<EMI ID=1.1>
La présente invention se rapporte à un procédé
pour refroidir un gaz contenant un constituant relativement
peu volatil, qui se solidifie à une tenpérature supérieure
à la température de liquéfaction du gaz. Elle s'applique
donc en particulier à la séparation en son constituent@,
par liquéfaction et rectification, d'air contenant de l'acide carbonique. Dans le présent procédé, le gaz est refroidi
dans des régénérateurs de froid, dont chacun est parcouru alternativement dans un sens, dans une période dite chaude,
par le gaz à refroidir, à partir duquel le constituent
<EMI ID=2.1>
du régénérateur, et dans le sens opposé, dans une période dite froide, par un gaz à réchauffer, dans lequel se vaporise le constituant relativement peu volatil précédemment déposé.
Ce procédé exige, pour fonctionner de faqon continue, un couple de régénérateurs, dont l'un est refroidi pendant que l'autre est réchauffé. Cependant, pour simplifier, on ne considérera en gênerai dans ce qui suit qu'un seul régénérateur, étant bien entendu que par le mot "régénérateur" on entendra l'un ou l'autre régénérateur d'un couple.
La procédé suivant la présente invention consiste à faire circuler, dana un compartiment d'échangeur entouré par le gaz qui parcourt le régénérateur, un gaz froid qui est réchauffé par des
<EMI ID=3.1>
geur sera, pour simplifier, appelé "échangeur" dana ce qui suit.
Ce procédé permet de réchauffer dans l'échangeur le gaz qui y circule sans qu'il se mélange avec le gaz contenu dans le régénérateur à la fin d'une période chaude ou avec le constituant relativement
<EMI ID=4.1>
teur au cours de cette période, tout en réchauffant la même quantité totale de gaz que si on la faisait passer de la façon connue en totalité au contact direct de la masse de remplissage du régénérateur. L'écart de température des corps en échange de chaleur n'est pas
<EMI ID=5.1>
thermodynamique.
La quantité du gaz à réchauffer qui parcourt l'échangeur est limitée par la nécessité de vaporiser pendant la période froide le constituant relativement peu volatil qui s'est déposé sur la masse de remplissage du régénérateur pendant la période chaude. En se plaçant dans l'hypothèse, d'ailleurs purement théorique, où en chaque point du régénérateur l'écart moyen entre la température du gaz entrant et la température du gaz sortant serait nul, les quantités
du gaa à refroidir et du gaz à réchauffer qui parcourent le régénéra-
<EMI ID=6.1> régénérateur soit sensiblement sous la pression atmosphérique, la limite théorique jusqu'à laquelle peut descendre la quantité du gaz ) réchauffe)* qui paroourt le régénérateur est le cinquième de la qualtité de l'air entrant. On est loin
<EMI ID=7.1>
moyen de température entre le gaz à refroidir et le gaz à réchauffer en chaque point du régénérateur, mais on peut cependant, sans cesser d'assurer la vaporisation du constituant peu volatil dans le régénérateur, faire passer par l'échangeur une quantité de gaz représentant une partie importante de la totalité du gaz à réchauffer.
Le gaz froid qui paroourt l'échangeur peut le parcourir seulement pendant la période froide. Dans ce cas, le gaz à réchauffer qui parcourt le régénérateur est réchauffé par contact direct avec la masse de remplissage du régénérateur, il devient ainsi plus chaud que ce lui qui circule dans l'échangeur et il le réchauffe à son tour. Tout se passe sensiblement, du point de vue oalorifique, comme si le gaz froid qui circule dans l'échangeur était mélangé au gaz
qu'on réchauffe dans le régénérateur, et les variations périodiques de température d'un endroit fixe de la matière
de remplissage sont par suite sensiblement les mêmes que
si le gaz froid parcourait la matière de remplissage
au lieu de l'échangeur.
Le gaz froid qui parcourt l'échangeur peut aussi
la parcourir seulement pendant la période chaude. Dans ce cas les variations périodiques de température sont sensiblement plus faibles que dans le premier cas, ainsi qu'on le voit en décomposant par la pensée en les deux fractions suivantes le gaz à refroidir qui traverse le régénérateur : une première fraction , sensiblement égale à celle du gaz froid parcourant
<EMI ID=8.1> température en un endroit fixe de la matière de remplissage resterait constante ; une seconde fraction égale à la quantité restante du gaz à refroidir, et pour laquelle, si elle existait seule, les variations périodiques de températures seraient celles du régénérateur parcouru par cette seconde fraction. Ce second mode d'exécution est particulièrement avantageux dans certains cas, ainsi que cela apparaîtra
plus loin.
Enfin, le gaz froid qui parcourt l'échangeur peut
le parcourir ù la fois pendant la période froide et pendant
la période chaude, c'est-à-dire de façon continue. Les variations périodiques de température sont alors intermédiaires entre celles des deux premiers cas, en supposant que la quantité de gaz froid qui dans le second cas parcourait
chaude
<EMI ID=9.1>
sur la période chaude et la période froide.
Le gaz à réchauffer qui traverse le régénérateur
et celui qui traverse l'échangeur peuvent être deux fractions du gaz précédemment refroidi dans le régénérateur.
