Procédé de séparation des éléments d'un mélange gazeux. La présente invention se rapporte à un procédé de séparation -des éléments d'un mé lange gazeux par liquéfaction et rectification, suivant lequel on opère ladite séparation à l'aide d'au moins une colonne dite de recti fication, combinée avec une colonne de recti fication pour de l'air atmosphérique fonc tionnant sous une pression telle que l'on ob tient de l'azote liquide et pur dans les pla teaux supérieurs de cette colonne, l'un au moins des produits obtenus dans la colonne de traitement -de l'air étant amené à la co lonne de traitement du mélange de façon à utiliser pour la séparation des éléments de ce mélange une partie au moins des frigories disponibles.
On trouve à cette façon d'opérer l'avan tage de pouvoir utiliser la dépense d'énergie correspondant à la compression du fluide de réfrigération, utilisé au moins en partie dans la colonne de traitement dudit mélange, non seulement pour la capacité frigorifique ré sultant de sa liquéfaction et de son évapora tion, mais encore pour la séparation en ses éléments de ce fluide lui-même et pour l'uti- lisation, comme sous-produits, de ces élé ments séparés..
C'est ainsi que l'on peut met tre en #uvre l'azote liquide comme élément frigorifique ou de combinaison tout en préparant, sans grande dépense d'énergie supplémentaire, de l'oxygène pur ou presque pur et de l'argon pur ou presque pur, dont les frais de production seront ainsi presque nuls, tandis que 1a compression qui leur aura été donnée pourra être utilisée pour leur em bouteillage.
On peut exécuter le procédé par exemple . comme suit: On comprime de l'air atmosphérique à une pression qui sera, en général, supérieure à 25 atmosphères, le, fait passer, après re froidissement par échange de températures avec les gaz de sortie, dans une colonne de rectification maintenue sous la même pres sion, dont la partie supérieure est refroidie par un condenseur alimenté par du méthane liquéfié bouillant sous la pression atmosphé rique ou légèrement supérieure, la partie inférieure de la colonne étant chauffée par le même méthane comprimé, mais non encore 1i- quéfié et plus ou moins refroidi. On obtient.
ainsi, dans les plateaux supérieurs de la co lonne, de l'azote pur liquide et, dans les plateaux inférieurs, de l'oxygène liquide; l'un et l'autre gaz peuvent être utilisés, sé- paréntent et indépendamment l'un de l'an tre, soit comme liquides de refroidissement par évaporation, soit comme liquides de elairçage. pour la séparation par rectifica tion du mélan;e gazeux à traiter.
Le procédé est particulièrement avanta- (,eux quand on se propose de séparer en leurs éléments, sur une grande échelle, et le cas échéant, simultanément, les différents mé langes gazeux dérivés de la, .distillation et de l'oxydation de la houille ou d'autres combustibles solides (gaz d'éclairage, ou de fours à coke, gaz à l'eau, de gazogène. etc.) déjà. enrichis ou non en hydrogène par eà- talyse oxydante en présence de vapeur d'eau, et dont on se propose d'extraire l'hydrogène à l'état comprimé, mélangé d'une proportion plus on moins grande d'azote, en vue de l'u tiliser à des synthèses catalytiques comme celles de l'ammoniac ou l'hydrogénation des huiles.
L'oxyde de carbone ayant une action pernicieuse sur les catalyseurs utilisés dans ces synthèses, il est nécessaire que l'hydro gène obtenu en soit aussi exempt que pos sible, ce que l'on réalisera facilement avec le procédé de la, présente invention en em ployant directement comme liquide de clair çage et de refroidissement l'azote liquide pur obtenu sur les plateaux supérieurs de la, co lonne de rectification de l'air atmosphérique, tandis -que l'oxv--ène qui se rassemble à la partie inférieure de cette même colonne pourra, après rectification complémentaire, le cas échéant, constituer un sous-produit d'un écoulement certain, à l'état comprimé, pour la soudure autogène ou, après détente, pour des chauffages spéciaux.
