EP3931504A1 - Matrix integrating at least one heat exchange function and one distillation function - Google Patents

Matrix integrating at least one heat exchange function and one distillation function

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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)
French (fr)
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
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Priority claimed from FR1901868A external-priority patent/FR3093170B1/en
Priority claimed from FR1901872A external-priority patent/FR3093174B1/en
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

A matrix, intended to form at least one part of a material-transfer separation unit, comprising at least two zones, including a first zone (2), referred to as indirect heat transfer zone, defined by a first fraction of the length of the matrix, at least half the total width of the matrix and at least half the total thickness of the matrix, and a second zone (3, 7, 8, 9), referred to as distillation separation zone, defined by a second fraction of the length of the matrix, at least half the total width of the matrix and the total thickness of the matrix, wherein the number of passes (24) through the first zone is strictly greater than the number of passes (22) through the second zone.

Description

Matrice intégrant au moins une fonction d’échange thermique et une fonction de disîïüation Matrix integrating at least one heat exchange function and one separation function
La présente invention est relative à une matrice intégrant au moins une fonction d’échange thermique et une fonction de distillation. The present invention relates to a matrix integrating at least one heat exchange function and one distillation function.
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. 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.
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. In the prior art, 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 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. 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.
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. US6295839 proposes to integrate heat exchange and distillation functions into a brazed matrix, but it does not describe how to design such a brazed matrix (also called in English "core") so as to have a solution which is brazable and which has the necessary mechanical strength to withstand the operating pressure.
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. 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.
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. The scientific publication "The structured heat integrated distillation column", Bruinsma OSL et al., Chem Eng Res Des (2012) compares the performance of conventional waves of brazed aluminum exchangers as described in the ALPEMA document “The standards of the brazed aluminum plate-fin heat exchanger manufacturers' association” with crossed corrugated packing brazed in a die.
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. In the case of cross-corrugated lining, to ensure mechanical strength, a 1 mm perforated separator sheet is inserted before brazing between the two corrugated sheets so as to solder the assembly. The efficiency of the classical wave is very poor with a HETP (equivalent height of a theoretical plateau) of the order of 1 .4 meter. The efficiency of cross-corrugated packing is better with HETP between 0.2 and 0.4 meters. However, if we wanted to increase the efficiency of the packing, we would have to increase its density, typically beyond 1000 m2 / m3 or even 1500 m2 / m3 to have HETP less than 100 mm. For this, the height of the corrugations would go from 8-9 mm to 3-4 mm and would require doubling the number of separating sheets.
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. 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.
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. 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.
Selon la présente invention, la plupart des voire tous les passages de la deuxième zone ont la même fonction. According to the present invention, most if not all of the passages of the second zone have the same function.
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. In a manner known per se, 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. By convention, 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.
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, To this end, 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,
• 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, • 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,
• chaque plaque ayant la même longueur et la même largeur que la matrice, • each plate having the same length and the same width as the die,
• 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, • 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,
• 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, • 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,
• 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, • all the passages of the first zone having a dimension which is the first fraction of the length of the matrix, a dimension which is at least at least half of the total width of the die and a dimension which is at least at least half of the thickness of the die,
• 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, • the passages of the first zone containing means for promoting indirect heat transfer and possibly the transfer of material and the passages of the second zone containing means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase,
• 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, • 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,
• 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, • 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,
• 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. • 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.
