FR2975141A1 - Procede et dispositif de compression d'un milieu sature en eau - Google Patents

Abstract

Procédé de compression d'un milieu gazeux, notamment d'hydrogène ou de gaz naturel, le milieu ayant une teneur en eau allant jusqu'à la saturation complète avec de l'eau et le milieu peut être comprimé dans au moins un piston rempli de liquide par une compression à un ou plusieurs étages. Le liquide est un liquide ionique non attaqué par l'eau contenue dans le milieu à comprimer et/ou un liquide à faible pression de vapeur qui ne peut être attaqué par l'eau contenue dans le milieu à compresser , et le milieu comprimé (2, 5, 8) est soumis à une séparation d'eau (D1, D2, D3).

Description

i Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé et un dis-positif de compression d'un milieu gazeux, notamment d'hydrogène ou de gaz naturel, le milieu ayant une teneur en eau allant jusqu'à la satu- ration complète avec de l'eau et le milieu peut être comprimé dans au moins un piston rempli de liquide par une compression à un ou plu-sieurs étages.

Etat de la technique io On connaît un procédé et un dispositif du type défini ci-dessus selon le document DE 102004046316 pour comprimer un mi-lieu gazeux. Ce procédé et ce dispositif compriment le milieu gazeux par une colonne de liquide. Comme liquide, on utilise notamment des liquides ioniques qui se sont imposés car ils ne se mélangent pas au mi- 15 lieu à comprimer et peuvent être séparés du milieu comprimé sans laisser de résidus. Les procédés du type ci-dessus servent entre autres également à comprimer n'importe quel milieu gazeux qui, du fait de sa fabrication ou de son traitement ou d'un événement naturel, est ou sera contaminé par de l'eau. 20 Les liquides ioniques sont des sels organiques à faible température de fusion dont le point de fusion est compris entre 100 et - 90°C ; la majorité des liquides ioniques connus existe à l'état liquide déjà à la température ambiante. Contrairement aux liquides moléculaires usuels, les liquides ioniques sont globalement ioniques et présen- 25 tent pour cela de nouvelles propriétés inhabituelles. Les liquides ioniques s'adaptent relativement bien à la résolution d'un certains problèmes techniques grâce à la variation de la structure de l'anion et/ou du cation et de la modification de leurs propriétés par leur combinaison. Contrairement à des liquides moléculaires classiques, les liquides io- 30 niques ont l'avantage de ne pas avoir de pression de vapeur mesurable. Cela signifie que sous leur température de décomposition, même sous un vide poussé, ils ne vaporisent pas même avec des traces minimales. Il en résulte la caractéristique d'inflammabilité et d'avantages pour l'environnement car les liquides ioniques ne peuvent pas pour cette rai- 35 son passer dans l'atmosphère. De plus, les liquides ioniques ont une

2 très forte stabilité thermique. Souvent, leur point de décomposition est supérieur à 400°C. La densité et le comportement de mélanges avec d'autres liquides peuvent être influencés ou réglés par les caractéristiques ioniques, par le choix des ions. Les liquides ioniques ont en outre l'avantage d'être électro-conducteurs et ainsi d'éviter une charge électrique qui peut constituer un risque potentiel. Des procédés et dispositifs du type défini ci-dessus s'utilisent notamment pour comprimer de l'hydrogène gazeux ou du gaz naturel. Mais se pose le problème que, du fait de son procédé de fabri- io cation, l'hydrogène à comprimer (fabriqué par exemple par électrolyse) contient nécessairement de l'eau. Or, avant la compression proprement dite, il faut éliminer complètement cette eau car cette eau car elle ne doit pas venir en contact avec les liquides ioniques connus car l'eau attaquerait et détruirait ces liquides. Pour cette raison, on utilise actuel- 15 lement des installations et des systèmes complexes pour séparer l'eau. Dans le cas d'une production d'oxygène par hydrolyse, on utilise par exemple des filtres à tamis moléculaire. Mais ces filtres consomment de l'énergie car il faut les chauffer cycliquement et de plus, ils consomment une partie de l'hydrogène coûteux utilisé comme gaz de purge pour ré- 20 générer le tamis moléculaire. Comme il faut nécessairement séparer l'eau, cela renchérit la production d'hydrogène. De plus, de telles installations sont soumises à un certain travail d'entretien, se traduisant par un renchérissement supplémentaire de la fabrication d'hydrogène. Les mêmes problèmes se rencontrent pour la compression d'autres milieux 25 tels que par exemple du gaz naturel qu'il faut comprimer pour alimenter les réservoirs des véhicules. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé du type défini ci-dessus et un dispositif également défini pour 30 comprimer un milieu gazeux évitant les inconvénients mentionnés. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de compression du type défini ci-dessus caractérisé en ce que le liquide est un liquide ionique non attaqué par l'eau contenue dans le milieu à com- 35 primer et/ou un liquide à une faible pression de vapeur qui ne peut être

