique du passage 4(à travers lequel circule de l'air) diminue depuis 65 F environ à son extrémité chaude jusqu'à envi- ron -314 F à son extrémité froide, tandis que la tempéra- ture des surfaces d'échange thermique du passage 50 ( de dans lequel circule/l'azote de refroidissement) diminue d'environ 115 F à environ -260 F, une différence d'environ 50 F étant constatée dans las températures de ces surfa- ces à leurs extrémités chaudes. En général, plus le peint de rosée de l'air entrant est élevé, plus est grande la différence de températures nécessaire aux extrémités chau- des de ces surfaces pour obtenir un dégivrage satisfai- sant.
Comme ces températures sont principalement détermi- nées par les températures de l'air et de l'azote comprimé délivré aux extrémités chaudes des échangeurs, leurs diffé rences peuvent être contrôlées en fonction du point de rosée de l'air, en augmentant ou en diminuant la tempé- rature de l'azote comprimé délivré à l'échangeur B.Pour modifier la température de l'azote comprimé ainsi déli- vré,il est seulement nécessaire de faire varier le degré de post-refroidissement dans le post-refroidisseur 23.
Après renversement des courants gazeux l'un par rapport à l'autre dans chaque échangeur et obtention d'un fonctionnement normal, les conditions de température dans les passages 4 et 50 sont inverses. Pour hâter cette inversion , l'opération de renversement se fait, de préférence, en deux stades. Tout d'abord, l'azote froid @
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(à environ -318 F) circulant dans le tuyau 12 est aiguillé du passage 15 de l'échangeur A au passage 28 de l'échangeur B, tandis que l'azote comprimé chaud (à environ 120 F) du tuyau 25 est aiguillé du passage 28 de l'échangeur B au passage 15 de l'échangeur A. Le renversement se fait en fermant les valves 70,76, 80 et 86 et en ouvrant simulta- nément les valves 71, 77,81 et 87, prévues au voisinage des extrémités des passages précités.
On obtient alors deux courants parallèles de fluide chaud (air et azote comprimé) circulant de l'extrémité chaude à l'extrémité froide de l'échangeur A. En même temps, on obtient deux courants parai lèles de fluide froid (azote froid venant.du tuyau 12 et azote de refroidissement venant du tuyau 47 ) circulant de l'extrémité froide à l'extrémité chaude de l'échangeur B.
Le résultat du changement de marche initial, est une élévation des températures régnant dans les deux passages de l'échangeur A et un abaissement de celles régnant dans les deux passages de l'échangeur B. Après une minute environ de fonctionnement, les surfaces d'échange thermique de l'échangeur B seront refroidies, approximativement uniformé- ment , de 50 F environ et, en même temps, les surfaces e d'échange thermique de l'échangeur A seront réchauffés, sensiblement uniformément de 50 F environ. A ce moment, la température de l'extrémité froide du passage 4 de l'é- changeur A aura été amenée à -260 F environ, ce qui correspond sensiblement à la température de l'azote de refroidissement dans le tuyau 47, qui doit être aiguillé par le passage 4. Le second stade de l'opération de changement de marche est à présent exécuté.
L'azote de refroidissement du tuyau 47 est aiguillé du passage 50 de l'échangeur B au passage 4,de l'échangeur A, et, en même temps, l'air entra nt dans le tuyau 1 est aiguillé du passage 4 de l'échangeur A au passage 50 de l'échangeur B. Cet aiguillage ou changement de marche se fait en ouvrant les valves 72,
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74, 82 et 84 et en fermant simultanément les valves
73,75, 83 et 85, représentées au voisinage des extrémités de ces passages. Lorsque l'opération de changement de mar- che finale est terminée, les températures régnant le long de chaque passage de l'échangeur A ( à dégivrer à présent) et de l'échangeur B (fonctionnant à présent comme purificateur) correspondront plus ou moins aux températures de fonctionnement normales de ces passages.