Le procédé suivant l'invention permet alors de séparer un
gaz en deux fractions, l'une, celle passant dans l'échangeur, exempte du constituant relativement peu volatil, l'autre, celle passant dans le régénérateur, enrichie en ce constituant. On peut donc l'appliquer pour enrichir un gaz en un constituant de.valeur ou pour débarasser un gaz d'une
impureté nuisible,
Mais en général le procédé suivant l'invention ne
<EMI ID=10.1>
vient d'être indiqué, mais en liaison avec un traitement du gaz refroidi. Par exemple on liquéfie partiellement le gaz refroidi et recueille le liquide produit, ou, dans le
<EMI ID=11.1> en constituants, en particulier par liquéfaction et rectification. En réchauffant dans l'échangeur un constituent
<EMI ID=12.1>
dans le régénérateur. Appliqué à l'air, le procédé permet d'obtenir de l'oxygène de grande pureté, tout en refroidissant dans des régénérateurs la totalité de l'air traité.
Il permet donc d'obtenir, avec des régénérateurs, le même résultat qu'on obtenait déjà avec des échangeurs à inversion dans le procédé Kellogg, décrit et illustré dans Chemical Engineering de Mars 1947, page 134, et ailleurs, en particulier
<EMI ID=13.1>
Par l'expression "constituant aéparé", qui vient d'être employée, on entend loi un gaz provenant de la
<EMI ID=14.1>
mélange gazeux à séparer. Ainsi, pour prendre un cas extrême à titre d'exemple, le mélange gazeux à séparer pourra être
de l'air atmosphérique et le "constituant séparé" le même
air débarrassé de son krypton. De même, par "oxygène" et par "azote" en entendra dans ce qui suit respectivement un gaz plus riche en oxygène et un gaz plus riche en azote, que l'air à partir duquel ils ont été obtenus.
Dans le cas où le gaz à refroidir est de l'air,
le constituant relativement peu volatil est, ainsi qu'on
<EMI ID=15.1>
Le procédé suivant l'invention permet de le vaporiser en totalité pendant la période froide sans qu'il soit
nécessaire de décarbonater chimiquement une portion quelconque de l'air traité. A cet effet, de même. que dans le procédé
du brevet allemand 543.684 ou dans le procédé du brevet
<EMI ID=16.1>
réchauffe une quantité totale de gaz supérieure à celle de
<EMI ID=17.1> <EMI ID=18.1>
et on réintroduit dans le régénérateur ou l'échangeur à
son extrémité froide, de préférence après l'avoir refroidie
à l'extérieur du régénérateur, une quantité de gaz réchauffé dans l'échangeur égale à cette différence.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant aux figures ci-jointes, dans lesquelles La figure 1 représente schématiquement, en coupe verticale, un dispositif permettant l'application du procédé suivent l'invention ; La figure 2 est une vue en plan d'un élément d'échangeur de ce dispositif ;
Les figures 3 et 4 représentent aohématiquement, la première en coupe verticale et la seconde en plan un autre dispositif permettant l'application du procédé ;
Les figures 5 et 6 sont respectivement, la
première en coupe verticale, la seconde une vue par endessus, d'un autre dispositif pour l'exécution du procédé suivant l'invention ; La figure 7 représente schématiquement un appareil pour l'exécution du procédé suivant l'invention dans lequel le gaz à refroidir est de l'air et les gaz à réchauffer
en partie dans le régénérateur et en partie dans l'échangeur sont de l'oxygène et de l'azote ; La figure a représente schématiquement une partie d'un appareil utilisable quand le gaz à refroidir est de l'air et le gaz à réchauffer dans le régénérateur est de
l'air débarrassé de la majeure partie de son krypton ; La figure 9 est une modification de la figure 8.
<EMI ID=19.1> 1
de froid, on utilise général.-'mont des élément@ circulaires plats superposée (galettes) construite de la façon indiquée dans le brevet
<EMI ID=20.1>
l'invention, de conserver ces éléments plats, et de constituer l'échangeur par une succession de sections intercalées entre des éléments plats parallèlement à oux.
Les figures 1 et 2 représentent schématiquement une telle disposition. La figure 1 est une coupe verticale suivant la ligne
<EMI ID=21.1>
ligne 2-2 de la figure 1, d'une section de l'échangeur intercalée entre deux éléments plat.. Ces figures supposent que le régénérateur est disposé verticalement et que l'extrémité froide du régénérateur
<EMI ID=22.1>
forme cylindrique usuelle et est remplie d'éléments plats superposée
2. Un espace libre est aménagé entre deux éléments voisina. L'échangeur est composé de sections horizontales 3 réunies par des tubes verticaux 4 disposés à l'extérieur de l'enveloppe du régénérateur. Chaque section est composée de deux tuyaux collecteurs 5 réunis par des tuyaux parallèles 6. Avec cette disposition les directions d'écoulement du gaz à l'extérieur de l'échangeur et du gaz qui parcourt le régénérateur sont constamment perpendiculaires entre elles. L'échange de chaleur entre les deux gaz a donc constammant lieu de façon satisfaisante, même si le gaz froid circule dans l'échangeur pendant la période froide.
