WO2014096631A1 - Dispositif et procédé pour séparer un mélange de gaz - Google Patents
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Definitions
- Patent FR 2,912,931 (BELLINI), EP 1 313,335 (BELLINI) or US Pat. No. 2,360,066 (LOUMIET ET LAVIGNE) disclose devices for separating a gas mixture, comprising a helical duct formed of several closed turns. The mixture is introduced into the helical duct so as to make it undergo a forced trajectory to achieve very high speeds of up to several million revolutions per second. It is thus possible to separate the gases contained in the mixture under the effect of the centrifugal force.
- An extraction orifice is disposed on the inner wall of greater radius of at least one turn, so that all or part of the flow of concentrated gas at said wall under the effect of the centrifugal force is recovered by said orifice.
- D is the diffusion coefficient between the ambient gas and the gas to be extracted.
- each extraction orifice can be connected to a common vacuum pump, creating a vacuum whose value is equal to the level of each said orifice.
- the surface of the extraction orifice 1c is hypothetically set at 2% of the total area of the turn.
- the composition of the gaseous mixture at the inlet 1a of the duct 1 is analyzed, and the concentration of the gas to be extracted (for example CO2) is measured. It is desired to recover 100% of the gas to be extracted.
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Abstract
L'invention concerne un dispositif pour séparer un mélange de gaz, comportant un conduit hélicoïdal multi-spires, ledit conduit comprenant : une entrée (1 a) et une sortie (1 b), ladite sortie étant associée à un moyen d'aspiration (10b) créant une dépression dans ledit conduit pour aspirer un mélange de gaz depuis ladite entrée et lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes pour séparer les gaz contenus dans ledit mélange sous l'effet de la force centrifuge, un orifice d'extraction (1 c) disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire, ledit orifice étant agencé pour que tout ou partie du flux du gaz concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge soit récupérée par ledit orifice, se caractérisant par le fait que l'orifice d'extraction (1 c) est relié à un moyen d'aspiration (10c) créant une dépression au niveau dudit orifice, la valeur de consigne de dépression étant définie par un moyen de commande (1 1 c) générant une instruction de consigne qui est fonction : de la valeur de dépression au niveau de la sortie (1 b) du conduit (1 ), de la surface dudit orifice (1 c) au niveau de la paroi de la spire, de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée (1 a) dudit conduit.
Description
DISPOSITIF ET PROCEDE POUR SEPARER UN MELANGE DE GAZ
Description
Domaine technique de l'invention.
L'invention a pour objet un dispositif ainsi qu'un procédé permettant de séparer un mélange de gaz.
Elle concerne le domaine technique de la séparation moléculaire, par une mise en mouvement hélicoïdal d'un mélange gazeux. Elle concerne plus particulièrement les techniques permettant d'enrichir ou appauvrir la concentration de certains composés gazeux par rapport à leur concentration initiale.
État de la technique.
On connaît par les documents brevets FR 2.912.931 (BELLINI), EP 1.31 1 .335 (BELLINI) ou encore US 2.360.066 (LOUMIET ET LAVIGNE), des dispositifs pour séparer un mélange de gaz, comportant un conduit hélicoïdal formé de plusieurs spires fermées. Le mélange est introduit dans le conduit hélicoïdal de façon à lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre de très grandes vitesses de rotation pouvant atteindre plusieurs millions de tours par secondes. Il est ainsi possible de séparer les gaz contenus dans le mélange sous l'effet de la force centrifuge. Un orifice d'extraction est disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire, de sorte que tout ou partie du flux du gaz concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge soit récupérée par ledit orifice.
Les molécules contenues dans le mélange gazeux subissent une force centrifuge proportionnelle à la masse de chaque molécule et au carré de la vitesse de rotation. Si les molécules ont des masses même très légèrement différentes entre elles, elles subiront des forces centrifuges différentes et se déplaceront l'une par rapport à l'autre avec une vitesse proportionnelle à leur différence de masse multipliée par le carré de la vitesse de rotation. Cette vitesse est cependant limitée par la force de freinage provoquée par les molécules du gaz de plus grande concentration (ou gaz ambiant) sur les molécules du gaz qui se déplacent par rapport à lui. Cette force de freinage est donnée, en cinétique des gaz, par la relation de Fick :
F=( KB x T) x V)/D
Où :
KB est la constante de Boltzmann.
T la température.
- V la vitesse radiale relative des molécules les plus lourdes par rapport aux molécules du gaz ambiant.
D est le coefficient de diffusion mutuel entre le gaz ambiant et le gaz à extraire.
Il apparaît, dans cette relation, que cette force de freinage, défavorable à la séparation, est inversement proportionnelle au coefficient de diffusion mutuel D. Ce qui signifie que plus le coefficient de diffusion mutuel D est grand, moins est importante cette force de freinage et plus aisée est la séparation. Il y a donc lieu de rechercher des conditions d'opération dans lesquelles ce coefficient soit le plus grand possible.
Le coefficient de diffusion mutuel D est de la forme :
D = (K x T3/2) / P
Où :
K est une constante ne dépendant que de la nature du couple de gaz.
