EP3931504A1 - Matrice intégrant au moins une fonction d'échange thermique et une fonction de distillation - Google Patents

Matrice intégrant au moins une fonction d'échange thermique et une fonction de distillation

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EP3931504A1
EP3931504A1 EP20713354.7A EP20713354A EP3931504A1 EP 3931504 A1 EP3931504 A1 EP 3931504A1 EP 20713354 A EP20713354 A EP 20713354A EP 3931504 A1 EP3931504 A1 EP 3931504A1
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EP
European Patent Office
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zone
passages
matrix
die
plates
Prior art date
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Application number
EP20713354.7A
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German (de)
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Inventor
Jean-Pierre Tranier
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Priority claimed from FR1901869A external-priority patent/FR3093172B1/fr
Priority claimed from FR1901868A external-priority patent/FR3093170B1/fr
Priority claimed from FR1901872A external-priority patent/FR3093174B1/fr
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Definitions

  • Matrix integrating at least one heat exchange function and one separation function
  • the present invention relates to a matrix integrating at least one heat exchange function and one distillation function.
  • the present invention relates to a matrix for forming at least part of a distillation separation unit, for example an apparatus for cryogenic separation of gases from air.
  • the matrix preferably brazed in aluminum, incorporates at least a heat exchange function and a distillation function.
  • a cryogenic air separation unit generally comprises brazed plate heat exchangers which in particular form the main heat exchange line of the cryogenic air separation unit and the vaporizer. condenser putting the medium pressure column and the low pressure column into a heat exchange relationship. These two distillation columns in which the transfer of material is carried out are not integrated in the brazed dies which constitute these brazed plate heat exchangers.
  • EP0767352 proposes to integrate a dephlegmation function in these brazed dies, that is to say a zone in which heat exchange and material transfer are carried out simultaneously.
  • a brazed die has a stack of parallel plates defining fluid passages, as well as spacers or heat exchange waves defining channels for these fluids. Peripheral closure bars seal the fluid passages.
  • US5144809 describes a die having a lower section with a heat exchange function and a distillation function in a body formed by a stack of plates.
  • the passages dedicated to distillation are separated from one another by passages, the upper part of which is used for the vaporization of rich liquid and the lower part of which is empty.
  • the present invention aims to provide a material transfer apparatus which is efficient (for example by allowing to have HETPs of less than 100 mm), which can withstand pressure, which is easy to manufacture at low cost and in which it is possible can integrate indirect heat exchange.
  • such a brazed die has the overall shape of a rectangular parallelepiped. Its length is typically 4 to 8 m, its width from 1 to 1.5 m and its height from 1 to 2 m.
  • the length of a brazed die is the greatest dimension of the parallel plates delimiting fluid passages.
  • the width of a heat exchanger is measured perpendicular to the length.
  • the height of a heat exchanger is measured along the stacking direction of its plates. In this patent, the height of the die will also be referred to as die thickness or die stack.
  • the present invention aims in particular to solve the problems of brazing and of the mechanical strength of the brazed die while ensuring the process functions of such a die.
  • the invention relates to a matrix intended to form at least part of a separation unit by transfer of material, for example to separate by distillation of air into a fraction enriched in nitrogen and a fraction enriched in nitrogen.
  • oxygen combined with an indirect heat transfer unit between a primary fluid and a secondary fluid, for example to condense the nitrogen-enriched fraction as the primary fluid against vaporization of the oxygen-enriched fraction or of an oxygen-rich fluid derived from the fraction enriched with oxygen as secondary fluid,
  • said matrix comprising a stack of several plates arranged parallel to each other in a so-called stacking direction, defining passages, the matrix having a length, a width and a thickness, the length of a matrix being the largest dimension parallel plates, the width of the matrix being measured perpendicular to the length and the thickness of the matrix being measured along the direction of stacking of its plates,
  • the matrix comprising at least two zones including a first zone called indirect heat transfer zone defined by a first fraction of the length of the matrix, at least half of the total width of the matrix and at least half of the total thickness of the die and a second zone called the distillation separation zone defined by a second fraction of the length of the die, at least half of the total width of the die and at least half of the total thickness of the die matrix,
  • the first zone and the second zone being connected and the matrix being constructed to allow the communication of fluid coming from only a part of the passages of the first zone towards the passages of the second zone and to allow the communication of fluid coming from the passages of the second zone to only part of the passages of the first zone,
  • the passages of the first zone being formed by a first series of passages for channeling at least one refrigerant or circulating fluid, the passages of the first series not being in fluid communication with the second zone and a second series of passages for channeling a fluid produced by the distillation in the second zone, the passages of the second series being in fluid communication with the second zone, the passages of the first zone being closed to prevent the fluid produced by the transfer of material from entering the first series and to prevent the refrigerant or circulating fluid from entering the second series,
  • the set of passages of the second zone having a dimension which is the second fraction of the length of the matrix, a dimension which is at least half of the total width of the matrix and a dimension which is at least half of the thickness of the die, each passage being defined between two successive plates and extending parallel to a longitudinal axis,
  • the number of passages in the first zone being strictly greater than the number of passages in the second zone by distillation and preferably a multiple of the number of passages in the second zone.
  • the number of passages in the first zone is at least two times, even at least three times, or even at least eight times the number of passages in the second zone,
  • the passages in the first zone contain means to promote indirect heat transfer chosen from the group: straight waves, perforated waves, partially offset waves, louver waves, herringbone waves,
  • the matrix comprises at least a third zone called the material transfer zone juxtaposing the first zone, the matrix being constructed to allow the fluid communication of the passages of the first zone towards the passages of the third zone and of the passages of the third zone towards the passages of the first zone over the entire section, the third zone called the second material transfer zone defined by a third fraction of the length of the die, at least half of the total width of the die and at least half of the total thickness of the matrix,
  • the passages of the third zone having a dimension which is a third fraction of the length of the die, a dimension which is at least half of the total width of the die and a dimension which is at least half of the thickness of the matrix,
  • the passages of the third zone containing means to promote the transfer of material the number of passages in the first zone is strictly greater than the number of passages in the third zone by distillation and preferably a multiple of the number of passages in the third zone ,
  • the matrix comprises at least a third zone called the indirect heat transfer zone juxtaposing the second zone, the matrix being constructed to allow fluid communication from the passages of the second zone to the passages of the third zone and / or of the passages of the third zone towards the passages of the second zone over the entire section, the third zone called the second indirect heat transfer zone defined by a third fraction of the length of the die, at least half of the total width of the die and at least half of the total thickness of the matrix,
  • the passages of the third zone having a dimension which is a third fraction of the length of the die, a dimension which is at least half of the total width of the die and a dimension which is at least half of the thickness of the matrix,
  • the passages of the third zone containing means to promote the indirect heat transfer and possibly the transfer of material
  • the number of passages in the third zone is strictly greater than the number of passages in the second material transfer zone and preferably a multiple of the number of passages in the second zone
  • the first zone is defined by at least three quarters of the total width of the matrix, or even the entire width,
  • the first zone is defined by at least three quarters of the total thickness of the matrix, or even the entire thickness,
  • the second zone is defined by at least three quarters of the total width of the matrix, or even the entire width,
  • the second zone is defined by at least three quarters of the total thickness of the matrix, or even the entire thickness
  • the passages of the first series are each between two passages of the second series and the passages of the second series are each between two passages of the first series, with the exception of the passages at the edge of the die.
  • part of the first, second or third zone may have a different function from that of another part of the same zone
  • At least one flat wall is arranged parallel between a pair of adjacent plates
  • the matrix comprises means for supplying all the passages of the second zone with the same fluid
  • the second zone comprises, or even consists of, a multiplicity of passages adjacent to one another
  • the second zone is defined by a second fraction of the length of the die, at least half of the total width of the die and the total thickness of the die, ie the stack.
  • an apparatus for separating a gas mixture having at least two components using a matrix comprising means for sending the gas mixture cooled and purified in the second ends of at least most of the passages, preferably of all the passages of the second zone, means for leaving a liquid enriched in a component of the gas mixture of the second ends of the passages, preferably of all the passages, as well as:
  • ii) means for sending a circulating fluid in the first series of passages of the first zone and means for sending a liquid to be vaporized in the second series of passages of the first zone.
  • a gas produced by the distillation of the gas mixture in the second zone condenses in the first zone by heat exchange with a refrigerant, and / or
  • a liquid produced by the distillation of the gas mixture vaporizes in the second zone by heat exchange with a circulating fluid.