Les tubes verticaux 4 pourraient également être disposés à l'intérieur de l'enveloppe 1. Il y aurait alors entre les éléments plats et l'enveloppe un espace qu'on bourrerait rour éviter que le gaz y trouve un passage par lequel il passerait plutôt qu'à travers
<EMI ID=23.1> sont pas occupées par le volume compris entre les deux surfaces cylindriques voisines.
Dans les figures 3 et 4 on a représenté un tel mode d'exécution dans lequel l'échangeur eut composé de tubes droits. La figure 3 est une coupe verticale suivant la ligne 3-3 de la figure 4, et la figure 4 est une coupe horizontale suivant la ligne 4-4 de la figure 3. 1 désigne l'enveloppe extérieure du régénérateur, 7 et 8 deux échangeurs composé* chacun de tubes droits compris entre deux surfaces cylindriques voisines concentriques à l'enveloppe 1. Des éléments plats 9 de forme annulaire sont disposés entre l'enveloppe 1 et l'échangeur 7, d'autres éléments plats 10, également de forme annulaire, entre les deux échangeurs 7 et 8, et des élément" plats 11, de forme circulaire, à l'intérieur du oylindre délimité par les tabes de l'échangeur 8. Pour simplifier,
on n'a représenté, sur la figure 3, que trois épaisseurs
des différents éléments plats. Chacun est constitué, de la façon connue décrite dans le brevet américain précité, de
deux bandes ondulées enroulées en spirales, dont pour
la clarté, on n'a représenté, sur la figure 4, que les extrémités, désignées par les références 12 à 19.
Pour favoriser l'échange de chaleur entre les gaz qui parcourent l'échangeur et ceux qui parcourent le régénérateur, on peut intercaler entre certains éléments plats des chicanes transversales analogues à celles que l'on emploie habituellement en liaison avec les échangeurs 8 composés de tubes rectilignes.
Les figures 5 et 6 représentent un mode d'exécution dans lequel l'échangeur est composé d'un ou plusieurs tubes hélicoïdaux. La figure 5 est une section verticale du
<EMI ID=24.1> figure 6 représente le régénérateur vu par en-dessus, suivant la ligne 6-6 de la figure 5, en supposent enleva la "une de remplissage.
Dans ces figures également les échangeurs ont été représenté* au nombre de deux. Chacun peut 8tre constitué de la façon usuelle par plusieurs tubes enroulés en hélices le long d'une même surface cylindrique, mais, pour simplifier, on a représenté ici pour chaque éohangeur un seul tube, désigné par la référence 20 pour l'un et par la référence 21 pour
<EMI ID=25.1>
sont disposés entre les surfaces cylindriques de la même
façon que dans le mode d'exécution suivant les figures 3 et 4.
On peut aussi, dans les trois modes d'exécution décrits ci-dessus et illustrés par les figures 1 à 6, remplacer les éléments plats par des corps de petites dimensions, ayant par exemple de deux à dix millimètres dans leur plus grande dimension. De tels corps peuvent avoir la forme de copeaux,
<EMI ID=26.1>
de remplissage employés pour la mise en contact intime des liquides et des gaz. Pour empêcher toute transmission appréciable de chaleur par conductibilité le long de la masse de remplissage, on peut disposer en couches isolées thermiquement l'une de l'autre les corps de petites dimensions qui constituent cette masse. On peut par exemple disposer ces corps dans des récipients plats dont la paroi est perforée
et qu'on superpose de la même façon que les éléments plats usuels précités en laissant entre eux un léger intervalle.
La figure 7 représente un mode d'exécution de l'invention dans lequel celle-ci est appliquée à la fois à la sublimation de l'acide carbonique et à l'obtention d'oxygène pur produit dans un appareil classique de séparation :'.eux colonnes de rectification, l'une sous haute pression
et l'autre sous basse pression. Pour simplifier on a, dans <EMI ID=27.1>
lettre a et une fois de la lettre b, deux éléments identiques de l'appareillage, dont, pendant chaque période, l'un
<EMI ID=28.1> figure. Une flèche a été portée sur chacun des tuyaux donc lequel circule un fluide (gaz ou liquide) pendant la période illustrée sur la figure.