T est la température du mélange de gaz.
P est la pression du mélange de gaz.
Plus la pression dans le circuit est forte, plus le coefficient de diffusion D est petit et moins est aisée la séparation.
En appliquant, comme cela est décrit dans le document US 2.360.066 précité, une pression en entrée du circuit comme moteur du fluide, on se retrouve devant la problématique suivante : pour obtenir une grande force centrifuge, il faut communiquer au fluide une grande vitesse et donc appliquer, en entrée de circuit, une forte pression ce qui induit une diminution, proportionnelle à cette pression, du coefficient de diffusion et gêne la séparation moléculaire. C'est pour cette raison que le dispositif séparateur décrit dans le document US 2.360.066 n'est pas, dans la pratique, utilisable pour la séparation moléculaire d'un mélange gazeux.
Une autre problématique liée à l'utilisation des dispositifs précités, réside dans la récupération du gaz au niveau de l'orifice d'extraction.
Dans le dispositif décrit dans le document EP 1.31 1 .335 précité, on soutire au travers de chaque orifice d'extraction, à débit fixe, la fraction de gaz se trouvant à la paroi de plus grand rayon à cet instant. Les orifices d'extraction sont laissés à la pression atmosphérique. Le débit de soutirage est contrôlé au moyen d'un régulateur de débit de manière à n'autoriser le passage que d'un débit égal au débit théorique préalablement
calculé à cet endroit des molécules d'un des composants gazeux choisi du mélange, à une concentration elle aussi choisie. Des résultats expérimentaux ont montrés que cette disposition ne convient que dans le cas où les concentrations du composant gazeux à séparer sont importantes et que les débits unitaires des dispositifs séparateurs sont eux aussi importants. Dans le cas contraire, cette disposition est difficilement applicable, car en cas de faible débit unitaire et de faible concentration, un très grand nombre de dispositifs séparateurs montés en parallèle est nécessaire. Il est en outre difficile et onéreux d'équiper chaque dispositifs séparateur de deux contrôleurs de débit chacun (un au niveau de l'orifice d'extraction et un autre au niveau de la sortie du conduit hélicoïdal).
Le document FR 2.912.931 précité envisage de remplacer les contrôleurs de débit par un insert séparant le fluide en deux parties à la sortie du conduit hélicoïdal, la pression au niveau de l'orifice d'extraction et la pression au niveau de ladite sortie étant maintenues égales. Dans ce dispositif séparateur, le débit d'extraction ne dépend donc que de la surface de l'orifice d'extraction. De fait, une fois que les géométries du conduit, de la surface de puisage et de l'orifice d'extraction sont définies, il n'y a qu'un seul type de mélange gazeux qui puisse être traité.
Des expérimentations ont mis en évidence deux problèmes techniques liées à l'utilisation du dispositif séparateur décrit dans le document FR 2.912.931 : un problème lié aux très faibles concentrations et un autre lié aux pertes de charge provoquées par l'insert.
En effet, ce dispositif convient pour des concentrations assez faibles mais atteint ses limites pour des concentrations très faibles. Pour être efficaces et pour éviter la nécessité d'un trop grand nombre de spires, le conduit hélicoïdal doit présenter une hauteur très limitée afin de réduire la distance que doit parcourir les molécules à extraire pour atteindre l'orifice d'extraction. En pratique, cette hauteur varie entre 0.5 mm et 5 mm suivant les masses des molécules à séparer et les concentrations. Si la concentration des molécules à extraire est par exemple de 10 %, et la hauteur du circuit de 5 mm, l'insert devra séparer le circuit en deux parties : une de 5 mm x 90 % = 4.5 mm et l'autre de 5 mm x 10 % = 0.5 mm. Technologiquement, à ce jour, avec les moyens actuels en matière de micro mécanique cela est réalisable avec une précision suffisante. Mais dès qu'on envisage la séparation de molécules contenues à plus faible concentration (par exemple le Xénon naturellement contenu dans l'air atmosphérique à une concentration de 89 ppb), un tel dispositif n'est plus technologiquement réalisable car il impliquerait des réalisations mécaniques avec des hauteurs de puisage variant entre 0,1 micron et 0,5 micron, valeur
pour lesquelles la précision nécessaire ne pourrait pas être atteinte pour une bonne répétabilité.
En outre, l'introduction de l'insert dans le conduit hélicoïdal provoque des pertes de charge qui conduisent à une augmentation de pression au niveau dudit l'insert par rapport à la pression appliquée à la sortie. Cette augmentation de pression, à ce point crucial pour la séparation, dégrade le coefficient de diffusion et nuit aux performances de séparation.
Face à cet état des choses, un premier objectif de l'invention est de rechercher des conditions d'opération dans lesquelles le coefficient de diffusion est le plus grand possible.
Un autre objectif de l'invention est de concevoir un dispositif séparateur qui puisse être utilisé pour traiter plusieurs types de mélanges gazeux.
Encore un autre objectif de l'invention est de concevoir un dispositif séparateur qui puisse extraire des gaz à très faible concentration.