Selon d’autres aspects facultatifs : According to other optional aspects:
• 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, • 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,
• 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, • 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,
• 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, • the passages of the second zone contain means to promote the transfer of material between a liquid phase and a gas phase chosen from the group: structured packings composed of undulating superimposed lamellae, possibly contained in a row of columns with a polygonal section, loose packings, possibly contained in a row of columns with a polygonal section,
• 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, • 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,
• 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, • 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,
• 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, • 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 ,
• 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, • 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,
• 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, • 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,
• 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,• 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,
• la première zone est définie par au moins les trois quarts de la largeur totale de la matrice, voire toute la largeur, • the first zone is defined by at least three quarters of the total width of the matrix, or even the entire width,
• la première zone est définie par au moins les trois quarts de l’épaisseur totale de la matrice, voire toute l’épaisseur, • the first zone is defined by at least three quarters of the total thickness of the matrix, or even the entire thickness,
• la deuxième zone est définie par au moins les trois quarts de la largeur totale de la matrice, voire toute la largeur, • the second zone is defined by at least three quarters of the total width of the matrix, or even the entire width,
• la deuxième zone est définie par au moins les trois quarts de l’épaisseur totale de la matrice, voire toute l’épaisseur, • the second zone is defined by at least three quarters of the total thickness of the matrix, or even the entire thickness,
• le nombre de passages dans la troisième zone est égal au nombre de passages dans la deuxième zone, • the number of passages in the third zone is equal to the number of passages in the second zone,
• le nombre de passages dans la troisième zone est égal au nombre de passages dans la première zone, • the number of passages in the third zone is equal to the number of passages in the first 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, • the passages of the first or the second zone are connected to a distillation column comprising a cylindrical shell and inside the shell, crossed corrugated packing modules,
• les passages de la deuxième zone étant reliés à un échangeur de chaleur, éventuellement constitué par une zone de la matrice, • the passages of the second zone being connected to a heat exchanger, possibly constituted by a zone of the matrix,
• les plaques sont en aluminium, • the plates are in aluminum,
• 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, • the means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase in the passages of the second zone are not connected by brazing to the plates of each 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, • the means to promote heat exchange in the passages of the first zone are connected by brazing to the plates of each passage,
• les passages de la deuxième zone sont définis chacun entre deux plaques adjacentes de la matrice, • the passages of the second zone are each defined between two adjacent plates of the matrix,
• 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, • at least one flat element is arranged between each pair of adjacent plates, the flat element being parallel to the plates and dividing the space between two plates in the first zone to define the passages of the first zone • the passages of the first series and of the second series of the first zone have a smaller dimension which is at least two times smaller than the smallest dimension of the passages of the second 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, • the passages of the first zone are between at least one flat wall parallel to the plates and i) one of the plates or ii) another flat wall parallel to the plates,
• 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. • 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.
• une partie de la première, deuxième ou troisième zone peut avoir une fonction différente de celle d’une autre partie de la même zone, • part of the first, second or third zone may have a different function from that of another part of the same zone,
• dans la première zone, au moins une paroi plane est disposée parallèlement entre une paire de plaques adjacentes, • in the first zone, at least one flat wall is arranged parallel between a pair of adjacent plates,
• la matrice comprend des moyens pour alimenter tous les passages de la deuxième zone avec le même fluide, • the matrix comprises means for supplying all the passages of the second zone with the same fluid,
• 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, • the matrix comprises means for sending gas from each passage of the second zone to only part of the passages of the first zone over the entire section,
• la deuxième zone comprend, voire est constituée par, une multiplicité de passages adjacents les uns aux autres, • the second zone comprises, or even consists of, a multiplicity of passages adjacent to one another,
• 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. • 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.
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 : According to another aspect of the invention, there is provided an apparatus for separating a gas mixture having at least two components using a matrix according to one of the preceding claims, the passages of the first zone each having a first end and a second end, the passages of the second zone each having a first end and a second end, the second ends of the passages of the first zone juxtaposing the first ends of the passages of the second zone, the apparatus 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:
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 i) means for sending a refrigerant in the first series of passages of the first zone and means for sending a gas to be condensed in the second series of passages of the first zone, and / or
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. 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.
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 : According to another object of the invention, there is provided a process for separating a gas mixture by cryogenic distillation in which the distillation is carried out by means of a matrix as described above or an apparatus as described above. above and in which:
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 i) 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
ii) Un liquide produit par la distillation du mélange gazeux se vaporise dans la deuxième zone par échange de chaleur avec un fluide calorigène. ii) A liquid produced by the distillation of the gas mixture vaporizes in the second zone by heat exchange with a circulating fluid.
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. The embodiments of the invention and the variants of the invention mentioned above can be taken in isolation or in any technically possible combination.