L'air à séparer, contenant de la vapeur d'eau et de l'acide carbonique, passe, sous la pression d'environ 5 atm,
<EMI ID=29.1>
rateur 22a par deux tuyaux 23 et 24a et sa sortie du même régénérateur par deux tuyaux 25a et 38. De ce dernier tuyau l'air se rend à la partie inférieure d'une colonne de rectification 27, dont quelques plateaux ont été représentés
<EMI ID=30.1>
est en échange de chaleur de façon usuelle avec la partie
<EMI ID=31.1>
vaporiseur 31, sur une face duquel de l'azote se condense sous la pression de 5 atm, , et sur l'autre face duquel de l'oxygène liquide se vaporise sous une pression voisine de la pression atmosphérique. Au bas de la colonne 27, on recueille un mélange liquide d'oxygène et d'azote contenant
<EMI ID=32.1>
chaleur 32 de la façon indiquée ci-après, puis détend dans
un robinet 33 et déverse en un endroit intermédiaire de la colonne 29. Une partie de l'azote condensé dans le condenaeur-
<EMI ID=33.1> <EMI ID=34.1>
On ne condense pas dans le condonceur-vaporiseur 31 une partie de l'azote présent au sommât de la colonne 27. Cette
<EMI ID=35.1>
de l'air traité. On la recueille par le tuyau 38 et la divise en deux parties, correspondant respectivement par
<EMI ID=36.1>
respectivement dans les tuyaux 39 et 40. La première est à son tour divisée en deux, qui passent respectivement dans les tuyaux 41 et 42. La partie passant par le tuyau 42, qui peut
<EMI ID=37.1>
des chaleurs spécifiques de l'air froid sous 5 atm. abs. et
à la pression atmosphérique et est d'ailleurs indiqué dans le brevet américain 2,002.941, se rend par le tuyau 43a dans l'échangeur 44a, disposé à l'intérieur de la partie froide du regénérateur 22a et construit de préférence de l'une des façons décrites ci-dessus, dans lequel elle circule à contre-
<EMI ID=38.1>
dans un compartiment 46a d'un échangeur de chaleur 47 dans lequel elle est réchauffée. L'azote sortant du compartiment
46a est envoyé par deux tuyaux 48a et 49 dans un compresseur
50, dans lequel il est comprimé à une pression de 10 à 15 atm. il se rend de là par un tuyau 51 à un réfrigérateur 52, dans lequel la chaleur de compression est éliminée, puis par un <EMI ID=39.1>
dans un liquéfaoteur 55 dans lequel il cet liquéfia. L'azote liquide sort du liquéfacteur 55 par un tuyau 58, est détendu
<EMI ID=40.1>
un robinet 59 et ajouté à celui circulent dans le tuyau 94. Le mélange ainsi constitué se rend dans un tuyau 60. D'autre part l'azote qui a été introduit dans le tuyau 40 se rend dans le liquéfacteur précité 55, dans lequel il se réohauffe, il aort du liquéfacteur par un tuyau 61 et est détendu dans un robinet 62. L'azote ainsi détendu et celui venant du tuyau
<EMI ID=41.1>
une turbine 64, dans laquelle il est détendu avec production de travail extérieur. L'azote ainsi détendu est ajouté par un tuyau 93 à celui recueilli par le tuyau 37 au sommet de la colonne basse pression, et o'est le mélange ainsi formé qui refroidit dans les deux échangeurs 34 et 32 les deux liquides mentionnés plus haut. De l'échangeur 32, l'azote se rend par les tuyaux70 et 71b dans le régénérateur 22b, qu'il quitte
<EMI ID=42.1>
L'oxygène recueilli par le tuyau 36 est réchauffé dans l'échangeur 32, en sort par un tuyau 65 et est introduit
<EMI ID=43.1>
du régénérateur 22a et dans lequel il circule à contre-courant de l'air entrant. A sa sortie de l'échangeur 67a l'oxygène est recueilli par les tuyaux 68a et 69.
Le mode d'exécution décrit ci-dessus peut être modifié de différentes façons, en particulier de l'une des façons suivantes :
<EMI ID=44.1>
disposés dans les régéaérateurs y circulent de façon continue, ou seulement renient la période froide. Toutefoia, lorsqu'ils circulent seulement pendant la période chaude, les variations de température, pendant une période, de l'azote circulent dans les tuyaux 44a ou 44b sont rendues plus faibles, et la pression à laquelle il faut le comprimer dans le
<EMI ID=45.1>
rateurs, et par suite les pertes de froid, sont réduits.
2[deg.]) En fermant complètement le robinet 59 on fait passer à travers le liquéfacteur 55 la totalité de l'azote qui a été réchauffé dans l'échangeur 44a, ou bien au oontraire en fermant complètement le robinet 57 on supprime la formation de liquide dans le liquéfacteur 55.
<EMI ID=46.1>
partie de l'azote sous pression non liquéfié dans le oondenaeur-vaporiaeur 31, on détend une partie de l'air froid sous pression sortant du régénérateur 22a et on introduit l'air détendu en un endroit intermédiaire de la colonne sous basse pression 29.
4[deg.]) Au lieu d'azote sous pression on fait passer dans l'échangeur 44a une partie de l'air non séparé sortant des régénérateurs 22a et 22b à leur extrémité froide, ou du gaz en cours de rectification dans l'une des colonnes 27 et
29, ou une partie de l'oxygène ou de l'azote recueillie dans la colonne basse pression 29. Toutefois, l'azote sous pression ou du gaz en cours de rectification dans la colonne sous
<EMI ID=47.1>
plus froide que l'extrémité froide des régénérateurs, de sorte qu'ils exercent.dans des conditions favorables d'échange
<EMI ID=48.1>
<EMI ID=49.1>
de l'éohangeur 47 il est alors détendu dans un détendeur diatinot (non représenta On peut aussi ne le comprimer dans
<EMI ID=50.1>
circulation, et, à sa sortie de l'échangeur 47,l'introduire
à l'extrémité froide de l'échangeur 44a, soit directement, soit de préférence après l'avoir refroidi par échange de chaleur avec du gaz plus froid que lui, en particulier le gaz sous pression qui va être détendu dans la turbine 64, et qui est ainsi réchauffé avant sa détente.