3 attaqué par l'eau contenue dans le milieu à compresser, et le milieu une fois comprimé est soumis à une séparation d'eau. L'invention a également pour objet un dispositif pour comprimer un milieu gazeux, notamment de l'hydrogène ou du gaz na- turel ayant une teneur en eau allant jusqu'à la saturation complète avec de l'eau, le milieu étant comprimé par un piston rempli de liquide par une compression à un ou plusieurs étages, comprenant au moins un étage de compression dans lequel comme liquide on utilise un liquide ionique que ne peut attaquer l'eau contenue dans le milieu à compres- io ser et/ou un liquide à faible pression de vapeur qui ne peut être attaqué par l'eau contenue dans le milieu à comprimer et au moins un dispositif de séparation d'eau en aval du ou des étages de compression. Le coeur de l'invention réside dans la combinaison d'une compression à un ou plusieurs étages avec un liquide ionique spécial et 15 une séparation d'eau en aval de la compression. La séparation d'eau qui précède jusqu'alors la compression et les inconvénients liés à cette séparation sont ainsi supprimés. Les liquides ioniques qui ne sont pas attaqués endommagés et détruits par l'eau contenue dans le milieu à comprimer sont des techniques connues depuis longtemps mais jusqu'à 20 présent, leurs possibilités n'étaient ni connues ni utilisées. L'invention a également pour objet un certain nombre d'autres caractéristiques de procédé et de dispositif pour comprimer un milieu gazeux, à savoir : - soumettre le milieu comprimé à une séparation d'eau après chaque 25 étage de compression, - refroidir le milieu comprimé avant de le transférer pour séparer l'eau, - le liquide ionique utilisé est du mésylate de methylimidazolium (EMIM), de préférence du mésylate avec addition ou le 1-butyl-2,3- 30 diméthylimidazolium bis(trifluoro-méthylsulfonyl)imide, et/ou - comme liquide à faible température de vapeur, on utilise un polyé- ther perfluoré ou une huile thermique à faible pression de vapeur. Dessin La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un 35 procédé et d'un dispositif de compression du milieu gazeux, notamment

4 d'hydrogène ou de gaz naturel représentés schématiquement dans l'unique figure annexée. Description d'un mode de réalisation La figure montre uniquement sous la forme d'un schéma un électrolyseur E et une unité de compression composée de trois étages de compression V1, V2, V3. L'hydrogène généré dans l'électrolyseur E a une teneur en eau d'environ 8 % en volume. Ce débit d'hydrogène est transféré par la conduite 1, sans être préparé, directe-ment au premier étage de compression V1 qui le comprime à une première pression intermédiaire. Dans le cas d'une compression à plusieurs étages comme celle représentée à la figure, la ou les pressions intermédiaires dépendent principalement de la pression finale à obtenir ainsi que de la quantité à comprimer. Par rapport à la compression d'une veine d'hydrogène 15 préparée, dont on a éliminé l'eau, la compression dans l'étage de compression V1 demande plus d'énergie car l'eau ou la vapeur d'eau est comprimée également. Cette quantité supplémentaire d'énergie à fournir est toutefois justifiée par rapport aux pertes engendrées par l'utilisation jusqu'alors des systèmes de nettoyage ou de séparation de sorte que ces 20 pertes sont compensées par les avantages. La veine d'hydrogène comprimée dans le premier étage de compression V1 est extraite par la conduite 2 pour être refroidie dans un premier échangeur de chaleur El par rapport à un milieu de refroidissement approprié, de préférence de l'eau pour alimenter un premier 25 séparateur (séparateur haute pression) D 1. Alors que de la tête du séparateur D 1 par l'intermédiaire de la conduite 3, on extrait une veine d'hydrogène dont on a enlevé une grande partie d'eau, pour la fournir au second étage de compression V2. On évacue l'eau condensée dans le séparateur D 1 par la conduite 4. 30 La veine d'hydrogène 5 comprimée dans le second étage de compression V2 est refroidie dans le second échangeur de chaleur E2 en aval pour arriver dans le second séparateur (séparateur haute pression) D2. L'eau séparée est évacuée par la conduite 7. La fraction d'hydrogène extraite par la conduite 6 du second séparateur D 1 est 35 fournie au troisième étage de compression V3 qui comprime l'eau à la pression finale souhaitée. Il convient de remarquer que le procédé selon l'invention se réalise indépendamment du nombre choisi d'étages de compression. La veine d'hydrogène comprimée à la pression finale souhaitée est extraite par la conduite 8 du troisième étage de compression 5 V3 pour être refroidie dans le troisième échangeur de chaleur E3 en aval et être transférée du troisième séparateur (séparateur haute pression) D3. L'eau séparée dans le séparateur D3 est extraite par la conduite 10 pour être renvoyée par la conduite collectrice 11 qui reçoit io également les fractions d'eau 4 et 7 des deux premiers séparateurs D 1, D2 à un réservoir intermédiaire S prévu le cas échéant. Le réservoir intermédiaire S sert à réguler le débit d'eau qui revient par la conduite 12 de nouveau à l'électrolyseur E. Comme cette eau est désalinisée, elle peut être renvoyée directement à l'électrolyse E, ce qui se traduit par 15 une économie de préparation d'eau pour l'électrolyse E. A la tête du troisième séparateur D3, on extrait la veine d'hydrogène comprimée par la conduite 9 et on alimente l'application utilisant l'hydrogène. La partie résiduelle d'eau de la veine d'hydrogène 9 est inférieure à la valeur limite fixée. La concentration d'eau dans la 20 veine d'hydrogène 9 peut se régler en fonction de la ou des températures du ou des milieux de refroidissement et/ou des rapports des ni-veaux de pression des étages de compression. La concentration de l'eau dans le milieu à comprimer varie linéairement selon le procédé de l'invention avec le rapport de compression assuré par l'étage de com- 25 pression respectif. L'utilisation d'une compression à un ou plusieurs étages qui fait la compression avec un liquide ionique permet de transférer également de l'eau à l'état liquide sans endommager les soupapes de compression. Dans le cas des rotors à sec, usuels, les soupapes sont 30 conçues pour ne pas prélever de liquide. Comme ces soupapes ou vannes fonctionnent à sec, en cas de contact avec de l'eau, elles perdent leur lubrification de base ou la matière de la soupape sera attaquée par l'eau (corrosion). On n'a pas cet inconvénient en utilisant des liquides ioniques car les soupapes ou vannes sont en permanence lubrifiées

