FR2726896A1 - Installation et procede de separation des composants de l'air par distillation cryogenique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une installation de séparation des composants de l'air dans une colonne de distillation (26). Elle comprend un compresseur (2) pour produire de l'air comprimé, des moyens de réfrigération (4, 70) pour refroidir l'air comprimé sortant du compresseur (2), une unité de dessiccation/décarbonation (10), une boîte froide (12) dans laquelle l'air est refroidi jusqu'à sa température de liquéfaction puis distillé, avec production d'un gaz résiduaire (16). Le gaz résiduaire (16) est introduit dans un tube de Ranque (52). Il est détendu et séparé en un flux chaud (72) et en un flux froid (74). Le flux chaud (72) traverse l'unité de dessiccation/décarbonation (10). Le flux froid (74) traverse une partie au moins des moyens de réfrigération (70, 76, 78) pour refroidir l'air comprimé.
Description
La présente invention concerne une installation de séparation des composants de l'air par distillation cryogénique.
On connaît actuellement différents procédés de séparation des composants de l'air. Le plus employé consiste à distiller ces composants, à savoir essentiellement l'oxygène, l'azote et l'argon. Cette distillation s'effectue à très basse température dans des appareils à simple, double, ou à triple colonnes en fonction de la demande à satisfaire.
Selon ce procédé l'air est comprimé à une pression de 5 à 10 bars environ, puis il est refroidi jusqu'à sa température de début de condensation (- 170 C environ à cette pression) dans une ligne d'échange en contrecourant des produits de séparation.
Préalablement à sa distillation l'air doit être purifié par élimination des impuretés qu'il contient, notamment le gaz carbonique et l'eau présente sous forme de vapeur. Cette étape de dessiccation/décarbonatation s'effectue généralement par adsorption sur des substances micro-poreuses, par exemple l'alumine et les tamis moléculaires, qui ont la propriété de retenir préférentiellement certaines molécules plutôt que d'autres.
Pour favoriser l'adsorption, il est nécessaire que la température de l'air soit relativement basse (5 à 10 C environ) et sa pression relativement élevée. Or, lorsque l'air est comprimé à une pression de 5 à 10 bars comme on l'a expliqué antérieurement, sa température s'élève de quelques dizaines de degrés. Il est donc nécessaire de le refroidir. Un premier refroidissement est effectué par échange de chaleur direct ou indirect avec l'air ambiant, par exemple dans une tour air-eau. Mais le refroidissement par l'air ambiant reste insuffisant. La condensation de la vapeur d'eau est en effet d'autant plus complète que la température de l'air est plus basse.
Un refroidissement complémentaire est donc avantageux.
Dans les installations actuellement connues, ce refroidissement est obtenu par un groupe frigorifique qui réalise un apport de puissance froide en contrepartie d'une consommation d'énergie destinée à comprimer un fluide frigorigène de cycle. On utilise également des sécheurs frigorifiques qui condensent l'eau en un point froid mais réchauffent ensuite l'air pour minimiser la puissance frigorifique requise.
Dans le cas où l'on utilise un groupe frigorifique, l'air est plus sec lorsqu'il pénètre dans l'adsorbeur.
Par suite la quantité de substances adsorbantes (l'alumine) nécessaire pour éliminer la vapeur d'eau résiduelle est diminuée. En outre, l'air qui sort du groupe frigorifique pour pénétrer dans l'adsorbeur est également plus froid si bien que les substances adsorbantes prévues pour éliminer le gaz carbonique (les tamis moléculaires) travaillent dans les meilleures conditions et la quantité nécessaire de ces substances est également diminuée.
Dans le cas où l'on utilise un sécheur frigorifique, l'avantage est surtout sensible en ce qui concerne l'alumine, utilisée pour éliminer la vapeur d'eau, puisque l'air est beaucoup plus sec à sa sortie du sécheur. En revanche la quantité de tamis moléculaires nécessaire reste sensiblement égale parce que l'air, qui a été réchauffé pour minimiser la puissance frigorifique requise, sort du sécheur à une température proche de la température d'entrée.
Lorsque les substances adsorbantes sont saturées il est nécessaire de les régénérer. Cette régénération est obtenue en faisant circuler un gaz sec et exempt de gaz carbonique.