<EMI ID=51.1>
44a et 67a ont même nature, les deux échangeurs peuvent être remplacés par un échangeur unique.
<EMI ID=52.1>
sortant de l'échan�eur 44a avant de le comprimer, on le comprime adiabatiquement à sa basse température puis l'introduit dans le liquéfacteur 55.
Dais le procédé illustré par la figure 8, qui correspond à la période chaude relative à l'unique régénérateur représenté, l'air dont on veut séparer le krypton, par exemple
<EMI ID=53.1>
traité, passe dans un tuyau 79a portant un robinet de détente <EMI ID=54.1>
constitué s'écoule par les tuyaux 81a et 82, et, soit avant soit après détente aveo production de travail extérieur, est introduit dans une colonne de lavage, dans laquelle il est débarrassé de son krypton. L'air sortant de cette colonne entre dan3 le régénérateur 74a par les tuyaux 83 et 84a pendant la période froide relative à ce régénérateur et en sort par les tuyaux 85a et 86*
De façon analogue à oe qui a été indiqué en se référant à la fleure 7, on pourrait aussi faire passer dans l'éohangeur 77a une fraction de l'air venant de la colonne de lavage puis l'ajouter à cet air avant l'entrée de celui-ci dans le régénérateur. On pourrait aussi avec avantage, avant de l'ajouter à l'air détendu dans le robinet 80a, le refroidir par échange de chaleur avec l'air qui va entrer dans la colonne de lavage obvient d'en sortir.
Le mode d'exécution représenté sur la figure 8 a l'inconvénient qu'il faut faire subir une perte de charge relativement importante à la presque totalité de l'air dans
le robinet 80a pour le faire tomber à la pression de la petite quantité d'air qui a traversé l'échangeur 77a. Le mode d'exécution représenté sur la figure 9 permet d'éviter cet inconvénient. Il consiste à comprimer adiabatiquanent à basse température la quantité d'air relativement faible au lieu de détendre dans un robinet la iuantité d'air relativement importante. L'air comprimé parcourant le tuyau 78a se rend par un tuyau 89 à un compresseur 90, à la sortie duquel il est mélangé à l'air qui a parcouru les tuyaux 79a et 91. Le mélange ainsi constitué
<EMI ID=55.1> <EMI ID=56.1>
sur la figura 9.
<EMI ID = 1.1>
The present invention relates to a method
for cooling a gas containing a relatively
low volatility, which solidifies at a higher temperature
at the gas liquefaction temperature. It applies
therefore in particular to the separation into its constitute @,
by liquefaction and rectification, of air containing carbonic acid. In the present process, the gas is cooled
in cooling regenerators, each of which is traversed alternately in one direction, in a so-called hot period,
by the gas to be cooled, from which the constitute
<EMI ID = 2.1>
regenerator, and in the opposite direction, in a so-called cold period, by a gas to be heated, in which the relatively low volatility component previously deposited vaporizes.
This process requires, in order to operate continuously, a pair of regenerators, one of which is cooled while the other is heated. However, to simplify matters, in what follows only one regenerator will be considered, it being understood that the word “regenerator” will mean one or the other regenerator of a pair.
The method according to the present invention consists in circulating, in an exchanger compartment surrounded by the gas which passes through the regenerator, a cold gas which is heated by
<EMI ID = 3.1>
geur will be, for simplicity, called "exchanger" in what follows.
This process makes it possible to heat the gas circulating therein in the exchanger without it mixing with the gas contained in the regenerator at the end of a hot period or with the relatively component.
<EMI ID = 4.1>
during this period, while heating the same total amount of gas as if it was passed in the known manner in full in direct contact with the filling mass of the regenerator. The temperature difference of bodies in heat exchange is not
<EMI ID = 5.1>
thermodynamics.
The quantity of the gas to be heated which passes through the exchanger is limited by the need to vaporize during the cold period the relatively low volatile constituent which is deposited on the filling mass of the regenerator during the hot period. By assuming, moreover purely theoretical, where at each point of the regenerator the average difference between the temperature of the entering gas and the temperature of the leaving gas would be zero, the quantities
gaa to be cooled and gas to be reheated which pass through the regeneration
<EMI ID = 6.1> regenerator is substantially under atmospheric pressure, the theoretical limit down to which the quantity of gas) heats up) * which passes through the regenerator is one-fifth of the quality of the incoming air. We are far
<EMI ID = 7.1>
temperature means between the gas to be cooled and the gas to be heated at each point of the regenerator, but it is however possible, without ceasing to ensure the vaporization of the low-volatility component in the regenerator, to pass through the exchanger a quantity of gas representing a significant portion of the total gas to be heated.