D'autre part, les composants, autres que l'hydrogène, des. gaz de houille mis en rouvre pourront être sépa rés isolément au cours de la rectification de ces derniers et il sera facile de leur trouver un emploi avantageux. d'une part, et pour certain d'entre eux, pour compenser les per- tes inévitables d'agent. frigorifique des cy cles de refroidissement (méthane et fit@v- lène) et, d'autre part.
pour la, préparation de nouvelles quantités d'hydrogène (oxyde (le carbone); enfin les uns et les autres pour #:urvir comme combustible de propriétés par ticulières et spéciales.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple, une installation pour la mise en outvre du procédé, appliqué à la prépara tion d'un mélange d'hydrogène et d'azote, complètement exempt d'oxyde de carbone, par extraction de ce produit d'un 7az de houille tel que le gaz d'éclairage ou le gaz de fours à, coke, mélangés ou non de gaz à l'eau, catalysé ou non en vue de son enrichis- sement en hydrogène.
Sur cette figure. le mélange gazeux à traiter, ayant subi les opérations de puri fication normales (extraction des goudrons, (le l'ammoniaque et des benzols), et aussi soigneusement due possible débarrassé de vapeur d'eau et d'acide carbonique, est as piré en 1 par le compresseur 2 qui l'amène à la, pression convenable, pression détermïna'#e en fonction (le la, teneur d'azote qu'on veut finalement laisser dans le mélange.
Le gaz comprimé en 2 est ramené à. la température ambiante par un réfrigérant à eau courante, traverse l'échangeur de température 3 d'où il sort en .1 après s'être refroidi au contact des gaz sortant de l'appareil de rectification 6 et traversant l'écha.n.,eur en sens inverse sui vant 9, 10.
Le g<B>az,</B> comprimé et refroidi entre par 5 dans l'appareil de rectification 6 cons titué par une colonne à plateaux de barbo tage munis des dispositifs les plu; perfee- tionnés pour assurer le contact très intime des gaz et des liquides. Pans l'appareil de re.eti- fication 6. refroidi énergiquement à sa. par tie supérieure par le condenseur 7 et. chauffe Ù, sa. partie inférieure par le circuit 100, -101 les gaz s'élèvent en se rectifiant.
Sous l'ac tion d'une rétrogradation abondante d'azote liquide pur produit tant par la, condensa tion en 7 que par le déversement en 12 d'a- zole liquide obtenu comme on le verra plus loin, il ne peut arriver à la, partie haute du condenseur, en 8, que de l'hydrogène mé langé de la proportion d'azote correspondant à la. pression de régime de la colonne et à l'intensité du refroidissement dans le conden seur 7.
Le gaz qui s'échappe en 8 arrive par 8, 9 à l'échangeur de températures 3 qu'il traverse suivant 9, 10 et aboutit par 10 au robinet 11 qui peut être utilisé soit comme robinet d'arrêt, soit comme réglage du débit et, par suite, ,de la pression de régime dans la colonne 6.
L'azote liquide servant à la rétrogradation ou clairçabe est apporté en 12 par le tuya.u- siphon 14, 13, 12 dont le débit est com mandé par le robinet 13; cet azote provient de la colonne de rectification d'air atmosphé rique 25, dont le fonctionnement est le sui vant:
L'air, qui doit y être, traité, après avoir été débarrassé de la vapeur d'eau et de l'a cide carbonique qu'il contenait, arrive par 15, est comprimé par le compresseur 16 au dessus de 25 atmosphères et refroidi en 17 par de l'eau courante; il traverse ensuite simultanément divers échangeurs de tempé ratures 18, 19, 20 où il récupère, le froid emporté par les divers gaz sortant des, appa reils de rectification (azote, oxygène, argon) avant qu'ils ne s'échappent définitivement à l'extérieur;
l'air ainsi refroidi sort des échan geurs par 19, 21, 22, robinets qui servent à répartir le débit d'air entre ces différents échangeurs et est amené par un conduit unique jusqu'en 24 où il entre d'ans la co lonne de rectification 25, refroidie à sa partie supérieure par les deux condenseurs superposés 26 et 27 et chauffée à sa partie inférieure par le circuit 108, 109, se sépare en ses éléments en s'élevant dans la colonne 25, sous l'action de la rétrogradation active produite, par les condenseurs supérieurs 26, 27 de sorte que l'azote arrive tout-à-fait pur sur les plateaux supérieurs.
C'est sur un de ceux-ci, convenablement choisi, qu'on pré lève en 14 l'azote liquide pur servant au clairçage (comme il a été dit précédemment) du mélange :d'hydrogène et d'azote parvenu à la partie supérieure de la colonne 6. Une sortie 28 placée au sommet de la colonne 25, au-dessus des condenseurs, permet de laisser échapper les gaz rares inconden- sables de l'air (hydrogène, hélium, etc.) ainsi qu'une certaine quantité d'azote qu'on peut introduire par 29, le cas échéant, en propor tion quelconque, dans le mélange gazeux sortant .de 6 pour l'amener à la composition désirée.