  • FIGS. 3 and 4 are schematic perspective views of other embodiments of the invention where multiple zones of material transfer and / or indirect heat transfer are produced, possibly associated with the transfer of material;
  • transfer of material will characterize areas in which there is direct contact between at least two fluids. These two fluids are preferably a gas and a liquid but could be two liquids or two gases. Distillation is one of the processes implementing the transfer of material. Note that there can also be a "direct heat transfer” that is to say with contact associated with the transfer of material.
  • FIG. 1A illustrates a matrix 1, intended to form at least part of a separation unit by distillation, or even to form by itself a separation unit by distillation. It could be used to separate air into a nitrogen-enriched fraction and an oxygen-enriched fraction.
  • the air would be separated in a part of the matrix and another part of the matrix would serve to allow the indirect heat transfer between a primary fluid and a secondary fluid, for example to condense the fraction enriched in nitrogen as the primary fluid against the vaporization of the oxygen-enriched fraction or of an oxygen-rich fluid derived from the oxygen-enriched fraction as a secondary fluid.
  • the primary fluid and / or the secondary fluid could be produced by the distillation of a mixture in the material transfer part of the matrix.
  • the matrix 1 comprises a stack of several rectangular plates 4 arranged parallel to each other in a so-called stacking direction, the matrix having a length, a width and a height, the length of a matrix being the largest dimension of the plates. parallels, the width of the matrix being measured perpendicular to the length and the height of the matrix being measured along the direction of stacking of its plates.
  • Each plate 4 has the same length and the same width as the die 1 and can be made of aluminum. It is these plates 4 which provide the mechanical strength framework of the brazed die.
  • zone 2 is placed above zone 3, but the opposite is possible.
  • the first zone 2 and the second zone 3 are connected and the die is constructed to allow the communication of fluid from only a part of the passages of the first zone to the passages of the second zone and to allow the communication of fluid from the passages from the second zone to only part of the passages of the first zone over the entire section.
  • the passages of the first series are not in fluid communication with the second zone 2 and the passages of the second series are in fluid communication with the second zone 3,
  • the second zone 3 comprises, preferably consists of, a multiplicity of passages 22 adjacent to one another.
  • the passages 24 of the first zone 2 have a dimension which is the first fraction of the length of the die, a dimension which is the total width of the die and a dimension which is a fraction of the height of the die.
  • the passages 24 of the first zone 2 contain means for promoting the indirect heat exchange and possibly the transfer of material, means for promoting the heat exchange chosen from the group: waves straight, perforated waves, partially offset waves, louver waves, herringbone waves, structured fillings, bulk fillings.
  • the passages 24 of the first zone 2 are formed by a first series of passages 54,62,72 for channeling at least one refrigerant or circulating fluid and a second series 53,55,60,61, 70 of passages for channeling a fluid produced by the distillation in the second zone, the passages being closed to prevent the fluid produced by the distillation from entering the first series and to prevent the refrigerant or circulating fluid from entering the second series.
  • the passages 22 of the second zone 3 have a dimension which is the second fraction of the length of the die, a dimension which is the total width of the die and a dimension which is a fraction of the height of the die, each passage being defined between two successive plates and extending parallel to a longitudinal axis.
  • the number of passages in the first zone 2 is strictly greater than the number of passages in the second zone 3 and preferably a multiple of the number of passages in the second zone.
  • the passages 22 of the second zone 3, 7, 8, 9 are all supplied with the same gas to be distilled and produce a gas enriched in light component at the top of the passages and a liquid enriched in heavy component at the bottom of the passages.
  • the plates 5 (planar element) have the height of the first zone and the width of the matrix. They are arranged in parallel with the plates 4 in the space between two plates 4 to subdivide the passages between two plates 4 into a plurality of passages 24.
  • the number of passages in the indirect heat transfer zone is at least twice or even three times, or even four or eight times the number of passages in the separation zone by material transfer.
  • the number of passages 22 in the second zone 3 is multiplied by an even number to obtain the number of passages 24 in the first zone 2, for example to have an alternation of a refrigerant passage with a circulating passage.
  • Another preferred embodiment of the invention is to choose a number of passages 22 in zone 3 multiplied by a number multiple of 3 (preferably 3, 6 or 9) so as to have 2 circulating passages flanking 1 refrigerant passage (or possibly the reverse).
  • a circulating passage can operate as a condenser-dephlegmator to ensure the reflux of zone 3 (without a specific liquid distribution device.
  • the gas leaving the top of this passage feeds the second circulating passage which is a conventional condenser in a manner to produce the liquid which will ensure the reflux of a low pressure column
  • an even number of condenser-dephlegmator and conventional condenser passages can be added with a lateral gas outlet.
  • Zones 2, 3 are connected so that nitrogen cannot enter the passages for refrigerant and so that refrigerant cannot pass into the second zone.
  • the nitrogen condenses in part of the passages 24 and descends back to the second zone 3 in liquid form.
  • the refrigerant is at least heated and if it is a liquid, it is preferably vaporized at least partially in passages 24.
  • the matrix 1 optionally comprises means (not shown) for leaving the nitrogen gas at the top of the passages 22 of the second zone 3.
  • a single plate 5 is disposed between each pair of plates 4 to form two passages 24.
  • a partition blocks the bottom of every second passage 24.
  • This column can for example separate the oxygen-enriched liquid coming from the passages 22 of the second zone 3.
  • An oxygen-rich liquid formed at the bottom of the column feeds part of the passages of the matrix 1 in the first zone 2.
  • Figure 3 illustrates a matrix comprising a stack of several plates arranged parallel to each other in a so-called stacking direction, the matrix having a length, a width and a height, the length of a matrix being the largest dimension of the parallel plates, the width of the die being measured perpendicular to the length and the height of the die being measured along the direction of stacking of its plates, each plate having the same length and width as the die, like that of Figure 1A.
  • the matrix comprises five zones including a first zone 2, arranged between the other four zones, two above the first zone 2 and two below the first zone 2.
  • Zone 2 called the indirect heat exchange zone, is defined. by a first fraction of the length of the die, the total width of the die and the total thickness of the die.
  • distillation separation zone defined by a second fraction of the length of the die, the total width of the die and the total thickness of the die.
  • the first zone 2 and the second zone 3 are connected and the die being constructed to allow the communication of fluid coming from only a part of the passages of the first zone to the passages of the second zone and to allow the communication of fluid from the passages from the second zone to only part of the passages of the first zone over the entire section.
  • Zones 2 and 3 have already been described for Figure 1A and will not be redescribed. Below the second zone 3 there is a zone 7 which is an indirect heat exchange zone.
  • This zone 7 serves, for example, to cool the air to be separated down to a cryogenic temperature by indirect heat exchange with at least one product of the distillation which is heated in other passages of zone 7 to a temperature. temperature close to ambient.
  • the number of passages in zone 7 is strictly greater than the number of passages in the second zone 3 and preferably a multiple of the number of passages in the second zone.
  • the number of passages in zone 7 may be equal to or less than or greater than the number of passages in the first zone 2.
  • the number of passages in zone 7 is at least twice, or even at least three times, or even at least eight times the number of passes in the second zone 3.
  • the increase in the number of passages is obtained by arranging the plates 5 parallel to the plates 4, the plates 5 being shorter than the plates 4 and having a length corresponding to the length of the zone 7.
  • the passages in zone 7 contain means for promoting heat exchange chosen from the group: straight waves, perforated waves, partially offset waves, person waves, herringbone waves.
  • Zones 8 and 9 preferably have a number of passages similar to those of the second zone, these zones also being dedicated to distillation.
  • the air cools down to a cryogenic temperature in dedicated passages in zone 7 and at least part of the cooled air is then distributed over all or at least a large majority of the passages in zone 3 where it is separated into a nitrogen-enriched gas and an oxygen-enriched liquid.
  • Nitrogen-enriched gas enters certain passages of Zone 2, condenses there, and falls back to all passages of Zone 3.
  • zone 3 and part of the nitrogen condensed in zone 2 are sent to zones 8 and 9 respectively where they separate at a lower pressure than that of zone 3.
  • An oxygen-rich liquid falls to the base of zone 8 and enters passages of zone 2 not supplied with nitrogen from zone 3.
  • Figure 4 illustrates a matrix comprising a stack of several plates arranged parallel to each other in a so-called stacking direction, the matrix having a length, a width and a height, the length of a matrix being the largest dimension of the parallel plates, the width of the die being measured perpendicular to the length and height of the die being measured in the direction of stacking of its plates, each plate having the same length and width as the die, like that of Figure 1A.