L'invention a encore comme objectif de proposer un dispositif séparateur dont la conception et l'utilisation sont simplifiées par rapport aux dispositifs connus de l'art antérieur.
Divulgation de l'invention.
La solution proposée par l'invention est un dispositif pour séparer un mélange de gaz, ledit dispositif comportant un conduit hélicoïdal formé de plusieurs spires fermées, ledit conduit comprenant :
une entrée et une sortie, ladite sortie étant associée à un moyen d'aspiration configuré pour créer une dépression dans ledit conduit de manière à aspirer ledit mélange de gaz depuis ladite entrée et lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes pour séparer les gaz contenus dans ledit mélange sous l'effet de la force centrifuge,
un orifice d'extraction disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire, ledit orifice étant agencé de manière à ce que tout ou partie du flux du gaz qui est concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge soit récupérée par ledit orifice.
Ce dispositif est remarquable en ce que l'orifice d'extraction est relié à un moyen d'aspiration configuré pour créer une dépression au niveau dudit orifice, la valeur de consigne de dépression dudit moyen d'aspiration étant définie par un moyen de
commande générant une instruction de consigne de dépression qui est fonction : de la valeur de dépression au niveau de la sortie du conduit, de la surface dudit orifice au niveau de la paroi de la spire, de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée dudit conduit.
Générer une dépression adaptée à la sortie du conduit hélicoïdal et laisser l'entrée à une pression supérieure à la pression de sortie, offre deux avantages primordiaux : augmentation du coefficient de diffusion et augmentation de la vitesse du mélange gazeux à débit massique équivalent.
De plus, étant donné que le débit d'extraction est régulé par l'ajustement de la pression au niveau de l'orifice d'extraction, il est maintenant possible d'utiliser le même dispositif séparateur (c'est-à-dire avec une surface donnée de l'orifice d'extraction) pour traiter plusieurs mélanges gazeux.
En outre, cette conception très simple évite d'avoir à utiliser un quelconque insert au niveau de l'orifice d'extraction. De fait, les pertes de charges sont réduites et de très faibles débits de gaz peuvent être aisément extraits.
Dans le dispositif décrit dans le document US 2.360.066 précité, l'extraction est provoquée par une mise en dépression des orifices d'extraction par rapport au conduit hélicoïdal principal. Ce document est toutefois muet quant à la valeur de consigne de dépression. En pratique, le mélange est injecté sous pression dans le conduit hélicoïdal et les orifices d'extraction laissés à la pression atmosphérique.
D'autres caractéristiques remarquables du dispositif séparateur objet de l'invention sont listées ci-dessous, chacune de ces caractéristiques pouvant être considérée seule ou en combinaison, indépendamment des caractéristiques remarquables définies ci- dessus :
la sortie du conduit est préférentiellement reliée à une pompe à vide dédiée, créant une dépression au niveau de ladite sortie.
de même, l'orifice d'extraction est avantageusement relié à une pompe à vide dédiée, créant une dépression au niveau dudit orifice.
le conduit hélicoïdal est préférentiellement formé par la combinaison d'un mandrin fileté et d'un tube entourant ledit mandrin, la surface interne dudit tube étant cylindrique et lisse.
le tube est préférablement en téflon® et le mandrin préférablement recouvert de téflon®.
Un autre aspect de l'invention concerne une installation pour séparer un mélange de gaz. Cette installation est remarquable en ce qu'elle est formée de plusieurs dispositifs à l'invention, lesdits dispositifs étant agencés en parallèles.
La sortie de chaque conduit peut être reliée à une pompe à vide commune, créant une dépression dont la valeur est égale au niveau de chaque dite sortie.
En outre, chaque orifice d'extraction peut être relié à une pompe à vide commune, créant une dépression dont la valeur est égale au niveau de chaque dit orifice.
Encore un autre aspect de l'invention concerne un procédé pour séparer un mélange de gaz, ledit procédé comprenant les étapes consistant à :
faire circuler un mélange de gaz dans un conduit hélicoïdal formé de plusieurs spires fermées, ledit conduit comprenant une entrée par laquelle un mélange de gaz est introduit et une sortie,
créer une dépression au niveau de la sortie du conduit de manière à aspirer le mélange de gaz depuis l'entrée et lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes pour séparer les gaz contenus dans ledit mélange sous l'effet de la force centrifuge,
extraire, au niveau d'un orifice d'extraction disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire, tout ou partie du flux du gaz concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge.
Ce procédé est remarquable en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes pour réguler le débit d'extraction au niveau de l'orifice d'extraction :
créer une dépression au niveau dudit orifice d'extraction,
régler la valeur de cette dépression en fonction : de la valeur de dépression au niveau de la sortie du conduit, de la surface dudit orifice au niveau de la paroi de la spire, de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée dudit conduit.
La différence de pression entre la sortie et l'entrée du conduit hélicoïdale est avantageusement maintenue entre - 800 mbar et -1200 mbar.