Lorsque l'échangeur B est, à son tour, bouché par le dé- pôt des impuratés contenues dans l'air dans le passage 50, les fluides gazeux sont à nouveau aiguillés d'un échangeur à l'autre, comme décrit précédemment, si ce n'est que les valves d'aiguillage¯.., qui étaient fermées, sont à présent ouvertes et que les valves, qui étaient ouvertes, sont à présent fermées.
Les échangeurs 36 et 39 ne se bouchent jamais par suit . du dépôt d'impuretés, étant donné que toutes les impuretés condensables ont été précédemment éliminées des fluides gazeux traversant ces échangeurs et que d'autres impuretés n'y sont pas introduites.
Les valves utilisées pour aiguiller les courants gazeux entre les échangeurs A et B peuvent être d'un type relativement peu coûteux et peuvent, par exemple, être constituées par des valves-papillons. Ordinairement,de telles valves ne peuvent être employées dans les systèmes de séparation de l'air en ses constituants, parce que leur tendance à fuir peut permettre l'introduction d'im- puretés dans d'autres parties du système, où elles peu- vent contaminer l'oxygène produit et boucher l'appareilla- ge, qui ne peut être dégivré sans arrêt de la marche de l'installation .
Si, dans l'appareillage décrit, de l'air impur amené par le tuyau 1 et par le tuyau de branchement 2 fuyait à travers une valve fermée, il en résulterait seulement que cet air serait déchargé dans A /
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l'atmosphère avec l'azote de rebut. Ainsi, si on suppose que l'échangeur A fonctionne comme purificateur dans un cycle de fonctionnement donné, la valve 72 adjacente à l'extrémité chaude de cet échangeur est normalement fermée. Si de l'air impur venait à fuir du tuyau de branche- ment 2, à travers cette valve, dans le tuyau 52, il serait déchargé dans l'atmosphère par le tuyau 21, en même temps que l'azote de rebut quittant le passage 50 de l'échangeur B.
Lorsque les courants gazeux circulant dans les échan- geurs A et B sont aiguillés au début d'un cycle de nettoyage certaines valves, comme décrit cidessus, sont ouvertes et fermées simultanément. Pour assurer leur manoeuvre si- multanée et pour éviter ainsi que s'établissent des pres- sions indésirables en divers points du système, les valves appropriées peuvent être ouvertes et d'autres valves peu- vent être fermées à l'aide d'une commande commune, par exemple, au moyen de connexions d'interverrouillage habituel les entre les valves.
Un avantage particulier de l'invention réside dans le fait que chacun des échangeurs A et B accomplit une fonc- tion utile de refroidissement à tout moment. Dans un cycle donné de fonctionnement, un échangeur fonctionne comme purificateur, en refroidissant un mélange gazeux et l'autre échangeur, tout en étant en cours de dégi- vrage, refroidit un fluide comprimé, qui est utilisé ailleurs dans le système. De plus, lorsqu'un échangeur est prêt à être dégivré, ce qui requiert un renversement des conditions de température régnant dans chaque échan- geur, ce renversement s'accomplit en refroidissant un échangeur dans une mesure approximativement égale à celle dont l'autre échangeur est réchauffé.
Pour cette raison, une faible quantité¯de froid est seulement nécessaire au début de chaque cycle, pour refroidir à nouveau les surfa-
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ces de l'échangeur dégivré aux températures prévalant normalement dans l'échangeur-purificateur.
La figure 2 montre une variante d'une partie du système de séparation d'air, illustré à la figure 1. Cette variante convient pour les installations de production d'oxygène gazeux de faible capacité. Comme les pertes de chaleur dans les petites installations sont propor- tionnellement plus grandes que dans les grandes installa- tions, les petites installations requièrent une réfrigéra- tion proportionnellement plus importante par livre an- glaise d'oxygène produit. Pour obtenir cette réfrigération additionnelle, on peut comprimer et détendre plus d'azote dans le cycle auxiliaire d'azote. Il n'est, toutefois, pas désirable de comprimer et de refaire circuler une partie de l'azote de rebut quittant l'échangeur en cours de dégivrage, parce que , ce faisant, on introduirait des impuretés dans le cycle auxiliaire.
