Procédé de fabrication d'un mélange gazeux enrichi en oxygène à partir d'air. Les procédés connus de fabrication d'un mélange gazeux enrichi en oxygène à partir d'air, qui comportent la vaporisation d'un li quide enrichi en oxygène en échange de chaleur avec l'air en cours de liquéfaction, nécessitent beaucoup plus d'énergie que le minimum résultant du calcul du travail théo rique d'obtention du mélange pour le cas où les processus seraient exécutés de façon réver sible.
Si on examine de plus près comment, dans les différents processus partiels du pro cédé, la dépense effective de travail se trouve être par rapport au travail théorique, on trouve qu'une grande partie du supplément de travail par rapport à la. théorie est due à ce que, dans tous les modes connus d'échange de chaleur entre l'air en cours de liquéfaction et le liquide formé, en cours de vaporisation, il subsiste dans la plupart des parties du condenseur-vaporiseur servant à. l'échange de chaleur une différence considérable de tempé rature entre les vapeurs et les liquides en échange de chaleur, tandis que dans le pro- cédé théorique idéal les :
différences -de tem pérature doivent être infiniment faibles.
L'invention a pour but de permettre de réduire ces différences de température et de se rapprocher par conséquent :du procédé théorique idéal :dans une mesure que l'on considérait jusqu'ici comme ne pouvant pas être obtenue.
Dans le procédé de fabrication -d'un mé lange gazeux enrichi en oxygène à partir d'air, comportant la vaporisation d'un liquide formé par un mélange d'azote et d'oxygène plus riche que l'air en oxygène, en échange :de chaleur avec de l'air en cours de liquéfac tion, on fait circuler, suivant la présente in- ventîon, le liquide- en cours de vaporisation et les vapeurs résultant de cette vaporisation en contact entre eux et dans le même sens, et ceci en sens inverse de celui de circulation de l'air à condenser.
Le présent procédé peut être exécuté, par exemple, comme suit pour la fabrication d'oxygène à 45 % à partir de l'air par con- densation fractionnée avec retour en arrière d'après le procédé Claude. Le froid nécessaire à cette séparation est fourni par la revapori- sation du liquide obtenu lors de la condensa tion. Mais jusqu'ici on a opéré en vapori sant ce liquide dans un bain entourant les tubes du condenseur. Si dans celui-ci on fa brique de l'oxygène à 45%, les vapeurs quittant le bain doivent, à l'état de régime, contenir 45% d'oxygène. D'après la teneur en équilibre avec ce mélange gazeux, le li quide s'enrichit jusqu'à 77% d'oxygène et bout par conséquent à 85,2 absolus sous 1 atmosphère.
C'est donc à cette température que s'éta blit tout le bain, tandis que dans le conden- seur à retour en arrière la température dimi nue continuellement depuis l'entrée de l'air au fur et à mesure que la teneur en oxygène diminue. Il est donc impossible d'approcher les températures dans toutes les parties du vaporiseur et du condenseur comme cela est nécessaire pour une rectification idéale (par vaporiseur et condenseur, on entend ici les capacités dans lesquelles s'effectuent la vaporisation, respectivement la condensa tion).
Au contraire, en opérant conformément au procédé suivant la présente invention, on produit dans le vaporiseur la chute voulue de température entre les divers points de ce vaporiseur, la température montant au fur et à mesure que la teneur du liquide en oxygène monte depuis l'entrée du mélange (l'oxygène à 45 % commence à bouillir à 80,,8 ) jusqu'à. la sortie (85,2 ébullition du liquide à 77 en équilibre avec le gaz final à 45 %). Or, cette chute de température correspond com plètement à celle dans le condenseur à retour en arrière dans lequel l'air est traité et la.
teneur en oxygène du liquide formé dans ce condenseur augmente dans le même sens que dans le liquide du vaporiseur. La différence des températures entre le condenseur et le va- poriseur est ainsi presque égale sur toute la longueur de l'échangeur, de sorte que dans ce procédé, il est possible pour la première fois de rendre extraordinairement faible cette différence de température en dimensionnant convenablement les surfaces d'échange de chaleur et de s'approcher d'une façon in soupçonnée du procédé idéal théorique.
Pour pouvoir condenser l'azote avec le bain précédemment employé à 85,2 , on avait besoin théoriquement d'une pression de <B>2,35</B> atm, à laquelle il fallait par suite ame ner au minimum l'air à séparer. D'après la présente invention, le commencement de l'é bullition du mélange produit dans le conden seur à 80,8 est déjà utilisable pour la con densation de l'azote et ainsi l'air n'a besoin d'être amené qu'üà la pression de 1,5 atm. Ceci comporte une économie importante de travail.