Description des figures.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux dessins annexés, réalisés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels :
la figure 1 une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif conforme à l'invention, montrant au niveau de chaque spire la migration des molécules et/ou particules,
la figure 2 est une vue en coupe selon A-A du dispositif de la figure 1 ,
la figure 3 représente schématiquement un agencement des différents éléments constitutif du dispositif conforme à l'invention,
la figure 4 schématise un système composé de plusieurs dispositifs conformes à de l'invention, montés en parallèle.
Modes préféré de réalisation de l'invention.
En se rapportant aux figures 1 et 2, le dispositif D objet de l'invention est formé d'un conduit hélicoïdal 1 formé de plusieurs spires fermées. Le conduit 1 comprend une entrée 1 a par laquelle un mélange de gaz, contenant plusieurs sortes de molécules 3a, 3b est introduit, et une sortie 1 b.
La sortie 1 b est associée à un moyen d'aspiration 10b configuré pour créer une dépression dans le conduit 1 de manière à aspirer le mélange de gaz depuis l'entrée 1 a et lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes pour séparer les gaz contenus dans ledit mélange sous l'effet de la force centrifuge. Le moyen d'aspiration 10b est préférentiellement une pompe à vide dédiée, dont l'orifice d'aspiration est connecté à la sortie 1 b du conduit 1 et dont l'orifice de refoulement est mis à l'atmosphère. Entre autres avantages liés l'utilisation d'une pompe à vide, il est possible d'obtenir des valeurs de dépression relativement basses (par exemple de l'ordre de 0,01 mbar absolus) et de régler de manière très précise cette valeur, avec un minimum de variation. Tout autre dispositif de pompage permettant de créer une dépression au niveau de la sortie 1 b peut toutefois convenir.
De manière générale, la valeur de consigne de dépression du moyen d'aspiration 10b est définie par un moyen de commande 1 1 b configuré pour générer une instruction de consigne de dépression qui est notamment fonction de la vitesse de rotation que le mélange gazeux doit atteindre pour obtenir une séparation moléculaire. En pratique, le moyen de commande 1 1 b est un ordinateur ou un processeur configuré pour générer des instructions de commande à destination du moyen d'aspiration 10b.
L'entrée 1 a est laissée à la pression atmosphérique ou à une pression supérieure à la pression de la sortie 1 b. Les inventeurs ont maintenant pu établir que le coefficient de diffusion dans le conduit 1 ( en particulier près de la sortie 1 b où se concrétise la
séparation moléculaire), est plus grand dans le cas où la sortie 1 b est maintenue en dépression pour aspirer le mélange gazeux depuis l'entrée 1 a, que dans le cas où ledit mélange est injecté sous pression au niveau de cette entrée.
Par exemple, pour un mélange gazeux Air-C02, le coefficient de diffusion à la pression atmosphérique est donné pour 1 .53.10-5 m2/s à 20°C. Les deux cas ci-dessous, présentant la même différence de pression entre l'entrée 1 a et la sortie 1 b et le même débit massique, visent à illustrer l'évolution du coefficient de diffusion.
Cas n°1 : le mélange est injecté sous pression au niveau de l'entrée (configuration correspondant à la majorité des dispositifs séparateur de l'art antérieur)
• Pression entrée : 1 ,9 bar = 1.900 mb absolus
• Pression sortie : 1 bar (Pression atmosphérique) = 1.000 mb absolus
Le coefficient de diffusion dans le conduit variera de :
→ (1 .53.10-5 x 1.000)/1 .900 = 0,805.10"5 m2/s à 20°C au niveau de l'entrée
→ à (1.53.10-5 x 1.000)/1.000 = 1 ,53.10"5 m2/s à 20°C au niveau de la sortie.
Cas n°2 : le mélange est aspiré au niveau de l'entrée (configuration correspondant au dispositif conforme à l'invention)
• Pression entrée : 1 bar (pression atmosphérique)= 1.000 mb absolus
• Pression sortie : -0,9 bar (Pression atmosphérique) = 100 mb absolus
Le coefficient de diffusion dans le conduit variera de :
→ (1 ,53.10-5 x 1.000)/1 .000 = 1 ,53.10"5 m2/s à 20°C au niveau de l'entrée
→ à (1 ,53.10-5 x 1.000)/100 = 1.53.10-4 m2/s à 20°C au niveau de la sortie.
Il apparaît que dans le cas n°2, le coefficient de diffusion est supérieur dans tout le conduit, au coefficient de diffusion du cas n°1 et que surtout, en sortie de conduit, lieu où se concrétise la séparation, il est dix fois supérieur à celui du premier cas. La configuration retenue pour l'invention permet donc d'améliorer la séparation moléculaire.