Pour favoriser la régénération, on utilise communément un gaz à une faible pression et à une température relativement élevée (60 à 80 C). Ce gaz est généralement un gaz résiduaire de la distillation.
Dans les installations de production importantes, la détente du gaz résiduaire s'effectue dans une turbine, ce qui permet de récupérer l'énergie de détente sous forme de travail. Ce travail est utilisé pour produire une puissance froide.
Dans les installations moins importantes on ne prévoit pas de turbine. Le gaz résiduaire est alors simplement détendu dans une vanne de laminage et son énergie de pression résiduelle n'est pas valorisée. La fraction de puissance frigorifique que l'on peut récupérer en détendant le gaz résiduaire dans une turbine fait défaut. C'est pourquoi les appareils simplifiés de ce type doivent être tenus en froid par un appoint (biberonnage) de liquide cryogénique.
A la sortie de la ligne d'échange, le gaz résiduaire, qui s'est réchauffé à contre-courant de l'air entrant, est à une température inférieure de quelques degrés à la température de l'air entrant. Cette température est trop basse pour que la régénération des substances adsorbantes de l'unité de dessiccation/décarbonatation puisse s'effectuer de manière satisfaisante. Il est donc nécessaire de réchauffer ce gaz au moyen d'une source de chaleur extérieure, par exemple un réchauffeur électrique ou à vapeur.
Les inconvénients d'une installation de production simplifiée, ctest-à-dire ne comportant pas de turbine qui permettrait la récupération de l'énergie de pression résiduelle du gaz, sont donc les suivants
- l'énergie du gaz enrichi en oxygène est dissipée en pure perte.
- l'énergie du gaz enrichi en oxygène est dissipée en pure perte.
Par ailleurs, et comme pour les installations qui comportent une turbine
- il est nécessaire d'effectuer un apport de chaleur extérieur pour réchauffer le gaz résiduaire
- il est nécessaire d'effectuer un apport de puissance froide pour refroidir l'air avant son introduction dans l'unité de dessiccation/décarbonatation.
- il est nécessaire d'effectuer un apport de chaleur extérieur pour réchauffer le gaz résiduaire
- il est nécessaire d'effectuer un apport de puissance froide pour refroidir l'air avant son introduction dans l'unité de dessiccation/décarbonatation.
Il en résulte donc un investissement matériel, la nécessité d'entretenir ce matériel et un coût énergétique.
L'invention a précisément pour objet une installation de séparation des composant de l'air qui remédie à ces inconvénients.
Cette installation se propose de récupérer l'énergie de pression résiduelle du gaz qui sort de la boîte froide et de supprimer la nécessité d'un apport de chaleur extérieur pour réchauffer le gaz de régénération et d'un apport de puissance froide pour effectuer un refroidissement complémentaire de l'air comprimé.
Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait que l'installation comporte un tube de Ranque dans lequel le gaz résiduaire est introduit pour être détendu et séparé en un flux chaud et en un flux froid, le flux chaud traversant l'unité de dessiccation/décarbonatation, et/ou le flux froid traversant une partie au moins des moyens de réfrigération pour refroidir l'air comprimé.
Dans la majorité des cas on utilise à la fois le flux chaud et le flux froid. Toutefois, il peut se produire, dans des cas particuliers, que l'on utilise seulement le flux chaud ou seulement le flux froid, par exemple parce qu'on dispose d'une source complémentaire peu onéreuse, voir gratuite.
Grâce à ces caractéristiques on supprime l'investissement en matériel pour le refroidissement de l'air comprimé (groupe frigorifique ou groupe sécheur), pour le réchauffage du gaz résiduaire (réchauffeur électrique ou à vapeur), ainsi que la vanne de laminage dont le tube de Ranque fait office.
On supprime également l'entretien relatif à ces matériels, ainsi que la dépense énergétique nécessaire pour les faire fonctionner.
En contre-partie le tube de Ranque est un appareil simple, solide, fiable et compact. Il est entièrement statique et son entretien est très réduit.
En outre le tube de Ranque ne nécessite aucun apport d'énergie extérieur puisqu'il récupère l'énergie de pression du gaz résiduaire sortant de la boîte froide.
Cette énergie est suffisante. Aucune puissance froide ou chaude complémentaire n'est nécessaire.
Selon un premier mode de réalisation les moyens de réfrigération comprennent au moins un échangeur de chaleur.