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 : The present invention will be well understood and its advantages will also become apparent in the light of the description which follows, given solely by way of non-limiting example and made with reference to the accompanying drawings, in which:
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 ; Figure 1 is made up of Figures 1A, 1B and 1C; Figure 1A is a schematic perspective view of a brazed aluminum die according to a first embodiment of the 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 ; Figures 1B and 1C illustrate variants of a detail of Figure 1A; Figure 2 is a schematic view where a matrix according to the invention is associated with a conventional distillation column;
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. 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; FIG. 5, composed of FIGS. 5A, 5B, 5C and 5D, represents passage planes and a side view of a variant of the invention; FIG. 6 composed of FIGS. 6A, 6B, and 6C and FIG. 7, made up of FIGS. 7A, 7B, and 7C, represents two other variants.
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. In the remainder of the description, the term “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.
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. The term "indirect heat transfer" will characterize areas where there is heat exchange without direct contact between two fluids, a primary fluid and a secondary fluid. If there is no change in the composition of the primary and secondary fluids between the inlet and the outlet, it is a stricto sensu heat exchange. In the event that the composition of the primary fluid and / or the secondary fluid changes between the inlet and the outlet, this is referred to as dephlegmation. For example, in the case of gas separation from air, the fraction enriched in nitrogen in the medium pressure column can continue to be enriched in nitrogen in a condenser-delegmator from which the fluid will exit at the bottom in the form of a liquid fraction not enriched in nitrogen and at the top of a gas enriched in nitrogen.
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. 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.
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. Thus 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.
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. 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.
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. 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.
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. The matrix comprises at least two zones including a first zone 2 called the indirect heat transfer zone defined by a first fraction of the length of the matrix, the total width of the matrix and the total thickness of the matrix and a second zone 3 said material transfer 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.
La ligne 6 illustre la division entre les deux zones 2,3 mais ne correspond pas à une moyen de séparation entre elles. Line 6 illustrates the division between the two zones 2, 3 but does not correspond to a means of separation between them.
Dans cet exemple la zone 2 est disposée en dessus de la zone 3 mais le contraire est possible. In this example, zone 2 is placed above zone 3, but the opposite is 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, 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,
La première zone 2 comprend, de préférence est constituée par, une multiplicité de passages 24 adjacents les uns aux autres. The first zone 2 comprises, preferably consists of, a multiplicity of passages 24 adjacent to one another.
La deuxième zone 3 comprend, de préférence est constituée par, une multiplicité de passages 22 adjacents les uns aux autres. The second zone 3 comprises, preferably consists of, a multiplicity of passages 22 adjacent to one another.
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. 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.
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. 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.
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. The passages 22 of the second zone 3 containing means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase, chosen from the group: structured packings composed of corrugated superimposed lamellae, bulk packings, optionally contained in a row of columns with polygonal section.
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. 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.
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. 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.
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. 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.
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. 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.
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, Gas is sent from each passage 22 of the second zone 3, 7, 8, 9 to only part of the passages of the first zone 2,
Ainsi tous les passages 22 de la deuxième zone ont la même fonction. Thus all the passages 22 of the second zone have the same function.
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. In the example, air is sent to most of the passages 22 of the second zone, or even all of the passages. The air is separated there, forming a nitrogen-rich gas at the top of the passages 22 and an oxygen-enriched liquid descends towards the bottom of the passages 22. The nitrogen-rich gas enters one passage 24 out of two of the passages of the first zone 2. . There is an exchange of heat with a refrigerant sent to a passage 24 on passages of the first zone 2, so that the nitrogen is heated through the flat walls formed by plates 5 of the first 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. 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.
En disposant une seule plaque 5, on obtient deux passages 24 ayant la moitié de la largeur d’un passage 22. By placing a single plate 5, we obtain two passages 24 having half the width of a passage 22.
En disposant une trois plaques 5, on obtient quatre passages 24 ayant le quart de la largeur d’un passage 22. By arranging three plates 5, we obtain four passages 24 having a quarter of the width of a 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. For example, 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.
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. Preferably, 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.