La loi de conservation du débit massique implique que la masse de gaz pénétrant par unité de temps dans le conduit 1 est toujours égale à la masse de gaz sortant par unité de temps dudit conduit. Or la masse volumique du gaz varie avec la pression, elle sera donc différente à l'entrée 1 a et à la sortie 1 b du conduit 1. Le débit massique (qui est le débit volumique multiplié par la masse volumique) demeurant constant, la masse volumique variant avec la pression, il faut que le débit volumique varie pour compenser. Or le débit volumique est la vitesse du fluide multipliée par la surface des spires du
conduit 1 , laquelle surface demeure constante. C'est donc la vitesse du fluide qui doit varier avec la pression pour maintenir le débit massique constant. Dans les deux cas examinés ci-dessus, à débit massique d'entrée égal (par exemple 10-5 kg/s) et avec la même surface de spire (par exemple 1 mm2 - surface mesurée dans un plan orthogonal à la direction de déplacement du mélange dans le conduit), avec le même mélange gazeux (par exemple de masse volumique 1 ,225 kg/m3 à 1 bar et 20 °C), et à la même température, les vitesses du mélange à l'entrée 1 a et à la sortie 1 b, seront :
Cas n°1 : le mélange est injecté sous pression au niveau de l'entrée (configuration correspondant à la majorité des dispositifs séparateur de l'art antérieur)
• Pression entrée = 1.900 mb absolus
• Pression sortie = 1.000 mb absolus
• Masse volumique à l'entrée = (1 ,225 x 1 .900)/1.000 = 2,3845 kg/m3
• Masse volumique à la sortie (1 ,225 x 1.000)/1.000 = 1 ,225 kg/m3
• Débit volumique à l'entrée = Débit massique / masse volumique
= 10-5 / 2,3845 = 0,419.10-5 m3/s
→ Vitesse à l'entrée = Débit volumique/surface
= 0,419.10-5 / 1.10-6 = 4,19 m/s
• Débit volumique à la sortie = 10"5 / 1 ,225 = 0,816.10"5 m3/s
→ Vitesse à la sortie = Débit volumique/surface
= 0,816.10-5 / 1.10-6 = 8,16 m/s
Cas n°2 : le mélange est aspiré au niveau de l'entrée (configuration correspondant au dispositif conforme à l'invention)
• Pression entrée = 1.000 mb absolus
• Pression sortie = 100 mb absolus
• Masse volumique à l'entrée = (1 ,225 x 1 .000)/1.000 = 1 ,225 kg/m3
• Masse volumique à la sortie (1 ,225 x 100)/1 .000 = 0,1225 kg/m3
• Débit volumique à l'entrée = Débit massique / masse volumique
= 10-5 / 1 ,225 = 0,816.10-5 m3/s
→ Vitesse à l'entrée = Débit volumique/surface
= 0,816.10-5 / 1.10-6 = 8,16 m/s
• Débit volumique à la sortie = 10"5 / 0,1225 = 8.16.10-5 m3/s
→ Vitesse à la sortie = Débit volumique/surface
= 8,16.10-5 / 1 .10-6 = 81 ,6 m/s
Il apparaît clairement que dans le cas n°2, les vitesses sont toujours plus importantes que dans le cas n°1 , et qu'en particulier, dans le second cas, la vitesse en sortie est 10 fois supérieure à la vitesse en sortie obtenue dans le premier cas. La force centrifuge étant proportionnelle au carré de la vitesse, on constate qu'avec le dispositif objet de l'invention, on démultiplie cette force centrifuge.
En résumé, en créant une dépression au niveau de la sortie 1 b pour aspirer le mélange de gaz depuis l'entrée 1 a, le coefficient de diffusion et les forces centrifuges sont tous deux augmentés. De fait, les performances du dispositif selon l'invention sont maximisées. Les inventeurs ont pu constater de manière surprenante que les meilleurs résultats étaient obtenus lorsque la différence de pression entre la sortie 1 b et l'entrée 1 a (Pression absolue sortie - Pression absolue entrée) était comprise entre - 800 mbar et - 1200 mbar.
Si l'aspiration du mélange gazeux a déjà été mentionnés à titre d'exemple dans les documents brevets FR 2.912.931 et EP 1.31 1.335 précités, les avantages techniques décrits aux paragraphes précédents n'ont, à ce jour, jamais été évoqués.
En se référant de nouveau aux figures 1 et 2, le conduit hélicoïdal 1 multi-spires est préférentiellement formé par un mandrin 10 fileté au pas, agencé dans un tube 1 1 entourant ledit mandrin. Le tube 1 1 est ajusté aux spires de manière à assurer un contact étanche avec le mandrin 10. Le filetage du mandrin 10 peut avoir un profil carré, rectangulaire, circulaire, etc. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la surface interne du tube 1 1 est cylindrique et lisse, dépourvue de toute surface de puisage. Pour réduire le frottement des molécules contres les parois internes du conduit 1 , le tube 1 1 est avantageusement en téflon® (polytétrafluoroéthylène) ainsi que le mandrin 10. Ce dernier peut toutefois être réalisé dans un autre matériau (par exemple en acier ou en plastique) et être seulement recouvert de téflon®. Le dispositif fonctionne toutefois quelque soit le matériau, même non recouvert de téflon®.
Dans une variante de réalisation non représentée, le conduit hélicoïdal peut être formé par un tube capillaire, de profil général circulaire, carré, rectangulaire, triangulaire ou autre, et enroulé au pas autour d'un mandrin.