Selon un autre mode de réalisation, les moyens de réfrigération comprennent un sécheur constitué d'un premier échangeur dans lequel l'air comprimé subit un premier refroidissement et d'un second échangeur de chaleur dans lequel l'air comprimé est refroidi sur un point froid puis renvoyé dans le premier échangeur pour refroidir l'air entrant.
Selon une variante de réalisation l'installation comporte un échangeur de chaleur supplémentaire dans lequel le flux froid sortant du tube de Ranque est réchauffé par échange de chaleur avec l'air ambiant.
Selon une autre variante de réalisation, l'installation comporte un échangeur de chaleur dans lequel le flux chaud sortant du tube de Ranque est refroidi par échange de chaleur avec l'air ambiant.
L'invention concerne également un procédé de séparation des composants de l'air par distillation cryogénique dans lequel on comprime l'air, on le refroidit, on le sèche et on le décarbonate en le faisant circuler sur des substances adsorbantes, on le refroidit jusqu'à sa température de liquéfaction, et on le distille avec production d'un gaz résiduaire.
Ce procédé se caractérise en ce que l'on sépare le gaz résiduaire en un flux chaud et en un flux froid au moyen d'un tube de Ranque, en ce que l'on refroidit l'air comprimé par échange de chaleur avec le flux froid de gaz résiduaire sortant du tube de Ranque et/ou en ce que l'on régénère l'adsorbeur par une circulation du flux chaud de gaz résiduaire sortant du tube de Ranque.
Selon une variante de réalisation de ce procédé, tout ou partie du flux froid de gaz résiduaire est mélangé au flux chaud après avoir refroidi l'air et l'on régénère l'adsorbeur en faisant circuler le mélange des deux flux.
Selon une autre variante on régénère l'adsorbeur par une onde de chaleur par le flux chaud, puis par un balayage avec le mélange du flux chaud et du flux froid réchauffé par échange avec l'air comprimé, puis par un refroidissement avec le seul flux froid réchauffé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- La figure 1 illustre une installation de production d'azote de l'art antérieur
- la figure 2 est une vue à échelle agrandie montrant le détail de la boîte froide d'une installation de production d'azote telle que celle qui est représentée sur la figure 1
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un tube de Ranque
- la figure 4 représente un premier mode de réalisation d'une installation de production d'azote conforme à l'invention
- la figure 5 représente un second mode de réalisation de l'invention utilisant un sécheur
- la figure 6 représente une variante de réalisation de l'invention dans laquelle on maximise la puissance chaude fournie par le tube de Ranque
- la figure 7 représente une variante de l'invention dans laquelle on maximise la puissance froide fournie par le tube de Ranque.
- La figure 1 illustre une installation de production d'azote de l'art antérieur
- la figure 2 est une vue à échelle agrandie montrant le détail de la boîte froide d'une installation de production d'azote telle que celle qui est représentée sur la figure 1
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un tube de Ranque
- la figure 4 représente un premier mode de réalisation d'une installation de production d'azote conforme à l'invention
- la figure 5 représente un second mode de réalisation de l'invention utilisant un sécheur
- la figure 6 représente une variante de réalisation de l'invention dans laquelle on maximise la puissance chaude fournie par le tube de Ranque
- la figure 7 représente une variante de l'invention dans laquelle on maximise la puissance froide fournie par le tube de Ranque.
On a représenté sur la figure 1 une installation de production d'azote conforme à l'art antérieur. L'air ambiant est comprimé au moyen d'un compresseur d'air 2 jusqu'à une pression de 5 à 10 bars. L'air comprimé est ensuite refroidi par échange de chaleur avec l'air ambiant, par exemple dans un réfrigérant à eau 4. Etant donné que ce refroidissement n'est pas suffisant l'air doit ensuite subir un refroidissement complémentaire dans un groupe frigorifique ou dans un sécheur frigorifique 6. La vapeur d'eau contenue dans l'air est recueillie dans une bouteille 8 puis l'air saturé est introduit dans une unité 10 de dessiccation/décarbonatation. L'unité 10 comprend deux bouteilles ou deux séries de bouteilles renfermant des substances adsorbantes sur lesquelles l'air circule.Une des bouteilles ou l'une des séries de bouteilles de l'unité 10 travaille (adsorption de l'eau et du gaz carbonique) pendant que l'autre est régénérée.