The cold gas which passes through the exchanger can travel through it only during the cold period. In this case, the gas to be heated which passes through the regenerator is heated by direct contact with the filling mass of the regenerator, it thus becomes hotter than that which circulates in the exchanger and it in turn heats it. Everything takes place, from the oalorific point of view, as if the cold gas which circulates in the exchanger were mixed with the gas.
that is heated in the regenerator, and the periodic temperature variations of a fixed place in the material
filling are therefore substantially the same as
if the cold gas was passing through the filling material
instead of the exchanger.
The cold gas flowing through the exchanger can also
walk it only during the hot period. In this case the periodic temperature variations are appreciably smaller than in the first case, as can be seen by decomposing by thought into the two following fractions the gas to be cooled which passes through the regenerator: a first fraction, substantially equal to that of the cold gas traversing
<EMI ID = 8.1> temperature at a fixed location of the filling material would remain constant; a second fraction equal to the remaining quantity of the gas to be cooled, and for which, if it existed alone, the periodic temperature variations would be those of the regenerator traversed by this second fraction. This second embodiment is particularly advantageous in certain cases, as will appear
further.
Finally, the cold gas flowing through the exchanger can
walk it both during the cold period and during
the hot period, that is to say continuously. The periodic temperature variations are then intermediate between those of the first two cases, assuming that the quantity of cold gas which in the second case traveled
hot
<EMI ID = 9.1>
on the hot period and the cold period.
The gas to be heated which passes through the regenerator
and that which passes through the exchanger may be two fractions of the gas previously cooled in the regenerator.
The method according to the invention then makes it possible to separate a
gas in two fractions, one, that passing through the exchanger, free from the relatively low volatility component, the other, that passing through the regenerator, enriched in this component. It can therefore be applied to enrich a gas with a constituent of value or to remove a gas from a
harmful impurity,
But in general the process according to the invention does not
<EMI ID = 10.1>
has just been indicated, but in connection with a treatment of the cooled gas. For example, the cooled gas is partially liquefied and the liquid produced is collected, or, in the
<EMI ID = 11.1> in constituents, in particular by liquefaction and rectification. By heating in the exchanger a
<EMI ID = 12.1>
in the regenerator. Applied to air, the process makes it possible to obtain high purity oxygen, while cooling all of the treated air in regenerators.
It therefore makes it possible to obtain, with regenerators, the same result which was already obtained with inversion exchangers in the Kellogg process, described and illustrated in Chemical Engineering of March 1947, page 134, and elsewhere, in particular
<EMI ID = 13.1>
By the expression "aeparated constituent", which has just been used, is meant law a gas originating from the
<EMI ID = 14.1>
gas mixture to be separated. Thus, to take an extreme case by way of example, the gas mixture to be separated can be
atmospheric air and the "separate component" the same
looking rid of his krypton. Likewise, by “oxygen” and by “nitrogen” will be understood in what follows respectively a gas richer in oxygen and a gas richer in nitrogen, than the air from which they were obtained.
If the gas to be cooled is air,
the relatively low volatile constituent is, as is
<EMI ID = 15.1>
The method according to the invention makes it possible to vaporize it entirely during the cold period without it being
necessary to chemically decarbonize any portion of the treated air. For this purpose, likewise. than in the process
of German patent 543,684 or in the process of the patent
<EMI ID = 16.1>
heats a total quantity of gas greater than that of
<EMI ID = 17.1> <EMI ID = 18.1>
and reintroduced into the regenerator or the heat exchanger
its cold end, preferably after cooling it
outside the regenerator, a quantity of gas heated in the exchanger equal to this difference.
The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures, in which FIG. 1 represents schematically, in vertical section, a device allowing the application of the method according to the invention; FIG. 2 is a plan view of an exchanger element of this device;
Figures 3 and 4 show aohematically, the first in vertical section and the second in plan, another device allowing the application of the method;
Figures 5 and 6 are respectively, the
the first in vertical section, the second a view from above, of another device for carrying out the method according to the invention; FIG. 7 schematically represents an apparatus for carrying out the method according to the invention in which the gas to be cooled is air and the gases to be heated
partly in the regenerator and partly in the exchanger are oxygen and nitrogen; Figure a schematically shows part of an apparatus which can be used when the gas to be cooled is air and the gas to be heated in the regenerator is
looking free of most of its krypton; Figure 9 is a modification of Figure 8.
<EMI ID = 19.1> 1
of cold, one generally uses .- 'Mount of superimposed circular elements @ (pancakes) constructed in the manner indicated in the patent
<EMI ID = 20.1>
the invention, to keep these flat elements, and to constitute the exchanger by a succession of sections interposed between flat elements parallel to oux.
Figures 1 and 2 schematically show such an arrangement. Figure 1 is a vertical section along the line
<EMI ID = 21.1>
line 2-2 of figure 1, of a section of the exchanger inserted between two flat elements. These figures assume that the regenerator is arranged vertically and that the cold end of the regenerator
<EMI ID = 22.1>
usual cylindrical shape and is filled with superimposed flat elements
2. A free space is arranged between two neighboring elements. The exchanger is made up of horizontal sections 3 joined by vertical tubes 4 placed outside the envelope of the regenerator. Each section is made up of two collecting pipes 5 joined by parallel pipes 6. With this arrangement, the directions of flow of the gas outside the exchanger and of the gas which passes through the regenerator are constantly perpendicular to each other. The heat exchange between the two gases therefore constantly takes place satisfactorily, even if the cold gas circulates in the exchanger during the cold period.