  • Zone 2 The matrix comprises seven zones including a first zone 2, arranged between the other four zones, two above the first zone 2 and two below the first zone 2.
  • Zone 2 called the indirect heat exchange zone, is defined. by a first fraction of the length of the die, the total width of the die and at least half of the total thickness of the die.
  • Zones 7, 3, 8 and 9 correspond to the same functions as those described in figure 3.
  • Zones 7,8 and 9 occupy the total width of the die and the total thickness.
  • Both zone 3 and zone 2 occupy at least half of the stack and occupy the full width of the die.
  • the remainder of the stack opposite zones 2 and 3 is used for zones 21 and 20 for indirect heat exchange. In the case of gas separation from air, this may be the rich liquid sub-cooler for zone 21 and the lean liquid sub-cooler for zone 20.
  • small fractions of the stack and / or of the width can be used for the following functions in the case of gas separation from air: mixing column, Etienne column, sub-cooler, auxiliary vaporizer, pipes (for example square or rectangular) to ensure the circulation of a fluid in two zones of the matrix, column of argon mixture with its condenser, column of argon denitrogenation with its condenser and its reboiler.
  • FIGS. 5A, 5B, 5C and 5D represent another preferred embodiment of the invention in which a number of passages in zone 2 is chosen multiplied by a number multiple of 3 (preferably 3, 6 or 9) so as to have 2 cooling passages flanking 1 refrigerant passage (or possibly the reverse).
  • FIG. 5A represents a refrigerant passage plan for zone 2.
  • FIG. 5B represents a passage plan of a first circulating agent which functions as a condenser-dephlegmator, that is to say that the gas coming from zone 3 will be condensate against the current of the condensed liquid. In this case, there is indirect heat transfer with the adjacent refrigerant passage and material transfer. between the rising gas and the falling liquid inside the passage.
  • FIG. 5C represents a passage plane of a second circulating medium which operates as a condenser, the gas circulating downwards in co-current with the liquid which condenses.
  • Figure 5D shows a side view (or sectional view) of the three passages, with the passage of Figure 5A between the passages of Figures 5B and 5C.
  • the elements 50 represent the closing bars of the passages.
  • the elements 51 crossed diagonal hatching
  • the elements 52 represent exchange or distribution waves, the hatching determining the direction of the waves.
  • FIG. 5D shows a pair of plates 4 separated by two plates 5 to form the three passages, the second circulating passage 55 being designated with a C and an arrow to indicate the liquid which condenses and flows downward.
  • the first passage 53 being a dephlegmation passage, is indicated by a D.
  • This gas transfer is indicated by 56 in Figures 5B, 5C.
  • the gas rising from zone 3 goes into the first circulating passage 53 where it partially condenses.
  • the non-condensed part is extracted at the top of the passage to be distributed in the second circulating passage 55 where it will condense almost completely.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C represent another preferred embodiment of the invention in which a number of passages is chosen in zone 2 multiplied by a number multiple of 4.
  • FIG. 6A represents a refrigerant passage plan 62 for the zone 2.
  • FIG. 6B represents a cooling passage plan which functions as a condenser-dephlegmator D in its lower part 61 and as a condenser C for its upper part 60.
  • FIG. 6C shows a side view (or sectional view) of the passages formed between a pair of plates 4 separated by three plates 5 to form four passages, two of which are refrigerants.
  • the gas rising from zone 3 goes into the lower section of the circulating passages 61 where it partially condenses.
  • the non-condensed part 64 is extracted at the top of this section 61 to be distributed at the top of the upper section of the circulating passages 60 where it will condense almost completely.
  • FIGS. 7A, 7B and 7C represent another preferred embodiment of the invention in which a number of passages is chosen in zone 2 multiplied by a number multiple of 2.
  • a pair of plates 4 is separated by a plate 5
  • FIG. 7A represents a refrigerant passage plan for zone 2.
  • FIG. 7B represents a plan of circulating passages which operates as a condenser-dephlegmator D.
  • FIG. 7C represents a side view (or sectional view) of the two passages 70 , 72.
  • the lower section 71 of the refrigerant passages 72 is used to pass the gas.
  • An opening (or openings) in the separator plate 5 allows gas to enter section 70 which functions as a condenser-dephlegmator.
  • the separating sheet 5 can for example be in two pieces with a space between the two.
  • the gas goes to the lower section of the circulating passages 70 where it partially condenses.
  • At the top of section 70 one can optionally extract non-condensables or part of the gas through opening 74. Liquid falling from section 70 is collected in section 73 so as to:

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Abstract

Matrice, destinée à former au moins une partie d'une unité de séparation par transfert de matière comprenant au moins deux zones dont une première zone (2) dite zone de transfert de chaleur indirect définie par une première fraction de la longueur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l'épaisseur totale de la matrice et une deuxième zone (3,7,8,9) dite zone de séparation par distillation définie par une deuxième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et l'épaisseur totale de la matrice, le nombre de passages (24) dans la première zone étant strictement supérieur au nombre de passages (22) dans la deuxième zone.

Description

Matrice intégrant au moins une fonction d’échange thermique et une fonction de disîïüation
La présente invention est relative à une matrice intégrant au moins une fonction d’échange thermique et une fonction de distillation.
La présente invention concerne une matrice destinée à former au moins une partie d’une unité de séparation par distillation, par exemple un appareil de séparation des gaz de l’air par voie cryogénique. La matrice, de préférence brasée en aluminium, intègre au moins une fonction d’échange thermique et une fonction de distillation.
Dans l’art antérieur, une unité de séparation d’air par cryogénie comprend généralement des échangeurs de chaleur à plaques brasées qui forment en particulier la ligne d’échange thermique principale de l’unité de séparation d’air par cryogénie et le vaporiseur-condenseur mettant en relation d’échange thermique la colonne moyenne pression et la colonne basse pression. Ces deux colonnes de distillation dans lesquelles on réalise du transfert de matière ne sont pas intégrées dans les matrices brasées qui constituent ces échangeurs de chaleur à plaques brasées.
EP0767352 propose d’intégrer un fonction déflegmation dans ces matrices brasées c’est-à-dire une zone dans laquelle on réalise simultanément de l’échange thermique et du transfert de matière.
US6295839 propose d’intégrer dans une matrice brasée des fonctions d’échange de chaleur et de distillation mais il ne décrit comment concevoir une telle matrice brasée (aussi appelée en anglais « core ») de manière à avoir une solution qui soit brasable et qui ait la résistance mécanique nécessaire qui permette de résister à la pression de fonctionnement.
Une matrice brasée comporte un empilement de plaques parallèles délimitant des passages de fluides, ainsi que des entretoises ou ondes d’échange thermique définissant des canaux pour ces fluides. Des barres de fermeture périphériques assurent l’étanchéité des passages de fluides.
La publication scientifique « The structured heat integrated distillation column », Bruinsma O.S.L. et al., Chem Eng Res Des (2012) compare les performances d’ondes classiques d’échangeurs en aluminium brasé telles que décrites dans le document de l’ALPEMA « The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers' association » avec du garnissage ondulé croisé brasé dans une matrice.
Dans le cas du garnissage ondulé-croisé, pour assurer la résistance mécanique, une tôle séparatrice perforée de 1 mm est insérée avant brasage entre les deux tôles ondulées de manière à braser l’ensemble. L’efficacité de l’onde classique est très mauvaise avec une HETP (hauteur équivalente d’un plateau théorique) de l’ordre de 1 .4 mètre. L’efficacité du garnissage ondulé-croisé est meilleure avec des HETP comprises entre 0.2 et 0.4 mètre. Néanmoins, si l’on voulait augmenter l’efficacité du garnissage, il faudrait augmenter sa densité, typiquement au-delà de 1000 m2/m3 voire 1500 m2/m3 pour avoir des HETP inférieures à 100 mm. Pour cela, la hauteur des ondulations passerait de 8-9 mm à 3-4 mm et nécessiterait de doubler le nombre de tôles séparatrices.
US5144809 décrit une matrice ayant une section inférieure avec une fonction d’échange de chaleur et une fonction de distillation dans un corps constitué par un empilement de plaques. Les passages dédiés à la distillation sont séparés les uns des uns par des passages dont la partie supérieure sert à la vaporisation de liquide riche et dont la partie inférieure est vide.
La présente invention vise à proposer un appareil de transfert de matière qui soit efficace (par exemple en permettant d’avoir des HETP inférieures à 100 mm), qui puisse résister à la pression, qui soit facile à fabriquer à moindre coût et dans lequel on puisse intégrer l’échange thermique indirect.