Après son passage dans l'unité 10 l'air est introduit dans la boîte froide 12 représentée schématiquement par un rectangle sur la figure 1. En sortie de boîte froide on récupère d'une part une fraction d'azote gazeux 14 et d'autre part un gaz enrichi en oxygène 16 encore appelé gaz résiduaire.
Dans un appareil qui ne produit que de l'azote, comme celui qui est représenté sur la figure 1, la fraction d'azote est de 42 % et la fraction de gaz résiduaire de 58 %. Le gaz résiduaire 16 dont la pression atteint plusieurs bars est détendu dans une vanne de laminage 18 puis réchauffé, par exemple dans un réchauffeur électrique 20. Après passage dans l'unité de dessiccation/décarbonatation 10, le gaz résiduaire est mis à l'air.
Etant donné qu'une installation de ce type, conçue pour une production d'azote en petite quantité, ne comporte pas de turbine, l'énergie de pression résiduelle du gaz 16 n'est pas récupérée. C'est pourquoi on prévoit de maintenir la boîte froide 12 en température grâce à un biberonnage d'azote liquide contenu dans un réservoir cryogénique 22.
On a représenté sur la figure 2 une vue de détail de la boîte froide 12 de l'installation représentée sur la figure 1. Elle comporte un échangeur de chaleur 24 et une colonne simple de distillation 26.
Après son passage dans l'unité de dessiccation/décarbonatation 10, l'air est refroidi jusqu'à une température de liquéfaction (- 170 C) dans l'échangeur 24. Dans cet échangeur l'air circule à contre-courant du gaz résiduaire 16, ainsi que de la circulation d'azote liquide provenant du réservoir cryogénique 22. L'azote gazeux 28 qui sort à la partie intermédiaire de la colonne 26 circule également au travers de l'échangeur 24 à contre-courant de l'air avant d'être dirigé vers son point d'utilisation.
Après passage dans l'échangeur 24 l'air est introduit à la partie inférieure 30 de la colonne 26.
L'azote, plus volatile, remonte vers la partie supérieure de cette colonne. Une partie de cet azote 28 quitte la colonne pour être dirigée vers l'utilisation, tandis qu'une autre partie 29 est condensée dans le condenseur vaporiseur 32 pour constituer le reflux 34 qui retourne vers la partie inférieure de la colonne 30. Un liquide enrichi en oxygène 36 est détendu dans une vanne de détente 38 jusqu'à la pression qui règne à la partie supérieure 40 de la colonne 26 par exemple 4,5 bars.
C'est la puissance froide fournie par ce liquide qui permet de condenser l'azote gazeux dans le condenseur vaporiseur 32. L'écart de température dans le condenseur vaporiseur détermine la pression du gaz résiduaire 16.
Dans le cas où l'installation comporte une turbine cette pression détermine la production frigorifique. Dans le cas d'une installation qui ne comporte pas de turbine, comme celle représentée sur les figures 1 et 2, l'énergie de pression du gaz résiduaire 16 n'est pas valorisée.
C'est la raison pour laquelle on détend au maximum le liquide enrichi en oxygène 16 dans la vanne de détente 38 afin de créer un écart de température aussi élevé que possible dans le condenseur vaporiseur 32 et réduire ainsi l'investissement sur cet équipement.
On a représenté sur la figure 3 un tube de Ranque, encore appelé tube de Ranque-Hilsh, ou tube Vortex. Un tube de Ranque est un dispositif entièrement statique qui a la propriété de pouvoir diviser un flux de gaz comprimé en deux débits détendus, l'un plus chaud et l'autre plus froid que la température d'entrée, l'ensemble respectant le bilan enthalpique puisqu'il n'y a aucun travail extérieur.
Un gaz sous haute pression 50 pénètre dans un générateur fixe constitué par un tube 52 à ouverture tangentielle 55 et qui force le gaz en un mouvement tourbillonnaire le long des parois intérieures du tube 52 jusqu'à la sortie d'air chaud 55 à des vitesses soniques de l'ordre d'un million de rotations par minute.
Une partie 56 de ce flux de gaz détendu à la pression atmosphérique quitte le tube 52 en passant par une valve de réglage 58 à pointeau sur la sortie chaude 55 du tube.