The vertical tubes 4 could also be arranged inside the casing 1. There would then be between the flat elements and the casing a space which would be filled rour to prevent the gas from finding a passage through which it would rather pass. that through
<EMI ID = 23.1> are not occupied by the volume between the two neighboring cylindrical surfaces.
In Figures 3 and 4 there is shown such an embodiment in which the exchanger was composed of straight tubes. Figure 3 is a vertical section taken along line 3-3 of Figure 4, and Figure 4 is a horizontal section along line 4-4 of Figure 3.1 denotes the outer casing of the regenerator, 7 and 8 two heat exchangers * each made up of straight tubes between two adjacent cylindrical surfaces concentric with the casing 1. Flat elements 9 of annular shape are arranged between the casing 1 and the exchanger 7, other flat elements 10, also of annular shape. annular, between the two exchangers 7 and 8, and "flat elements 11, of circular shape, inside the cylinder delimited by the tables of the exchanger 8. To simplify,
only three thicknesses have been shown in FIG.
of the different flat elements. Each is constituted, in the known manner described in the aforementioned US patent, of
two wavy bands wound in spirals, of which for
clarity, only the ends, designated by the references 12 to 19, have been shown in FIG. 4.
To promote the heat exchange between the gases which pass through the exchanger and those which pass through the regenerator, it is possible to insert between certain flat elements transverse baffles similar to those which are usually used in conjunction with the exchangers 8 composed of tubes. rectilinear.
Figures 5 and 6 show an embodiment in which the exchanger is composed of one or more helical tubes. Figure 5 is a vertical section of the
<EMI ID = 24.1> Figure 6 shows the regenerator seen from above, taken along line 6-6 of Figure 5, assuming the fill one has been removed.
In these figures also the exchangers have been shown * two in number. Each can be constituted in the usual way by several tubes wound in helices along the same cylindrical surface, but, for simplicity, there is shown here for each exchanger a single tube, designated by the reference 20 for one and by the reference 21 for
<EMI ID = 25.1>
are arranged between the cylindrical surfaces of the same
way as in the embodiment according to Figures 3 and 4.
It is also possible, in the three embodiments described above and illustrated by FIGS. 1 to 6, to replace the flat elements by bodies of small dimensions, for example having from two to ten millimeters in their largest dimension. Such bodies can have the form of chips,
<EMI ID = 26.1>
fillers used for the intimate contact of liquids and gases. To prevent any appreciable transmission of heat by conductivity along the filling mass, the small-sized bodies which constitute this mass can be placed in layers thermally insulated from one another. These bodies can for example be placed in flat containers the wall of which is perforated.
and that one superimposes in the same way as the usual flat elements mentioned above, leaving a slight gap between them.
FIG. 7 represents an embodiment of the invention in which the latter is applied both to the sublimation of carbonic acid and to obtaining pure oxygen produced in a conventional separation apparatus: '. them rectification columns, one under high pressure
and the other under low pressure. For simplicity we have, in <EMI ID = 27.1>
letter a and once from letter b, two identical parts of the apparatus, of which, during each period, one
<EMI ID = 28.1> figure. An arrow has been placed on each of the pipes, so that a fluid (gas or liquid) circulates during the period illustrated in the figure.
The air to be separated, containing water vapor and carbonic acid, passes, under a pressure of about 5 atm,
<EMI ID = 29.1>
rator 22a by two pipes 23 and 24a and its outlet from the same regenerator by two pipes 25a and 38. From this last pipe the air goes to the lower part of a rectification column 27, of which a few plates have been shown
<EMI ID = 30.1>
is in heat exchange in the usual way with the part
<EMI ID = 31.1>
vaporizer 31, on one side of which nitrogen condenses under a pressure of 5 atm, and on the other side of which liquid oxygen vaporizes under a pressure close to atmospheric pressure. At the bottom of column 27, a liquid mixture of oxygen and nitrogen is collected containing
<EMI ID = 32.1>
heat 32 as shown below, then relaxes in
a tap 33 and pours into an intermediate location of the column 29. Part of the nitrogen condensed in the condenaeur-
<EMI ID = 33.1> <EMI ID = 34.1>
Part of the nitrogen present at the top of column 27 is not condensed in the condenser-vaporizer 31. This
<EMI ID = 35.1>
treated air. It is collected by pipe 38 and divided into two parts, corresponding respectively by
<EMI ID = 36.1>
respectively in the pipes 39 and 40. The first is in turn divided into two, which pass respectively through the pipes 41 and 42. The part passing through the pipe 42, which can
<EMI ID = 37.1>
specific heats of cold air at 5 atm. abs. and
at atmospheric pressure and is moreover indicated in US patent 2,002,941, goes through the pipe 43a into the exchanger 44a, arranged inside the cold part of the regenerator 22a and preferably constructed in one of the ways described above, in which it circulates against
<EMI ID = 38.1>
in a compartment 46a of a heat exchanger 47 in which it is heated. Nitrogen leaving the compartment
46a is sent by two pipes 48a and 49 to a compressor
50, in which it is compressed to a pressure of 10 to 15 atm. it goes from there through a pipe 51 to a refrigerator 52, in which the heat of compression is removed, then through an <EMI ID = 39.1>
in a liquefied motor 55 in which he liquefied this. The liquid nitrogen leaves the liquefier 55 through a pipe 58, is expanded
<EMI ID = 40.1>
a valve 59 and added to that circulate in the pipe 94. The mixture thus formed goes into a pipe 60. On the other hand the nitrogen which has been introduced into the pipe 40 goes into the aforementioned liquefier 55, in which it reheats, it exits the liquefier through a pipe 61 and is expanded in a valve 62. The nitrogen thus expanded and that coming from the pipe
<EMI ID = 41.1>
a turbine 64, in which it is relaxed with production of external work. The nitrogen thus expanded is added via a pipe 93 to that collected by the pipe 37 at the top of the low pressure column, and it is the mixture thus formed which cools the two liquids mentioned above in the two exchangers 34 and 32. From the exchanger 32, the nitrogen goes through pipes 70 and 71b into the regenerator 22b, which it leaves
<EMI ID = 42.1>
The oxygen collected by the pipe 36 is heated in the exchanger 32, leaves it through a pipe 65 and is introduced
<EMI ID = 43.1>
of the regenerator 22a and in which it circulates against the current of the incoming air. On leaving the exchanger 67a the oxygen is collected by the pipes 68a and 69.