De l'azote propre supplémentaire peut être obtenu, comme montré à la figure 2, en aiguillant à travers un tuyau 90 une partie de l'azote de refroidissement quittant l'extrémité chaude de l'échangeur 36, en réchauffant cet azote dans un autre échangeur de chaleur 91 et en le conduisant ensuite par un tuyau 92 au tuyau 18, où il augmente le volume d'azote chaud (provenant de l'échangeur-purificateur)circu- lant vers le côté aspiration du compresseur 22. Une par- tie de l'azote comprimé du tuyau 24 est similairement dérivée par un tuyau 93 à l'échangeur 91, où, en étant refroidi, cet azote réchauffe l'azote de refroidissement circulant en sens inverse dans le même échangeur .
L'azote comprimé refroidi dans l'échangeur 91 est alors conduit par un tuyau 94 au tuyau 31, où il augmente le volume d'azote comprimé froid allant vers le détendeur 34 et vers l'extrémité chaude de l'échangeur 36. De cette façon, proportionnellement la même quantité d'azote comprimé que
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dans une grande installation peut être introduite dans l'extrémité chaude de l'échangeur 36, pour maintenir le même rapport de liquide de reflux dans la colonne et proportionnellement plus d'azote comprimé que dans une grande installation peut être détendu dans le détendeur 34, pour obtenir une réfrigération accrue dans l'ensemble du système.
Moyennant quelques légères modifications, une installa- tion de production d'oxygène gazeux du type général illustré à la figure 2 peut être employée pour produire de l'oxygène liquide. Les modifications essentielles consistent à éliminer l'échangeur 39,étant donné qu'on n'a plus besoin d'oxygène gazeux froid comme fluide de refroidissement;, à faire passer tout l'azote comprimé préalablement re- froidi dans l'échangeur 39 à travers l'échangeur 91 et à extraire l'oxygène liquide à la base de la colonne. On peut alors faire passer relativement plus d'azote comprimé à travers le détendeur, pour obtenir le froid additionnel nécessaire à la production d'oxygène liquide. Aucune de ces modifications n'affecte, toutefois, le mode , précé- demment décrit, de fonctionnement des échangeurs A et B.
La figure 3 montre la disposition des deux échangeurs interchangeables A et B faisant partie d'un système de sépération d'air, dans lequel l'air est rectifié dans une double colonne . Ce système diffère de celui représenté à la figure 1, notamment par le fait quetout le froidre- quis pour compenser les pertes de chaleur et autres pertes thermodynamiques du système, est obtanu en comprinant et en détendant subséquemment une portion de l'air. Sauf en ce qui concerne la colonne de rectification,l'appareil- lage est identique à celui représenté à la figure 1, le fonctionnement de cet appareillage pouvant, dès lors, être décrit plus brièvement.
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L'air, sensiblement à pression atmosphériqueet, de préférence, séché dans une certaine mesure, est refroi- di et purifié dans le passage 4 de l'échangeur A, par échange thermique indirect avec de l'air purifié froid circulant en sens inverse dans le passage 15 du même échan- geur. L'air purifié dans l'échangeur A et y refroidi à une température d'environ -305 F est conduit par un tuyau 100 à un refroidisseur 101 prévu dans la colonne supérieure d'une double colonne de rectification 102. Dans ce refroidisseur 101, l'air est refroidi davantage jusqu'à -312 F par échange thermique indirect avec le liquide et la vapeur de reflux de la rectification.
Cet air puri- fié froid quitte la colonne par un tuyau 103 et traverse alors le passage 15 de l'échangeur A, pour refroidir l'air entrant passant par le passage 4 de cet échangeur.
Après avoir quitté l'extrémité chaude du passage 15, l'air purifié va par le tuyau 18 au compresseur 22 et au post-refroidisseur 23.
