FR2497119A1 - Procede et appareil pour la separation d'un melange gazeux par adsorption - Google Patents

Abstract

PROCEDE ET APPAREIL POUR LA SEPARATION D'UN MELANGE GAZEUX PAR ADSORPTION. UN ECHANGE THERMIQUE EST EFFECTUE DANS UN ECHANGEUR 61 ENTRE LE GAZ CONSTITUANT NON ADSORBE EXTRAIT DE LA TOUR D'ADSORPTION ET DU MELANGE GAZEUX BRUT D'ARRIVEE DE LA CONDUITE 22, LEDIT GAZ CONSTITUANT NON ADSORBE SE TROUVANT AINSI ECHAUFFE CEPENDANT QUE LEDIT MELANGE GAZEUX BRUT SE TROUVE REFROIDI; LEDIT CONSTITUANT NON ADSORBE EST AMENE A SUBIR UNE DETENTE ADIABATIQUE EN 67 AFIN D'ASSURER UNE RECUPERATION DE TRAVAIL SUR CELUI-CI. LE PROCEDE PERMET AINSI DE RECUPERER EFFICACEMENT DE L'ENERGIE SUR LE GAZ CONSTITUANT NON ADSORBE ET D'ASSURER UNE REDUCTION DE L'IMPORTANCE DU REFROIDISSEMENT A FAIRE SUBIR AU MELANGE GAZEUX BRUT POUR LE PORTER A LA TEMPERATURE D'ADSORPTION. APPAREILS POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil pour la

séparation d'un mélange gazeux dans

lequel l'un, particulier, des gaz du mélange gazeux, cons-

titué, par exemple, par de l'air formé d'oxygène et d'azo-

te, ou par un mélange d'air et d'humidité, est séparé en

provoquant une adsorption de celui-ci par un agent adsor-

bant. Comme représenté par la fig.1 des dessins ci-annexés,

dans l'un des procédés classiques de séparation par adsorp-

tion visant à séparer l'oxygène de l'azote, on fait appel

à de la mordénite naturelle ou à une zéolite 5A synthéti-

que en tant qu'agent adsorbant et on lui fait adsorber

préférentiellement un constituant gazeux formé par de l'a-

zote. Dans ce procédé classique, des conduites collectri-

ces 3, 4, 5 et 6 sont montées de part et d'autre de deux tours d'adsorption 1 et 2. La conduite collectrice 3 est reliée à une conduite d'amenée d'air 8 munie d'une vanne 7, à une conduite d'évacuation d'air 10 munie d'une vanne 9, et à une conduite de sortie d'azote gazeux 12 munie

d'une vanne 11. D'une façon similaire, la conduite collec-

trice 5 est reliée à une conduite d'amenée d'air 14 munie d'une vanne 13, à une conduite d'évacuation d'air 16 munie d'une vanne 15 et à une conduite de sortie d'azote gazeux

18 munie d'une vanne 17. La conduite collectrice 4 est re-

liée à une conduite de sortie d'oxygène gazeux 20 munie d'une vanne 19 et à une conduite d'amenée d'oxygène gazeux 22 munie d'une vanne 210 De m9me, la conduite collectrice 6 est reliée à une conduite de sortie d'oxygène gazeux 24 munie d'une vanne 23 et à une conduite d'amenée d'oxygène gazeux 26 munie d'une vanne 25. Les conduites d'amenée

d'air 8 et 14 sont reliées à une conduite principale d'a-

menée d'air 29 qui est en communication avec un compres-

seur 28 entraîné par un moteur 27. Les conduites d'évacua-

tion d'air 10 et 16 sont reliées à une conduite principale d'évacuation d'air 30, et les conduites de sortie d'azote gazeux 12 et 18 sont reliées à une conduite principale de sortie d'azote gazeux 33 qui est en communication avec une

pompe d'aspiration 32 entraînée par un moteur 31. Les con-

duites de sortie d'oxygène 20 et 24 sont reliées à une conduite principale de sortie d'oxygène gazeux 35 munie d'un clapet détendeur 34, tandis que les conduites d'amenée d'oxygène 22 et 26 sont reliées à une conduite principale

d'amenée d'oxygène gazeux 37 qui part de la conduite prin-

cipale de sortie d'oxygène 35 du cs8té amont du clapet dé-

tendeur 34 et comporte en propre une vanne 36.

Les tours d'adsorption 1 et 2 sont respectivement remplies d'un agent adsorba t propre à adsorber l'azote

gazeux. De l'air est comprimé par le c ompresseur 28 entrat-

né par le moteur 27, et il circule de ce nilt dans la con-

duite principale d'amenée d'air 29. On va supposer à pré-

sent qu'une opération deadsorption est effectuée ders la tour d'adsorption 1 et qu'une opération de desorption est effectuée dans la tour deadsorption 2r Les vannes 7 et 19 situées de chaque c8té de la tour d'adsorption 1 sont ouvertes, tandis que les vannes 9, 11 et 21 sont fermées. L'air comprimé qui est admis par la conduite principale d'amenée d'air 29 traverse la conduite d'amenée d'air 8, pénètre dans la conduite collectrice 3 par la vanne ?, puis dans la tour d'adlsorption 1. lorsque l'air comprimé pénètre dans la tour d'adsorption 1 et la

traverse, l'azote gazex contenu dans l'air se trouve ad-

sorbé préférentiellement par l'agent adsorbant, et de lo-

xygêne gazeux résiduel est Co neitré et et extrait par

le conduite collectrice 4. Par le vanne 19, l'orrgène ga-

zeux arrivcó dans la conduite prifîpcle de sortie d'oxygê-

ne 35 en empruntant la conduite de sortie d'oxygène 20, et il traverse le clapet détendeur 34 pour 8tre délivré & d'autres équipements de traitement, tout en maintenant la

tour d'adsorption I à une pression d'adsorption prédéter-

minée. Pendant ce temps, une opération de désorption est

effectuée dans l'autre tour deadsorption 2. Ainsi, initia-

lanment, la vamnne 15 est ouverte et les autres vannes 13, 17, 23, 95 et 36 sont fermées. Grâce à l'ouverture de la

vanne 15, il y a extraction de l'air renfermant en prédo-

minance de l'oxygène que contient la tour d'adsorption 2, lequel traverse la vanne 15, la conduite d'évacuation d'air 16 et la conduite principale d'évacuation d'air 30 et est ensuite évacué. Lorsque la pression régnant dans

la tour d'adsorption 2 a été réduite à une valeur prédé-

terminée par l'échappement d'air, il y a fermeture de la

vanne 15, puis ouverture de la vanne 17 et mise en fonction-

nement du moteur 31 pour extraire l'air contenu dans la tour d'adsorption 2 par la conduite principale de sortie d'azote 55, la conduite de sortie d'azote 18 et la vanne 17 afin de réduire davantage encore la pression régnant dans la tour d'adsorption 2; de ce fait, l'azote adsorbé par l'agent adsorbant se trouve désorbé. Après que l'azote

a été désorbé et qu'il a été délivré par la tour d'adsorp-

tion 2, il y a fermeture de la vanne 17, avec ouverture des vannes 36 et 25; de ce fait, une partie de l'oxygène comprimé circulant par la conduite principale de sortie

d'oxygène 35 vient traverser la conduite principale d'ame-

née d'oxygène 57, la conduite d'amenée d'oxygène 26 et la

conduite collectrice 6 pour être envoyée dans la tour d'ad-

sorption 2 et élever la pression régnant dans cette derniè-

re. Dans les procédés classiques tels que celui que l'on vient de décrire, il faut de l'énergie pour comprimer l'air et pour refroidir l'air lorsqu'il est comprimé, et aucune disposition n'est prévue pour récupérer utilement une telle énergie.

L'un des buts de la présente invention est de propo-

ser un procédé et un appareil de séparation d'un mélange gazeux par adsorption grâce auxquels peut être réalisée

une récupération d'énergie efficace.

A cet effet, la présente invention propose un procédé pour la séparation d'un mélange gazeux brut, du genre dans lequel le mélange gazeux brut est comprimé puis refroidi et ensuite envoyé dans une tour d'adsorption remplie d'un agent adsorbant à l'effet d'adsorber un gaz constituant

d'adsorption présent dans ledit mélange gazeux, en permet-

tant ainsi à un ou à des gaz constituants non adsorbés ré-

siduels d'être extraits de ladite tour d'adsorption, lequel procédé se caractérise en ce qu'un échange thermique est

opéré entre le gaz constituant non adsorbé extrait de la-

dite tour d'adsorption et du mélange gazeux brut d'arrivée, ledit gaz constituant non adsorbé se trouvant ainsi échauffé cependant que ledit mélange gazeux brut se trouve refroidi, et en ce que ledit gaz constituant non adsorbé est amené à subir une détente adiabatique afin d'assurer une récupération de travail sur celui-ci, ledit procédé permettant ainsi de récupérer efficacement de l'énergie sur le gaz constituant non adsorbé et d'assurer une réduction

de l'importance du refroidissement à faire subir au mélan-

ge gazeux brut pour le porter à la température d'adsorp-

tion.

L'invention propose en outre un appareil pour la sé-

paration d'un mélange gazeux brut du genre comprenant au moins une tour d'adsorption, une canalisation d'amenée de mélange gazeux brut sur laquelle est insérée un compresseur, des raccords à vannage prévus à chaque extrémité de ladite tour à l'effet de commander l'admission et le passage dudit

mélange gazeux dans ladite tour afin de permettre d'en sé-

parer un gaz constituant d'adsorption, et une canalisation de sortie permettant d'extraire et de faire sortir le gaz

constituant non adsorbé résiduel de la tour, lequel appa-

reil se caractérise en ce que ladite canalisation de sor-

tie est montée de façon à passer par l'un des circuits d'un échangeur de chaleur dont l'autre circuit est relié à la canalisation d'amenée de mélange gazeux brut, et en ce qu'un dispositif de détente adiabatique est inséré sur

ladite canalisation de sortie.

Les caractéristiques et avantages de la présente in-

vention ressortiront plus amplement de la description ci-

après de plusieurs formes de sa mise en oeuvre, qui est

donnée à titre non limitatif en référence aux dessins an-

nexés, sur lesquels:

Fig.1 est un schéma fonctionnel représentant une-

forme de réalisation d'un appareil classique pour la mise en oeuvre d'un procédé de séparation d'air par adsorption; et Fig.2 à 9 sont des schémas fonctionnels de huit

formes de mise en oeuvre du procédé et de l'appareil cor-

respondant pour la séparation d'air par adsorption selon l'invention. Les dispositions de la fig.u représentent une

première forme de réalisation de l'invention, dont l'agen-

cement de base est très semblable à celui mis en oeuvre dans le procédé classique décrit plus haut, et dont les éléments constitutifs homologues sont désignés par les mêmes repères numériques. Ainsi, le procédé fait appel à des tours d'adsorption 1 et 2 et à des collecteurs 3 à 6 comme décrit plus haut. De m8me aussi que décrit plus haut, le collecteur 3 est relié à des conduites 8 et 10 munies de vannes respectives 7 et 9. Par contre, dans cette forme

de réalisation, la conduite de sortie d'oxygène gazeux mu-

nie de la vanne 11 porte le repère numérique 51. D'une fa-

çon similaire, le collecteur 5 est relié à des conduites 14 et 16 munies de vannes respectives 13 et 15, mais la conduite de sortie d'oxygène gazeux munie de la vanne 1'7 porte le repère numérique 52 et débouche dans une conduite principale de sortie d'oxygène 57, laquelle est reliée à la pompe d'aspiration 32. La conduite collectrice 4 est reliée à une conduite de sortie d'azote gazeux 53 munie d'une vanne 19 et à une conduite d'amenée d'azote gazeux

54 munie d'une varme 21. D'une façon similaire, la condui-

te collectrice 6 est reliée à une conduite de sortie d'a-

zote gazeux 55 munie d'une vanne 23 et à une conduite d'a-

menée d'azote gazeux 56 munie d'une vanne 25. Les condui-

tes de sortie d'azote 53 et 55 sont reliées à une conduite principale de sortie d'azote gazeux 58, tandis que les conduites d'amenée d'azote 54 et 56 sont reliées à une

conduite principale d'amenée d'azote gazeux 59 qui est mu-

nie d'une vanne 36 branchée sur la conduite principale dé sortie d'azote 58. Sur la conduite principale d'amenée

d'air 29, entre le compresseur 28 et les conduites d'ame-

née 8 et 10, sont insérés en succession dans le sens de l'écoulement un échangeur de chaleur 61, un refroidisseur

secondaire à circulation d'eau 60, un séparateur de vidan-

ge 63, un dessixcateur 6* el un groupe frigorifique 42.