En suivant les spires du conduit hélicoïdal 1 , le mélange gazeux est mis en rotation et les molécules et/ou particules 3a, 3b subissent une force centrifuge proportionnelle à leur masse et au carré de leur vitesse de rotation. En pratique, le moyen de commande 1 1 b génère une instruction de consigne à destination du moyen
d'aspiration 10b, pour que la dépression engendrée au niveau de la sortie 1 b, fasse circuler le mélange gazeux à une vitesse telle que le nombre de Reynolds demeure préférentiellement inférieur ou proche de 2.000 et qu'on conserve un écoulement laminaire dans le conduit 1.
Au bout d'un certain nombre de spires, il y a une séparation des molécules suivant leur masse. Les molécules plus lourdes 3b se transportent vers la paroi de rayon maximum et les molécules plus légères 3a se regroupant dans l'autre partie du conduit 1. Au fur et à mesure de la circulation du fluide dans le conduit hélicoïdal 1 , la répartition des molécules va se stratifier selon le rayon dudit conduit.
Le nombre de spires du conduit est défini, si on veut une séparation complète entre deux phases, par le temps nécessaire aux molécules constitutives du gaz à séparer (pour l'éliminer ou le récupérer) les plus défavorablement placées dans le conduit 1 lors de leur introduction (c'est-à-dire celles introduites au niveau de la paroi de rayon minimum) pour parcourir la distance qui les sépare de la paroi de rayon maximum. Ce temps est égal à la distance entre les deux parois opposées du conduit 1 , dans le sens du rayon de l'hélicoïde, divisée par la vitesse radiale relative des molécules 3b du gaz à extraire, par rapport aux molécules 3a du gaz de plus haute concentration. Plus ce temps est long, plus les molécules 3b à séparer devront parcourir de spires pour atteindre la paroi de rayon maximum et donc les pertes de charges augmenteront. On peut noter qu'il est possible de limiter la séparation à une concentration inférieure à 100% en limitant, en conséquence le nombre de spires et de reprendre cette concentration par un deuxième troisième ou néme étage de séparation.
Un orifice d'extraction 1 c est disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire. Cet orifice 1 c est agencé de manière à ce que tout ou partie du flux du gaz concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge soit récupérée par ledit orifice. En pratique, cet orifice 1 c est placé à l'endroit du conduit 1 où les molécules les plus lourdes 3b ont suffisamment migrées vers la paroi de plus grand rayon pour atteindre une concentration souhaitée, c'est-à-dire proche de la sortie 1 b. Il est toutefois envisageable, selon la nature des gaz à extraire, de prévoir plusieurs orifices d'extraction agencés le long du conduit 1.
Les molécules les plus lourdes 3b peuvent être celles à éliminer (par exemple : CO2 contenu dans l'air atmosphérique ou particules polluantes en suspension dans l'air, ... ) ou bien celles à récupérer (par exemple : Radon ou Xénon contenu dans l'air atmosphérique, particules en suspension dans l'air pour valorisation, ...). Pour faciliter
l'extraction du gaz et limiter les pertes de charges, cet orifice 1 c est orienté tangentiellement à la paroi de la spire.
La surface de l'orifice 1 c au niveau de la paroi de la spire, (c'est-à-dire à l'endroit ou le gaz à extraire quitte le conduit 1 ) est proportionnelle à la concentration du gaz à extraire. Par exemple, si la concentration du gaz à extraire correspond à 2 % en volume du mélange gazeux initial, alors la surface théorique de l'orifice d'extraction 1 c correspondra à 2% de la surface totale de la spire à l'endroit dudit orifice - surface prise dans un plan orthogonal à la direction du mélange dans le conduit 1 . Il s'agit d'un dimensionnement théorique puisque la composition du mélange gazeux initial n'est en général pas fixe. En effet, la concentration du gaz à extraire varie généralement dans le temps (CO2 contenu dans l'air atmosphérique, particules en suspension dans l'air, ... ). Il est donc nécessaire de réguler en permanence le débit d'extraction au niveau de l'orifice d'extraction 1 c. Pour ce faire, et conformément à l'invention, on crée une dépression au niveau de l'orifice d'extraction, et on régule la valeur de cette dépression en fonction : de la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b, de la surface dudit orifice au niveau de la paroi de la spire, de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée 1 a dudit conduit.
Pour ce faire, en se rapportant aux figures 2 et 3, l'orifice d'extraction 1 c est relié à un moyen d'aspiration 10c configuré pour créer une dépression au niveau dudit orifice. Ce moyen d'aspiration 10c est préférentiellement une pompe à vide dédiée, dont l'entrée est connectée à l'orifice d'extraction 1 c et dont le refoulement est mis à l'atmosphère. La pompe à vide permet de régler de manière très précise la valeur de dépression, avec un minimum de variation. Tout autre dispositif de pompage peut toutefois convenir.
La valeur de consigne de dépression du moyen d'aspiration 10c est définie par un moyen de commande 1 1 c configuré pour générer une instruction de consigne de dépression qui est notamment fonction :
de la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b, laquelle valeur est définie et réglée par le moyen de commande 1 1 b,
la surface de l'orifice 1 c au niveau de la paroi de la spire, laquelle surface est constante car fixée dès la conception du dispositif séparateur,
de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée 1 a, un appareil pour mesurer en continue la composition du mélange gazeux initial - et plus particulièrement la concentration du gaz à extraire - pouvant être installé au niveau de ladite entrée.