La revaporisation -d'un liquide en courant parallèle avec ses vapeurs et en échange ca lorifique avec un gaz brut à séparer est déjà connue. On .a :déjà employé ce procédé pour la séparation @de mélanges gazeux tels que, par exemple, .le gaz de fours à coke, dans les quels l'écart des températures d'ébullition entre les différents constituants est si élevé que dans un bain, en raison de l'enrichissement en parties les moins volatiles,
leur revaporisa- tion -et la condensation des constituants les plus volatils est extraordinairement difficile. C'est pourquoi on n'avait pas jusqu'ici pensé à employer ce procédé pour la séparation de l'air parce que dans ce cas, ces difficultés ne se présentent pas.
En employant suivant la présente invention la vaporisation en courant parallèle avec les vapeurs dans le cas de la séparation .de l'air, on obtient ainsi un résul tat tout. autre, à savoir d'équilibrer d'une fa çon profonde les différences de température entre mélanges se vaporisant et se conden sant.
Il est absolument nouveau et on ne pouvait prévoir qu'en employant ce procédé,, on arrive @à fabriquer des mélanges riches en oxygène à partir de l'air d'une façon simple avec une dépense d'énergie .qui, pour les rai sons indiquées, reste très considérablement en dessous -de ce qui était nécessaire jusqu'ici.
L'avantage du procédé de la présente in vention -de rendre possible la rectification de l'air sous de très 'basses pressions est particu- fièrement intéressant quand on peut exécuter également l'échange de chaleur entre l'air à séparer et ses produits de séparation avec une très faible perte de pression. Ceci est pos sible en employant des accumulateurs frigo rifiques que l'on change périodiquement, dont l'emploi et la construction ont été décrits dans le brevet suisse no 126906.
C'est seule ment la combinaison de ce procédé d'échange de chaleur avec le procédé de séparation qui permet d'utiliser complètement les avantages de celui-ci, car ainsi que cela résulte de ce brevet suisse, c'est seulement l'emploi d'accu- mulateurs frigorifiques qui permet d'utiliser au maximum la diminution de la pression de fonctionnement due à l'application du procédé suivant la présente invention.
Les pressions sous lesquelles ont lieu la séparation et la revaporisation sont liées entre elles par les conditions de température ci- dessus exposées, mais on peut choisir à vo lonté leur valeur absolue. Par suite, on peut opérer la condensation sous la pression atmo sphérique ou sous une faible dépression, et la revaporisation du liquide riche en oxygène sous la dépression voulue, donc contrairement à l'opération usuelle de vaporisation sous la pression atmosphérique et la condensation sous pression supérieure.
Comme la quantité à vaporiser est plus faible, par suite de l'en richissement, que la quantité d'air traité, on obtient ainsi une économie de travail de compression.
Cet emploi des basses pressions est rendu p ossib le par l'utilisation d'accumulateurs fri gorifiques que l'on change périodiquement. Ainsi qu'on le sait, le froid nécessaire à l'exé cution de tous ces procédés peut être obtenu lors de la séparation sous pression par la dé tente avec production de travail extérieur du mélange gazeux riche en azote résiduel de la condensation, tandis que dans la séparation sous la pression atmosphérique le froid doit être fourni d'une autre façon, par exemple par une installation séparée de liquéfaction de l'air.
Une exécution particulièrement pratique d'un condenseur à retour en arrière avec va- poriseur à courants parallèles consiste en un condenseur tubulaire dans lequel, contraire ment aux dispositifs connus, la condensation a lieu à l'extérieur et la vaporisation à l'inté rieur des tubes, un dispositif d'écoulement ap proprié répartissant le liquide d'une façon absolument régulière dans tous les tubes.
Les fig. 1 et 2 -du dessin ci-joint montrent, à titre d'exemple, un tel appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant .la présente invention. La fig. 1 montre l'appareil entier, tandis que la fia. 2 en montre un détail.
Dans la fig. 1, l'appareil A comprend une enveloppe H, pourvue ià sa partie inférieure de tubulures<I>U</I> et<I>Y</I> pour l'entrée de l'air à séparer, et à sa partie supérieure d'une tu bulure Z pour la sortie -de l'azote. A l'inté rieur -de cette enveloppe est disposée une série de tubes ondulés et aplatis B dont chacun est relié aux conduits F et G. Le conduit supé rieur F sert,à la ,distribution du liquide, con tenant environ. 45 % d'oxygène, qui est re cueilli au bas de l'enveloppe H et amené au conduit F par le tube K et le robinet de ré glage M. Le tube G sert à recueillir la va peur.
Le liquide riche en oxygène est distri bué par le conduit F -à chacun -des tubes B et .est répandu le long des parois :ondulées, parallèles et opposées, de ces tubes au moyen de toiles métalliques T (fig. 2) pressées con tre ces parois au moyen,des parties P des pla ques métalliques D qui sont pliées à angle ,droit en S.
Le liquide descend à l'intérieur des tubes tout en se vaporisant progressive ment, cette vaporisation étant complètement terminée à la partie inférieure des tubes, les gaz formés circulent dans la même direction que le liquide vers le collecteur -de vapeur G qui les conduit à l'extérieur de l'appareil.
