Procédé et dispositif de séparation de molécules de masses différentes
L'invention est relative aux procédés et dispositifs de séparation de molécules de masses différentes contenues dans un mélange gazeux.
Elle a pour but, surtout, de rendre ces procédés et dispositifs tels qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour aux diverses exigences de la pratique, notamment en ce qui concerne le rendement de la séparation. Elle consiste à faire appel à une structure de choc pour assurer la séparation entre les molécules de masses différentes.
On connaît déja des procédés utilisant dans le même but, un jet supersonique du mélange gazeux des molécules à séparer les molécules les plus lourdes se concentrant alors vers l'axe du jet. La séparation reste, cependant très faible vis-à-vis de l'efficacité du procédé selon l'invention.
Le procédé de séparation de molécules de masses différentes contenues dans un mélange gazeux, selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il comporte la traversée d'une structure de choc par ledit mélange.
Il peut comporter la circulation du mélange gazeux dans une enceinte, l'introducticn dans la même enceinte d'un jet de gaz auxiliaire à une vitesse supersonique pour créer une structure de choc, de préférence fermée, et le prélèvement du gaz à l'intérieur de la structure de choc, celui-ci contenant une fraction du mélange concentrée en molécules légères.
Comme le mélange gazeux qui peut être prélevé dans l'axe du jet supersonique est concentré en molécules légères, et non plus en molécules lourdes, il diffère essentiellement des produits antérieurs. De plus, le taux de concentration est beaucoup plus important.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré, dans lequel la structure de choc est fermée, celle-ci est constituée par les ondes de choc dues à la détente libre du jet supersonique (cellule de Mach), et le prélèvement de la fraction de gaz enrichie en molécules Iégères a lieu en amont du disque de Mach, de préférence approximativement dans l'axe de celui-ci.
Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on propose également un dispositif pour la séparation de molécules de masses différentes dans un mélange gazeux, qui se caractérise en ce qu'il comporte des moyens de circulation du mélange au travers d'une enceinte sous pression réduite, un orifice d'admission dans ladite enceinte d'un jet d'un gaz auxiliaire sous pression, créant par détente libre une structure de choc dans ladite enceinte, et des moyens de prélèvement d'une fraction de gaz contenue à l'intérieur de la structure de choc, ladite fraction étant enrichie en molécules légères, par une cheminée d'évacuation faisant saillie dans ladite enceinte en regard dudit orifice d'introduction du gaz auxiliaire.
Selon des dispositions secondaires avantageuses de ce dispositif, les moyens de circulation du mélange gazeux à traiter, comportent une tubulure d'admission suffisamment écartée de l'orifice d'introduction du gaz auxiliaire pour être à l'extérieur de la structure de choc et avantageusement orientée de manière à ne pas perturber celle-ci et des moyens de pompage du mélange gazeux à l'extérieur de la structure de choc, répartis de préférence radialement tout autour du jet de gaz auxi liaire.
. .lalre.
Les conditions de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et, dans le dispositif ci-dessus, la distance axiale entre l'orifice d'introduction du gaz auxiliaire et le bord amont de la cheminée d'évacuation, sont de préfé- rence déterminés dans chaque application, de façon telle que ce bord parvienne en amont du disque de Mach, qui est formé par la face transversale aval de la structure de choc dans les conditiohs de fonctiÏnnement appli quées.
Le mélange gazeux à traiter peut être de toute nature, naturelle ou artificielle, les molécules à séparer pouvant être de natures différentes (comme l'hélium et l'azote contenus dans le gaz naturel ou les gaz rares contenus dans l'air) ou pouvant être des isotopes d'un même élément simple (comme les isotopes naturels des gaz rares: argon, krypton, xénon, ou encore de l'hydrogène) ou des variétés isotopiques d'une même substance (comme les hexafluorures d'uranium 235 et d'uranium 238, ou les hexafluorures de soufre 32, de soufre 33 et de soufre 34,).
Le gaz auxiliaire, ou gaz vecteur , qui sert à créer la structure de choc, sert également à entraîner la fraction gazeuse, enrichie en molécules légères, ayant pénétré dans la structure de choc (ou cellule de Mach). Il est de préférence choisi de façon telle qu'il puisse être facilement séparé du mélange à traiter, mais ce n'est pas indispensable, et il peut même, selon une autre solution avantageuse, être de même nature que ce mélange. Les molécules qui le constituent peuvent être indifféremment plus lourdes, plus légères ou de même masse que certaines de celles à séparer.