En pratique, le moyen de commande 1 1 c est un ordinateur ou un processeur configuré pour générer des instructions de commande à destination du moyen d'aspiration 10c. La valeur de consigne de dépression du moyen d'aspiration 10c varie par exemple entre 0,01 mb à 10 mb absolus.
A titre d'exemple non limitatif, la surface de l'orifice d'extraction 1 c est par hypothèse fixée à 2% de la superficie totale de la spire. A différent instant T0, T1 et T2, on analyse la composition du mélange gazeux à l'entrée 1 a du conduit 1 , et on mesure la concentration du gaz à extraire (par exemple du CO2). On souhaite récupérer 100% du gaz à extraire.
A l'instant T0, la concentration du gaz à extraire correspond à 2% (% en volume du gaz à extraire dans le volume total du mélange analysé). Dans ce cas, le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression à destination du moyen d'aspiration 10c, qui est égale à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b.
A l'instant T1 , la concentration du gaz à extraire diminue à 1 %. Dans ce cas, le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression qui est inférieure (en valeur absolue) à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b, de façon à diminuer le débit d'extraction.
A l'instant T2, la concentration du gaz à extraire augmente à 3%. Dans ce cas, le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression qui est supérieure (en valeur absolue) à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b, de façon à augmenter le débit d'extraction.
Dans les mêmes conditions, on souhaite maintenant récupérer 50% du gaz à extraire :
A l'instant T0 (concentration à 2%) le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression, qui est inférieure (en valeur absolue) à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b.
A l'instant T1 (concentration à 1 %), le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression qui est égale à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b.
A l'instant T2 (concentration à 3%), le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression, qui est inférieure (en valeur absolue) à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b.
Si à un instant T3, la concentration diminue à 0,5%, le moyen de commande 1 1 c génère une instruction de consigne de dépression, qui est supérieure (en valeur absolue) à la valeur de dépression au niveau de la sortie 1 b.
Selon le débit du mélange gazeux à traiter, on peut prévoir une installation comportant plusieurs dispositifs de séparation agencés en parallèle. Cette installation est par exemple schématisée sur la figure 4. Dans ce cas, il suffit que la sortie 1 b de chaque conduit 1 soit reliée à une pompe à vide commune 10b (du type décrite précédemment), créant une dépression dont la valeur est égale au niveau de chaque dite sortie. En outre, chaque orifice d'extraction 1 c est relié à une pompe à vide commune 10c (du type décrite précédemment), créant une dépression dont la valeur est égale au niveau de chaque dit orifice.
Parmi les applications industrielles envisagées, on peut citer, sans que cela soit limitatif :
la préparation de gaz pur à partir de l'air atmosphérique (gaz nobles, hydrogène, CO2 par exemple),
la filtration de l'air ambiant (ateliers, salles blanches, locaux tertiaires, hôpitaux, établissements ouverts au public, alimentation en air comburant des moteurs thermiques, ...)■
la filtration des gaz (installations chimiques, gaz d'échappement des moteurs thermiques et des foyers, gaz d'alimentation des turbines, émissions des cheminées industrielles, ...),
la concentration de composants gazeux en un isotope de ce composant (uranium par exemple, ...),
etc.
L'agencement des différents éléments et/ou moyens et/ou étapes de l'invention, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, ne doit pas être compris comme exigeant un tel agencement dans toutes les implémentations. En tout état de cause, on comprendra que diverses modifications peuvent être apportées à ces éléments et/ou moyens et/ou étapes, sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention. En particulier
Claims
1. pour séparer un mélange de gaz, ledit dispositif comportant un conduit (1 ) hélicoïdal formé de plusieurs spires fermées, ledit conduit comprenant :
une entrée (1 a) et une sortie (1 b), ladite sortie étant associée à un moyen d'aspiration (10b) configuré pour créer une dépression dans ledit conduit de manière à aspirer un mélange de gaz depuis ladite entrée et lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes pour séparer les gaz contenus dans ledit mélange sous l'effet de la force centrifuge,
un orifice d'extraction (1 c) disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire, ledit orifice étant agencé de manière à ce que tout ou partie du flux du gaz qui est concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge soit récupérée par ledit orifice,
se caractérisant par le fait que l'orifice d'extraction (1 c) est relié à un moyen d'aspiration (10c) configuré pour créer une dépression au niveau dudit orifice, la valeur de consigne de dépression dudit moyen d'aspiration (1 c) étant définie par un moyen de commande (1 1 c) générant une instruction de consigne de dépression qui est fonction : de la valeur de dépression au niveau de la sortie (1 b) du conduit (1 ), de la surface dudit orifice (1 c) au niveau de la paroi de la spire, de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée (1 a) dudit conduit.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la sortie (1 b) du conduit (1 ) est reliée à une pompe à vide dédiée (10b), créant une dépression au niveau de ladite sortie.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'orifice d'extraction (1 c) est relié à une pompe à vide dédiée (1 c), créant une dépression au niveau dudit orifice.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le conduit hélicoïdal (1 ) est formé par la combinaison d'un mandrin fileté (10) et d'un tube (1 1 ) entourant ledit mandrin, la surface interne dudit tube (1 1 ) étant cylindrique et lisse.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le tube (1 1 ) est en téflon® et le mandrin (10) recouvert de téflon®.