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. 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). In this case, 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 In the previous case, an even number of condenser-dephlegmator and conventional condenser passages can be added with a lateral gas outlet.
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. Otherwise, it is possible to have only a conventional condenser supplied with gas from the top. There, at the bottom of zone 2, a liquid extraction device will be needed to supply the low pressure column and a device for distributing the liquid in zone 3. Other ways of subdividing the space between the two plates 4 can be considered. Rather than adding at least one plate 5 or in addition to adding at least one plate 5, one could add columns.
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. Zones 2, 3 are connected so that nitrogen cannot enter the passages for refrigerant and so that refrigerant cannot pass into the second 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. Thus, 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.
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. 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.
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. It will be understood that the detail of the plates is shown only on the right of Figure 1A but that the entire matrix is made up as seen on the right.
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. In Figure 1B, 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.
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. In Figure 1C, three plates 5 are arranged between each pair of plates 4 to form four passages 24. A partition blocks the bottom of every second passage 24.
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. Figure 2 shows the case where the matrix is associated with a cylindrical shell distillation column 1 1. The refrigerant vaporized in the passages 24 of the first zone 3 results from a liquid falling from the column 11 which is the refrigerant.
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. 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.
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. 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.
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. 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.
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. It is located just above a second zone 3 known as the 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.
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. 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.
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. 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.
Au-dessus de la première zone 2, on trouve deux zones 8,9 qui sont des zones de distillation. Above the first zone 2, there are two zones 8, 9 which are distillation zones.
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. In Zone 7, different passages are assigned to different fluids so that there is no transfer of material between the passages or within the passages of the 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. 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.
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. 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.
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. 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.
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. 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.
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. Zones 8 and 9 preferably have a number of passages similar to those of the second zone, these zones also being dedicated to 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 : To quickly describe the operation of the matrix to perform cooling and distillation corresponding to that of a double column air separation apparatus, the steps are as follows:
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. 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.
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. The oxygen-enriched liquid from 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.
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. An oxygen-rich liquid falls to the base of zone 8 and enters passages of zone 2 not supplied with nitrogen from 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. An exchange of heat between the passages of zone 2 supplied with nitrogen and the passages of zone 2 supplied with oxygen produces the already mentioned condensed nitrogen and vaporized oxygen which rises in zone 8 and is taken as product to be warm in zone 7 against the air. At least one nitrogen-enriched gas taken from zone 9 is also heated there.
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. 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.
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. 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.
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. It is also possible to realize these indirect exchange zones intended for the sub-cooling of rich and lean liquids using a small fraction of the width of the matrix.
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. In general, 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.
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. 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. The liquid leaving these passages directly ensures the reflux in zone 3. 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) represent, like the passages 22 of Figures 1B and 1C, means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase. The elements 52 represent exchange or distribution waves, the hatching determining the direction of the waves. To prevent the leak between a refrigerant passage and a circulating passage, a system of double bars 50 has been placed at the bottom of the refrigerant passage and at the top of the circulating passages. The area between the two bars is at a lower pressure than that of the refrigerant and circulating passages. A side box can collect the leak. Figure 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. The group of plates in FIG. D is arranged between two other groups of identical plates so that the second passage 55 runs alongside a first passage 53 of a group adjacent. Likewise the first passage 53 is next to a third passage 55 of an adjacent group. In this way, gas from a first pass can pass into a third pass.
Ce transfert de gaz est indiqué par 56 sur les figures 5B, 5C. This gas transfer is indicated by 56 in 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. 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.
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 frigorigènesFIGS. 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.
62 et deux calorigènes. 62 and two calorigenes.
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. 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.
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. 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. Here 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.
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 : To prevent the rising gas from zone 3 crossing the liquid which is collected in zone 73, 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. To achieve this opening, 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:
• 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. • be able to extract a fraction of it through opening 75 and ensure, for example, the reflux of a zone 9 as shown in Figure 3.
• pouvoir distribuer le liquide par des orifices calibrés 76 pour assurer le reflux dans la zone 3. • be able to distribute the liquid through calibrated orifices 76 to ensure reflux in zone 3.