L'extrémité aval de la conduite principale de sortie d'a-

zote 58 est reliée à une entrée d'agent de refroidissement

de l'échangeur de chaleur 61. La sortie d'agent de refroi-

dissement de l'échangeur de chaleur 61 est mise en commu-

nication par une conduite de raccordement 68 avec l'admion d'une turbine de détente 67 accouplée au moteur 27, et une conduite de sortie d'azote gazeux 68 est raccordée à la

sortie de la turbine de détente 67.

Les tours d'adsorption 1 et 2 sont remplies d'un a-

gent adsorbant pour l'1adsorption d'O2 tel par exemple qu' une zéolite dans laqgelle du fer ajant une valence de deux ou plus est séparé Sn zéolite de type Psa- A pure (zé&olite dite ci-après zéolite de,type 1e-raA).ns laquelle du, fer d'une valence de deux ou plus est spiaré en zéolite de tpe ia-A pure et o une partie du. sE:Ad est replace par du potassium fzeolite dite.pr t 7pe - )

r fonct>ioxe:ent, de l 'air est rée par le con-

presseur-- 28, et il soule pas la coidut3e deaeenSe die 29. L'air comprie, qui se trouve à =ne éepertue levée, traverse d'abs=d d' 1cger e chaleur 6I5 de l-equol il

est refroidi, et il eet ensuite soumis a nouveau4 r2oi-

dissement par 1e refroidisseur secondaire. circulation d'eau 60. Il est enouite envoyé au séparaeu de vidange 63, o l!eau condens e par re2roidissenet est éliminée, puis envoy& au dessiccateur 6l'3 o il est débarrassé de l'hu- diti quail est sseptible de contenir0 L'3air qui

sort du f1......cateu 6 et esie raoyé au goue fri,-

r.fique 1-, O--i 2 Est por- -éar rîente à la tempé-

rature d aaswtzur.

On s,-, présent qu'eopéralon d ' dsorption

est effectuée dans la tour dadsorption ' et qu'une opéra-

tion de d3sortion e*t effec[tée dans l tour dadsorption

2- Leas vaines 7 et 19 de la t1tou d'adsorption I sont ouver-

tes, ct les vannes 9, Il at 21 sont ferméesQ Laf_: acr cmpr

et ult6rieutrement refroidi qui provient de le coduite --

principale d:,enée d'air 29 -traverse la cond-ite daenoée

d'air 8 et la conduite collectrice 3 en passant par la vau-

ne 7, et il pénètre dans la tour d'adsorption 1 L'oxygne

contrenu dans l'air est &dsorbé par l'agent adsorbant conte-

nu dans la tour 1, et l'azote gazeux résiduel est concentré

et est extrait par la conduite collectrice 4, lazote pas-

sant par la venne 19 pour emprunter la conduite de sortie

d'azote 53 et arriver dans la conduite principale de sor-

tie d'azote 58. Il est ensuite envoyé comme agent de

refroidissement à l'échangeur de chaleur 61. Dans l'échan-

geur de chaleur 61 est effectué un échange de chaleur avec l'air, de sorte que l'azote subit un échauffement avant

d'être envoyé par la conduite de raccordement 66 à la tur-

bine de détente 67, dans laquelle l'azote subit une déten- te adiabatique et actionne la turbine de détente 67. Après avoir subi un abaissement de pression sous l'effet de la détente adiabatique opérée dans la turbine de détente 67, l'azote est délivré à d'autres équipements par la conduite

de sortie d'azote 68. Pendant ce temps, l'autre tour d'ad-

sorption 2 effectue une opération de désorption et la van-

ne 15 est d'abord ouverte, tandis que les autres vannes 13, 17, 23, 25 et 36 sont fermées. L'ouverture de la vanne donne lieu à l'extraction, par la conduite collectrice

5, de l'air renfermant en prédominance de l'azote que con-

tient la tour 2, et cet air est admis par la vanne 15 à traverser les conduites d'évacuation d'air 16 et 30, et est ensuite évacué. Lorsque la pression régnant dans la tour 2 a été réduite à une valeur prédéterminée, voisine par exemple de la pression atmosphérique, par l'évacuation de l'air, il y a fermeture de la vanne 15, puis ouverture

de la vanne 17. Simultanément, le moteur 31 est mis en mar-

che afin d'extraire l'air contenu dans la tour 2 par la conduite principale de sortie d'oxygène 57, la conduite de sortie d'oxygène 52 et la vanne 17 au moyen de la pompe d'aspiration 32; ainsi, la pression régnant dans la tour

d'adsorption 2 subit une nouvelle réduction, laquelle don-

ne lieu à une désorption de l'oxygène adsorbé par l'agent adsorbant. Après que l'oxygène a été désorbé et qu'il a

été délivré par la tour 2, la vanne 17 est fermée, cepen-

dant que les vannes 36 et 25 sont ouvertes, de sorte qu' une partie de l'azote gazeux comprimé qui circule dans la conduite principale de sortie d'azote 58 se trouve envoyée dans la tour 2 par la conduite principale d'amenée d'azote

59, la conduite d'amenée d'azote 56 et la conduite collec-

trice 6, ce qui donne lieu à une élévation de la pression

régnant dans la tour d'adsorption 2.

Dans cette forme de réalisation de l'invention, la quantité d'oxygène adsorbée par l'agent adsorbant est d'environ 1/5 de l'air total. De ce fait, N2 et 02 peuvent être séparés l'un de l'autre en n'adsorbant qu'une faible quantité de gaz. De plus, commne la proportion d'azote qui n'est pas adsorbée par l'agent adsorbant est d'environ 4/5 de l'air total et que l'azote, qui représente la majeure partie de l'air, est délivré par la tour d'adsorption à l'échangeur de chaleur 61 dans lequei est opéré un échange

thezuique entre l'azote et de l'air afin d'échauffer l'azo-

te et de refroidir simultanément l'air, le froid véhiculé par l'azote peut être mis à profit efficacement et le taux de récupération du froid appliqué est également élevé. De plus, vu que l'azote échauffé est envoyé à la turbine de détente 67 afin d'entraîner cette dernière en subissant une détente adiabatique, et que la puissance fournie par la turbine de détente 67 entraîne le moteur 27, l'énergie de

compression de l'azote peut ainsi 8tre récupérée efficace-

ment, et le rendement de récupération de l'énergie dépensée

pour la compression.est également élevé. &e outre, en rai-

son de l'échauffement auquel est soumis l'azote, on peut obtenir un accroissement de la puissance fournie par la

turbine de détente 67.

Une expérience pratique de séparation d'air en azote

et en oxygène par adsorption par la mise en oeuvre de l'a-

gencement ci-dessus décrit a fourni les résultats suivante: Dans toutes les données et résultats quantitatifs qui suivront, les volumes figurant dans l'expression des débits de gaz sont rapportés aux conditions normales de température et de pression, et les pressions indiquées sont

des pressions absolues.

On a effectué un essai de séparation d'air en faisant appel à un appareil dans lequel une soupape régulatrice de

pression était disposée à la place de la turbine de dàten-

te 67 de l'appareil ci-dessus décrit.

Les tours d'adsorption 1 et 2 ont été remplies avec

500 kg de zéolite de type Fe-K-Na-A à diamètres de grains-

d'environ 1 mm. De l'air dont l'humidité relative était de ", la température de 50%C et la pression de 105pa était

comprimé par le compresseur 28 Jusqu'à 6,5.105 Pa. La tempé-

rature immédiatement après compression était d'environ a 240 C. L'air échauffé à environ 2l4uC était soumis à des pré-traitements tels que refroidissement, séchage, etc., et l'aeir comprimé refroidi à 25 C était envoyé à la tour d'adaorption 1 sous un débit de 100 mb/h pour donner lieu à une fixation de 02 par la zéolite de type Ye-K-Na-A. La pression régant à ce moment dans la tour d'adsorption 1 *tait d'environ 6.105Pa.La tour d'adsorption I fournissait un débit de sortie de 57 m3/h d'azote dont la concentration

ean 02 était de 1l au plus.

La tour d'adsorption 2, dans laquelle était effectuSe une opération de desorption, fournissait un débit de 21m /h

d'oxegine à concentration en (02 de 79, et la proession fi-

nale dans la tour d'adsorption 2 était réduite à 0,2.105Pa.

Dani cette expérience, on a étudié la séparation de l'air par adsorption en Jfu.eanat appel à uxi appareillage à échelle réduite dans lequel l'air comprimé était envoy6 sous un débit de 100 m51/h et, en raison de la faiblesse du débit de gaz délivré, il n'était pas possible dans ce cas

d'actionner la turbine de détente 67. Toutefois, môme lors-

que le dimensionnement de l'appareil est porté à une échel-

le telle que le débit de délivrance de l'air comprimé envo-

yé à la tour d'adsorption 1 puise s'élever à 10 000 ma/h afin de rendre possible d'actionner la turbine de détente 67, Une exploitation de l'appareil selon le mome mode que dans l'expérience ci-dessus décrite conduit à des conditions d'obtention de N. et 02 qui sent ls suivantes: Le gaz délivré pendant l'opération d'adsorption e8t de l'azote gazeux à concentration en 0, de 1% au plus dont

le débit eat de 5700 mS/h, et le gaz délivré pendant l'opé-

ration de désorption est de l'oxygEne à concentration en

02 de 79% dont le débit est de 2100 m3/h.

On va à présent calculer luos quantitea de chale.r mises en jeu dans lea différents dispositifs de l'appareil lorsque celui-ci traite de l'air comprime admis sous un

débit de 10 000 mS/h. Dans cet exemple, bien que les en-

thalpies de l'air, de l'azote et de l'oxygène soient un tant soit peu différentes les unes des autres, on effec?

tuera lea caloula en supposant, dans un but de simplifi-

cation, qu'elles sont égales entre elles.