6. Installation pour séparer un mélange de gaz, se caractérisant par le fait qu'elle est formée de plusieurs dispositifs (D) conformes à la revendication 1 , lesdits dispositifs étant agencés en parallèles.
7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle la sortie (1 b) de chaque conduit (1 ) est reliée à une pompe à vide commune (10b), créant une dépression dont la valeur est égale au niveau de chaque dite sortie.
8. Installation selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle chaque orifice d'extraction (1 c) est relié à une pompe à vide commune (10c), créant une dépression dont la valeur est égale au niveau de chaque dit orifice.
9. Procédé pour séparer un mélange de gaz, ledit procédé comprenant les étapes consistant à :
faire circuler un mélange de gaz dans un conduit (1 ) hélicoïdal formé de plusieurs spires fermées, ledit conduit comprenant une entrée (1 a) par laquelle un mélange de gaz est introduit et une sortie (1 b),
créer une dépression au niveau de la sortie (1 b) du conduit (1 ) de manière à aspirer le mélange de gaz depuis l'entrée (1 a) et lui faire subir une trajectoire forcée permettant d'atteindre des vitesses de rotation suffisantes pour séparer les gaz contenus dans ledit mélange sous l'effet de la force centrifuge,
extraire, au niveau d'un orifice d'extraction (1 c) disposé sur la paroi interne de plus grand rayon d'au moins une spire, tout ou partie du flux du gaz concentré au niveau de ladite paroi sous l'effet de la force centrifuge,
se caractérisant par le fait que le procédé comprend en outre les étapes suivantes pour réguler le débit d'extraction au niveau de l'orifice d'extraction (1 c) :
créer une dépression au niveau dudit orifice d'extraction (1 c),
régler la valeur de cette dépression en fonction : de la valeur de dépression au niveau de la sortie (1 b) du conduit (1 ), de la surface dudit orifice (1 c) au niveau de la paroi de la spire, de la concentration du gaz à extraire au niveau de l'entrée (1 a) dudit conduit.
10. Procédé selon la revendication 9, consistant à maintenir une différence de pression entre la sortie (1 b) et l'entrée (1 a) du conduit (1 ) comprise entre - 800 mbar et - 1200 mbar.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1262199A FR2999451A1 (fr) | 2012-12-18 | 2012-12-18 | Dispositif et procede pour separer un melange de gaz. |
| FR1262199 | 2012-12-18 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2014096631A1 true WO2014096631A1 (fr) | 2014-06-26 |
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ID=48468409
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/FR2013/053038 WO2014096631A1 (fr) | 2012-12-18 | 2013-12-11 | Dispositif et procédé pour séparer un mélange de gaz |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2999451A1 (fr) |
| WO (1) | WO2014096631A1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018069173A1 (fr) * | 2016-10-12 | 2018-04-19 | Thyssenkrupp Industrial Solutions Ag | Procédé de préparation d'ammoniac à partir d'un mélange gazeux de procédé contenant de l'azote et de l'hydrogène |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2360066A (en) | 1940-04-04 | 1944-10-10 | Lavigne Jean Loumiet Et | Gas purification system |
| FR2753392A1 (fr) * | 1996-09-18 | 1998-03-20 | Bellini Jacques | Procede et dispositif d'elimination des poussieres d'un flux gazeux et en particulier des particules submicroniques |
| EP1311335A1 (fr) | 2000-08-24 | 2003-05-21 | Jacques Bellini | Procede et dispositif de separation ou d'enrichissement de la concentration dans un melange de composants gazeux ou liquides |
| FR2912931A1 (fr) | 2007-02-28 | 2008-08-29 | Jacques Bellini | Dispositif pour separer des molecules et/ou particules dispersees dans un fluide |
-
2012
- 2012-12-18 FR FR1262199A patent/FR2999451A1/fr active Pending
-
2013
- 2013-12-11 WO PCT/FR2013/053038 patent/WO2014096631A1/fr active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2360066A (en) | 1940-04-04 | 1944-10-10 | Lavigne Jean Loumiet Et | Gas purification system |
| FR2753392A1 (fr) * | 1996-09-18 | 1998-03-20 | Bellini Jacques | Procede et dispositif d'elimination des poussieres d'un flux gazeux et en particulier des particules submicroniques |
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| WO2018069173A1 (fr) * | 2016-10-12 | 2018-04-19 | Thyssenkrupp Industrial Solutions Ag | Procédé de préparation d'ammoniac à partir d'un mélange gazeux de procédé contenant de l'azote et de l'hydrogène |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2999451A1 (fr) | 2014-06-20 |
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