EP0422973B1 - Procédé et installation de réfrigeration utilisant un mélange réfrigerant - Google Patents

Procédé et installation de réfrigeration utilisant un mélange réfrigerant Download PDF

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EP0422973B1
EP0422973B1 EP90402595A EP90402595A EP0422973B1 EP 0422973 B1 EP0422973 B1 EP 0422973B1 EP 90402595 A EP90402595 A EP 90402595A EP 90402595 A EP90402595 A EP 90402595A EP 0422973 B1 EP0422973 B1 EP 0422973B1
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mixture
cooling
condenser
stage
compressor
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Pierre Gauthier
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration process and installation using a refrigerant mixture. It relates firstly to a refrigeration process of the type in which a gas mixture is subjected to a cycle comprising steps of compression at a high pressure of the cycle, of condensation by cooling at high pressure, of expansion at a low pressure of the cycle and spraying at low pressure.
  • the object of the invention is to provide a technique applicable to installations of relatively small size and which, with a single cycle compressor, makes it possible to lower the cold temperature in a simple manner.
  • the installation shown in the drawing is intended to cool a fluid circulating in a pipe 1. It includes a single cycle compressor 2, a permeator 3, a condenser 4, an indirect heat exchanger 5 and an expansion valve 6.
  • the refrigeration cycle uses a refrigerant mixture consisting of a heavy fraction and at least one light component that can be easily separated from it by permeation, typically a mixture of propane and hydrogen and / or helium.
  • This mixture arrives in the gaseous state, via a pipe 7, to the compressor 2 under a low pressure P1 approximately equal to atmospheric pressure, and is compressed to the pressure P2.
  • the compressed mixture passes, via a line 8, into the high pressure space 3A of the permeator 3, which separates most of the hydrogen therefrom by selective permeation.
  • the hydrogen thus passes into the low pressure space 3B of the permeator.
  • the residue from the permeation essentially consisting of propane, is evacuated from the space 3A via a pipe 9. This passes through the water condenser 4, from which the propane leaves in the liquid state under pressure P2 and at the high temperature T2 close to the ambient temperature.
  • the liquid propane then passes through the first cooling passages 10 of the exchanger 5, sub-cools there at the low temperature T1 of the cycle, then is expanded in the valve 6 to a low pressure P1, which is advantageously close of atmospheric pressure.
  • the permeate that is to say hydrogen, is also cooled to temperature T1 in second cooling passages 11 of the exchanger 5, then is combined in a line 12 with expanded propane.
  • the mixture thus reconstituted in two-phase form passes through vaporization-heating passages 13 of the exchanger 5, counter-current to the direction of circulation in passages 10 and 11 and in passages 14 of the same exchanger through which the fluid circulates. to cool.
  • propane vaporizes in the presence of hydrogen.
  • the light component is separated from the mixture when it has an unfavorable effect (before the condensation step), and is re-introduced into the mixture when it has a favorable effect (before the vaporization).
  • the permeator 3 is suitable for separating the hydrogen from the other constituents of the mixture which is introduced therein, for example by means of a bundle of hollow fibers formed by a membrane with selective permeability.
  • a membrane suitable for this application is based on an aromatic polyamide technology developed by DU PONT DE NEMOURS according to patent Re 30,351 (Reissue from US 3,899,309). Other examples are described in patents US 4,180,553 and US 4,230,463.
  • the permeation parameters are adjusted so that the low pressure space 3B is substantially at the low pressure P1, in the vicinity of atmospheric pressure in l 'example considered.
  • the permeation can be carried out at a pressure p lower than P2, it may be advantageous to compress the mixture only to this pressure p before subjecting it to permeation, only the residue then being compressed by a second compressor 2A at pressure P2, upstream of the exchanger 4.
  • the compressor 2A can in particular constitute the last stage of the single cycle compressor.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé et à une installation de réfrigération utilisant un mélange réfrigérant. Elle concerne en premier lieu un procédé de réfrigération du type dans lequel on fait subir à un mélange gazeux un cycle comprenant des étapes de compression à une pression haute du cycle, de condensation par refroidissement à la pression haute, de détente à une pression basse du cycle et de vaporisation à la pression basse.
  • Les cycles de réfrigération classiques utilisant comme fluide réfrigérant un corps pur font évoluer ce fluide entre deux températures, basse T1 et haut T2, et entre deux pressions, basse P1 et haute P2. Pour que le cycle soit économique et fiable, on ne choisit pas P1 au-dessous de la pression atmosphérique ; par ailleurs, P2 est limitée vers le haut par une pression maximale inférieure à la pression critique PC du corps pur. En effet, au-delà de cette pression maximale, l'irréversibilité du cycle thermodynamique augmente considérablement. D'autre part, la température haute T2 est habituellement la température ambiante pour permettre d'utiliser un condenseur à eau ou à air.
  • Pour atteindre des températures froides plus basses, on a proposé la technique dite à cascade classique, mettant en oeuvre une succession de cycles frigorifiques utilisant chacun un corps pur. Cette solution est efficace mais coûteuse et peu fiable, car elle met en oeuvre un grand nombre de machines de compression.
  • Pour conserver un compresseur unique, on a proposé les procédés du type indiqué plus haut, suivant la technique dite "à cascade incorporée". Cette solution s'est révélée compliquée à mettre en oeuvre et ne se justifie que pour les grosses installations.