La différence d'enthalpie introduite lorsque de 1'

air à 30,0 et sous I0o Pa out portÈ par Copresaion adîaba-

tique à 6,5. i0 Pa au moyen du compresseur 2 est de 201 kJ/kg.

d'o e'ensuit que si l'on suppose que le rendement du com-

preaaour 28 eat de 80%. la puissance nécesúaire potu trai- ter de laair sec sous uw débit de 10 OC-e m/ (12,95 x !0 kg/U) a pour valeur: 201 kJ/kg xI2,95 x O13 k/h / 0 3.252 MJ/h Dans le cas ou l'azote à 25C et à 6105Pa déi ré par la tour daieoption 1 efIectueant ue?''' diabatique qui er-ea.*3sJir r 3a, La dl=ff e5i t!on es..... ' o reZncI6 O ltIIm=ot6ntle S6de109 ' i. s'eï t

que a2i.n 32i iakpCee qU2 li Qi;ziI3ax f 3 dé-

tentO E? 85.%; eXt, la -puiLM3zeet^t 0eS1 1' a %o UI __ - déoxi de =57F;0 z:i!i7r val aou:

109 kJ/kg x 7?, j 05 Y / Ju8 - 6i9 J/h.

zr voii 1% de3 la puiLZ:an@ue à 2ozdi au, Z es-e 2 p ú aYeaS1t2p la tvurbine dû ten.te 67, A l'&1kihngeur doaie G 61 à " déliVre la tour d'adaz-tio e bc d'utÄablu'. 8'vw.e.do ïGhal' &a-'aÀ s 1cmia 3 auef 0 id22 2ei

Cit à - w" t de o@e te quporte CelJi-

ci. i 200O%,1 J[erSqàú àeO 200 ost envoyé -

la turbine uei d4t- te 6 sae-e que à zts ' 200C et à 6.!05pa

" 3on 5 J 1 's3 a d " e< f b3 d i,.sneneit a pre-

sion, 1

172 et/ " " f lt i-aneitq ie ei l e de la tur-

bine de détente 67..t- de 80'%, a pissance oupre lar lI tUrbite de détoente 67 ú pour vslour:

12 'Ji/kg x 7?, x 103 kg/h x,8b 975 -MJ/h.

Par conSquent, grace à la mise en oeuvre de l'échau-

seur d ch!leur bl, -J':', de le puissanoe nécessaire pour en-

trauler 1e compreseeur '28 peuvent ttre économieas par 1i t=bine de détente b7. lDe plus, alors que l'air comprimé est ramené de 240 à 140C par le refroidisseur secondaire

24971'

dans le cas o l'échangeur de chaleur 61 est absent, lorsqu'il est fait appel à l'échangeur de chaleur 61, le

refroidisseur secondaire 60 n'a à faire passer l'air com-

primé que de 170 à 400C, d'o s'ensuit également la possi-

bilité de réduire l'apport de froid, ou charge de refroi-

dissement, du refroidisseur secondaire 60.

On se reportera à présent à la fig.3, qui représente

une deuxième forme de réalisation de l'invention. Les élé-

ments constitutifs identiques à ceux de la première forme

de réalisation préférée portent les mêmes repères numéri-

ques, et on ne décrira ci-après que les parties de l'appa-

reil qui diffèrent de celles de la première forme de réa-

lisation préférée.

Dans cette forme de réalisation, la conduite princi-

pale de sortie d'oxygène 57 ne comporte pas de pompe d'as-

piration 32 ni de moteur 31. Une conduite principale de retour d'azote gazeux 69 part de la conduite de sortie d'azote 68 et aboutit à la conduite collectrice 4 par une

conduite de retour d'azote 71 qui est munie d'une vanne 70.

De plus, la conduite principale de retour d'azote 69 est

reliée à la conduite collectrice 6 par une conduite de re-

tour d'azote gazeux 73 munie d'une vanne 72.

Cette deuxième forme de réalisation ne diffère de

celle représentée par la fig.2 qu'en ce qui concerne l'opé-

ration de désorption effectuée dans la tour d'adsorption 2, laquelle se déroule comme suit: Lors de l'exécution de l'opération de désorption, la délivrance de l'air contenu dans la tour d'adsorption

2 est effectuée de la même façon que dans la première for-

me de réalisation préférée, et elle fait descendre la pression régnant dans la tour 2 à une valeur voisine de

celle de l'atmosphère. Après cette réduction de la pres-

sion, la vanne 15 est fermée et les vannes 72 et 17 sont ouvertes, ceci afin de conduire dans.la tour 2 une partie de l'azote gazeux circulant dans la conduite de sortie d'azote en lui faisant emprunter la conduite principale

de retour d'azote 69 et la conduite de retour d'azote 73.

Dans la tour d'adsorption 2, vu qu'il y a introduction de l'azote et que la pression partielle de l'oxygène est 12' abaissée, l'oxygène se désorbe de l'agent adsorbant et est

extrait par la conduite de sortie d'oxygène 52 et la con-

duite de sortie principale. Après que l'oxygène a été dé-

livré, les vannes 17 et 72 sont fermées et les vannes 36 et 25 sont ouvertes afin d'envoyer l'azote comprimé dans

la tour pour élever la pression régnant dans celle-ci.

Des modifications peuvent être apportées aux formes

de réalisation de l'invention ci-dessus décrites sans sor-

tir pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, dans les deux formes de réalisation, on pourrait supprimer la conduite principale d'amenée d'azote 59, la vanne 36, les conduites d'amenée d'azote 54 et 56 et les vannes 21 et , et réaliser l'augmentation de pression dans la tour d'adsorption 2 en introduisant de l'azote comprimé dans la tour d'adsorption 2 par la conduite de sortie d'azote 55, ceci en ouvrant la vanne 23. làn outre, l'augmentation de

pression pourrait être réalisée en ouvrant la vanne 13 a-

fin d'envoyer l'air comprimé dans la tour d'adsorption 2.

Si l'air est débarrassé de son humidité avant compression, on peut aussi supprimer le séparateur de vidange 63 et le dessiccateur 64. De plus, en refroidissant l'air comprimé par mise à profit du froid de l'azote à basse température qui est délivré par la turbine de détente 67, on peut soit supprimer le groupe-frigorifique 42, soit le prendre de plus faible capacité. De plus, l'échangeur de chaleur 61

et le refroidisseur secondaire à circulation d'eau 60 peu-

vent être disposés dans l'ordre inverse. Noon nécessaire-

* ment limité à deux, le nombre des tours d'adsorption peut être quelconque, auquel cas les conduites respectives peuvent être reliées directement aux tours d'adsorption avec suppression des conduites collectrices. De plus, la

présente invention est applicable non seulement à la sé-

paration de l'air, mais aussi à la séparation d'autres

mélanges gazeux o il s'agit d'adsorber de l'azote.

On se reportera à présent à la fig.4, qui représente une troisième forme de réalisation de l'invention dans laquelle il est fait appel à dex tours d'adsorption 1 et 2 qui sont remplies d'un agent adsorbant d'oxygène, formé par exemple par une zéolite de type e-Na-A ou par une zéolite de type Ie-K-1a-A. Il est prévu une conduite d'air 29 pour amener l'air servant de gaz de départ ou gaz brut dans les tours d'adsorption 1 et 2, ainsi que des conduites d'air 8 et 14 qui partent de la conduite d'air 29 et sont munies de vannes respectives 7 et 13. Sur la conduite d'air 29 sont insérés un échangeur de chaleur 62, un compresseur 28, un refroidisseur secondaire à circulation d'eau 60 et un groupe frigorifique 42. Le compresseur 28 est accouplé à un moteur 27, lequel est lui-même accouplé à une turbine de détente 67 qui joue le râle d'un dispositif de détente adiabatique. Du même c8té des tours d'adsorption respecti-

ves 1 et 2 o sont montées les conduites d'amenée d'air 8 et 14 sont également prévues des conduites Vévacuation d'air 10 et 16 quî sont munies de vannes respectives 9 et 15, ainsi que des conduites de sortie d'oxygène 51 et 52, respectivement munies de vannes 11 et 17. Les conduites d'évacuation d'air 10 et 16 se réunissent pour former une conduite d'vacuation d'air commune 30. Les conduites de sortie d'oxygène 51 et 52 se réunissent également pour former une conduite de sortie d'oxygène commune 57, sur laquelle est insérée une pompe d'aspiration 32 accouplée à un moteur 31. Du c8té directement opposé à celui o les conduites d'amenée d'air 9 et 14 aboutissent respectivement aux tours d'adsorption 1 et 2, il est prévu des conduites de sortie d'azote respectives 53 et 55, qui sont munies de

vannes respectives 19 et 23, ainsi que-des conduites res-

pectives d'amenée d'azote 54 et 56, elles-mêmes munies de

vannes respectives 21 et 25. Les conduites de sortie d'a-

zote 53 et 55 se réunissent pour former une conduite de sortie d'azote commune 58. Les conduites d'amenée d'azote 54 et 56 communiquent avec une conduite d'azote 52 qui part de la conduite de sortie d'azote 58 et est munie d'une vanne 56. Une turbine de détente 67 est insérée sur la conduite de sortie d'azote 58, et l'extrémité aval de la conduite de sortie d'azote 58 communique avec l'admission du circuit d'agent de refroidissement de l'échangeur de

chaleur 62. Une conduite d'évacuation d'azote 68 est rac-

cordée à la sortie du circuit d'agent de refroidissement

de l'échangeur de chaleur 62.

En tant que matière première, de l'air débarrassé de

poussières et d'humidité est envoyé 1 'échangeur de cha-

leur 62, dans lequel il subit un refroiiissement. L'air

quittant l'échangeur de chaleur 62 est envoyé au compres-

seur 28, entraeiné par le moteur 215 o il subit une com-

pression et une é&lvation correspondante de sa températu.re.

Du compres.eur 28, cet air est envoyé par la conduite d'air 29 au refroidisseur secondaire a circulation d'eau

, o se température est réabai.ssëe Il est ensuite en-

royé au grouoi úrigorifiquo 42, o sa tempe-ature subit une.ouvlle éduction. On và & présent décmrire le ea ou unei op.ration d 'adsoption est effectué.e dans la tour d'adsorption I et o:nme opération de 7$. stitut'ion par

désorption eS' e tecuéiée dis ln &t3 ' - so 2.

r Dans ce cas, les vernnes 7 e 19 asl e3-cS ' la touâ d0ai-

sorption 1 son3t ouvertes, les vannes 9, Il et 21 sontj; fermées, et les varInes 13 et 23 associées ". l'autre tour d'adsorption 2 sont fe Eqes. Ln air qui -ai tte le groupe

frigorifiiue 2 traverse la conduite d'ir 29, la condui-

te d'amernée dnair 8 t la -varmie 7, et il pénètre dans la

tour d'adsorption.

A ilintérieur de la tour d'adso.-ticn 1, 'i o 1 mgZje contenu dans l'air est adsorbé pir un agent adsorbante L:emce rscsiduel Guitte la totu d'absorttion ', et il gLer la turui:e de détente 67 en passant par la vanne 19, la conduite de sortie dazote 53 et la conduite de sortie d'azote 58 pour entran.er la turbine de détente 67 sous

1-effet de sa preesion. La puissance foirnie par la tur-

bine de détente 67 entraYne elle-mgme le moteur 27, dont J.a dconsonator d 'énergie se trouve ainsi eréduilte-dans la turbiui de d ttente b7, l'azote se détend, si bien que sa pression diminue et que sa température descend en conséquence, et l azote aqui quitte la turbine de détente

67 pénètre dans l'échangeur de chaleur 62 Dlans l'échan-

geur de chaleur 62, il s'effectue un échange de chaleur avec l'air, de sorte que la températue de l'azote monte,

et celui-ci est envoye par la conduite d'évacuation d'azo-

te 68 en un lieu ou unle usine prédéterminés. D'autre part, en ce qui concerne la tour d'adsorption 2, dont les vannes 13 et 23 sont fermées, les vannes 25 et 17 sont également fermées, la vanne 15 étant seule maintenue ouverte, de sorte que l'air contenu dans la tour d'adsorption 1 se trouve évacué par la vanne 15, la conduite d'évacuation d'air 16 et la conduite d'évacuation d'air 30 et que la pression régnant dans la tour d'adsorption 2 subit donc une diminution. Initialement, l'air accumulé dans les

interstices séparant les grains d'agent adsorbant est éva-

cué par la conduite d'évacuation d'air 50, puis il y a évacuation d'un gaz à concentration en 02 graduellement croissante. Lorsque la concentration en 02 du gaz évacué par la conduite d'évacuation d'air 30 a atteint une valeur prédéterminée, la vanne 15 est fermée et la vanne 17 est

ouverte. La pompe d'aspiration 32 est mise en fonctionne-

ment par le moteur 31 afin d'aspirer le gaz contenu dans

la tour d'adsorption 2 à travers la vanne 17 et les con-

duites de sortie d'oxygèe 52 et 57, d'o s'ensuit que la pression régnant dans la tour d'adsorption 2 diminue et

que l'oxygène adsorbé par l'agent adsorbant se désorbe.