The mode of execution described above can be modified in various ways, in particular in one of the following ways:
<EMI ID = 44.1>
arranged in the regenerators circulate there continuously, or only deny the cold period. However, when they circulate only during the hot period, the variations in temperature, during a period of nitrogen circulating in the pipes 44a or 44b are made weaker, and the pressure at which it must be compressed in the
<EMI ID = 45.1>
rators, and consequently the losses of cold, are reduced.
2 [deg.]) By completely closing the valve 59, all of the nitrogen which has been reheated in the exchanger 44a is passed through the liquefier 55, or on the contrary, by completely closing the valve 57, the formation is suppressed. of liquid in the liquefier 55.
<EMI ID = 46.1>
part of the non-liquefied pressurized nitrogen in the oondenaeur-vapororiaeur 31, part of the cold pressurized air leaving the regenerator 22a is expanded and the expanded air is introduced at an intermediate location of the low pressure column 29.
4 [deg.]) Instead of pressurized nitrogen, part of the unseparated air leaving the regenerators 22a and 22b at their cold end, or gas being rectified in the exchanger 44a, is passed through. one of columns 27 and
29, or part of the oxygen or nitrogen collected in the low pressure column 29. However, the pressurized nitrogen or gas being rectified in the column under
<EMI ID = 47.1>
cooler than the cold end of the regenerators, so that they operate under favorable exchange conditions
<EMI ID = 48.1>
<EMI ID = 49.1>
of the exchanger 47 it is then relaxed in a diatinot expansion valve (not shown. It is also possible not to compress it in
<EMI ID = 50.1>
circulation, and, on leaving the exchanger 47, introduce it
at the cold end of the exchanger 44a, either directly or preferably after having cooled it by heat exchange with gas colder than itself, in particular the pressurized gas which will be expanded in the turbine 64, and which is thus reheated before its relaxation.
<EMI ID = 51.1>
44a and 67a have the same nature, the two exchangers can be replaced by a single exchanger.
<EMI ID = 52.1>
leaving the exchanger 44a before compressing it, it is compressed adiabatically at its low temperature and then introduced into the liquefier 55.
Dais the process illustrated by figure 8, which corresponds to the hot period relating to the single regenerator represented, the air from which we want to separate the krypton, for example
<EMI ID = 53.1>
treated, passes through a pipe 79a carrying an expansion valve <EMI ID = 54.1>
constituted flows through pipes 81a and 82, and, either before or after expansion with production of external work, is introduced into a washing column, in which it is freed of its krypton. The air leaving this column enters the regenerator 74a via pipes 83 and 84a during the cold period relating to this regenerator and leaves it via pipes 85a and 86 *
Analogously to oe which has been indicated with reference to figure 7, it is also possible to pass a fraction of the air coming from the washing column into the exchanger 77a and then add it to this air before the inlet. of it in the regenerator. It would also be advantageous, before adding it to the air relaxed in the tap 80a, to cool it by heat exchange with the air which is going to enter the washing column if it comes out.
The embodiment shown in Figure 8 has the drawback that it is necessary to subject a relatively large pressure drop to almost all of the air in
the tap 80a to make it drop to the pressure of the small quantity of air which has passed through the exchanger 77a. The embodiment shown in Figure 9 avoids this drawback. It consists in compressing the relatively small quantity of air adiabatically at low temperature instead of expanding the relatively large quantity of air in a tap. The compressed air flowing through the pipe 78a goes through a pipe 89 to a compressor 90, at the outlet of which it is mixed with the air which has passed through the pipes 79a and 91. The mixture thus formed
<EMI ID = 55.1> <EMI ID = 56.1>
on figure 9.