Selon la présente invention, la plupart des voire tous les passages de la deuxième zone ont la même fonction.
De manière connue en soi, un telle matrice brasée a globalement la forme d’un parallélépipède rectangle. Sa longueur est typiquement de 4 à 8 m, sa largeur de 1 à 1 ,5 m et sa hauteur de 1 à 2 m. Par convention, la longueur d’une matrice brasée est la plus grande dimension des plaques parallèles délimitant des passages de fluides. La largeur d’un échangeur de chaleur est mesurée perpendiculairement à la longueur. La hauteur d’un échangeur de chaleur est mesurée suivant la direction d’empilement de ses plaques. Dans ce brevet, la hauteur de la matrice sera aussi appelée épaisseur de la matrice ou empilage de la matrice. La présente invention vise notamment à résoudre les problèmes du brasage et de la résistance mécanique de la matrice brasée tout en assurant les fonctions procédés d’une telle matrice.
À cet effet, l’invention a pour objet une matrice destinée à former au moins une partie d’une unité de séparation par transfert de matière par exemple pour séparer par distillation de l’air en une fraction enrichie en azote et une fraction enrichie en oxygène combinée à une unité de transfert de chaleur indirect entre un fluide primaire et un fluide secondaire, par exemple pour condenser la fraction enrichie en azote comme fluide primaire contre la vaporisation de la fraction enrichie en oxygène ou d’un fluide riche en oxygène dérivé de la fraction enrichie en oxygène comme fluide secondaire,
• ladite matrice comprenant un empilement de plusieurs plaques disposées parallèlement les unes aux autres suivant une direction dite d’empilement, définissant des passages, la matrice ayant une longueur, une largeur et une épaisseur, la longueur d’une matrice étant la plus grande dimension des plaques parallèles, la largeur de la matrice étant mesurée perpendiculairement à la longueur et l’épaisseur de la matrice étant mesurée suivant la direction d’empilement de ses plaques,
• chaque plaque ayant la même longueur et la même largeur que la matrice,
• la matrice comprenant au moins deux zones dont une première zone dite zone de transfert de chaleur indirect définie par une première fraction de la longueur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice et une deuxième zone dite zone de séparation par distillation définie par une deuxième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice,
• la première zone et la deuxième zone étant connexes et la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide venant de seulement une partie des passages de la première zone vers les passages de la deuxième zone et pour permettre la communication de fluide venant des passages de la deuxième zone vers seulement une partie des passages de la première zone,
• l’ensemble des passages de la première zone ayant une dimension qui est la première fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice,
• les passages de la première zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect et éventuellement le transfert de matière et les passages de la deuxième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse,
• les passages de la première zone étant constitués par une première série de passages pour canaliser au moins un fluide frigorigène ou calorigène, les passages de la première série n’étant pas en communication fluidique avec la deuxième zone et une deuxième série de passages pour canaliser un fluide produit par la distillation dans la deuxième zone, les passages de la deuxième série étant en communication fluidique avec la deuxième zone, les passages de la première zone étant fermés pour empêcher le fluide produit par le transfert de matière de rentrer dans la première série et pour empêcher le fluide frigorigène ou calorigène de rentrer dans la deuxième série,
• l’ensemble des passages de la deuxième zone ayant une dimension qui est la deuxième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice, chaque passage étant défini entre deux plaques successives et s’étendant parallèlement à un axe longitudinal,
• le nombre de passages dans la première zone étant strictement supérieur au nombre de passages dans la deuxième zone par distillation et de préférence un multiple du nombre de passages dans la deuxième zone.
Selon d’autres aspects facultatifs :
• le nombre de passages dans la première zone est au moins deux fois, voire au moins trois fois, ou même au moins huit fois le nombre de passages dans la deuxième zone,
• les passages de la première zone contiennent des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect choisis dans le groupe : ondes droites, ondes perforées, ondes à décalage partiel, ondes persiennes, ondes en arête de hareng,
• les passages de la deuxième zone contiennent des moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse choisis dans le groupe : garnissages structurés composés de lamelles superposées ondulées, éventuellement contenus dans une rangée de colonnes à section polygonale, garnissages en vrac, éventuellement contenus dans une rangée de colonnes à section polygonale,
• la matrice comprend au moins une troisième zone dite zone de transfert de matière juxtaposant la première zone, la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide des passages de la première zone vers les passages la troisième zone et des passages de la troisième zone vers les passages de la première zone sur toute la section, la troisième zone dite deuxième zone de transfert de matière définie par une troisième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice,
• les passages de la troisième zone ayant une dimension qui est une troisième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice,
• les passages de la troisième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de matière le nombre de passages dans la première zone est strictement supérieur au nombre de passages dans la troisième zone par distillation et de préférence un multiple du nombre de passages dans la troisième zone,
• la matrice comprend au moins une troisième zone dite zone de transfert de chaleur indirect juxtaposant la deuxième zone, la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide des passages de la deuxième zone vers les passages de la troisième zone et/ou des passages de la troisième zone vers les passages de la deuxième zone sur toute la section, la troisième zone dite deuxième zone de transfert de chaleur indirect définie par une troisième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice,
• les passages de la troisième zone ayant une dimension qui est une troisième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice,
• les passages de la troisième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect et éventuellement le transfert de matière, • le nombre de passages dans la troisième zone est strictement supérieur au nombre de passages dans la deuxième zone de transfert de matière et de préférence un multiple du nombre de passages dans la deuxième zone,
• la première zone est définie par au moins les trois quarts de la largeur totale de la matrice, voire toute la largeur,
• la première zone est définie par au moins les trois quarts de l’épaisseur totale de la matrice, voire toute l’épaisseur,
• la deuxième zone est définie par au moins les trois quarts de la largeur totale de la matrice, voire toute la largeur,
• la deuxième zone est définie par au moins les trois quarts de l’épaisseur totale de la matrice, voire toute l’épaisseur,
• le nombre de passages dans la troisième zone est égal au nombre de passages dans la deuxième zone,
• le nombre de passages dans la troisième zone est égal au nombre de passages dans la première zone,
• les passages de la première ou la deuxième zone sont reliés à une colonne de distillation comprenant une virole cylindrique et à l’intérieur de la virole, des modules de garnissages ondulés croisés,
• les passages de la deuxième zone étant reliés à un échangeur de chaleur, éventuellement constitué par une zone de la matrice,
• les plaques sont en aluminium,
• les moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse dans les passages de la deuxième zone ne sont pas reliés par brasage aux plaques de chaque passage,
• les moyens pour favoriser l’échange de chaleur dans les passages de la première zone sont reliés par brasage aux plaques de chaque passage,
• les passages de la deuxième zone sont définis chacun entre deux plaques adjacentes de la matrice,
• au moins un élément plane est disposé entre chaque paire de plaques adjacentes, l’élément plane étant parallèle aux plaques et divisant l’espace entre deux plaques dans la première zone pour définir les passages de la première zone • les passages de la première série et de la deuxième série de la première zone ont une plus petite dimension qui est au moins deux fois plus petite que la plus petite dimension des passages de la deuxième zone,
• les passages de la première zone sont entre au moins une paroi plane parallèle aux plaques et i) une des plaques ou ii) une autre paroi plane parallèles aux plaques,
• les passages de la première série sont chacun entre deux passages de la deuxième série et les passages de la deuxième série sont chacun entre deux passages de la première série, à exception des passages en bord de matrice.
• une partie de la première, deuxième ou troisième zone peut avoir une fonction différente de celle d’une autre partie de la même zone,
• dans la première zone, au moins une paroi plane est disposée parallèlement entre une paire de plaques adjacentes,
• la matrice comprend des moyens pour alimenter tous les passages de la deuxième zone avec le même fluide,
• la matrice comprend des moyens pour envoyer du gaz de chaque passage de la deuxième zone vers seulement une partie des passages de la première zone sur toute la section,
• la deuxième zone comprend, voire est constituée par, une multiplicité de passages adjacents les uns aux autres,
• la deuxième zone est définie par une deuxième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale de la matrice, c’est-à-dire l’empilement.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange gazeux ayant au moins deux composants utilisant une matrice selon l’une des revendications précédentes, les passages de la première zone ayant chacun une première extrémité et une deuxième extrémité, les passages de la deuxième zone ayant chacun une première extrémité et une deuxième extrémité, les deuxièmes extrémités des passages de la première zone juxtaposant les premières extrémités des passages de la deuxième zone, l’appareil comprenant des moyens pour envoyer le mélange gazeux refroidi et épuré dans les deuxièmes extrémités d’au moins la plupart des passages, de préférence de tous les passages de la deuxième zone, des moyens pour sortir un liquide enrichi en un composant du mélange gazeux des deuxièmes extrémités de passages, de préférence de tous les passages, ainsi que :
i) des moyens pour envoyer un fluide frigorigène dans la première série des passages de la première zone et des moyens pour envoyer un gaz à condenser dans la deuxième série des passages de la première zone, et/ou
ii) des moyens pour envoyer un fluide calorigène dans la première série des passages de la première zone et des moyens pour envoyer un liquide à vaporiser dans la deuxième série des passages de la première zone.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel la distillation s’effectue au moyen d’une matrice telle que décrite ci-dessus ou un appareil tel que décrit ci-dessus et dans lequel :
i) Un gaz produit par la distillation du mélange gazeux dans la deuxième zone se condense dans la première zone par échange de chaleur avec un fluide frigorigène, et/ou
ii) Un liquide produit par la distillation du mélange gazeux se vaporise dans la deuxième zone par échange de chaleur avec un fluide calorigène.