De tels dispositifs peuvent aussi être appliqués à d’autres procédés que la séparation des gaz de l’air. Such devices can also be applied to processes other than the separation of gases from 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. The distribution of fluids passing from one zone to another can be carried out as illustrated in US5144809 using collection boxes to take fluids out of one zone and to return them to another zone. For all the figures, the set of passages 23 of the first zone 2 have a dimension which is the first 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 at least half the thickness of the die. The set of passages 22 of the second zone 3, 7, 8, 9 have a dimension which is the second fraction of the length of the die, a dimension which is at least at least half of the total width of the die and a dimension which is at least half the thickness of the die, each passage being defined between two successive plates and extending parallel to a longitudinal axis. It is conceivable to incorporate in the matrix means for sending circulating fluid into the first series of passages of first zone 2 and means for sending liquid to be vaporized into the second series of passages of first zone 2.

Claims

Revendications Claims
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, 1. Matrix, intended to form at least part of a material transfer separation unit, for example to separate air by distillation into a nitrogen-enriched fraction and an oxygen-enriched fraction combined with an indirect heat transfer unit between a primary fluid and a secondary fluid, for example to condense the fraction enriched in nitrogen as primary fluid against the vaporization of the fraction enriched in oxygen or of an oxygen-rich fluid derived from the fraction enriched in oxygen as secondary fluid,
• 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, • said matrix comprising a stack of several plates (4) arranged parallel to each other in a so-called stacking direction, defining passages (22,23), the matrix having a length, a width and a thickness, the length d 'a matrix being the largest dimension of the 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,
• chaque plaque ayant la même longueur et la même largeur que la matrice, • each plate having the same length and the same width as the die,
• 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, • the matrix comprising at least two zones including a first zone (2) 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 (3, 7, 8,9) 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 matrix,
• 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, • 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 ( 22) from the second zone to only part of the passages in the first zone, • the set of passages (24) of the first zone having a dimension which is the first 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 at least half of the thickness of the matrix,
• 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, • the passages of the first zone containing means for promoting the indirect heat transfer and possibly the transfer of material and the passages of the second zone containing means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase,
• 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, • the passages of the first zone being constituted by a first series (54,62,72) 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 (53,55,60,61, 70) 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,
• 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• the set of passages of the second zone having a dimension which is the second fraction of the length of the die, a dimension which is at least at least half of the total width of the die and a dimension which is at least the half the thickness of the die, each passage being defined between two successive plates and extending parallel to a longitudinal axis and
• 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. • the number of passages (24,53,54,55,60,61, 62,70,72) in the first zone being strictly greater than the number of passages (22) in the second zone by distillation and preferably a multiple of number of passages in the second 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. 2. Matrix according to claim 1, wherein the number of passages (24,53,54,55,60,61, 62, 70,72) in the first zone is at least twice, or even at least three times, or even at least eight times the number of passages (22) in the second 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. 3. Matrix according to claim 1 or 2 wherein the passages (24,53,54,55,60,61, 62,70,72) of the first zone (2) contain means for promoting the indirect heat transfer chosen. in the group: straight waves, perforated waves, partially offset waves, louver waves, herringbone waves.
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. 4. Matrix according to claim 1 or 2 wherein the passages (22) of the second zone (3, 7, 8, 9) contain means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase chosen from the group : structured packings made up of superimposed corrugated lamellae, possibly contained in a row of columns with a polygonal section, loose packings, possibly contained in a row of columns with a polygonal section.
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 5. Matrix according to one of the preceding claims comprising at least a third zone (8) called material transfer zone juxtaposing the first zone, the matrix being constructed to allow the fluid communication of the passages from the first zone (2) to the passages from the third zone and the passages from the third zone to the passages (24) 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, the total width of the die and the total thickness of the die
• 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, • the passages of the third zone having a dimension which is a third fraction of the length of the matrix, a dimension which is the total width of the matrix and a dimension which is the thickness of the matrix,
• 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. • the passages of the third zone containing means for promoting the transfer of material, the number of passages in the first zone being 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 zoned.