Le refroidissement de la partie supé rieure 25, nécessaire pour le fonctionnement clé<B>là</B> rectification et l'obtention d'azote pur, est obtenu au moyen d'une machine frigo rifique fonctionnant au gaz méthane de la façon suivante: Le gaz méthane est aspiré par 39, du réservoir<B>31,</B> dans le compresseur 32 dont le refoulement est refroidi en. 33 par de l'eau courante;
une dérivation conduit une fraction de ce .méthane comprimé dans l'é changeur réfrigérant 34 où le gaz comprimé s -ut -bit Fae tion d'un refroidissement métho- dique, d'une part, par le méthane froid re venant des colonnes, et, d'autre part, par de l'éthylène liquide s'évaporant sous la pression atmosphérique et provenant d'un cycle précé dent de liquéfaction.
Le méthane, qui sort complètement liquéfié de l'échangeur-réfri- gérant 34, par le robinet détendeur 35, en tre par 36 d'ans le condenseur 26 de la co lonne 25; il s'en évapore à une pression voi sine de la pression atmosphérique en conden sant l'azote comprimé parvenu au sommet de la colonne.
Le méthane vaporisé sort -du condenseur 26 par la tubulure 3.7 pour ren trer par 38 à la base de l'échangeur 34 dont il traverse successivement deux sections sé parées par celle qui correspond à la condei)- sation par l'éthylène de manière à réaliser un refroidissement méthodique: le méthane réchauffé et détendu retourne par 89 à l'as- piratiôn du compresseur 32.
Dans la colonne 6, les gaz<B>-</B>autres que l'hydrogène et une fraction d'azote accom pagnant l'hydrogène, c'est-à-dire l'azote en excèdent, l'oxyde de carbone et les hydro carbures (ceux-ci constitués presqu'exclusive- ment par du méthane et de l'éthylène) sont refoulés par l'abondante rétrogradation d'a zote déversé sur les plateaux supérieurs tant par la condensation en 7 que par l'apport F ztérieur en 12,
rétrogradent d'une façon continue vers la partie inférieure de la co lonne où ils s'accumulent après avoir été complètement débarrassés d'hydrogène par le chauffage du circuit 100, 101.
Ils sont ex traits par le robinet 10 et séparés dans une colonne de rectification double, composée de deux tronçons superposés 4\? et 47; ils en trent par 41 à la. base du tronçon supérieur 1? oit ils sont évaporés par le tubulaire (à tubes borgnes) chauffé par les gaz du tron- (:on inférieur de la colonne; ils s'élèvent. dans 4? en se rectifiant sous l'influence de la ré- tro-radation produite par le condenseur tu bulaire supérieur 63;
l'azote s'échappe à l'état. gazeux, comme produit de tête au som met du condenseur par 64; l'oxyde de car bone liquide s'écoule d'un ,des plateau: supé rieurs par 58, tandis que les hydrocarbures (méthane et éthylène) s'écoulent par le siphon 14, -1-5, 46 dans la partie médiane du tron çon inférieur de la. colonne 47; ils s'y recti fient à leur tour sous l'action du circuit de chauffage <B>101</B> , 105;
les produits de têt, qu'ils contiennent encore (azote et oxyde de carbone) retournent par 48, 49 dans le tron çon supérieur 42 de la double colonne; le méthane s'écoule à l'état liquide par 50, tan dis que l'éthylène se rassemble dans la partie l,a#zse d'où il est recueilli par 54, 55 et s'en va par 56, 57 au réfri(yérant-échanbeur de la machine frigorifique à, éthylène qui cons titue le second circuit de l'ensemble;
de même le méthane, par 5f_), 51, :J3 retourne à l'é- chan@eur r;@frigéraiit de la machine fri-ori- fique à méthane 34 qui constitue le troisième circuit de l'ensemble; les excédents (le mé- tliane et d'éthylène s'accumulent respective- ment clan; les réservoirs 31 et 115 doit ils sont soutirés par les robinets l31 et 132;
l'ox yd, de carbone qui sort en 58 et dont le d@@bit est réglé par le robinet 59, se réchauffe dans t_'échan(Yeur 60 au contact de méthane comprimé qu'il refroidit et s'échappe par 61 pour arriver au robinet 62 sur lequel il petit se détendre soit pour retourner à, la. cata- lvse d'hydrogénation, soit pour être brûlé.