Les modes de réalisation de l’invention et les variantes de l’invention mentionnés ci-avant peuvent être pris isolément ou selon toute combinaison techniquement possible.
La présente invention sera bien comprise et ses avantages ressortiront aussi à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 est composée des figures 1A, 1 B et 1C ; la figure 1A est une vue schématique en perspective d’une matrice en aluminium brasé conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;
les figures 1 B et 1 C illustrent des variantes d’un détail de la figure 1A ; la figure 2 est une vue schématique où l’on associe une matrice selon l’invention à une colonne à distiller classique ;
les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en perspective d’autres modes de réalisation de l’invention où l’on réalise de multiples zone de transfert de matière et/ou de transfert de chaleur indirect éventuellement associé à du transfert de matière ; la figure 5, composée des figures 5A, 5B, 5C et 5D, représente des plans de passage et une vue de côté d’une variante de l’invention ; la figure 6 composée des figures 6A, 6B, et 6C et la figure 7, composée des figures 7A, 7B, et 7C, représente deux autres variantes.
Dans la suite de la description, le terme « transfert de matière » caractérisera des zones dans lesquelles il y a un contact direct entre au moins deux fluides. Ces deux fluides sont, de préférence un gaz et un liquide mais pourraient être deux liquides ou deux gaz. La distillation fait partie des procédés mettant en œuvre le transfert de matière. A noter qu’il peut aussi y avoir un « transfert de chaleur direct » c’est-à-dire avec contact associé au transfert de matière.
Le terme « transfert de chaleur indirect » caractérisera des zones où il y a un échange de chaleur sans contact direct entre deux fluides, un fluide primaire et un fluide secondaire. S’il n’y a pas de changement de la composition des fluides primaires et secondaires entre l’entrée et la sortie, il s’agit d’un échange de chaleur stricto sensu. Dans le cas où la composition du fluide primaire et/ou du fluide secondaire change entre l’entrée et la sortie, on parle alors de déflegmation. Par exemple, dans le cas de la séparation des gaz de l’air, la fraction enrichie en azote dans la colonne moyenne pression peut continuer à s’enrichir en azote dans un condenseur-déflegmateur duquel le fluide sortira en bas sous forme d’une fraction liquide non enrichie en azote et en haut d’un gaz enrichi en azote.
La Figure 1 A illustre une matrice 1 , destinée à former au moins une partie une unité de séparation par distillation, voire à former par elle-même une unité de séparation par distillation. Elle pourrait servir pour séparer de l’air en une fraction enrichie en azote et une fraction enrichie en oxygène.
Ainsi l’air serait séparé dans une partie de la matrice et une autre partie de la matrice servirait à permettre le transfert de chaleur indirect entre un fluide primaire et un fluide secondaire, par exemple pour condenser la fraction enrichie en azote comme fluide primaire contre la vaporisation de la fraction enrichie en oxygène ou d’un fluide riche en oxygène dérivé de la fraction enrichie en oxygène comme fluide secondaire.
Le fluide primaire et/ou le fluide secondaire pourrait être produit par la distillation d’un mélange dans la partie transfert de matière de la matrice.
La matrice 1 comprend un empilement de plusieurs plaques rectangulaires 4 disposées parallèlement les unes aux autres suivant une direction dite d’empilement, la matrice ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la longueur d’une matrice étant la plus grande dimension des plaques parallèles, la largeur de la matrice étant mesurée perpendiculairement à la longueur et la hauteur de la matrice étant mesurée suivant la direction d’empilement de ses plaques. Chaque plaque 4 a la même longueur et la même largeur que la matrice 1 et peut être en aluminium. Ce sont ces plaques 4 qui assurent l’ossature de tenue mécanique de la matrice brasée.
La matrice comprend au moins deux zones dont une première zone 2 dite zone de transfert de chaleur indirect définie par une première fraction de la longeur de la matrice, la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale de la matrice et une deuxième zone 3 dite zone de transfert de matière définie par une deuxième fraction de la longeur de la matrice, la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale de la matrice.
La ligne 6 illustre la division entre les deux zones 2,3 mais ne correspond pas à une moyen de séparation entre elles.
Dans cet exemple la zone 2 est disposée en dessus de la zone 3 mais le contraire est possible.
La première zone 2 et la deuxième zone 3 sont connexes et la matrice est construite pour permettre la communication de fluide venant de seulement une partie des passages de la première zone vers les passages de la deuxième zone et pour permettre la communication de fluide venant des passages de la deuxième zone vers seulement une partie des passages de la première zone sur toute la section. Les passages de la première série ne sont pas en communication fluidique avec la deuxième zone 2 et les passages de la deuxième série sont en communication fluidique avec la deuxième zone 3,
La première zone 2 comprend, de préférence est constituée par, une multiplicité de passages 24 adjacents les uns aux autres.
La deuxième zone 3 comprend, de préférence est constituée par, une multiplicité de passages 22 adjacents les uns aux autres.
Les passages 24 de la première zone 2 ont une dimension qui est la première fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est la largeur totale de la matrice et une dimension qui est une fraction de la hauteur de la matrice.
Les passages 24 de la première zone 2 contiennent des moyens pour favoriser l’échange de chaleur indirect et éventuellement le transfert de matière, des moyens pour favoriser l’échange de chaleur choisis dans le groupe : ondes droites, ondes perforées, ondes à décalage partiel, ondes persiennes, ondes en arête de hareng, garnissages structurés, garnissages en vrac.
Les passages 22 de la deuxième zone 3 contenant des moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse, choisis dans le groupe : garnissages structurés composés de lamelles superposées ondulées, garnissages en vrac, éventuellement contenus dans une rangée de colonnes à section polygonale.
Les passages 24 de la première zone 2 sont constitués par une première série de passages 54,62,72 pour canaliser au moins un fluide frigorigène ou calorigène et une deuxième série 53,55,60,61 ,70 de passages pour canaliser un fluide produit par la distillation dans la deuxième zone, les passages étant fermés pour empêcher le fluide produit par la distillation de rentrer dans la première série et pour empêcher le fluide frigorigène ou calorigène de rentrer dans la deuxième série.
Les passages 22 de la deuxième zone 3 ont une dimension qui est la deuxième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est la largeur totale de la matrice et une dimension qui est une fraction de la hauteur de la matrice, chaque passage étant défini entre deux plaques successives et s’étendant parallèlement à un axe longitudinal.
Le nombre de passages dans la première zone 2 est strictement supérieur au nombre de passages dans la deuxième zone 3 et de préférence un multiple du nombre de passages dans la deuxième zone.
Les passages 22 de la deuxième zone 3, 7, 8, 9 sont tous alimentés par le même gaz à distiller et produisent un gaz enrichi en composant léger en haut des passages et un liquide enrichi en composant lourd en bas des passages.
Du gaz est envoyé depuis chaque passage 22 de la deuxième zone 3, 7, 8, 9 vers seulement une partie des passages de la première zone 2,
Ainsi tous les passages 22 de la deuxième zone ont la même fonction.
Dans l’exemple de l’air est envoyé à la plupart des passages 22 de la deuxième zone, voire tous les passages. L’air y est séparé formant un gaz riche en azote en haut des passages 22 et un liquide enrichi en oxygène descend vers le bas des passages 22. Le gaz riche en azote pénètre dans un passage 24 sur deux des passages de la première zone 2. Il y a échange de la chaleur avec un fluide frigorigène envoyé à un passage 24 sur des passages de la première zone 2, de sorte que l’azote est réchauffé à travers les parois planes constituées par des plaques 5 de la première zone.