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, 6. Matrix according to one of the preceding claims comprising at least a third zone (7) called indirect heat transfer zone juxtaposing the second zone (3), the matrix being constructed to allow communication of fluid from the passages from the second zone to the passages from the third zone and / or from the passages from the third zone to the passages from 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 die,
• 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, • 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,
• les passages de la troisième zone contenant des moyens pour favoriser le transfert de chaleur indirect et éventuellement le transfert de matière, • the passages of the third zone containing means to promote the indirect heat transfer and possibly the transfer of material,
• 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. • the number of passages in the third zone (8) is strictly greater than the number of passages (22) in the second zone (3) of material transfer and preferably a multiple of the number of passages in the second 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). 7. A die according to claim 6, in which the number of passages in the third zone (8) is equal to the number of passages (24) in the first zone (2).
8. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans lequel les plaques (4,5) sont en aluminium. 8. Die according to one of the preceding claims wherein the plates (4,5) are made of aluminum.
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. 9. Matrix according to one of the preceding claims wherein the means for promoting the transfer of material between a liquid phase and a gas phase in the passages of the second zone are not connected by brazing to the plates (4,5) of each. 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. 10. Die according to one of the preceding claims wherein the means for promoting heat exchange in the passages of the first zone are connected by brazing to the plates (4,5) of each 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. 11. Matrix according to one of the preceding claims, in which the passages of the second zone are each defined between two adjacent plates (4) of the matrix.
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. 12. Die according to one of the preceding claims wherein at least one planar element (5) is arranged between each pair of adjacent plates, the planar element being parallel to the plates and dividing the space between two plates in the first zone for define the passages (53,54,55,60,61, 62,70,72) of the first 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. 13. Matrix according to one of the preceding claims wherein the passages, optionally, of the first series and of the second series, of the first zone (53,54,55,60,61, 62,70,72) have a height that is at least twice as small as the height of the passages in the second 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. 14. Matrix according to one of the preceding claims wherein the passages of the first zone (53,54,55,60,61, 62,70,72) are between at least one flat wall (5) parallel to the plates and i ) one of the plates (4) or ii) another flat wall (5) parallel to the plates.
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. 15. Matrix according to one of the preceding claims comprising means for supplying all the passages (22) of the second zone (3, 7, 8, 9) with the same fluid.
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. 16. Matrix according to one of the preceding claims comprising means for sending gas from each passage (22) of the second zone (3, 7, 8, 9) to only part of the passages of the first zone (2) on the whole section.
17. Matrice selon l’une des revendications précédentes dans laquelle la deuxième zone comprend une multiplicité de passages adjacents les uns aux autres. 17. Matrix according to one of the preceding claims, in which the second zone comprises a multiplicity of passages adjacent to one another.
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 : 18. Apparatus for separating a gas mixture having at least two components using a matrix according to one of the preceding claims, the passages (24, 53,54,55,60,61, 62,70,72) of the first zone (2) each having a first end and a second end, the passages (22) of the second zone (3, 7, 8, 9) each having a first end and a second end, the second ends of the passages of the first zone juxtaposing the first ends of the passages of the second zone, the apparatus comprising means for sending the cooled and purified gas mixture into the second ends of at least most of the passages, preferably of all the passages of the second zone, means for removing a liquid enriched in a component of the gas mixture from the second ends of the passages, preferably from all the passages, as well as:
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) means for sending a refrigerant into the first series of passages (54,62,72) of the first zone (2) and means for sending a gas to be condensed in the second series (53,55,60,61 , 70) passages of the first zone and / or
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. i) 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.
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 : 19. A method of separating a gas mixture by cryogenic distillation in which the distillation is carried out by means of a matrix as described in one of claims 1 to 17 or an apparatus according to claim 18 and in which:
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 i) A gas produced by the distillation of the gas mixture in the second zone (3, 7, 8, 9) condenses in the first zone (2) by heat exchange with a refrigerant and / or
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. ii) A liquid produced by the distillation of the gas mixture vaporizes in the second zone (3) by heat exchange with a circulating fluid.
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