6 avec du liquide ionique ou sont protégées avec de l'eau contre le contact direct car elles sont en permanence mouillées par un liquide ionique.5 NOMENCLATURE

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 Conduites Dl, D2, D3 Séparateurs E Electrolyseur El, E2, E3 Echangeurs de chaleur S Réservoir intermédiaire V1, V2, V3 Etages de compression io

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1°) Procédé de compression d'un milieu gazeux, notamment d'hydrogène ou de gaz naturel, le milieu ayant une teneur en eau allant jusqu'à la saturation complète avec de l'eau et le milieu est comprimé dans au moins un piston rempli de liquide par une compression à un ou plu-sieurs étages, procédé caractérisé en ce que le liquide est un liquide ionique non attaqué par l'eau contenue dans le milieu à comprimer et/ou un liquide faible pression de vapeur et qui ne io peut être attaqué par l'eau contenue dans le milieu à compresser, le mi-lieu une fois comprimé (2, 5, 8) est soumis à une séparation d'eau (D 1, D2, D3). 2°) Procédé selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que après chaque étage de compression (V 1, V2, V3,...) le milieu comprimé (2, 5, 8) est soumis à une séparation d'eau (D 1, D2, D3, ...). 3°) Procédé selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce qu' avant d'effectuer la séparation d'eau (D1, D2, D3,...), on refroidit (El, E2, E3,...) le milieu à comprimer (2, 5, 8). 4°) Procédé selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que le liquide ionique est le EMIM-mésylate, de préférence le EMIM-mésylate avec addition ou le 1-butyl-2,3-diméthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyle) imide. 30 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide à faible pression de vapeur est du polyéther perfluoré ou une huile thermique à faible pression de vapeur.6°) Dispositif pour comprimer un milieu gazeux, notamment de l'hydrogène ou du gaz naturel ayant une teneur en eau allant jusqu'à la saturation complète avec de l'eau, le milieu étant comprimé par un pis-ton rempli de liquide par une compression à un ou plusieurs étages, comprenant au moins un étage de compression (V 1, V2, V3,...) comme liquide on utilise un liquide ionique que ne peut attaquer l'eau contenue dans le milieu à compresser et/ou un liquide à faible pression de va-peur qui ne peut être attaqué par l'eau contenue dans le milieu à comprimer et au moins un dispositif de séparation d'eau (D 1, D2, D3,...) en io aval du ou des étages de compression (V1, V2, V3,...). 7°) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ou les dispositifs de séparation d'eau (D 1, D2, D3,...) sont précédés 15 d'un dispositif de refroidissement (E1, E2, E3,...).