Après que l'oxygène a été désorbé par réduction de la pression à une valeur prédéterminée et que l'oxygène a été délivré en un lieu ou une usine prédéterminés par la vanne 17 et les conduites de sortie d'oxygène 52 et 57,

la vanne 17 est fermée et les vannes 25 et 36 sont ouverte..

De l'ouverture des vannes 25 et 96 c'ensuit qu'une partie de l'azote circulant dans la conduite de sortie d'azote 58

se trouve envoyée dans la tour d'adsorption 2 par la con-

duite d'azote 59 et la conduite d'amenée d'azote 56, ce qui provoque une élévation de la pression dans la tour d'adsorption 2. En variante, on pourrait faire monter la pression régnant dans la tour d'adsorption 2 en envoyant de l'air comprimé à la place de l'azote, ceci en ouvrant la vanne 13 tout en maintenant fermées les vannes 25 et 36 et en admettant l'air comprimé par la conduite d'air et

la conduite d'amenée d'air 14.

Vu que, dans la forme de réalisation ci-dessus décrite, de l'oxygène est adsorbé par l'agent adsorbant et que l'oxygène à adsorber représente environ 1/5 de la quantité totale d'air, N2 et 2 peuvent être séparés l'un

de l'autre en n'adsorbant qu'une faible quantité de gaz.

De plus, comme l'azote qui n'est pas adsorbé par l'agent adsorbant représente les 4/5 restants de l'air lorsqu'il se détend dans la turbine b7 dans laquelle s'opère une récupération d'énergie, le taux do récupération de l'éner-

gie de compression de l'air comprimé est très important.

En outre, comme la température de l'air avant compression se trouve abaissée au moyen de l'azote refroidi qui s'est détendu dans la turbine b67, le compresseur 28 peut être entrainé en exigeant une énergie moindre pour comprimer l'air en le portant à une pression prédéterminée, ce qui élève en conséquence le rendement du compresseur 28. De plus, comme la température de l'air est abaissée avant

compression, elle ne remonte que légèrement après compres-

sion. De ce fait, l'élévation de la température de l'air après compression est rendue plus faible, ce qui réduit

la quantité d'énergie à fournir pour le refroidissement.

On va à présent décrire des exemples pratiques d'ex-

périences de séparation d'air en N2 et 02 par adsorption effectuées en mettant en oeuvre la forme de réalisation

ci-dessus décrite de la présente invention.

Example -

On a opéré un essai de séparation d'air en utilisant

un appareil dans lequel une soupape régulatrice de pres-

sion était disposée à la place de la turbine de détente 67

mise en oeuvre dans l'appareil représenté par la fig. 4.

Les tours d'adsorption 1 et 2 avaient été remplies de 30 kg d'une zéolite de type Ye-K-Na-A à diamètres de

grains d'environ 1 mm. -

De l'air sec à 25 C et sous 105Pa était porté par le compresseur 28 à une pression de 6,5.10 Pa, La température immédiatement apres compression était d'environ 250 C L'air comprimé à environ 230Q0C était refroidi jusqu'à environ 25 0, puis envoyé à la tour d'adsorption 1 sous un débit de 10m3/h pour donner lieu à une adsorption de l'oxgène par la zéolite de type Fe-K-Na-A. La pression régnant à ce moment dans la tour d'adsorption I était, d'environ 6.105pa.De l'azote gazeux à concentration en 0 de 1 % au plus était délivré par la tour d'adsorption

249711,

1?

sous un débit de 5,6 m5/h.

De l'oxygène gazeux é concentration en 02 de 78 % était délivré sous un débit de 2,0 mj/h par la tour d'adaorption 2, dans laquelle était en cours une opération de désorption, et la pression finale régnant dans la tour

d'adsorption 2 était réduite à 0,2.105Pa.

Dans cette expérience, on a étudié la séparation de l'air par adsorption en faisant appel à un appareillage & échelle réduite dans lequel l'air comprimé était envoyé sous un débit de 10 m3/h et, en raison de la valeur si faible du débit de sortie du gaz dans ce cas, il n'était

pas possible de faire fonctionner la turbine de détente 67.

$outefois, même lorsque le dimensionnement de l'appareil est porté à une échelle telle que le débit de délivrance de l'air comprimé envoyé à la tour d'adsorption I puisse

s'élever à 10 000 mA/h afin de rendre possible le fonction-

nement de la turbine de détente 67, une exploitation de

l'appareil selon le même mode que dans l'exemple d'expé-

rience ci-dessus décrit conduit à des conditions d'ob-

tention de N2 et de 02 qui sont les suivantes: Le gaz délivré pendant l'opération d'adsorption est de l'azote gazeux à concentration en 02 de 1 % au plus dont le débit est de 5600 m3/h, et le gaz délivré pendant l'opération de désorption est de l'oxygène à concentration

an 02 de 78 % dont le débit est de 2000 m3/h.

On va à présent calculer les quantités de chaleur mines en Jeu dans les différents dispositifs de l'appareil lorsque celui-ci traite de l'air comprimé admis sous un débit de 10 000 m5/h. Dans cet exemple, bien que les aenthalpies de l'air, de l'azote et de l'oxygène soient un tant soit peu différentes les unes des autres, on effectuera les calcula en faisant comme ai ces enthalpies étaient:

égales entre elles, ceci dans un but de simplification.

La différence d'enthalpie obtenue lorsque de l'air

sec à 250C et sous 10 Pa a été porté à 6,5.105Pa par com-

pression adiabatique au moyen du compresseur 28 est de

209 kJ/kg, d'o s'ensuit que si l'on suppose que le ren-

dement du compresseur 28 est de 80 %, la puissance néces_ saire au traitement d'un débit d'air sec de 10 000 m3/h (12,95 x 105 kg/h) a pour valeur

209 kJ/kg x 12,9-5 x 105 kg/t / 08 = 3.386 MJ/h.

Dans le cas o lazote à 25 C et sous 6 bars qui e.t

délivré par la tour d'adsorption I effectuant une opéra-

tion dadisoption a été soumis dans la turbimne de dét' 67 à une ditente adiabatiquo qui an raane a preasioL à 1,2. 105Pas 1. diff:&enc-e d'enibelpje obte*oe eât do i0 kJ/k$. Il &'Gesuit qUe si ln 1 app'2. qwua le a de la tur-ïine d: détente 7' e'ti e k-0 d ia puiSance deéeVlppee en t-raetant de I o;e ous débit de & /M h (7,0 x 0-l kw/h)pour ae-: 09 ki/kg x '7,O0 x q105 L-g/ ' 08 61i M.J/.l, On voit do-n q-ilenvi 1 % e0: ' -z'è oiuir pour ent:ainer leorsom 2o Xr ,écu.s' p&r 1e turbineE de 16tente 67

De Pls s -acte gaze-: qui r tVie iua riL'a.e {-

tonte 67 volt aa dmprathr: sabisso 6e 25 0 à eiu'oj-a -6?0 p&a détentt adibtiqua Dans ces dtaoa j n $uppoSe qU ó Cet azoo fe frQ s e Q3 o. c Me age,z de n ointe ent Ci l'éc12eur fe e et qUI reartà 2eCdu 11e r 5.2 il que 4:r sec pètr1nt evant r _. 1 a de mi î.eur 62 qu't!,air sec qzu i qu:tte lc g d ohaleur 62 ff l t ne à une petue dse 0^,-, Par conséquent;. ia eiúté--eênce d3en:thalpi, a'int;-r, duisant lorsque; de!laz sac à 20 0C Gt sLous a c' -D p0o!t; à 6,5. 1Pa palr c opression diab&atiq%' d e

176 kJ/kg. d'oi- &onsuit 'que 3i li r d4ent de cop oes-

aour 28 est de E fj la puiaa6:'hce casiee pcr et ner 1 pSs-e 28 a pour vleur

176 kJ/kg x 12e95 x 1O kg/h /, = 2 846 mJ/h.

En cone6séquence, gràce à la}i:se en oeur-e de 1'e-

changeur de chaleur, la puisasnce dont on a beoinL n'est que de 2.846 MJ/h6 comparativement aux 3.386 MJ/h

qui sont exiges dans la technique anterieure, et on Za-

lige ainai une économie de puissanee de.540 MJ/h '' De plUS, VU quUne puissance de 611 MJ/h p e u t être r&cupérée par la turbine de détente 67, la puissance

-9 249711

correspondante peut être économisée pour l'entra nement

du compresseur 28, et l'on peut réaliser sur la consomma-

tion d'énergie du compresseur 28 une économie totale de 1.151 MJ/h, q u i e s t é g a 1 e à e n v i r o n 34 de la puissance nécessaire pour entrainer le compres- seutr. ExemDle 2 On a opéré un essai de séparation d'air en utilisant

un appareil dans lequel une soupape régulatrice de pres-

sion était montée à la place de la turbine de détente 67

mise en oeuvre dans l'appareil représenté par la fig.2.

Les tours d'adsorption 1 et 2 avaient été remplies avec 20 kg d'une zéolite de type F'e-Na-A à grosseur de

grains d'environ 1 mm.

15. De l'air sec à 25 C et sous lOE Pa était porté par le compresseur 28 A une pression de 6,5.10 Pa. La température

immédiatement après compression était d'environ 2300C.

L'air comprimé à environ 250 C était refroidi jusqu'à en-

viron 00C, puis envoyé A la tour d'adsorption 1 sous un

débit de 10 m3/h pour donner lieu à une adsorption d'oxy-

gène par la zéolite de type M.e-Na-A. La pression régnant à ce moment dans la tour d'adsorption 1 était d'environ

6.10 Pa. A la sortie dela tour d'adsorption 1, on recueil-

lait de l'azote à concentration en 02 de 1% au plus, sous

un débit de 5,8 m3/h.

De l'oxygène gazeux à concentration en 02 de 81% é-

tait délivré par la tour d'adsorption 2 sous un débit de

2,0 m3/h, et la pression finale régnant dans la tour d'ad-

sorption 2 était réduite à 0,2. 105Pa.