Le jet supersonique de gaz auxiliaire est formé par détente libre de ce gaz à travers un orifice de l'enceinte, qui par exemple fait communiquer celle-ci avec une chambre où le gaz auxiliaire est contenu sous une pression P0 supérieure à la pression dynamique P, régnant dans l'enceinte. Cet orifice peut être matérialisé par l'embouchure d'une buse convergente, de forme conique ou non, ou par le col d'une buse divergente ou convergente- divergente, ou par une simple lumière évidée dans une paroi plane, ou encore par un tube capillaire. L'orifice est avantageusement circulaire, mais il peut également avoir une forme géométrique quelconque, en particulier une forme rectangulaire réalisée par une fente allongée.
De même la cheminée d'évacuation présente avantageuse- ment une forme de révolution axée sur l'axe de la structure de choc, mais elle peut également avoir une forme géométrique quelconque (affutée ou non), avec une ouverture de forme quelconque, en particulier rectangulaire réalisée par une fente allongée. De façon à augmenter le débit du mélange enrichi en molécules légères, l'ouverture de la cheminée est prise la plus grande possible, ses dimensions étant limitées supérieurement à celles du disque de Mach.
Comme on l'a déjà signalé, un tel jet supersonique a déjà été utilisé pour assurer des séparations de molécules gazeuses. Mais dans les procédés antérieurs, c'était le mélange à traiter lui-même qui subissait la détente et constituait le jet, ce qui se traduisait par un enrichissement, faible, en molécules lourdes au voisinage de l'axe du jet. Les phénomènes en cause semblent différents dans le procédé selon l'invention où au contraire, le mélange à traiter doit être amené à traverser la structure de choc.
Sans que l'on puisse véritablement expliquer le phénomène, on constate alors que si l'on recueille le gaz contenu à l'intérieur de la structure de choc, celui-ci renferme une fraction du mélange gazeux enrichie en molécules légères, comme si cette structure de choc (structure séparant les deux zones de l'espace où la vitesse d'écoulement des gaz est subsonique et su personique) exerçait un effet sélectif au passage des molécules lourdes et légères qui la traversent de l'extérieur vers l'intérieur.
Le taux d'enrichissement obtenu par le procédé selon l'invention peut être très élevé, par exemple de 170/( pour les isotopes naturels de l'argon.
Pour obtenir une efficacité maximale, il est avantageux de maintenir la pression P1 du mélange gazeux dans l'enceinte à une valeur inférieure à 10 millibars, mais par ailleurs, supérieure à une valeur de l'ordre de 10-2 millibars pour que le libre parcours moyen des molécules du gaz auxiliaire demeure inférieur au diamètre du disque de Mach.
En se référant aux dessins ci-joints, on va décrire ciaprès des exemples de réalisation du dispositif selon l'invention et de mise en oeuvre du procédé.
La fig. 1 de ce dessin, montre schématiquement un dispositif de séparation de molécules établi conformément à l'invention.
Les fig. 2 à 5 montrent schématiquement l'influence de la position axiale relative de la cheminée d'évacua¯ tion de ce dispositif sur la forme de la structure de choc.
La fig. 6 montre une variante dudit dispositif, également conforme à l'invention.
Les fig. 7, 8 et 9 sont trois graphiques montrant, pour des applications différentes, l'influence de ladite position axiale relative sur le rendement de la séparation.
Dans le dispositif schématisé sur la fig. 1, l'enceinte 1 contient le mélange gazeux à traiter, introduit à partir d'un réservoir 2 à travers une vanne 3. Dans la même enceinte 1, du gaz auxiliaire est admis à travers une buse convergente conique 4, depuis un réservoir 5 où règne une pression P0. L'enceinte 1 présente une symétrie de révolution par rapport à l'axe de la buse 4.
Dans le cas décrit, elle est cylindrique. Elle comporte sur son pourtour une chambre annulaire 8 limitée par une cloison 18 percée d'orifices dans sa zone médiane.
Une pompe 7 aspirante dans cette chambre annulaire, permet de maintenir dans l'enceinte 1, une pression dynamique P1, inférieure à P0, de sorte que l'admission du gaz auxiliaire crée un jet supersonique 6 en aval de la buse 4. L'effet de pompage est régulièrement réparti tout autour du jet auxiliaire issu de la buse 4. Grâce à cette disposition, la forme du jet demeure de révolution autour de raxe de la buse, de même que la structure de choc créée.
La pression P1 oppose à l'écoulement du jet 6 une résistance provoquant la formation d'ondes de choc constituant une structure de choc ou cellule de Mach, qui sépare la zone de l'espace où la vitesse d'écoulement du gaz est subsonique de celle où cette vitesse est supersonique et correspond à une discontinuité pour les propriétés des fluides.
Cette structure de choc, illustrée en- 9 sur la fig. 1, a une forme générale analogue à la surface extérieure d'un obus légèrement renflé, dont la pointe se trouve au col de la buse 4 et dont la base 10, sensiblement plane, est appelée disque de Mach. On voit encore sur la fig. lia couche limite 11 au-delà de laquelle le jet 6 n'a pratique- ment plus d'influence.