Les ressources en méthane chaud et froid et en, azote liquéfié dont on dispose dans le dispositif ci-dessus exposé permettent de pré voir une colonne spéciale pour l'extraction de l'argon et la purification complète de l'oxygène. A cet effet, on soutire vers la partie médiane de la, colonne de rectifica tion d'air 25, là oit la, concentration en argon est maxima., une fraction <B>-</B>convenable du li quide, réglée par le robinet 82 qui est intro duite au moyen du conduit 82, 83, qui doit avoir la forme d'un siphon, bien que sur la figure, pour lie pas compliquer, on l'ait re présenté comme rcctili:;
ne, dans une petite colonne .de rectification spéciale 81, munie d'un condenseur supérieur 76 et d'un circuit de chauffage inférieur 112,<B>113:</B> les gaz s'y rectifient. l'azote gazeux s'en échappe. it travers le condenseur, comme produit de tête; l'argon, purifié par la, rétrogradation, est prélevé à. l'état liquide par 85 et l'oxy- bène, débarrassé de l'azote et de l'argon s'écoule pur < i la. partie inférieure en 90.
Les autres organe.,; du dispositif s'expli quent: d'eux-mème@ par l'examen de la. figure: Le circuit de la. machine frigorifique à. éthy lène, qui sert ît. liquéfier le mAthane, est fi guré en 115, 116, 117. 118, 119,<B>]-')0.</B> 121, 12?, 1.15:
le circuit de la machine frigori fique à ammoniaque qui sert.<B>il</B> liquéfier l'étliylèlie, est fi,,tiré en 123, 124, 125, 1?6, 127î# 128, 129, 13t1 <B>1.23.</B>
Tontes les colonnes sont chauffées à la partie basse par un circuit (le méthane com primé 97, 98 circulant. par 111, 112, 113, 111 dans la chaudière de la. colonne à argon par 107, 108, 109, 110 dans la chaudière de la colonne à air atmosphérique, par 99. 100, 101, 102 dans la base de la colonne prinei- paie, par 103, 104, 105, 106 dans la. base (le la, colonne à, hydrocarbures et par 103, 00, 52 dans l'éehan:;geur réchauffant l'oxyde de carbone:
Les robinets 51, 106, 10\_?, <B>110,</B> 111 servent à régler à, volonté l'intensité de ces différents chauffages dont le fluide de retour est ramené par 52, 53, 38 dans l'échangeur (réfrigérant 34 de la machine frigorifique à méthane); on dispose ainsi pour chaque colonne d'une source de chauf fage dont on peut régler l'intensité à vo lonté.
D'autre part, l'azote liquide sous pression qui a servi à la rétrogradation dans la co lonne 6, en sort en 66 où il y aura avantage à disposer une bouteille de régulation non représentée sur la figure, -d'où partent plu sieurs conduits alimentant respectivement les condensateurs 7, 63, 76 -des trois colonnes 6, 4? et 84. L'azote détendu dans les conden- seurs 7 et 63 est réuni dans un conduit uni que qui aboutit au condenseur supérieur 27 de la colonne 25, achevant l'action du con- denseur 26, et aboutissant par 80, 81 à l'échangeur de température 18 où se refroi dit l'air atmosphérique à traiter.
Si les appareils sont bien isolés contre l'afflux extérieur de la chaleur, si les fais ceaux tubulaires -des échangeurs sont assez développés et méthodiquement disposés, les pertes de calorique seront très minimes et la. quantité de .méthane à liquéfier sera très réduite; l'on obtiendra, d'autre part: En 11 de l'hydrogène comprimé conte nant de 5 % à 25 % d'azote (suivant que la pression -dans la colonne 6 sera maintenue entre 30 et 5 atmosphères) et exempt d'oxyde de carbone; En 94 de l'oxygène comprimé; En 96 de l'azote détendu souillé d'un peu d'oxyde de carbone; En 88 de l'argon sous pression;
En 62 de l'oxyde -de carbone souillé d'un peu d'azote; ' En 131 du méthane détendu, mais qu'on pourrait obtenir en partie tout au moins; comprimé; En 132 de l'éthylène.
La séparation des éléments de l'air et du mélange gazeux traité est donc (par le dispo sitif exposé) aussi complète, que possible.
Les dispositifs analogues peuvent être imaginés (suivant le procédé faisant l'objet de la présente invention) pour n'importe quel mélange, gazeux.