<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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Par l'expression "constituant aéparé", qui vient d'être employée, on entend loi un gaz provenant de la
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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
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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
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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.
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de froid, on utilise général.-'mont des élément@ circulaires plats superposée (galettes) construite de la façon indiquée dans le brevet
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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
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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
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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
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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,
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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
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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
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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
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de l'air traité. On la recueille par le tuyau 38 et la divise en deux parties, correspondant respectivement par
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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
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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
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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.
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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
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<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
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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
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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.