Les plaques 5 (élément planaire) ont la hauteur de la première zone et la largeur de la matrice. Elles sont disposées en parallèle avec les plaques 4 dans l’espace entre deux plaques 4 pour subdiviser les passages entre deux plaques 4 en une pluralité de passages 24.
En disposant une seule plaque 5, on obtient deux passages 24 ayant la moitié de la largeur d’un passage 22.
En disposant une trois plaques 5, on obtient quatre passages 24 ayant le quart de la largeur d’un passage 22.
Par exemple, le nombre de passages dans la zone de transfert de chaleur indirect est au moins deux fois, voire trois fois, ou même quatre ou huit fois le nombre de passages dans la zone de séparation par transfert de matière.
De préférence, le nombre de passages 22 dans la deuxième zone 3 est multiplié par un nombre pair pour obtenir le nombre de passages 24 dans la première zone 2 par exemple pour avoir une alternance d’un passage frigorigène avec un passage calorigène.
Un autre mode préférentielle de réalisation de l’invention est de choisir un nombre de passages 22 dans la zone 3 multiplié par un nombre multiple de 3 (préférentiellement 3, 6 ou 9) de manière à avoir 2 passages calorigènes encadrant 1 passage frigorigène (ou éventuellement l’inverse). Dans ce cas, un passage calorigène peut fonctionner en condenseur-dephlegmateur pour assurer le reflux de la zone 3 (sans dispositif de distribution de liquide spécifique. Le gaz sortant en haut de ce passage alimente le second passage calorigène qui est un condenseur classique de manière à produire le liquide qui va assurer le reflux d’une colonne basse pression. Dans le cas précédent d’un nombre de passages pair condenseur-dephlegmateur et condenseur classique peuvent être supperposés avec une sortie latérale du gaz.
Sinon, il est possible de n’avoir qu’un condenseur classique alimenté en gaz par le haut. Là, il faudra avec en bas de la zone 2 un dispositif d’extraction de liquide pour alimenter la colonne basse pression et un dispositif de distribution du liquide dans la zone 3. D’autres façons de subdiviser l’espace entre les deux plaques 4 peuvent être envisagées. Plutôt que de rajouter au moins une plaques 5 ou en plus de rajouter au moins une plaque 5, on pourrait rajouter des colonnes.
Les zones 2,3 sont reliés de sorte que l’azote ne puisse pas pénétrer dans les passages destinés au fluide frigorigène et de sorte que le fluide frigorigène ne peut passer dans la deuxième zone.
Ainsi, l’azote se condense dans une partie des passages 24 et redescend vers la deuxième zone 3 sous forme liquide. Le fluide frigorigène est au moins chauffé et s’il s’agit d’un liquide, il est de préférence vaporisé au moins partiellement dans les passages 24.
La matrice 1 comprend éventuellement des moyens (non illustrés) pour sortir de l’azote gazeux en haut des passages 22 de la deuxième zone 3.
Il sera compris que le détail des plaques n’est illustré que sur la droite de la Figure 1A mais que toute la matrice est constituée comme on le voit sur la droite.
Dans la Figure 1 B, une seule plaque 5 est disposée entre chaque paire de plaques 4 pour former deux passages 24. Une cloison bloque le fond d’un passage 24 sur deux.
Dans la Figure 1 C, trois plaques 5 sont disposées entre chaque paire de plaques 4 pour former quatre passages 24. Une cloison bloque le fond d’un passage 24 sur deux.
La Figure 2 montre le cas où la matrice est associée à une colonne de distillation à virole cylindrique 1 1 . Le fluide frigorigène vaporisé dans les passages 24 de la première zone 3 résulte d’un liquide tombant de la colonne 1 1 qui est le fluide frigorigène.
Cette colonne peut par exemple séparer le liquide enrichi en oxygène provenant des passages 22 de la deuxième zone 3. Un liquide riche en oxygène formé en bas de la colonne alimente une partie des passages de la matrice 1 dans la première zone 2.
La Figure 3 illustre une matrice comprenant un empilement de plusieurs plaques disposées parallèlement les unes aux autres suivant une direction dite d’empilement, la matrice ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la longueur d’une matrice étant la plus grande dimension des plaques parallèles, la largeur de la matrice étant mesurée perpendiculairement à la longueur et la hauteur de la matrice étant mesurée suivant la direction d’empilement de ses plaques, chaque plaque ayant la même longueur et la même largeur que la matrice, comme celle de la Figure 1A.
La matrice comprend cinq zones dont une première zone 2, disposée entre les quatre autres zones, deux au-dessus de la première zone 2 et deux en dessous de la première zone 2. La zone 2 dite zone d’échange de chaleur indirect est définie par une première fraction de la longeur de la matrice, la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale de la matrice.
Elle se trouve juste au-dessus d’une deuxième zone 3 dite zone de séparation par distillation définie par une deuxième fraction de la longeur de la matrice, la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale de la matrice.
La première zone 2 et la deuxième zone 3 sont connexes et la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide venant de seulement une partie des passages de la première zone vers les passages de la deuxième zone et pour permettre la communication de fluide venant des passages de la deuxième zone vers seulement une partie des passages de la première zone sur toute la section.
Les zones 2 et 3 ont déjà été décrites pour la Figure 1 A et ne seront pas redécrites. En dessous de la deuxième zone 3 on trouve une zone 7 qui est une zone d’échange de chaleur indirect.
Au-dessus de la première zone 2, on trouve deux zones 8,9 qui sont des zones de distillation.
Dans la zone 7, différents passages sont affectés à différents fluides de sorte qu’il n’y a pas de transfert de matière entre les passages ou à l’intérieur des passages de la zone.
Cette zone 7 sert, par exemple à refroidir de l’air à séparer jusqu’à une température cryogénique par échange de chaleur indirect avec au moins un produit de la distillation qui se réchauffe dans d’autres passages de la zone 7 jusqu’à une température proche de l’ambiante.
Le nombre de passages dans la zone 7 est strictement supérieur au nombre de passages dans la deuxième zone 3 et de préférence un multiple du nombre de passages dans la deuxième zone. Le nombre de passages dans la zone 7 peut être égal ou inférieur ou supérieur au nombre de passages dans la première zone 2. Le nombre de passages dans la zone 7 est au moins deux fois, voire au moins trois fois, ou même au moins huit fois le nombre de passages dans la deuxième zone 3.
L’augmentation du nombre de passages est obtenue en disposant des plaques 5 parallèles aux plaques 4, les plaques 5 étant plus courtes que les plaques 4 et ayant une longueur correspondant à la longueur de la zone 7.
Les passages de la zone 7 contiennent des moyens pour favoriser l’échange de chaleur choisis dans le groupe : ondes droites, ondes perforées, ondes à décalage partiel, ondes personnes, ondes en arête de hareng.
Les zones 8 et 9 ont de préférence un nombre de passages similaire à ceux de la deuxième zone, ces zones étant également dédiées à la distillation.
Pour décrire rapidement le fonctionnement de la matrice pour effectuer un refroidissement et une distillation correspondant à ceux d’un appareil de séparation d’air à double colonne, les étapes sont les suivantes :
L’air se refroidit jusqu’à une température cryogénique dans des passages dédiés de la zone 7 et au moins une partie de l’air refroidi est ensuite distribué sur la totalité ou au moins une grande majorité des passages de la zone 3 où il est séparé en un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en oxygène. Le gaz enrichi en azote pénètre dans certains passages de la zone 2, s’y condense et retombe vers tous les passages de la zone 3.
Le liquide enrichi en oxygène de la zone 3 et une partie de l’azote condensé dans la zone 2 sont envoyés aux zones 8 et 9 respectivement où ils se séparent à une pression plus basse que celle de la zone 3.
Un liquide riche en oxygène tombe vers le base de la zone 8 et pénètre dans des passages de la zone 2 non-alimentés par l’azote de la zone 3.
Un échange de chaleur entre les passages de la zone 2 alimentées en azote et les passages de la zone 2 alimentés en oxygène produit l’azote condensé déjà mentionné et de l’oxygène vaporisé qui remonte dans la zone 8 et est pris comme produit pour se réchauffer dans la zone 7 contre l’air. S’y réchauffe également au moins un gaz enrichi en azote pris dans la zone 9.
La Figure 4 illustre une matrice comprenant un empilement de plusieurs plaques disposées parallèlement les unes aux autres suivant une direction dite d’empilement, la matrice ayant une longueur, une largeur et une hauteur, la longueur d’une matrice étant la plus grande dimension des plaques parallèles, la largeur de la matrice étant mesurée perpendiculairement à la longueur et la hauteur de la matrice étant mesurée suivant la direction d’empilement de ses plaques, chaque plaque ayant la même longueur et la même largeur que la matrice, comme celle de la Figure 1A.