Le gaz qui ne peut franchir cet étranglement est refoulé vers l'intérieur et se fraie un passage par le centre 60 du tourbillon de gaz. Le gaz renvoyé à travers le courant de gaz chaud 56 est animé d'une vitesse plus faible occasionnant un simple échange de chaleur. La colonne de gaz intérieure 60, plus lente, cède sa chaleur à la colonne extérieure 56, plus rapide. Quand elle passe la sortie froide 62 du tube 52, elle a atteint une température très basse.
La chute de température du gaz froid et l'élévation de température du gaz chaud par rapport à la température d'entrée dépendent essentiellement de la pression d'entrée et du rapport des fractions froide et chaude.
De manière générale un échauffement de 60 C et un refroidissement de 400C peuvent être obtenus. A titre d'exemple la société Fenwick propose une large gamme de modèles pour des débits allant de 3 m3 à 180 m3 par heure et des puissances de 30 W à 2 kW environ.
On a représenté sur la figure 4 une première variante de réalisation d'une installation de séparation des composants de l'air conforme à l'invention. Cet exemple se rapporte à une installation de production d'azote à simple colonne, mais il va de soi que l'invention s' applique également à la productions des autres constituants de l'air, à savoir l'oxygène et l'argon.
Elle s'applique également à des installations à double ou triple colonnes produisant respectivement deux et trois produits.
L'installation représentée sur la figure 4 comporte un compresseur 2 pour comprimer l'air ambiant jusqu'à une certaine pression, par exemple de 9 bars. L'air comprimé est refroidi par échange de chaleur avec l'air ambiant soit directement dans un échangeur air/air, soit indirectement par un réfrigérant à eau 4. Le groupe frigorifique ou sécheur 6 représenté sur la figure 1 (art antérieur) est remplacé par un simple échangeur 70. A la sortie de cet échangeur, l'air pénètre dans la bouteille 8, puis dans l'unité de dessiccation/décarbonatation 10 avant d'être introduit dans la boîte froide 12. En sortie de boîte froide, on récupère, comme antérieurement, de l'azote gazeux 28 et un gaz résiduaire 16 enrichi en oxygène. La constitution de la boîte froide 12 de l'installation selon l'invention ne présente pas de particularités.Elle peut donc être identique à celle qui est décrite sur la figure 2.
La caractéristique essentielle de l'installation conforme à l'invention est la présence d'un tube de
Ranque 52. Le gaz résiduaire 16 qui sort de la boîte froide 12 sous une pression de plusieurs bars est introduit dans le tube de Ranque 52 par l'ouverture tangentielle 54 (voir figure 3). Ce gaz sous pression est détendu dans le tube de Ranque et divisé en un flux chaud 72 et un flux froid 74. Le flux chaud 72 est introduit dans l'unité 10 de dessiccation/décarbonatation. Il assure la régénération des substances adsorbantes de cette unité avant d'être mis à l'air. Le flux froid 74 circule dans l'échangeur 70 à contre-courant de l'air et assure le refroidissement de ce dernier. Après son passage dans l'échangeur 70, le flux froid 74 est mis à l'air, comme représenté par la flèche 75.
Ranque 52. Le gaz résiduaire 16 qui sort de la boîte froide 12 sous une pression de plusieurs bars est introduit dans le tube de Ranque 52 par l'ouverture tangentielle 54 (voir figure 3). Ce gaz sous pression est détendu dans le tube de Ranque et divisé en un flux chaud 72 et un flux froid 74. Le flux chaud 72 est introduit dans l'unité 10 de dessiccation/décarbonatation. Il assure la régénération des substances adsorbantes de cette unité avant d'être mis à l'air. Le flux froid 74 circule dans l'échangeur 70 à contre-courant de l'air et assure le refroidissement de ce dernier. Après son passage dans l'échangeur 70, le flux froid 74 est mis à l'air, comme représenté par la flèche 75.
Dans une variante de réalisation, le flux froid 74, au lieu d'être mis à l'air après de sa sortie de l'échan- geur 70, peut être mélangé au flux chaud 72 qui sort du tube de Ranque, comme représenté par la ligne en traits pointillés 77. On récupère ainsi une partie de la puissance chaude de ce gaz pour la régénération de l'unité 10.
On constate ainsi que le tube de Ranque 52 permet de récupérer l'énergie de pression du gaz résiduaire 16.