Dans la réalisation décrite, on évite que l'admission du mélange à traiter, provoque un deuxième jet pouvant perturber la structure de choc, en prévoyant un écart suffisant entre la buse 4 et la tubulure 19 d'admission du mélange et en orientant cette dernière vers les parois latérales de l'enceinte 1.
Pour recueillir le contenu de la cellule de Mach 9, on a recours à une cheminée d'évacuation 12 ayant la forme d'un divergent à bord amont 13 circulaire, affûté ou non, dans laquelle une pompe 14 fait régner une basse pression P2 inférieure à P,. Ledit bord 13 est disposé axialement en regard de la buse 4, de préférence à une distance de celle-ci égale à la valeur pour laquelle il perce juste le disque de Mach (onde de choc frontale attachée): c'est en effet dans ces conditions que le-contenu de la cellule de Mach 9 peut être extrait le plus aisément sans être dégradé par la traversée d'une onde de choc, et surtout en évitant un courant additionnel non enrichi n'ayant pas traversé la structure de choc et passant directement entre la cheminée et le disque de Mach.
Ce contenu est envoyé par la pompe 14 dans un réservoir 15 de récupération et la fraction de mélange initial enrichie en molécules légères occupant ce réservoir 15 peut ensuite être séparée facilement du gaz auxiliaire (si bien entendu ce dernier n'est pas de même nature que le mélange en question) et être soumise, le cas échéant, à au moins un nouvel enrichissement. Le mélange non recueilli par la cheminée 12 constitue une fraction appauvrie en molécules légères, aspirée par la pompe 7. A la sortie de cette dernière et après séparation éventuelle du gaz auxiliaire, il peut être récupéré ou renvoyé dans un étage antérieur.
Les fig. 2 à 5 montrent schématiquement l'influence de la position axiale du bord 13 de la cheminée de prélèvement 12 sur la position du disque de Mach 10.
Lorsque ledit bord 13 est relativement éloigné du col de la buse 4 (fig. 2), la distance axiale x entre ledit col et le disque 10 est donnée par la formule (I):
x = 0,67 Do (P0/P)li2, dans laquelle Do est le diamètre du col de la buse 4,
Po la pression qui règne en amont de cette buse et PX celle qui règne dans l'enceinte 1.
Lorsqu'on rapproche axialement la cheminée de la buse, le disque de Mach demeure d'abord fixe (fig. 3), puis il se rapproche à son tour de la buse en se déformant (fig. 4) jusqu'à ce que le bord 13 de la cheminée l'effleure enfin et le perce (fig. 5): la structure de choc est alors raccrochée sur ledit bord 13. Il est possible que cet accrochage se produise après un recul très faible ou même nul du disque de Mach.
Pour rendre possible l'accrochage sans dégradation de la structure de choc, il convient que l'angle au sommet de la surface conique externe de la cheminée 12 ne soit pas trop grand, étant de préférence inférieur à 90 degrés.
Sur la fig. 6 on connaît une pluralité de buses 4 débouchant dans une même enceinte 1, ce qui forme autant de structures de choc, augmentant la surface de séparation. A chaque structure de choc 9 correspond évidemment une cheminée 12, tandis que l'homogénéité du mélange gazeux à séparer est assurée par plusieurs entrées munies de vannes 3. La répartition des cheminées, buses et entrées du mélange à traiter peut être quelconque, par exemple hexagonale ou en forme de quadrillage.
Les cheminées et buses peuvent être circulaires ou fermées par des fentes parallèles par exemple.
Dans les exemples d'application qui suivent, on désignera comme facteur de séparation )y a le rapport
n1/N1
nO/NO où n désigne la fraction molaire de l'élément léger dans le mélange et N celle de l'élément lourd, l'indice 0 correspondant aux conditions initiales (avant enrichissement) et l'indice 1 aux conditions finales (après enrichissement).
A titre comparatif on indiquera pour ces exemples la valeur du rapport t3 des racines carrées des masses des molécules à séparer, rapport qui est considéré comme le maximum envisageable pour un enrichisse- ment par diffusion gazeuse classique, ce procédé ne donnant pratiquement que p/2,
Exemple 1
Le bord amont 13 de la cheminée 12 est ici affûté comme sur les dessins et correspond à l'intersection d'une surface conique externe d'angle au sommet égal à 70 degrés avec une surface conique interne d'angle au sommet égal à 50 degrés, le diamètre D, de ce bord affûté 13 étant de 0,83 mm. La buse conique convergente 4 a un diamètre de sortie de 0,47 mm.