Dans cette expérience, on a étudié la séparation de

l'air par adsorption en faisant appel à un appareil à 6-

chelle réduite dans lequel l'air comprimé était envoyé sous un débit de 10 m3/h et, en raison de la valeur si faible du débit de sortie du gaz dans ce cas, il n'était pas possible de faire fonctionner la turbine de détente

67. Toutefois, même lorsque le dimensionnement de l'appa-

reil est porté à une échelle telle que le débit de déli-

vrance de l'air comprimé envoyé A la tour d'adsorption 1 puisse être porté à 10 000 m3/h afin de rendre possible

la fonotionnement de la turbine de détente 67, une exploi-

tation de l'appareil selon le même mode que dans l'exemple d'exprience oidessus décrit conduit à des conditions d'obtention de N2 et de 02 qui sont les suivantes: Le gas délivré pendant l'operation d'adsorption est de lazsote A concentration en 02 de 1% au plus qui est

fournz sous un débit de 5800 m3/h, et le gaz dêlivré pen-

dant l'opération de désorption est de l'oxygône A concan-

tration an 02 de 81% dont le débit est de 2000 03/k.

On vs A présent calculer les quantités de chaleur intervenant dans les différents dispositifs de l'appareil

lorsqu'il s'agit de traiter de l'air comprimé sous un dé-

bit de 10 O m3/h. Dans cet exemple, bien que les enthal-

pies de l'air, de l1oxygène et de l'azote so ent un tant soit peu différentes les unes des autrea, on effectuera les calculs en faisant comme si elles taient 6égales entre

elles, ceci dans un but de simplification.

La différence-d'enthalpie introduite lorsque de l'air

sec à 250C et sous 10 Pa a été porté a 6,5.105Pa par compres-

sion adiabatique au moyen du compresseur 28 est de 209 kJ/kg,

d'o s'ensuit que si l'on suppose que le rendement du com-

presseur 28 est de 80%, la puissance nécessaire au traite-

ment d'un débit d'air sec de 10 000 m3/h (12,95 x 103 kg/h) a pour valeur:

209 kJ/kg x 12,95 x 103 kg/h / 0,8 - 3.386 MJ/h.

Dans le cas o l'azote à 0 C et sous 6.105Pa qui est délivré par la tour d'adsorption 1 effectuant une opération d'adsorption a été sousis dans la turbine de détente 67 à une détente adiabatique qui en ramène la pression A 1,2.105pa, -0 1 a différence d'enthalpie obtenue est de.100 kJ/kg, et il m'enauit que ai l'on suppose que le rendement de la turbine de détente 67 est de l80%, la puissance obtenue par traitement de l'azote gazeux sous un débit de 5800 m3h (7,3 x I03 kgjh) a pour valeur:

100 çJ/kg x 7,3 X 103 kg/h x 0,5 - 586 MJ/h.

De plus, l'azote gazeux qui quitte la turbine de dé-

tente 67 voit sa température descendre de O C A environ

-85 0 par détente adiabatique, de sorte que si l'on sup-

pose que cet azote froid est envoyé comme agent de refroidissement à l'échangeur de chaleur 62 et qu'il en

ressort à OC, on voit que l'air sec pénetrant avant com-

pression dans l'échangeur de chaleur 62 peut subir un a-

baissement de température de 48 C, si bien que l'air sec sort de l'échangeur 62 sous une température de -23 C. Par conséquent, ia différence d'enthalpie introduite lorsque l'air sec à -23 C et sous 105Pa a été porté à 6,5.105Pa

par compression adiabatique est de 180 kJ/kg, d'o s'en-

9uit que ai la rendement du compresseur 28 est de 80/o, la puissance nécessaire pour entralner le compresseur 28 a pour valeur:

kJ/kg x 12,95 x 103 kg/h / 0,8 - 2.913 MJ/h.

En conséquence, grâce à la mise en oeuvre de l'échan-

&eur de chaleur 62, la puissance dont on a besoin n'est que de 2.913 MJ/h. au lieu de la puissance d e

3.386 MJ/h qui était nécessaire dans la technique antérieu-

re, et on réalise de ce fait une économie de puissance de 473 MJ/h, D e p 1 u s, vu qu'une puissance de 586 MJ/h peut être récupérée par la turbine de détente 67, la puissance correspondante peut être économisée pour entraîner le compresseur 28, et l'on peut réaliser pour l'entraiuement du compresseur 28 une économie totale de puissance de 1.059 MJ/h, q u i e s t é g a 1 e à environ 31% de la puissance nécessaire pour entraeUer

le compresseur.

On se reportera à présent à la fig.5, qui représente une quatrième forme de réalisation de l'invention. Lea éléments constitutifs qui y sont identiques à ceux de la troisième forme de réalisation portent les moaso repères numériques, et on ne décrira ci-après que les parties de l'appareil qui diffèrent de celles de la troisième forme

de réalisation.

La conduite de sortie d'oxygène 57 de cette forme de réalisation est dépourvue de la pompe d'aepiration 32 et du moteur 31 entrainant celle-ci qui sont prévus dans la troisième forme de réalisation. Une conduite de retour d'azote 69 part de la conduite d'évacuation d'azote 68 et,

du côté des tours d'adsorption 1 et 2 auquel sont respec-

tivement associées les conduites de sortie 53 et 55 sont

également prévues des conduites d'e m-nee d'azote respecti-

ves 71 et 75 qui partent de la conduite de retou? d'azote

69 et sont mumied de vanne respetiGves ?7 et 72.

La différence entre cette forme de réaliaation-ci et la troisièm; folue de réalisation r.e.cer...e te 1i'_%ea- tion de dssowto-n sou s esion CdUiten e. re. a donc ici. lae dispositioîus dt!a fd.e e,5 iou l -.' 2o0ct de catte difx2rencz. Perdn' q e epea&t; dt atpin sst en CGUrns den lt tGr..O 2.- les

1ci\ vA--,r..ts I3 25 r.'c- em,..e- e e le va aes 2',-

17,;6 et ?92,. -awue 15 étant seUle mitenue e ee pou aLssu 2., _rT cuaon de 1 de d.e la tc= d'adeO.pj-ion 1 ?

d'air 16 e-a aie - ". ...

aizi iesceudxe- i. tl'u- 'h ' C 2t pX*t 4es X-Ui.i- d l'gent- 4O'QXi- par la

2:rb14to d'é sec.uatiLs o''.3 2<- f -' ff 8;34i<0 7J ^-

2Ä) oe te. IUY P IRante IJw xx-nv r 3 pe 3 conduite 350 -a terminée, la 7ae lb eet:,?6m ei lae 17 esi; 79 3ri ite,.le g re-- ln!e ':x' Vtas ei E atê vacu -pear le. 17!G 1e- c teu: de ser{;e d'<' 2c5 xgè.e 52 -D...ue a-.

.. ' dfescenie e pression zggni ' an s i 'e d adso: cio 2. Iorsqie cette pression e êe. u!;, e -.rel enz, pàt.ea;erminee, il a2 oiverture da ia ainne 72 a.2 f envoye? par la conduite de retour 69 et].e conduite deïaenée dlnsote 73 une partie-do -,jO tezote ousZ pres2msion reduite daesi le toura dead.so.ption 2, dans laqaelle de I _o-gene se dedc. 2e iassut adco..DTD: eant solis!'e-.Ce' de 1a diffé&lnce entre la,p'êe-sion r-

rielle dao-yne à lspondant A!a quanritéeoxygèene ad-

sorbée sur l'agent adsorbant et la pressio. partielle de

li'oxygusn con:tu dans l'azote evoey&. et, chasaé par l'a-

zote, l'oxygène d4sorbé est refoule de la toU d'adaoutiop u 2 par la vanne 17 et" les conduites de sortie 52 et 57 po7

&tre envoyé en un emplacement ou ume inestallat ion prédéter-

minés A la suite de ceci, il y a fermeture des vannes 17? et 72, et ouverture des vannes 25 et 36. De l'ouverture

des vannes 36 et 25 s'ensuit qu'une partie de l'azote cir-

culant dans la conduite de sortie d'azote 58 se trouve en-

voyée dans la tour d'adsorption 2 par la conduite d'azote 59 et la conduite d'amenée d'azote 56, ce qui donne lieu

à une élévation de la pression régnant dans la tour d'ad-

sorption 2. L'a variante, on pourrait créer l'élévation de

pression dans la tour d'adsorption 2 par envoL d'air com-

primé, à la place de l'azote, par la conduite d'air 29 et -la conduite d'amenée d'air 14 dans la tour d'adsorption 2

en ouvrant la vanne 13 tout en maintenant fermées les van-

nes 25 et 36.

Diverses modifications peuvent être apportées à cet-

te quatrième forme de réalisation et à celles qui seront décrites plus loin. Par exemple, on pourrait faire appel à un nombre quelconque de tours d'adsorption; la pompe d'aspiration 32 pourrait être accouplée à la turbine de

détente 67 au lieu de l'être au moteur 51. De plus, et se-

lon les conditions d'exploitation, on pourrait, à l'effet d'obtenir un meilleur bilan d'énergie au lieu de chercher à réduire la consommation relative d'énergie du compresseur

28, réduire la charge de réfrigération, qui est relative-

ment onéreuse, en faisant appel à un autre échangeur de chaleur, disposé soit à la place du groupe frigorifique 42, soit en aval de ce dernier, en envoyant une partie de l'azote que délivre la turbine de détente 67 à ce nouvel

échangeur de chaleur et en refroidissant l'air sous l'ac-

tion du froid véhiculé par l'azote. Par ailleurs, on pour-

rait faire appel à un autre agent adsorbant, propre à

assurer une séparation par adsorption de N2 ou une sépara-

tion par adsorption d'humidité, ou une séparation de mélan-

ges gazeux autres que l'air.

On se reportera à présent à la fig.6, qui représente une cinquième forme de réalisation de l'invention. Les éléments constitutifs qui y sont identiques à ceux de la première forme de réalisation (Fig.2) sont désignés par

les m8mes repères numériques. De plus, dans la description

ci-après, on ne considérera que les parties de l'appareil qui diffèrent de celles de la première forme de réalisation,

Dans cette forme de réalisation, la conduite princi-

pale d'amenée d'air 29 est dépourvue du séparateur de vi-

dange 63 et du dessiccateur b4, mais un échangeur de cha-

leur 62 y est inséré en amont du compresseur 28. Ea exploi-

tation, le mode opératoire de cette forme de réalisation est identique à celui de la première forme de réalisation A ceci près que l'azote froid qui s'échappe de la turbine

de détente 67 est dirigé par la conduite 65 dans l'échan-

geur de chaleur 62, o il refroidit l'air d'admission et

subit lui-même de ce fait une élévation de température a-

vant d'être admis dans un équipement extérieur.

On va à présent décrire des exemples pratiques d'ex-

périencea de séparation d'air en azote et-en oxygène par adsorption qui mettent en oeuvre cette cinquième forme de

réalisation de la présente invention.

ExaeDle t On a opéré un essai de séparation d'air en faisant appel à un appareil qui comportait une soupape régulatrice de pression montée à la place de la turbine de détente 67 et un groupe frigorifique monté à la place de l'échangeur

de chaleur 61.

Les tours d'adsorption 1 et 2 avaient reçu une char-

ge de 30 kg de zéolite de type Fe-K-Na-A à diamètre de

grain8 d'environ 1 mm.

De l'air sec à 259C et sous 10 5Sa était porté par le compresseur 28 à une pression de 6,5.10 5Pa. Imnediatement après la compression, l'air comprimé était refroidi Juaqu'à environ 25 0, puis envoyé à la tour d'adsorption 1 sous un

débit de 10 m3/h pour donner lieu à une adsorption d'oqgè-

ne par la zéolite de type Fe-K-Na-A. La pression régnant à ce moment dans la tour d'adsorption 1 était d'environ

6.10 Pa. La trod'adsorption 1 délivrait de l'azote à ccncen-

tration en 02 de 1% au plus, sous un débit de 5,6 m3/h.