On satisfait ainsi directement le besoin en puissance chaude nécessaire pour la régénération des substances adsorbantes. De la sorte on peut supprimer le réchauffeur 20 présent dans l'art antérieur. D'autre part on satisfait le besoin en énergie froide pour le refroidissement de l'air comprimé. Cela permet de supprimer le groupe ou le sécheur frigorifique 6. On a ainsi supprimé deux équipements, à savoir le réchauffeur 20 et le groupe frigorifique 6, qui nécessitent non seulement un investissement matériel, mais un entretien et une alimentation en énergie. On a également supprimé la vanne de détente 38 puisque la détente du gaz résiduaire s'effectue dans le tube de Ranque.
On a représenté sur la figure 5 une variante de réalisation de l'installation de la figure 4. Dans cette variante l'échangeur de chaleur 70 est remplacé par un sécheur. Le sécheur se compose d'un premier échangeur 76 et d'un second échangeur 78. Le flux froid 74 pénètre tout d'abord dans l'échangeur 78 dans lequel il circule à contre-courant de l'air, ce qui permet de condenser la vapeur d'eau qu'il contient sur un point froid dans la bouteille 8. L'air 80 qui ressort de la bouteille est renvoyé sur l'échangeur 76 dans lequel il est réchauffé avant de pénétrer dans l'unité de dessiccation/décarbonatation 10. Ce mode de réalisation permet de condenser une partie plus importante de la vapeur d'eau contenue dans l'air parce que la température transitoirement atteinte par l'air au point le plus froid est plus basse.
Dans ce mode de réalisation, comme dans celui de la figure 4, le gaz résiduaire qui sort de l'échangeur 76 peut être mis directement à l'air, comme schématisé par la flèche 75, ou bien il peut être mélangé au flux chaud 72 qui sort du tube de Ranque 52, comme représenté par la ligne en traits pointillés 77. On récupère ainsi une partie de la puissance chaude de ce gaz pour la régénération de l'unité 10.
On a représenté sur la figure 6 une variante de réalisation dans laquelle on a maximisé la puissance chaude par un échange de chaleur sur la branche froide du tube de Ranque 52 avec l'air ambiant. A cet effet l'installation comporte un échangeur de chaleur supplémentaire 82 qui permet de réchauffer le flux froid avant de le mélanger au flux chaud 72 pour obtenir un mélange 84 dont le débit est égal au débit 16.
A titre d'exemple si le gaz 16 entre à 20"C dans le tube de Ranque 52, et si la température du flux froid est abaissée de 40 C (branche froide 74) et la température du flux chaud est augmentée de 60"C (branche chaude 72), le chauffage du flux froid 74 par échange avec un air ambiant à 20oC permettra d'élever sa température jusqu'à 1O C. On obtiendra ainsi un débit 84 à une température de 38 C.
Le flux chaud est utilisé en totalité pour régénérer les substances adsorbantes de l'unité de dessiccation/décarbonatation 10.
Etant donné que le flux froid 74 n'est plus disponible pour le refroidissement de l'air ambiant, ce dernier peut, après compression et un premier refroidissement par échange avec l'air ambiant, être refroidi par un groupe frigorifique indépendant, comme sur la figure 1 relative à l'art intérieur.
On a représenté sur la figure 7 une variante de réalisation qui permet au contraire de maximiser la puissance froide. Dans cette variante un échangeur supplémentaire 86 permet de refroidir le flux chaud 72 par échange de chaleur avec l'air ambiant (20 C) dans des conditions identiques à celles données en exemple pour la figure 6. Sa température est alors abaissée de 80 C à 30"C, ce qui permet d'obtenir un mélange 84 égal à la totalité du débit du gaz résiduaire 16 dont la température est de 0 C environ.
Dans cette variante le flux froid est utilisé en totalité pour refroidir l'air après compression et échange avec l'air ambiant dans l'échangeur 70 ou dans le sécheur 76, 78. Il est recirculé dans l'unité de dessiccation/décarbonatation, après éventuellement un réchauffage au moyen d'une source extérieure comme un réchauffeur électrique tel que 20 (figure 1).
Les variantes de réalisation des figures 6 et 7 s'appliquent particulièrement dans le cas où l'on dispose d'une source de puissance froide (figure 6) ou d'une source de puissance chaude (figure 7) gratuite ou peu onéreuse. Le tube de Ranque est alors utilisé exclusivement pour produire la fonction complémentaire.