La matrice comprend sept zones dont une première zone 2, disposée entre les quatre autres zones, deux au-dessus de la première zone 2 et deux en dessous de la première zone 2. La zone 2 dite zone d’échange de chaleur indirect est définie par une première fraction de la longeur de la matrice, la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice. Les zones 7, 3, 8 et 9 corespondent aux mêmes fonctions que celles décrites pour la figure 3. Les zones 7,8 et 9 occupent la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale. La zone 3 comme la zone 2 n’occupe qu’au moins la moitié de l’empilage et occupent la largeur totale de la matrice. Le reste de l’empilage en vis-à-vis des zones 2 et 3 est utilisé pour pour des zones 21 et 20 d’échange de chaleur indirect. Dans le cas de la séparation des gaz de l’air, il peut s’agir du sous-refroidisseur de liquide riche pour la zone 21 et du sous-refroidisseur de liquide pauvre pour la zone 20.
Il est aussi enviseageable de réaliser ces zone d’échange indirect destinées au sous-refroidissement des liquides riche et pauvre en utilisant une faible fraction de la largeur de la matrice.
D’une manière générale, de faibles fractions de l’empilage et/ou de la largeur peuvent être utilisés pour les fonctions suivantes dans le cas de la séparation de gaz de l’air : colonne de mélange, colonne Etienne, sous-refroisseur, vaporiseur auxiliaire, tuyaux (par exemple carré ou rectangulaires) pour assurer la circulation d’un fluide en deux zones de la matrice, colonne de mixture argon avec son condenseur, colonne de déazotation de l’argon avec son condenseur et son rebouilleur.
Les figures 5A, 5B, 5C et 5D représentent un autre mode préférentiel de réalisation de l’invention dans lequel on choisit un nombre de passages dans la zone 2 multiplié par un nombre multiple de 3 (préférentiellement 3, 6 ou 9) de manière à avoir 2 passages calorigènes encadrant 1 passage frigorigène (ou éventuellement l’inverse). La figure 5A représente un plan de passage frigorigène pour la zone 2. La figure 5B représente un plan de passage d’un premier calorigène qui fonctionne en condenseur-déphlegmateur c’est-à-dire que le gaz provenant de la zone 3 va se condenser à contre-courant du liquide condensé. Dans ce cas, il y a transfert de chaleur indirect avec le passage frigorigène adjacent et transfert de matière entre le gaz ascendant et le liquide descendant à l’intérieur du passage. Le liquide sortant de ces passages assure directement le reflux dans la zone 3. La figure 5C représente un plan de passage d’un deuxième calorigène qui fonctionne en condenseur, le gaz circule vers le bas à co-courant du liquide qui se condense. La figure 5D représente une vue de côté (ou vue en coupe) des trois passages, avec le passage de la figure 5A entre les passages des figures 5B et 5C. Les éléments 50 représentent les barres de fermeture des passages. Les éléments 51 (hachures diagonales croisées) représentent comme les passages 22 des Figures 1 B et 1 C des moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse. Les éléments 52 repésentent des ondes d’échanges ou de distribution, les hachures déterminant le sens des ondes. Pour éviter la fuite entre un passage frigorigène et un passage calorigène, on a disposé un système de double barres 50 en bas du passage frigorigène et en haut des passages calorigènes. La zone entre les deux barres est à une pression inférieure à celle des passages frigorigènes et calorigènes. Une boîte latérale peut collecter la fuite. La figure 5D montre une paire de plaques 4 séparées par deux plaques 5 pour former les trois passages, le deuxième passage calorigène 55 étant désigné avec un C et une flèche pour indiquer le liquide qui condense et s’école vers le bas. Le premier passage 53, étant un passage de déphlegmation, est indiqué par un D. Le groupe de plaques de la figure D est disposé entre deux autres groupes de plaques identique de sorte que le deuxième passage 55 côtoie un premier passage 53 d’un groupe adjacent. De même le premier passage 53 est à côté d’un troisième passage 55 d’un groupe adjacent. De cette façon, le gaz d’un premier passage peut passer dans un troisième passage.
Ce transfert de gaz est indiqué par 56 sur les figures 5B, 5C.
Le gaz montant de la zone 3 va dans le premier passage calorigène 53 où il se condense partiellement. La partie non-condensée est extraite en haut du passage pour être distribuée dans le deuxième passage calorigène 55 où elle se condensera quasi- totalement.
Les figures 6A, 6B et 6C représentent un autre mode préférentiel de réalisation de l’invention dans lequel on choisit un nombre de passages dans la zone 2 multiplié par un nombre multiple de 4. La figure 6A représente un plan de passage frigorigène 62 pour la zone 2. La figure 6B représente un plan de passage calorigène qui fonctionne en condenseur-déphlegmateur D dans sa partie basse 61 et en condenseur C pour sa partie haute 60. La figure 6C représente une vue de côté (ou vue en coupe) des passages formé entre une paire de plaques 4 séparées par trois plaques 5 pour former quatre passages, dont deux frigorigènes
62 et deux calorigènes.
Le gaz montant de la zone 3 va dans la section basse des passages calorigènes 61 où il se condense partiellement. La partie non-condensée 64 est extraite en haut de cette section 61 pour être distribuée en haut de la section haute des passages calorigènes 60 où elle se condensera quasi- totalement.
Les figures 7A, 7B et 7C représentent un autre mode préférentiel de réalisation de l’invention dans lequel on choisit un nombre de passages dans la zone 2 multiplié par un nombre multiple de 2. Ici une paire de plaques 4 est séparée par une plaque 5. La figure 7A représente un plan de passage frigorigène pour la zone 2. La figure 7B représente un plan de passages calorigène qui fonctionne en condenseur- déphlegmateur D. La figure 7C représente une vue de côté (ou vue en coupe) des deux passages 70,72.
Pour éviter que le gaz montant de la zone 3 ne croise le liquide qui est récolté dans la zone 73, on utilise la section basse 71 des passages frigorigènes 72 pour faire passer le gaz. Une ouverture (ou des ouvertures) dans la tôle séparatrice 5 permet au gaz de rentrer dans la section 70 qui fonctionne en condenseur- déphlegmateur. Pour réaliser cette ouverture, la tôle séparatrice 5 peut par exemple être en deux morceaux avec un espace entre les deux. Le gaz va dans la section basse des passages calorigènes 70 où il se condense partiellement. En haut de la section 70, on peut extraire éventuellement des incondensables ou une partie du gaz par l’ouverture 74. Le liquide tombant de la section 70 est collecté dans la section 73 de manière à :
• pouvoir en extraire une fraction par l’ouverture 75 et assurer par exemple le reflux d’une zone 9 telle que repésentée sur la figure 3.
• pouvoir distribuer le liquide par des orifices calibrés 76 pour assurer le reflux dans la zone 3.
De tels dispositifs peuvent aussi être appliqués à d’autres procédés que la séparation des gaz de l’air.
La distribution de fluides passant d’une zone à l’autre peut être effectuée comme illustré dans US5144809 en utilisant des boîtes de collection pour sortir les fluides d’une zone et pour les renvoyer dans une autre zone. Pour toutes les figures, l’ensemble des passages 23 de la première zone 2 ont une dimension qui est la première fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice. L’ensemble des passages 22 de la deuxième zone 3, 7, 8, 9 ont une dimension qui est la deuxième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice, chaque passage étant défini entre deux plaques successives et s’étendant parallèlement à un axe longitudinal. II est envisageable d’incorporer dans la matrice des moyens pour envoyer un fluide calorigène dans la première série des passages de la première zone 2 et des moyens pour envoyer un liquide à vaporiser dans la deuxième série des passages de la première zone 2.