De la tour d'adsorption 2, dans laquelle une opération

de dasorption était en cours d'exécution, sortait de l'oxy-

gène A concentration en 02 de 7te; dont le débit était de 2,0 m3/h, et la pression fiiale dans la tour d'adsorption

2 était réduite à 0,2.10 5Pa.

Dans cette expérience, on a étudié la séparation de

l'air par adsorption en faisant appel à un appareil à é-

cholle reduite dans lequel l'air comprimé était envoyé sous un débit de 10 mi/h et, en raison de la valeur si faible des débits de sortie des gaz dans ce cas, il n'était pas possible de faire fonctionier la turbine de détente 67. Toutefois, m me lorsque le dimensionnimement de l'appareil est porté A une échelle telle que le débit de délivrance de l'air comprimé envoyé à la tour d'adsorption 1 puisse

s'élever à 10 000 mi/h afin qu'il devienne possible d'en-

traîner la turbine de détente b7, une exploitation de l'ap-

pareil Selon le mBme mode que dans l'exumple d'expérience ci-dessus décrit conduit aux conditions d'obtention de N2 et de 02 suivantes: Le gaz délivré pendant l'opération d'adsorption est de l'azote à concentration en 0-) de 1% au plus qui est

fourni sous un débit de 5600 m.'/h, et le gaz délivré pen-

dant l'opération de désorption est de l'oxygène à concen-

tration en 02 de 78%, dont le débit est de 2000 m3/h.

On va à présent calculer lea quantités de chaleur intervenant dans les différeots dispositifs de l'appareil

* lorsqu'il sagit de traiter de l'air comprimé sous un dé-

bit de 10 000 m'/h. Dans cet exemple, bien que les enthal-

pies de l'air, de l'azote et de l'oxygène soient un tant soit peu différentes les unes des autres, on effectuera les calculs en faisant comme si elles étaient égales entre

elles, ceci dans un but de simplification.

La différence d'enthalpie introduite lorsque de l' air sec A 259C et sous 105Pa a eté portée à 6,5.105Pa par compression adiabatique au moyen du compresseur 28 est de

209 kJ/kg, d'o s'ensuit que si l'on suppose que le ren-

dement du compresseur 28 est de 80%', la puissance néces-

saire pour traiter de l'air sec sous un débit de 10 OO'3/n (12,95 x 10' kg/h) a pour valeur:

209 kJ/kg x 12,95 x 105 kg/h / O,b - 3.386 MJ/h. Dans le cas o l'azote à 25uc et sous 6,105Pa qui est fourni par la tour

d'adsorption 1 effectuant une opération d'adsorption a été soumis dans la turbine de détente 63 à

une détente adiabatique qui en ramène la pression A 1,2.

Pa,la différence d'enthalpie obtenue est de 109 kJ/kg, et il aeneuit qaue asl l'on suppose que la rendemnent de la turbine de détente 63 st de 80%, la puissance obtenue par traitemant d'un débit deazote de 0 m3/h (7,0 x 103 kh) a pour valeur: 109 J/kg x ?70 x 103 kg/h x 0,8 = 611 MJ/h. L'azote à 25 C provenant de la tou- d'adaoption 1

4Aètr: -tu tant qu'agont de refho:idissent -

gour d.e &h&le'61, danz O3qut 5 I 8- _ctS e eot oonisf A tohe;ge ẻ thaleur wses C--' icomré'x;_ f.t fuIjeau

à 5501t:t i'aLct>e pénotse ansuite cane le turbn.e de ié-

t eta d7. L f fiif6roenc e d' erIt. JD el obteK':le liowQUC de ita--

3zots & 355e,. Q,10 ra été Fomsdn1alturbl de

d6tete 67 S 'e dte.nte sdtabatic.l e q& cn ramène la prea-

aien k c -- î /.. e.t:. sirnsd.t que a -P tpose e m-e: d.-teUt2 es0t 113 kJf)/"jQ r O,Ev sritw) ?T/9,j1s La qu wLt"''-_cdnhl ir obten e détrt f. '

demtent-e aiiat io, d i dsortç oUe 'E b-.0papo a cg m-

i E"1 con u-à ene.,g.-l bise S' oeue do t i t&ai-, 2 d hltau6? rlaaue sdont 02 f Lo ten ubeaon en4 i 1) v, F:,1;2;t g. D Sr-;>aiX5ú9-g--"r94Et; IS,.Tr 2s<:; e;a@dú<v4t 18 k / -'-,

h'e t' i #rîu0 e d.980 3_.,.i bi/h. 'a- e Ju dI d l t %nte.u-

a&i e aiXîéroe ar nalpi d eM o btet ueae Porsom delai ff sec t -lcYC et sous; 104iPa a et-ée pRoetce A,5l PDdi102 p-ar^ C9 p"susioa Q4diabtiquegrla,est; de 134 kJ/lrw d'o, e5óec}e.iai qun si l'o uat6ppose %tlCe le rendLenunt 2dt C DDegz7asGb2? is- f2 p @ 43m3k poe16)g53T cenlreszsur 28s al "9ocF_ ralôur:

4184 ka/kg x 12,.9'5 z 3 9 g/h / 0,/ 8 2h90 MJ/h.

IL conséquence, gr9cb à la mise on oeuvre de lié-

chanseur da chaleur 62ú, la puissance dont on a besoin n'est que de 2, 9830 tAU/h, a u lieu de la puissance.de 3.386 MJ/h qai était xnécessaire dans la teonique antérieure, et on réalise de ce fait une économie de

puissance de 406 MJ/h. De plus, on peut faire récu-

pérer une puissance de 63 MJ/h à la turbine de dé-

tente 67, d'o s'ensuit que la puissance à fournir au com-

presseur 28 peut être réduite de la quantité correspondante et que l'on peut réaliser une économie totale de puissance de 469 MJ/h, q u i é q u i v a u t à e n v i r o n

31% de la puissance nécessaire pour entraîner le compres-

seur 28.

Comme l'air sec avant compression subit un abaisse-

ment de température par échange de chaleur avec l'azote à basse température quittant la turbine de détente 67, et

que l'air comprimé subit également un abaissement de tempé-

rature par échange de chaleur avec l'azote sortant de la tour d'adsorption 1, il devient possible de réduire la charge de refroidissement du refroidisseur secondaire 60,

du groupe frigorifique 41' et organes similaires.

ExemDle 2 On a opéré un essai de séparation d'air en se servant

d'un appareil dans lequel une soupape régulatrice de preos-

sion était montée à la place de la turbine de détente 67

de l'appareil représenté par la fig.b, et o on avait éga-

lement remplacé l'échangeur dé chaleur 61 par un groupe frigorifique. Les tours d'adsorption 1 et;' avaient reçu une charge de 20 kg d'une zéolite de type Fe-Na-A à grosseur de graine

d'environ 1 ma.

De l'air sec à 25'C et sous 105Pa était porté par le compresseur 28 à une pression de 6,5.105Pa. Immédiatement après la compression, l'air comprimé était refroidi Juequ'A environ O C, puis envoyé à la tour d'adsorption 1 sous un

débit de 10 mJ/h pour donner lieu a une adsorption d'oiygè-

ne par la z&olite de type le-Na-A. La pression régnant-A ce moment dans la tour d'adsorption 1 était d'environ 6.10 Pz A 1 a sortie de la tour d'adsorption 1, on obtenait un débit de 5,b mS/h d'azote à concentration en 02 de 1%

au plus.

A la sortie de la tour d'adsorption ', dans laquelle était en cours une opération de désorption, on obtenait un débit de 2 ml/h d'oxygène à concentration en 02 de 81%, et la pression finale régnant dans la tour d'adsorption 2 était réduite à 0,2.105Pa, Dans cette expérience, on a étudié la séparation de l'air par adsorption en se servant d'un appareil à échelle réduite dans lequel l'air comprimé était envoyé sous un débit de 10 m3/h et, en raison de la valeur si faible des

débits de sortie des gaz dans ce cas, il n'était pas possi-

ble d'actionner la turbine de détente 67. Par contre, méme lorsque le dimensionnement de l'appareil est porté A une échelle telle que le débit de délivrance de l'air comprimé envoyé à la tour d'adaorption 1 puisse s'élever à 10 O000m/h

afin qu'il devienne possible d'actionner la turbine de dé-

tente 67, une exploitation de l'appareil selon le même mode que dans l'exemple d'expérience ci-dessus décrit conduit aux conditions d'obtention de E2 et de 02 suivantes: Le gaz délivré pendant l'opération d'adsorption est

de l'azote à concentration en 02 de 1% au plus qui est four-

ni aous un débit de 5W00 m /h, et le gaz délivré pendant l'opération de désorption est de l'oxygéne A concentration en 02 de 81'i dont le débit est de 2000 mS/ho On va à présent calculer les quantités de chaleur intervenant dans les différents dispositifs de l'appareil lorsqu'il s'agit de traiter de l'air comprimé sous un.débit de 10 000 n3/h. Dans cet exemple, bien que les enthalpies de l'air, de l'oxygône et de l'azote soient un tant soit

peu différentes les unes da autres, on eflectuera les cal-

cula en faisant comme si elles ôtaient égales entre elles,

ceci dans un but de simplification.

La différence d'enthalpie obtenue lorsque de l'air

sec à 25 C et sous lO5Pa a été portée à U,5.105Pa par com-

pression adiabatique au moyen du compresseur 28 est de

209 kJ/kg, d'o s'ensuit que si l'on suppose que le rende-

ment ducompresseur 25 est de tiao, la puissance nécessaire pour traiter l'air sec sous wi débit de 10 000 mn/h a pour valeur:

209 kJ/kg x 1'2,'95 x 0l kg/L / 0,8 - 3.386 MJ/h.

Dans le cas o.'azlote I Uc et sous t.105Pa qui est délivré par la tour d'adsorption 1 effectuant une opàration d'adsorption a été soumis da'ns 1a turbine de détente 67 à Ad29 249711 une détente adiabatique qui en ramène la pression à 1,2.105Pa, 1 a différence d'entnalpie obtenue est de 100 kJ/kg, et il s'ensuit que ai l'on suppose que le rendement de la turbine de détente b7 est de 50%, la puissance obtenue par traitement d'un débit d'azote de 5800 mS/h a pour valeur:

kJ/kg x 7,3 x 103 kg/h x 0,8 3 586 MJ/h.

L'azote à 0uC qui est délivré par la tour d'adsorp-

tion 1 pénètre en tanrt qu'agent de refroidissement dans l'échangeur de chaleur bl, dans lequel l'azote subit un échange de chaleur avec l'air sec comprimé et se trouve

échauffé jusqu'à H5uC, puis pénètre dans la turbine de dé-

tente 67.

La différence t'enthalpie obtenue lorsque de l'azote

sous 6.105Pa a été ramenée à 1,2.10 5Pa par détente adiabati-

que dans la turbine de tbnte -)b7 est de 109 kJ/kg, d'o

s'ensuit que ai l'on suppose que le rendement de la turbi-

ne de détente 67 est de ovi, la puissance récupérée par la turbine de détente u7 a pour valeur:

109 kJ/kg x 7,5 X 105 kg/h x 0,8 - 636 MJ/h.