Une partie de l'air comprimé quittant le post-refroi- disseur 23 pénètre dans l'extrémité chaude de l'échangeur B, où elle passe par le passage 28, et est refroidie par de l'azote de refroidissement circulant en sens opposé dans le passage 30 du même échangeur. Une partie de l'air comprimé est alors détendu jusqu'à une pression sensible- ment égale à la pression atmosphérique, avec production de travail extérieur, dans le détendeur 34 et est intro- duite par un tuyau 104 à un niveau intermédiaire de la colonne supérieure. La partie restante de l'air comprimé refroidi dans l'échangeur B, qui n'est pas détendue, circule dans l'échangeur 36, à l'effet d'y être refroidie davantage par échange thermique indirect avec de l'azote de refroidissement provenant du sous-refroidisseur 42.
L'air comprimé froid quittant l'échangeur 36 rejoint une autre portion d'air comprimé froid, qui a été refroi-
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die dans l'échangeur 39 et les courants combinés passent par le réchauffeur 40 prévu à la base de la colonne infé- rieure pour y être liquéfiés par un liquide riche en oxygène entourant ledit réchauffeur. Cet air liquide froid est alors introduit par un tuyau 105 à un niveau intermédiai re de la colonne inférieure, où il est fractionné en azote relativement pur et en liquide riche en oxygène. Ce der- nier , recueilli d'abord à la base de la colonne, circule ensuite dans un tuyau 107 et est étranglé sensiblement jusqu'à pression atmosphérique par la valve 108.
Il est alors introduit à un niveau intermédiaire de la colonne su- périeure, à l'effet d'y être rectifié, en même temps que l'air introduit par le tuyau 104, en oxygène et en azote relativement purs. L'oxygène est recueilli sous forme liquide à la base de la colonne supérieure, tandis que l'azc te quitte la partie supérieure de celle-ci par le tuyau 45.
L'azote résultant de la rectification préliminaire de l'air dans la colonne inférieure est recueilli sous forme liquide en sommet de cette colonie et est conduit par un tuyau 106 dansu.e sous-refroidisseur 42. Il est alors,étran- glé sensiblement juscu'à pression atmosphérique par la valve 43 et introduit, comme liquide de reflux, '!un niveau supérieur de lacolonne supérieure.
L'azote quittant le sommet de la colonne supérieure par le tuyau 45 traverse le sous-refroidisseur 42 et y xxxx sert à refroidir l'azote liquide de reflux. L'azote est ensuite conduit' à l'échangeur 36 et au passage 50 de l'échangeur B, où, dans chaque cas, il refroidit l'air comprimé passant dans ces échangeurs. Comme à la figure 1, l'azote de rebut chaud quittant l'échangeur B est dé- chargé dans l'atmosphère.
L'oxygène recueilli, sous forme liquide, à la base de la colonne supérieure est vaporisé par l'azote gazeux rectifié dans la colonne inférieure, cet oxygène condensant cet azote gazeux. L'oxygène gazeux est conduit par un tuyau
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60 de la colonne supérieure à l'échangeur 39, où il refroidit l'air comprimé circulant dans cet échangeur et arrivant par le tuyau 24. L'oxygène est alors déchargé par le tuyau 61 dans un réceptacle approprié ou est utili- sé directement dans un procédé industriel.
Lorsque l'échangeur A s'est bouché par le dépôt des impuretés de l'air entrant dans le passage 4, les cou- rants gazeux circulant dans cet échangeur sont inversés avec ceux circulant dans l'échangeur B, de la manière décrite précédemment pour l'appareillage de la figure 1. Après l'inversion des courants gazeux, l'air entrant circule dans le passage 50 de l'échangeur B et est refroidi par l'air purifié froid circulant en sens opposé dans le passage 28 du même échangeur. De l'air comprimé chaud cir- cule alors dans le passage 15 de l'échangeur A et est re- froidi par l'azote de refroidissement circulant en sens inverse dans le passage 4 du même échangeur. Dans ce dernier passage, l'azote vaporise et entraîne en même temps les impuretés y déposées précédemment par l'air entrant.
REVENDICATIONS.
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