  • L'invention a pour but de fournir une technique applicable à des installations de taille relativement petite et qui, avec un compresseur de cycle unique, permette d'abaisser de façon simple la température froide.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que :
    • on utilise un mélange comprenant une fraction lourde et au moins un constituant léger ;
    • on sépare l'essentiel dudit constituant léger de la fraction lourde par perméation entre une étape de compression et l'étape de condensation par refroidissement ;
    • on ne fait subir l'étape de condensation par refroidissement et l'étape de détente qu'au résidu de la perméation ;
    • on adjoint le perméat audit résidu détendu ; et
    • on fait subir l'étape de vaporisation à l'ensemble du mélange.
  • L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une boucle qui comporte en série un compresseur, un condenseur, des moyens de détente et des passages de vaporisation d'un échangeur de chaleur indirect qui présente en outre des passages pour un fluide à réfrigérer, cette boucle étant parcourue par un mélange qui est gazeux à l'aspiration du compresseur, est caractérisée en ce que :
    • le mélange gazeux comprend une fraction lourde et au moins un constituant léger ; et
    • la boucle comporte entre le compresseur et le condenseur un perméateur nettement plus perméable audit constituant léger qu'à ladite fraction lourde, dont le côté haute pression est relié au condenseur et dont le côté basse pression est relié à la sortie des moyens de détente.
  • Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la figure unique représente schématiquement une installation de réfrigération conforme à l'invention.
  • L'installation représentée au dessin est destinée à refroidir un fluide circulant dans une conduite 1. Elle comprend un compresseur de cycle unique 2, un perméateur 3, un condenseur 4, un échangeur de chaleur indirect 5 et une vanne de détente 6.
  • Le cycle de réfrigération utilise un mélange réfrigérant constitué d'une fraction lourde et d'au moins un constituant léger facilement séparable de celle-ci par perméation, typiquement un mélange de propane et d'hydrogène et/ou hélium. Ce mélange arrive à l'état gazeux, via une conduite 7, au compresseur 2 sous une pression basse P1 à peu près égale à la pression atmosphérique, et est comprimé à la pression P2. Le mélange comprimé passe, via une conduite 8, dans l'espace haute pression 3A du perméateur 3, qui en sépare l'essentiel de l'hydrogène par perméation sélective. L'hydrogène passe ainsi dans l'espace basse pression 3B du perméateur.
  • Le résidu de la perméation, constitué essentiellement par le propane, est évacué de l'espace 3A via une conduite 9. Celle-ci traverse le condenseur à eau 4, d'où le propane sort à l'état liquide sous la pression P2 et à la température haute T2 voisine de la température ambiante.
  • Le propane liquide traverse ensuite des premiers passages de refroidissement 10 de l'échangeur 5, s'y sous-refroidit à la température basse T1 du cycle, puis est détendu dans la vanne 6 jusqu'à une pression basse P1, qui est avantageusement voisine de la pression atmosphérique.
  • Le perméat, c'est-à-dire l'hydrogène, est également refroidi à la température T1 dans des seconds passages de refroidissement 11 de l'échangeur 5, puis est réuni dans une conduite 12 au propane détendu.
  • Le mélange ainsi reconstitué sous forme diphasique passe dans des passages de vaporisation-réchauffement 13 de l'échangeur 5, à contre-courant du sens de circulation dans les passages 10 et 11 et dans les passages 14 du même échangeur à travers lesquels circule le fluide à refroidir. Dans les passages 13, le propane se vaporise en présence d'hydrogène.
  • On voit que, la pression P1 et la température T2 étant données, respectivement égales à la pression atmosphérique et à la température ambiante pour des raisons économiques :
    • la pression P2, qui est celle nécessaire pour obtenir une condensation par circulation d'eau, est la même que si le fluide réfrigérant était du propane pur, puisque l'hydrogène en est séparé en amont du condenseur 4. Cette pression P2 est donc nettement inférieure à celle qui serait nécessaire en l'absence du perméateur ; et
    • la température T1 est la température de début de vaporisation du propane en présence d'hydrogène sous la pression atmosphérique. Cette température est nettement inférieure à celle que permet d'atteindre le propane seul.
  • En d'autres termes, le constituant léger est séparé du mélange lorsqu'il a un effet défavorable (avant l'étape de condensation), et est ré-introduit dans le mélange lorsqu'il a un effet favorable (avant l'étape de vaporisation).
  • Le perméateur 3 est adapté pour séparer l'hydrogène des autres constituants du mélange qui y est introduit, par exemple grâce à un faisceau de fibres creuses constituées par une membrane à perméabilité sélective. Un exemple de membrane convenant pour cette application est basé sur une technologie polyamide aromatique développée par DU PONT DE NEMOURS selon le brevet Re 30 351 (Reissue de US 3 899 309). D'autres exemples sont décrits dans les brevets US 4 180 553 et US 4 230 463. Les paramètres de la perméation sont réglés pour que l'espace basse pression 3B soit sensiblement à la pression basse P1, au voisinage de la pression atmosphérique dans l'exemple considéré.
  • A titre d'exemple numérique, un cycle propane classique, avec P1 = 1 bar absolu, P2 = 11 bars absolus, et T2 = + 30°C, permet d'obtenir le froid à - 42°C, qui est la température de vaporisation du propane sous 1 bar. Avec le perméateur 3 et un mélange 50 % propane, 50 % hydrogène, la vaporisation se termine vers - 57°C.
  • En variante, comme indiqué en trait mixte au dessin, si la perméation peut s'effectuer à une pression p inférieure à P2, il peut être avantageux de ne comprimer le mélange que jusqu'à cette pression p avant de le soumettre à la perméation, seul le résidu étant ensuite comprimé par un second compresseur 2A à la pression P2, en amont de l'échangeur 4. Le compresseur 2A peut en particulier constituer le dernier étage de l'unique compresseur de cycle.