L'azote gazeux qui quitte la turbine de détente 67 voit sa température'descendre de j55C a environ -54 C par détente adiabetique, de sorte que ai l'on suppose que cet azote froid est envoyé en tant qu'agent de refroidissement & l'échangeur de chaleur b2 et qu'il ressort de ce dernier a 0 0, on voit que l'on peut faire subir à la température

de l'air comprimé ayant péniétrà dans l'échangeur de cha-

leur 62 un abaissement de ku"C, si bien que l'air sec qui sort de l'échangeur de chaleur 62 avant compression est à

une température de -1 C.

La différence d'enthalpie obtenue lorsque l'air sec

à -110 et sous 105Pa a été portée à 6,5.105pa par compres-

sion adiabatique est de -184 kJ/kg, d'o s'ensuit que.i l'on suppose que le rendement du compresseur 28 est de 80%,

la puissance nécessaire pour le compresseur 28 a pour va-

leur:

184 kJ/kg x 12,95 x 105 kg/h / 0,8 = 2.980 MJ/h.

En conséquence, grâce à la mise en oeuvre de 1'é-

changeur de chaleur 02, la puissance demandée par le com-

presseur n'est que de 2.980 MJ/h, a u lieu de la puiasance de 3.386 MJ/h qui éetait n&cesSaire dans la technaique antérieure, et on r&alis e de fait une économie de puissance de 406 MJ/h D e plus, on peut faire récupérer une puissance de 636 MJ/ha la turLbine de détente 67, d'o s'ensuit qu'une puisiance correspondan- te peut être économisée et que l'on peut réaliaer une éco a.omî t5oala d'énergio de 1i042 MJ/h, laquelle équivaut à environ.51'%, de la pusaze demand;e

par le compresseur 23.

1io I qi[oe 13ai_ isc noni encore comprime a7bit un abais-

eement d prp uti.45e Dar échange thaermiuae avG l'az&ie à basas temoorature quittant la t-lDrbine de détente 63 't; qiâ' n plue lI'air cGompton8 siubit lui euSi tS: aà isem-en d' te3el;â>g1;i râe hratu-zre. heyCrmiqu a., qui 5 or u i; de 1 la tou d*euso' io I il devi3rlt galemnt passlbls de réduir/e la chere dde seeridi.- dfoid v m

co.daele 60, du grope frigorifioue g2 et orgean s silmi-

rein. 5 ae reportere i pr&eu-t à la -?îg.7. qui représente

une i 'e de réaistion de iUnVentiî Lns L _1i-

ment.a ontituis quJi y sont hcmolo:is dae dcec de la deuxième foime de ré galLat ion (.L )3) î son': dési&éa p

le8 mâMeâ Zep-.S nuinri1quies, et dens la d'rsrîptiin ci-

après, cn oe -uneid&rera que les patlo d l'eappereil qui different de celleas de la deuxième foame dre réalisation

Dans cette iorme de réaliseation la conduite princi-

pale d'amene d'air 29 est d&pourvue du sparateur de vi-

dange 6 et du dessiccateur b4, maiB il lui est adjoint u, cangeeur de chaleur 62 insàré n smont du compresseur 28. Rn fonctiornnement, le mode opératoire de cette forme de régliaation est identique à celui de la deuxième forme

de réeis&tion, a ceci près que l'azote froid qui s'ôchap-

pi de la turbine du détente U7 est dirig6& par emprunt de

la conduite 65, danlu 1' éilchanguur de chaleulr 62, o il re-

froidit l'air d'admission et subit lui-même de ce fait

une élévation de température avant de poursuivre son tra-

jet à destination de l'équipement extérieur.

On se reportera à présent à la lig.8, qui représente une septième forme de réalisation de l'invention. Les éléments constitutifs qui y sont homologues de ceux de la première forme de réalisation (figure 2) sont désignés

par les mêmes repères numériques et, dans la description

ci-après, on ne considérera que les parties de l'appareil qui diffèrent de celles de la première forme de réalisa- tion.

Dans cette forme de réalisation, la conduite princi-

pale d'amenée d'air 29 est dépourvue du séparateur de vidange 63 et du dessiccatour 64, mais il lui est adjoint

un échangeur de chaleur inséré en amont du compresseur 28.

Au lieu de se raccorder à l'échangeur de chaleur aval 61,

la conduite de sortie d'azote 58 se raccorde ici à l'é-

changeur de chaleur amont u2. 1Un outre, la conduite 65 raccorde à présent la sortie de l'échangeur de chaleur 62 à l'admission de la turbine de détente 67, tandis que l'échappement de cette turbine est envoyé par la conduite

66 à l'échangeur de chaleur aval 61.

En fonctionnement, le mode opératoire de cette forme de réalisation est identique a celui de la première forme de réalisation, à ceci près que l'azote froid provenant

de la conduite de sortie 58 est échauffé par l'air d'ad-

mission dans l'échangeur de chaleur amont 62 avant d'être détendu et de nouveau refroidi dans la turbine 67. Il est

ensuite envoyé par la conduite 65 à l'échangeur de cha-

leur aval 61, o il refroidit l'air d'admission tout en subiasant luimême une nouvelle élévation de température avant de poursuivre son trajet à destination d'autres

équipements extérieurs.

Exemple

On a effectué un essai de séparation d'air en se servant d'un appareil comportant une soupape régulatrice de pression montée à la place de la turbine de détente 67 et un groupé frigorifique monté à la place de l'échangeur

de chaleur 61.

"5 Les tours d'adsorption 1 et 2 avaient reçu une char-

ge de 20 kg de zéolite de type Fe-Na-A à grosseur de grains d'environ I mm. De l'air sec à 25 C et sous 105pa était porté par le compresseur 28 à une pression d e 6,5.105Pa, La température immédiatement après compression L était de 230 0C. L'air cuniprbimé à environ;20 C était

refroidi jusqu'à environ U' C, puis envoy-é à la tour d'ad-

sorption 1 sous un débit de 10 mS/h pour donner lieu à

une adsorption d'oxygène par La zéolite de type Ae-Na-A.

La pression régnant 'à ce moment dans la tour d'adsorption

I était d'environ 6.10 5Pa.A la sortie de la tour d'ad-

sorption 1, on obtenait un débit de 2 mJ/h d'azote à concentration en 02 de 81;, et la pression finale dans

la tour d'adsorption 2 était réduite à 0,2.10 Pa.

Dans cette expérience, on a étudié la séparation de l'air par adsorption en se servant d'un appareil à échelle réduite dans lequel l'air comprimé était envoyé sous un débit de 10 mS/h et, en raison de la faible.valeur du

débit de sortie de gaz dans ce cas, il n'était pas possi-

ble d'actionner la turbine de détente 67. Par contre, même lorsque le dimensionnement de l'appareil est porté à une échelle telle que le débit de délivrance de 1'air comprimé envoyé à la tour d'adsorption 1 puisse tre porté à 000 m3/h afin qu'il devienne possible d'actionner la turbine de détente b7, une exploitation de l'appareil

selon le mSme mode que dans l'exemple d'expérience ci-

dessus décrit conduit aux conditiono d'obtention d'azote et d'oxygène suivante: Le gaz délivré pendant l'opération d'adsorption est de le'azote à concentration en 02 de 1 %5 au plus qui est fourni sous un débit de 5800 m/h, et le gaz délivré pendant l'opération de dôsorption est de l'oxygène à

concentration en 02 de 81 ' dont le débit est de 2000 m3/h.

On va à présent calculer les quantités de chaleur échangées dans les différents dispositifs de l'appareil

lorsqu'il s'agit de traiter de l'air comprimé sous un dé-

bit de 10 O00 m3/h. Dans cet exemple, bien que les en-

thalpiea.de l'air, de l'oxygène et de l'azote soient un

tant soit peu différentes les unes des autres, on effec-

tuera les calculs en faisant comme ai elles étaient égales

metre elles, ceci dans un but de simplification.

La différence d'enthalpie introduite lorsque de l'air sec à 25 0C et sous 105Pa a été porté à 6,5.o105Pa par empression adiabatique au moyen du compresseur 28 est de W 209 kJ./kg, d'o s'ensuit que si l'on suppose que le rendement du compresseur 2e est de 80 %, la puissance nécessaire pour traiter l'air sec sous un débit de 000 m3/h a pour valeur: 209 kJ/kg x 12, 95 x 105 kg/h / 0,8 - 3.386 MJ/h. La différence d'enthalpie introduite dans le c&s o

l'azote à O9C et 6.105Pa qui est délivré par la tour d'ad-

aorption 1 effectuant une opération d'adsorption a été ramené à 1,2.105Pa par détente adiabatique dans la turbine de détente 67 est de 100 kJ/kg, d'o s'ensuit que si l'on suppose que le rendement de la turbine de détente 67 est de 80 %, la puissance obtenue par traitement d'un débit d'azote de 5800 m/h (7,3 x 105 kg/h) a pour valeur

kJ/kg x 7: x 105 kg/h x 0,8 - 586 MJ/h.

L'azote qui est délivré par la tour d'adsorption 1

pénètre eu tant qu'agent de refroidissement dans l'échan-

geur de chaleur 62, dans lequel l'azote Lait descendre à

Q0 la température de l'air sec admis à 25 C avant com-

pression, tandis que l'azote se trouve échauffé à 18 C et pénètre dans la t;,rbine de détente 67. Ainsi, la différence d'enthalpie obtenue lorsque l'air sec à 10'C et sous lO5Pa e été porté à b,5.105Pa par coepression adiabatique eat de 201 kJ/kg, d'o s'ensuit que ai l'on suppose que le rendement du compresseur ?8 est de 80%, la puissance nécessaire pour entrainer le compresaeur 28 a pour valeur; 201 kJ:/kg x 12,95 x 10> kg/h / 0,8 3.252 MJ/h, et la différence d'enthalpie introduite lorsque l'azote à 18 C et sous 6.105Pa a été ramené à 1,2.105Pa par détente adiabatique dans la turbine de détente 67 est ds

109 kJ/kg, d'o s'ensuit que si] 'on suppose que le ren-

dement de la turbine de détente 67 est de 80 %, la puis-

sance récupérée par la turbine de détente 67 a pour valeur:

109 kJ/kg x 1l,0 x 103 kg/h x 0,8 = 632 MJ/h.

Ea conséquence, gr ce à la mise en oeuvre de l'é-

changeur de chaleur 62, la puissance nécessaire pour le compresseur peut être réduite de 4 %, et la récupération de puissance par la turbine de détente 67 peut en outre ftre elle aussi augmentée d'environ 10 %. Ln d'autres tormea, ai l'on considère 1'économie globale de puissance, en contraste avec la puissance de 3,386 MJ/h a u i

6tait éceaaire dns la teckmicue anterieue, la puis-

ancO dont on a besoin se rédui.A à 3a252 MJ/h, c e qui conduit & une économie de puissance de 134 MJ/h. En outre, vu qu'une puissance de 636 MJ/h p e u t Atre récupôeo, cette puisance psOUt"G'l â.3... tre 4 fOmiaB, c; qui conduit à ure acenroL'-s- totale de, ?iLs $aacec 77 M - ' n u0 i- a ut g wrvaon 24 % de la conaor2aa-tiof;;otel ae p<V De plus, ai l'on sCaoo - a ozta qui at "eapga 2; ea ^ t;]bhe 4'la 4@ détente J? set ie.' tpar JLt&s; v tCti.aw" à 1xe u3IhperEture se -69oC, çA oe; Ct Uv5tep ervc. yé romxza v3gnt do ri m 2 4i& Valar 61 re.esor2t de ce dernier à O&C. l- at oeomp;r qû -pin' 1 écasux- $ ab;sa Rsm d;c;< tc -fnpérature d'e 39OC. ' --'à>ty'Cw VxtiZ U _2tt.-- (an:0 l 1t Lfeur pout don t itre uue.2 ae eve que f39', 4Le w ug 9@il 033 aJk0-wit esj de r1a2or@ par xeroi scï, l@ a r c primé kprra owprssstan à. C an ray.8 1,Cft rridiSGeUz aecondae. r ' ou. organe similaixesa Dt: olu3 lée:.. k temp4r Eature die lri e.t d i asso a -n e3 @ eon oasmible di 'côtl-ire ls caaagj dc,.. '31saasient q'2 nondoace xec! 'cbte ion ds __-,>ii ue, -ti dans

On e.reportera à prént- oà la figsL 9, qui rpr38é-

mnte,uns buiwti-ne ú:.e Äe rie aisat f die l'!iention Ici encore, ieu arganea coastitutif ' 4. sort identiquet & ceuc de le douiime úor'ze de réalisatio. (fiógu 5) Bo'u déiqîés par lea reS s repSrea. nuériques et', dans la deacrip tion ci-02r8 on wi -on sidêrez;a q uo!es lrtiea de 1'apparei2. qui diffèrent de celles de la ui -me

úúore de réaliszation.