D'autres variantes sont encore possibles. A titre d'exemple le gaz résiduaire sortant du sécheur 20 vers 20 C est toujours sec. Il possède donc une puissance froide complémentaire utilisable en refroidissement d'eau dans une tour eau/azote ou eau/gaz résiduaire.
Exemple 1 : On a réalisé une installation de production d'azote conforme à la figure 4 (variante avec mise à l'air du flux froid 74). Cette installation produit 238 Nm3 d'azote pour 572 Nm3 par heure d'air. La fraction disponible en gaz résiduaire 16 est de 58 %.
L'air est comprimé à une pression de 9 bars et pénètre sensiblement à cette pression dans la boîte froide 12, puis dans la colonne de distillation 26. Le liquide enrichi en oxygène 36 est détendu dans la vanne de détente 38 jusqu'à une pression de 4,5 bars. Dans cette installation on a cherché à détendre le liquide 36 aussi peu que possible afin de disposer du maximum de pression dans le tube de Ranque 52.
On a donc utilisé le plus faible taux de détente compatible avec le fonctionnement du condenseur vaporiseur 32. Il est en effet nécessaire que le liquide enrichi en oxygène 36 soit suffisamment refroidi pour que l'écart de température au condenseur-vaporiseur permette la condensation de l'azote gazeux.
Dans une première variante de réalisation on a fait fonctionner l'échangeur 70 avec un écart de température de 100C (approche de 10 C) au bout chaud entre l'air entrant et le gaz résiduaire.
Compte tenu de la pression d'entrée du gaz 16 dans le tube de Ranque (4,5 bars) le flux entrant est divisé en une fraction froide 74 de 60 % dont la température est abaissée de 40"C et une fraction chaude 72 de 40 % dont la température est élevée de 58 C. Dans ces conditions, le gaz résiduaire sortant à 18 C de la boîte froide, la température du flux froid est de -22 C. C'est à cette température qu'il entre dans l'échangeur 70. Pour une température d'air de 30"C à l'entrée de l'échangeur 70, la température de sortie de l'air est de 18 C. C'est à cette température que s'effectue l'adsorption. La température du flux chaud de régénération est de 76 C.
Dans une autre variante de réalisation on a fait fonctionner l'échangeur 70 avec une approche de 3 C seulement, ce qui nécessite une surface d'échange plus importante. Le gaz résiduaire sort alors à 15 C au lieu de 18 C de la boîte froide. Le flux froid 74 sort à -25 C et pénètre à cette température dans l'échangeur 70. Pour une même température d'air de 30 C à l'entrée de ltéchan- geur 70, la température de sortie de l'air est de 15 C, température à laquelle s'effectue l'adsorption. La température du flux chaud du régénération est de 73 C.
Exemple 2 : On a réalisé une installation de production d'azote conforme au mode de réalisation de la figure 5 (variante avec mise à l'air du flux froid 74).
Dans ce mode de réalisation le gaz résiduaire sort à 22 C de la boîte froide. La température du flux froid 74 est alors de -18 C, température à laquelle il pénètre dans l'échangeur 78. Pour une température d'air de 30'C à l'entrée de l'échangeur 76, on obtient un point froid à 5"C à la sortie de l'échangeur 78. L'air est ensuite renvoyé à contre-courant dans l'échangeur 76, où il se réchauffe jusqu'à 22 C, température à laquelle s'effectue l'adsorption. Le flux chaud 72 sort du tube de Ranque à une température de 82 C pour être introduit dans l'unité de dessiccation/décarbonatation 10.
En variantes le débit sortant de l'échangeur 70 (exemple 1) ou du sécheur 76, 78 (exemple 2) peut être adjoint en tout ou en partie au débit de régénération.
Différentes combinaisons sont possibles pour la régénération. On peut par exemple faire passer une onde de chaleur dans l'unité 10 en faisant circuler uniquement le flux chaud 72 sortant du tube de Ranque 52, puis un balayage avec le mélange du flux chaud 72 et du flux froid 74 après son passage dans l'échangeur 70 (mode de réalisation de la figure 4) ou 78 et 76 (mode sécheur de la figure 5). Enfin, on réalise une phase de refroidissement, en faisant circuler la seule fraction froide 74 après passage dans l'échangeur 70.