En même temps, l'air à séparer introduit par ri et<I>Y</I> monte dans les espaces libres C compris entre les tubes successifs B. Il se li quéfie à l'extérieur de ces tubes aplatis on dulés B et retourne avec effet rectificateur vers la partie liquéfiée qui est constituée à la partie inférieure de l'appareil par du li quide contenant environ 45 % d'oxygène, tan- dis que l'azote gazeux s'échappe par Z. C'est seulement cette partie liquéfiée qui circule dans le tube K et le conduit F vers les tubes aplatis ondulés à l'intérieur desquels a lieu la vaporisation du liquide.
On peut également appliquer l'invention à l'obtention d'oxygène de plus grande pureté en fabriquant à partir d'air, au moyen du pro cédé de la rectification en deux étages, décrit plus en détail ci-dessous, des mélanges de plus de 45 % d'oxygène. On vaporise alors, conformément à l'invention, en courants pa rallèles avec ses vapeurs et de la même façon que le liquide à 45 %, le liquide obtenu riche en oxygène.
Au moyen de la vaporisation de ce liquide, on obtient, de la façon décrite pour le premier exemple, à partir d'une portion de l'air traité, un liquide à 45 % d'oxygène dans un condenseur à retour en arrière, lequel oxy gène est réuni au liquide à 45 % d'oxygène obtenu dans le premier étage de séparation de la colonne à deux étages à partir de l'autre portion de l'air traité.
Cette forme d'exécution du procédé selon l'invention est illustrée sur la fig. 3 du des sin. Dans celle-ci, A désigne un condenseur vaporiseursemblable à celui décrit plus haut en regard de la fig. 1; As et A2 sont respec tivement la colonne à haute pression et la co lonne à basse pression d'un appareil de sépa ration de l'air avec double rectification; A3 désigne le condenseur-vaporiseur placé entre les deux colonnes. L'air à traiter arrive par le tuyau 1. Une partie de cet air se rend par le tuyau 2 dans le condenseur-vaporiseur A, où il est séparé en liquide à environ 45 % d'oxy gène recueilli par le tuyau 4, et en azote sen siblement pur recueilli par le tuyau 5.
L'au tre portion de l'air traité se rend par le tuyau 3 au bas de la colonne A1 où l'on recueille par le tuyau 6 du liquide à 45 % d'oxygène envi ron. Les deux liquides recueillis par les tuyaux 4 et 6 sont remontés de façon connue en passant par des robinets de détente, mé langés entre eux et déversés par le tuyau 7 en un point intermédiaire convenable de la colonne A2. Le liquide présent du côté vapo- riseur du condenseur-vaporiseur As contient plus de 45 % d'oxygène.
Une partie de ce li quide est vaporisée dans le condenseur- vaporiseur Aa. Le restant du liquide est di rigé par le tuyau 8 dans le eondenseur- vaporiseur A où il -est vaporisé conformément à l'invention, c'est--à-dire en circulant en con tact avec les vapeurs qui résultent de sa vapo risation et circulent dans le même sens que 'lui. Ces vapeurs sont extraites par le tuyau 9.
Une autre manière d'opérer consiste à ne pas séparer dans un condenseur à retour en arrière, mais à liquéfier totalement, la par tie de l'air qui vient en échange de chaleur avec le mélange riche en oxygène en cours de vaporisation. Dans ce cas, on peut faire pé nétrer par en haut dans le condenseur l'air à liquéfier, tandis que le liquide à vaporiser est introduit par en bas dans la chambre de vapo risation, et qu'on règle la vitesse de circula tion et les sections -de telle sorte que les va peurs produites emportent avec elles, vers.le haut, le liquide non encore vaporisé.
Cette forme .d'exécution du procédé sui vant l'invention est illustrée schématiquement sur la fig. 4 -du dessin. Dans cette figure, la vaporisation du liquide enrichi en oxygène par échange de chaleur avec -de l'air en cours de liquéfaction a lieu dans le condenseur- vaporiseur A, dans lequel le liquide enrichi en :oxygène circule de bas en haut, entraîné par les vapeurs provenant de sa vaporisation et le gaz obtenu sort par 10.
Ce liquide enri chi en oxygène est obtenu dans la colonne A4 en rectifiant, dans cette colonne, l'air li quide obtenu dans le condenseur-vaporiseur A et amené par la conduite 12, par ide l'air gazeux introduit au bas de la colonne par 11. Les avantages indiqués plus haut au sujet du procédé selon la présente invention existent ici également.
En effet, d'une part, la tempéra ture de liquéfaction de l'air dans l'appareil A va en !décroissant au fur et à mesure que celui-ci circule de l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure du condenseur-liquéfac- teur et, d'autre part, la température de vapo risation du liquide riche en oxygène va en augmentant au furet à mesure que ce liquide monte dans le condenseur-liquéfacteur. en- traîné par les vapeurs résultant de sa vapori sation. La différence de température entre le côté condenseur et le côté liquéfacteur peut donc, ici aussi, être rendue extrêmement faible.