Le bioxyde de carbone COS, facilement éliminable par condensation, est choisi comme gaz auxiliaire. Il est admis dans la buse 4 sous une pression P0 de 82 millibars. En l'absence de mélange à séparer, la pompe 7 maintient dans l'enceinte 1 une pression P de l'ordre de 0,15 millibar. On introduit dans cette ceinte un mélange hélium-argon dans la proportion nO/N0 = 0,111 en quantité telle que la pression dans l'enceinte 1 devient
P'1 = 0,3 millibar. Dans ces conditions, la position du disque de Mach donnée par la formule (I) ci-dessus est x = 5,2 mm.
Le gaz auxiliaire CO2 est éliminé par condensation dans un piège maintenu à la température de l'azote liquide et situé à la sortie de la pompe à diffusion 14. Le mélange enrichi en hélium est prélevé dans ce piège et refoulé dans une ampoule pour être ensuite analysé au spectromètre de masse.
La fig. 7 donne les variations du facteur de séparation a (porté en ordonnées), en fonction de la distance axiale b (portée en abscisses et exprimée en mm) entre le col de la buse 4 et le bord amont 13 de la cheminée.
On voit que, au voisinage de la valeur b = 2,9 mm, apparaît une zone critique très étroite pour laquelle le coefficient a atteint des valeurs considérables, le maximum de cette valeur (174) étant 55 fois supérieur au rapport p (3,16), maximum envisageable avec les techniques de diffusion classiques. C'est au voisinage de cette valeur de b que le bord amont 13 de la cheminée de prélèvement parvient juste au contact du disque de Mach, comme illustré sur la fig. 5.
Exemple 2
Avec les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais un diamètre Dt du bord 13 égal à 0,42 mm (au lieu de 0,83), on observe une valeur maximum de a de l'ordre de 58, soit un enrichissement 18 fois supérieur au rapport p.
Exemple 3
Avec les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais une cheminée 12 tronconique dont les surfaces internes et externes sont parallèles (même angle au sommet égal à 50 degrés), le bord amont 13 non affûté ayant un diamètre interne de 2 mm et une épaisseur radiale de 2 mm, on observe une valeur maximum de a de l'ordre de 53, soit 17 fois supérieur au rapport p.
Exemple 4
Avec les mêmes conditions que dans l'exemple 3, mais en travaillant à basse température et avec une pression P0 de 229 millibars (au lieu de 82), on observe une valeur maximum de a de l'ordre de 3,3.
Exemple 5
Les conditions sont les mêmes que pour l'exemple 1, à la seule différence près que le mélange à traiter introduit dans l'enceinte 1 est de l'argon naturel conte- nant 0,3 #o d'argon 36 et presque tout le reste d'argon 40.
La fig. 8 donne encore les variations du facteur a en fonction de la distance b.
Elle montre que les valeurs optimales sont encore concentrées dans une zone étroite autour de b = 3,6 mm avec un maximum de 1,14, ce qui correspond à un enrichissement trois fois supérieur au maximum envisageable par les techniques de diffusion classiques, le rapport B étant ici égal à 1,054.
Exemple 6
Avec les mêmes conditions que dans l'exemple 5, mais avec une cheminée conforme à celle de l'exemple 3, on observe une valeur maximum de a de l'ordre de 1,11.
Exemple 7
Avec les mêmes conditions que dans l'exemple 6, mais en travaillant à basse température et avec des pressions P0 de 634 millibars (au lieu de 82), P1 de 0,4 millibar au lieu de 0,15) et P'1 de 0,9 millibar (au lieu de 0,3), on observe une valeur maximum de a de l'ordre de 1,05.
Exemple 8
Avec les mêmes conditions que dans l'exemple 5, mais avec une cheminée conforme à l'exemple 3 et un gaz auxiliaire constitué par de l'ammoniac NHS (au lieu de CQ), on observe une valeur maximum de a de l'ordre de 1,09.
Exemple 9
Dans un appareil semblable à celui décrit dans l'exemple 1 et dans les mêmes conditions de pression on a séparé les isotopes du soufre (#;32 et S#) dans l'hexafluorure de soufre SFG en utilisant l'azote comme gaz auxiliaire. On a obtenu un facteur de séparation égal à 1,010, alors que le maximum envisageable par la technique de diffusion classique est de 1,0068. Cet exemple, illustré sur la fig. 9, qui donne encore les variations du facteur a en fonction de la distance b, montre que la séparation est possible à l'aide d'un gaz auxiliaire même beaucoup plus léger que le mélange à séparer.
Exemple In
Dans un appareil semblable à celui décrit dans l'exemple 1, on a séparé les isotopes de l'argon (36 et 40) avec l'hexafluorure de soufre SF6 comme gaz auxiliaire. Avec des pressions P0 = 31,6 millibars, P1 = 5,10-2 millibars et 1,45. 10et millibar, on a obtenu un facteur de séparation égal à 1,17.