Dans cette forme de réalisation, la conduits princi-

pale d'amenée d'air 29 est d ouvu du sparaterr de vida*e 6.5 et diu dessiecat eu 4, 4 mais il lui eat adjoint un échangeur de chaleur b' inséré en amont du compresseur 28. Au lieu d'ètre raccordé. léchanpeur de chaleur

249711'

aval 61, la conduite de sortie d'azote 58 est ici raccor-

dée à l'échangeur de chaleur amont 62. De plus, la condui-

te 65 relie à présent la sortie de l'échangeur de chaleur 62 à l'admission de la turbine de détente 67, tandis que l'échappement de cette turbine est envoyé à l'échangeur de chaleur aval 61 par la conduite 66* En exploitation, le mode opératoire de cette forme de réalisation est identique à celui de la deuxième forme de réalisation, à ceci près que l'azote froid provenant

de la conduite de sortie 58 est échauffé par l'air d'ad-

mission dans l'échangeur de chaleur amont 62 avant d'être détendu et de nouveau refroidi dans la turbine 67. Par la conduite 65, l'azote arrive ensuite à l'échangeur de chaleur aval 61 o il refroidit encore davantage l'air

d'admission tout en subissant lui-même une nouvelle élé-

vation de température avant d'être acheminé à d'autres

équipements extérieurs.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1.- Procédé pour la séparation d'un mélange gazeux

brut, du genre dans lequel le mélange gazeux brut est com-

primé puis refroidi et ensuite envoyé dans une tour d'ad-

sorption remplie d'un agent adsorbant à l'effet d'adsorber un gaz constituant d'adsorption présent dans ledit mélange gazeux, en permettant ainsi à un ou à des gaz constituants

non adsorbés résiduels d'être extraits de ladite tour d'ad-

sorption, caractérisé en ce qu'un échange thermique est effectué entre le gaz constituant non adsorbé extrait de

ladite tour d'adsorption et du mélange gazeux brut d'arri-

vée, ledit gaz constituant non adsorbé se trouvant ainsi

échauffé cependant que ledit mélange gazeux brut se trou-

ve refroidi, et en ce que ledit constituant non adsorbé est amené à subir une détente adiabatique afin d'assurer une récupération de travail sur celui-ci, ledit procédé permettant ainsi de récupérer efficacement de l'énergie

sur le gaz constituant non adsorbé et d'assurer une réduc-

tion de l'importance du refroidissement à faire subir au

mélange gazeux brut pour le porter à la température d'ad-

sorption. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé

en ce que ledit échange thermique est effectué après com-

pression du mélange gazeux brut d'arrivée, de sorte que la chaleur dégagée pendant la compression contribue au moins à fixer la température dudit mélange gazeux brut, et en ce que le gaz constituant non adsorbé est amené à

subir une détente adiabatique après ledit échange-thermi-

que.

3.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce qu'après échange thermique avec le gaz constituant non adsorbé, le mélange gazeux brut est soumis

à un nouveau refroidissement à l'effet d'en éliminer l'hu-

midité, séché, puis refroidi jusqu'à la température d'ad-

sorption.

4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en

ce que ledit échange thermique est effectué avant compres-

sion du mélange gazeux brut d'arrivée et après détente a-

diabatique du gaz constituant non adsorbé, en permettant

249711 V

ainsi à la compression dudit mélange gazeux brut de s'ef-

fectuer avec une énergie réduite.

5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un échange thermique est effectué tant avant qu'après compression dudit mélange gazeux brut d'arrivée, le gaz constituant non adsorbé étant amené à subir un échange thermique initial avec ledit mélange gazeux brut, après compression de ce dernier, ce après quoi le gaz constituant

non adsorbé chauffé est amené à subir une détente adiabati-

que afin d'assurer une récupération d'énergie accrue, le gaz constituant non adsorbé à présent refroidi étant amené à subir la deuxième opération d'échange thermique afin de réduire l'importance du refroidissement à faire subir au

mélange gazeux brut.

6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en

ce que, après compression, le mélange gazeux brut est re-

froidi avant d'être amené à subir ledit échange thermique initial avec le gaz constituant non adsorbé, et en ce qu' apres ledit échange thermique initial, le mélange gazeux

brut est refroidi jusqu'à la température d'adsorption.

7.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel

l'adsorption est effectuée à une température égale ou in-

férieure à lae température ambiante, caractérisé en ce qu-'

un échange thermique est effectué tant avant qu'après com-

pression du mélange gazeux brut d'arrivée, le gaz conati-

tuant non adsorbé étant amené & subir un échange thermique initial avec ledit mélange gazeux brut avant compression de ce dernier à l'effet d'échauffer le gaz constituant non adsorbé, ce après quoi le gaz constituant non adsorbé ainsi échauffé est amené à subir une détente adiabatique avec récupération d'énergie accrue, le gaz constituant non adsorbé a présent refroidi étanaaene a subir ladite deuxième opération d'échange thermique afin de favoriser

le refroidissement dudit mélange gazeux brut.

8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en

ce que, après compression, le mélange gazeux brut est re-

froidi avant d'être amené à subir son deuxième échange

thermique avec le gaz constituant non-adsorbé.

9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications

249711 9

précédentes, caractérisé en ce que la détente adiabatique est effectuée dans une turbine d t dten-te, et en ce que ladite turbLbie de déteinte est utilisée u moins on paiZLe pour entraîner un compresseur destiné à comprimer ledit mélange gaz1eax brut d'arrivée.

-10.- Procédé selon lAune quelconq:.e des revendiQa-

tions préèeoenees, act4reis. en oe que le,mélange gase brut est.+e lleïr, e.n ce que le gps,nsuart aaorbé

est de l'oxygne et en c- que l e g-z "m'ó;unt o nad-

soroe est de 11oMte.

- 1ede melon iiuóe q o:uelou.e de ivedica-

ionm pm e:es P caina-cterSis8 e2D ce- a mcins de, tomra d ae;O7TetQn -Som. 'S mises n- e uue operation ss.rion est úeat:e!= l '-at do.idîtes

tours ep u,:ie oPé....... ' esn et effe-

tuée dans lait r tour.

àpeei C5a la S-,&rtQn9,Mlnegzu brut ds gepae cr a guinstt s une d0'oa-p t' ec,:n

VIl) o i e'n!e i.menede -

=ie do.ifaoA passer par l des cieui d'e shag 3 0a* ag 4s prévuS a vM-l. ei7s de d'-'e our la i-'ret d oo dt-dera- tiet c2 dit mélange:aprel dans ladite toni% o d2, e mttro d. en séparer M- gazons-uant Le et uneç duete de poe e (oeettante d,-ese et deh ( Les sortis le gaz Ztiptu-aânt niore adso2bé de 2uel de l teux,

carac-térisé en ee que Ite ondUite d.e scaîe est on-

tée de. façon à p&Liser pa8 r %E des cIrcuito d'un échangeur de chaleiw 'EM , 612) dont lUs!tc e-iwt sat relié à a -ondiîte dezmiEnée de mélanrî l zcux bzut {29) et on queun dispositiL de détente adiabai-ue (6) est

aur ladite cona;due de sortie.

13.- ïip&pre lj selon la ievendicetion 12j carac-

térisé en ce oue ledit éehangeiir de chaXLeu (61) est dispos' en aval du cogpresseur (28) de elago gazeux

brut, et en ce que ledit dispositif de détente adiabati-

qu (67) est inséré sur ladite conóiui:te de sortie (58) en

aval de l'échaugeur-de chaleur.

14.- Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un refroidisseur secondaire (60), un séparateur

de vidange (63), un dessiccateur (64) et un groupe frigo-

rifique (42) sont insérés en succession sur la conduite

d'amenée de mélange gazeux brut (29) en amont dudit échan-

geur de chaleur (61). 15.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (62) est inséré sur la conduite d'amenée de mélange gazeux brut (29) en amont du compresseur (28) , et sur la conduite de sortie de gaz

constituant non adsorbé (58) en aval du dispositif de dé-

tente adiabatique (7b?).

16.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que deux échangeurs de chaleur (61, 62) sont insérés sur la conduite d'amenée de mélange gazeux brut (29), de

part et d'autre du compresseur (28), et en ce que la con-

duite de sortie de gaz constituant non adsorbé (58) est montée de façon à traverser successivement l'échangeur de chaleur (61) situé en aval du compresseur, le dispositif

de détente adiabatique (67) et l'autre échangeur de cha-

leur (62).

17.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que deux échangeurs de chaleur (61, 62) sont insérés sur la conduite d'amenée de mélange gazeux brut (29), de

part et d'autre du compresseur (28), et en ce que la con-

duite de sortie de gaz constituant non adsorbé (58) est montée de façon à traverser successivement l'échangeur de chaleur (62) situé en amont du compresseur, le dispositif de détente adiabatique (67) et l'autre échangeur de chaleur (61).

18.- Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 12 à 17, caractérisé en ce que le dispositif de dé-

tente adiabatique (67) est une turbine de détente, et en

ce que ladite turbine est accouplée aux moyens d'entraIne-

ment (27) du compresseur (28) de mélange gazeux brut.

19.- Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 12 à 18, caractérisé en ce que le ou un échangeur

de chaleur (61, 62) destiné à assurer un échange thermi-

que entre le gaz constituant non adsorbé et le mélange gazeux brut, avant ou après compression, est munie d'une 4L0 conduite de dérivation (73) afin de permettre de régler la température du gaz constituant non adsorbé pour délivrance

de celui-ci à l'extérieur.

20.- Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 12 à 19, caractérisé en ce qu'une partie du gaz non

adsorbé à délivrer à l'extérieur est-envoyé par une condui-

te d'amenée (69) à la tour d'adsorption (1, 2), dans la-

quelle la pression a été abaissée, pour permettre ainsi au gaz constituant d'adsorption contenu dans ladite tour

d'adsorption d'être désorbé et chassé.

21.- Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 12 à 20, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins

deux tours d'adsorption (1, 2) remplies d'agents adsor-

bants appropriés, de sorte que l'une des tours (1; 2) ad-

sorbe l'un des gaz constituants tandis que l'autre (2; 1) adsorbe un autre gaz constituant, en permettant ainsi do

récupérer facilement un gaz constituant sélectionné.