Claims

Revendications
1 . Matrice, destinée à former au moins une partie d’une unité de séparation par transfert de matière par exemple pour séparer par distillation de l’air en une fraction enrichie en azote et une fraction enrichie en oxygène combinée à une unité de transfert de chaleur indirect entre un fluide primaire et un fluide secondaire, par exemple pour condenser la fraction enrichie en azote comme fluide primaire contre la vaporisation de la fraction enrichie en oxygène ou d’un fluide riche en oxygène dérivé de la fraction enrichie en oxygène comme fluide secondaire,
• ladite matrice comprenant un empilement de plusieurs plaques (4) disposées parallèlement les unes aux autres suivant une direction dite d’empilement, définissant des passages (22,23), la matrice ayant une longueur, une largeur et une épaisseur, la longueur d’une matrice étant la plus grande dimension des plaques parallèles, la largeur de la matrice étant mesurée perpendiculairement à la longueur et l’épaisseur de la matrice étant mesurée suivant la direction d’empilement de ses plaques,
• chaque plaque ayant la même longueur et la même largeur que la matrice,
• la matrice comprenant au moins deux zones dont une première zone (2) dite zone de transfert de chaleur indirect définie par une première fraction de la longueur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice et une deuxième zone (3, 7, 8,9) dite zone de séparation par distillation définie par une deuxième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice,
• la première zone et la deuxième zone étant connexes et la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide venant de seulement une partie des passages de la première zone vers les passages de la deuxième zone et pour permettre la communication de fluide venant des passages (22) de la deuxième zone vers seulement une partie des passages de la première zone, • l’ensemble des passages (24) de la première zone ayant une dimension qui est la première fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice,
• les passages de la première zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect et éventuellement le transfert de matière et les passages de la deuxième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse,
• les passages de la première zone étant constitués par une première série (54,62,72) de passages pour canaliser au moins un fluide frigorigène ou calorigène, les passages de la première sérié n’étant pas en communication fluidique avec la deuxième zoneet une deuxième série (53,55,60,61 ,70) de passages pour canaliser un fluide produit par la distillation dans la deuxième zone, les passages de la deuxième série étant en communication fluidique avec la deuxième zone, les passages de la première zone étant fermés pour empêcher le fluide produit par le transfert de matière de rentrer dans la première série et pour empêcher le fluide frigorigène ou calorigène de rentrer dans la deuxième série,
• l’ensemble des passages de la deuxième zone ayant une dimension qui est la deuxième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice, chaque passage étant défini entre deux plaques successives et s’étendant parallèlement à un axe longitudinal et
• le nombre de passages (24,53,54,55,60,61 ,62,70,72) dans la première zone étant strictement supérieur au nombre de passages (22) dans la deuxième zone par distillation et de préférence un multiple du nombre de passages dans la deuxième zone.
2. Matrice selon la revendication 1 , dans laquelle le nombre de passages (24,53,54,55,60,61 ,62, 70,72) dans la première zone est au moins deux fois, voire au moins trois fois, ou même au moins huit fois le nombre de passages (22) dans la deuxième zone.
3. Matrice selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les passages (24,53,54,55,60,61 ,62,70,72) de la première zone (2) contiennent des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect choisis dans le groupe : ondes droites, ondes perforées, ondes à décalage partiel, ondes persiennes, ondes en arête de hareng.
4. Matrice selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les passages (22) de la deuxième zone (3, 7, 8, 9) contiennent des moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse choisis dans le groupe : garnissages structurés composés de lamelles superposées ondulées, éventuellement contenus dans une rangée de colonnes à section polygonale, garnissages en vrac, éventuellement contenus dans une rangée de colonnes à section polygonale.
5. Matrice selon l’une des revendications précédentes comprenant au moins une troisième zone (8) dite zone de transfert de matière juxtaposant la première zone, la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide des passages de la première zone (2) vers les passages de la troisième zone et des passages de la troisième zone vers les passages (24) de la première zone sur toute la section, la troisième zone dite deuxième zone de transfert de matière définie par une troisième fraction de la longeur de la matrice, la largeur totale de la matrice et l’épaisseur totale de la matrice
• les passages de la troisième zone ayant une dimension qui est une troisième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est la largeur totale de la matrice et une dimension qui est l’épaisseur de la matrice,
• les passages de la troisième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de matière, le nombre de passages dans la première zone étant strictement supérieur au nombre de passages dans la troisième zone par distillation et de préférence un multiple du nombre de passages dans la troisième zone.
6. Matrice selon l’une des revendications précédentes comprenant au moins une troisième zone (7) dite zone de transfert de chaleur indirect juxtaposant la deuxième zone(3), la matrice étant construite pour permettre la communication de fluide des passages de la deuxième zone vers les passages de la troisième zone et/ou des passages de la troisième zone vers les passages de la deuxième zone sur toute la section, la troisième zone dite deuxième zone de transfert de chaleur indirect définie par une troisième fraction de la longeur de la matrice, au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et au moins la moitié de l’épaisseur totale de la matrice,
• les passages de la troisième zone ayant une dimension qui est une troisième fraction de la longueur de la matrice, une dimension qui est au moins la moitié de la largeur totale de la matrice et une dimension qui est au moins la moitié de l’épaisseur de la matrice,
• les passages de la troisième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect et éventuellement le transfert de matière,
• le nombre de passages dans la troisième zone (8) est strictement supérieur au nombre de passages (22) dans la deuxième zone (3) de transfert de matière et de préférence un multiple du nombre de passages dans la deuxième zone.
7. Matrice selon la revendication 6 dans lequel le nombre de passages dans la troisième zone (8) est égal au nombre de passages (24) dans la première zone (2).
8. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans lequel les plaques (4,5) sont en aluminium.
9. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle les moyens pour favoriser le transfert de matière entre une phase liquide et une phase gazeuse dans les passages de la deuxième zone ne sont pas reliés par brasage aux plaques (4,5) de chaque passage.
10. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle les moyens pour favoriser l’échange de chaleur dans les passages de la première zone sont reliés par brasage aux plaques (4,5) de chaque passage.
11. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle les passages de la deuxième zone sont définis chacun entre deux plaques (4) adjacentes de la matrice.
12. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle au moins un élément plane (5) est disposé entre chaque paire de plaques adjacentes, l’élément plane étant parallèle aux plaques et divisant l’espace entre deux plaques dans la première zone pour définir les passages (53,54,55,60,61 ,62,70,72) de la première zone.
13. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle les passages, éventuellement, de la première série et de la deuxième série, de la première zone (53,54,55,60,61 ,62,70,72) ont une hauteur qui est au moins deux fois plus petite que la hauteur des passages de la deuxième zone.
14. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle les passages de la première zone (53,54,55,60,61 ,62,70,72) sont entre au moins une paroi plane (5) parallèle aux plaques et i) une des plaques (4) ou ii) une autre paroi plane (5) parallèle aux plaques.
15. Matrice selon l’une des revendications précédentes comprenant des moyens pour alimenter tous les passages (22) de la deuxième zone (3, 7, 8, 9) avec le même fluide.
16. Matrice selon l’une des revendications précédentes comprenant des moyens pour envoyer du gaz de chaque passage (22) de la deuxième zone (3, 7, 8, 9) vers seulement une partie des passages de la première zone (2) sur toute la section.
17. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la deuxième zone comprend une multiplicité de passages adjacents les uns aux autres.
18. Appareil de séparation d’un mélange gazeux ayant au moins deux composants utilisant une matrice selon l’une des revendications précédentes, les passages (24, 53,54,55,60,61 ,62,70,72) de la première zone (2) ayant chacun une première extrémité et une deuxième extrémité, les passages (22) de la deuxième zone (3, 7, 8, 9) ayant chacun une première extrémité et une deuxième extrémité, les deuxièmes extrémités des passages de la première zone juxtaposant les premières extrémités des passages de la deuxième zone, l’appareil comprenant des moyens pour envoyer le mélange gazeux refroidi et épuré dans les deuxièmes extrémités d’au moins la plupart des passages, de préférence de tous les passages de la deuxième zone, des moyens pour sortir un liquide enrichi en un composant du mélange gazeux des deuxièmes extrémités de passages, de préférence de tous les passages, ainsi que :
i) des moyens pour envoyer un fluide frigorigène dans la première série des passages (54,62,72) de la première zone (2) et des moyens pour envoyer un gaz à condenser dans la deuxième série (53,55,60,61 ,70) des passages de la première zone et/ou
i) des moyens pour envoyer un fluide calorigène dans la première série des passages de la première zone et des moyens pour envoyer un liquide à vaporiser dans la deuxième série des passages de la première zone.
19. Procédé de séparation d’un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel la distillation s’effectue au moyen d’une matrice telle que décrite dans une des revendications 1 à 17 ou un appareil selon la revendication 18 et dans lequel :
i) Un gaz produit par la distillation du mélange gazeux dans la deuxième zone (3, 7, 8, 9) se condense dans la première zone (2) par échange de chaleur avec un fluide frigorigène et/ou
ii) Un liquide produit par la distillation du mélange gazeux se vaporise dans la deuxième zone (3) par échange de chaleur avec un fluide calorigène.
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