Dans le mode sécheur on a exactement les niveaux de température convenables puisque le gaz résiduaire 16 et l'air sortent du sécheur à la même température de 22 C.
Claims (8)
1. Installation de séparation des composants de l'air dans une colonne de distillation (26), comprenant un compresseur (2) pour produire de l'air comprimé, des moyens de réfrigération (4, 70, 76, 78) pour refroidir l'air comprimé sortant du compresseur (2), une unité de dessiccation/décarbonatation (10) utilisant des substances adsorbantes, une boîte froide (12) dans laquelle l'air est refroidi jusqu'à sa température de liquéfaction puis distillé avec production d'un gaz résiduaire (16), caractérisée en ce qu'elle comporte un tube de Ranque (52) dans lequel le gaz résiduaire (16) est introduit pour être détendu et séparé en un flux chaud (72) et en un flux froid (74), le flux chaud (72) traversant l'unité de dessiccation/décarbonatation (10), et/ou le flux froid (74) traversant une partie au moins des moyens de réfrigération (70, 76, 78) pour refroidir l'air comprimé.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réfrigération comprennent au moins un échangeur de chaleur (70).
3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de réfrigération comprennent un sécheur constitué d'un premier échangeur (76) dans lequel l'air comprimé subit un premier refroidissement et un second échangeur (78) dans lequel l'air comprimé est refroidi sur un point froid puis renvoyé dans le premier échangeur (76) pour refroidir l'air entrant.
4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur de chaleur supplémentaire (82) dans lequel le flux froid (74) sortant du tube de Ranque (52) est réchauffé par échange de chaleur avec l'air ambiant.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur de chaleur supplémentaire (86) dans lequel le flux chaud sortant du tube de Ranque (52) est refroidi par échange de chaleur avec l'air ambiant.
6. Procédé de séparation des composants de l'air par distillation cryogénique, dans lequel on comprime l'air, on le refroidit, on le sèche et on le décarbonate en le faisant circuler sur des substances adsorbantes, on le refroidit jusqu'à sa température de liquéfaction, on le distille avec production d'un gaz résiduaire (16), caractérisé en ce que l'on détend le gaz résiduaire (16) et en ce que l'on sépare en un flux chaud (72) et en un flux froid (74) au moyen d'un tube de Ranque (52), en ce que l'on refroidit l'air comprimé par échange de chaleur avec le flux froid (74) de gaz résiduaire sortant du tube de Ranque (52) et/ou en ce que l'on régénère l'adsorbeur par une circulation du flux chaud (72) de gaz résiduaire sortant du tube de Ranque (52).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flux froid (74) de gaz résiduaire (16) est mélangé au flux chaud (74) après avoir refroidi l'air, et en ce que l'on régénère l'adsorbeur (10) en faisant circuler le mélange des deux flux.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on régénère l'adsorbeur (10) par une onde de chaleur, par le flux chaud (72), puis par un balayage avec le mélange du flux chaud et du flux froid réchauffé par échange avec l'air comprimé, puis un refroidissement avec le seul flux froid réchauffé.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0971190A1 (fr) * | 1998-06-30 | 2000-01-12 | The Boc Group, Inc. | Procédé et apareil de séparation des gaz de l'air utilisant des tubes à effet vortex |
| FR2894016A1 (fr) * | 2005-11-29 | 2007-06-01 | Kawan Soc Par Actions Simplifi | Dispositif de reaction thermohydraulique vortex totalement ecologique, sans combustions, ni additifs |
| WO2010081716A1 (fr) * | 2009-01-15 | 2010-07-22 | Donaldson Filtration Deutschland Gmbh | Dispositif de séparation par sorption d'un courant gazeux, présentant un tube vortex pour la régénération |
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| US4257794A (en) * | 1979-07-20 | 1981-03-24 | Shirokov Vasily I | Method of and apparatus for separating a gaseous hydrocarbon mixture |
| SU1143944A1 (ru) * | 1983-06-09 | 1985-03-07 | МВТУ им.Н.Э.Баумана | Установка разделени воздуха высокого давлени |
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1994
- 1994-11-10 FR FR9413540A patent/FR2726896B1/fr not_active Expired - Fee Related
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| FR2726896B1 (fr) | 1996-12-13 |
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