Claims (12)

  1. Procédé de réfrigération, du type dans lequel on fait subir à un mélange gazeux un cycle comprenant des étapes de compression à une pression haute du cycle, de condensation par refroidissement à la pression haute, de détente à une pression basse du cycle et de vaporisation à la pression basse, caractérisé en ce que :
    - on utilise un mélange comprenant une fraction lourde et au moins un constituant léger ;
    - on sépare l'essentiel dudit constituant léger de la fraction lourde par perméation (en 3) entre une étape de compression (2) et l'étape de condensation par refroidissement (4) ;
    - on ne fait subir l'étape de condensation par refroidissement (4) et l'étape de détente (6) qu'au résidu de la perméation ;
    - on adjoint le perméat audit résidu détendu ; et
    - on fait subir l'étape de vaporisation à l'ensemble du mélange.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle comprend une étape de compression unique (2).
  3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le résidu de la perméation subit une seconde étape de compression (2A) avant de subir l'étape de condensation par refroidissement (4).
  4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit résidu condensé est sous-refroidi avant l'étape de détente (6).
  5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le perméat est refroidi avant d'être adjoint au résidu détendu.
  6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit constituant léger est l'hydrogène et/ou l'hélium.
  7. Installation de réfrigération à mélange réfrigérant, du type comprenant une boucle qui comporte en série un compresseur (2), un condenseur (4), des moyens de détente (6) et des passages de vaporisation (13) d'un échangeur de chaleur indirect (5) qui présente en outre des passages (14) pour un fluide à réfrigérer, cette boucle étant parcourue par un mélange qui est gazeux à l'aspiration du compresseur, caractérisé en ce que :
    - le mélange gazeux comprend une fraction lourde et au moins un constituant léger ; et
    - la boucle comporte, entre le compresseur (2) et le condenseur (4), un perméateur (3) nettement plus perméable audit constituant léger qu'à ladite fraction lourde, dont le côté haute pression (3A) est relié au condenseur (4) et dont le côté basse pression (38) est relié à la sortie des moyens de détente (6).
  8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le côté haute pression (3A) du perméateur (3) est directement relié au condenseur (4).
  9. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le côté haute pression (3A) du perméateur (3) est relié au condenseur (4) par l'intermédiaire d'un second compresseur (2A).
  10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (5) comprend des passages de sous-refroidissement (10) branchés entre le condenseur (4) et les moyens de détente (6).
  11. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (5) comprend des passages de refroidissement (11) branchés entre le côté basse pression (3B) du perméateur (3) et la sortie des moyens de détente (6).
  12. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que ledit constituant léger est l'hydrogène et/ou l'hélium.
EP90402595A 1989-10-09 1990-09-20 Procédé et installation de réfrigeration utilisant un mélange réfrigerant Expired - Lifetime EP0422973B1 (fr)

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