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La présente invention concerne un procede de produc-
tion de froid par evaporation a basse température d'un fluide
refrigerant evoluant entre un etat gazeux et un état liquide.
La principale application du froid dans l'industrie
concerne la liquefection et le fractionnement de gaz legers. Ces
operations s'effectuent avec des depenses importantes d'energie.
Ainsi la liquefaction du gaz naturel pour le transport par methanier
entraîne une auto-consommation de 15%. Le fractionnement a froid
des effuents legers d'un vapocraqueur necessite egalement des
puissances de compression elevees. Il est donc important de
mettre au point des techniques de liquéfaction et de fractionnement
a froid moins couteuses en energie.
La methode la plus couramment employee dans ce type
d'applications consiste a operer selon le principe d'une cascade.
Son utilisation resulte de la constatation que pour obtenir des
temperatures de l'ordre de -100C et au dessous il est necessaire
de detendre un constituant liquide dont la temperature d'ebulli-
tion est inferieure a la temperature que l'on desire obtenir et
dont la temperature critique est dans ce cas generalement inférieure
à la temperature ambiante. Ainsi pour faire fonctionner un deme-
thaniseur, on realise, par exemple, une cascade propylène. Pour
liquefier le gaz naturel, on peut realiser une cascade propane,
ethylene, méthane. La cascade entraîne une multiplication d'equi-
pements tels que: compresseurs et echangeurs ce qui necessite des
investissements importants.
Un progres important a ete realise par l'utilisation
dans le cycle frigorigène non plus de constituants purs, mais
d'un melange de plusieurs constituants. Il est ainsi possible,
au moyen d'un circuit unique et ne comprenant qu'un seul compresseur
de liquefier et sous refroidir un gaz naturel jusqu'à une tempe-
rature comprise entre -160 et -170C. Un tel systeme est dit a
cascade incorporee. Il permet de reduire le nombre des equipements
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et le montant des investissements. Toutefois on n'évite pas ainsi
les echanges de chaleur successifs qu'impose le principe de la
cascade. D'autre part la condensation du melange s'effectue
dans un large intervalle de temperature, ce qui est defavorable au
rendement du cycle.
L'objet de l'invention est de réaliser un systeme
évitant largement ces inconvénients, tout en réalisant une dis-
position plus simple devant permettre de reduire les investissements.
Selon la presente invention il est prévu un procédé
de production de froid par évaporation a basse température d'un
fluide réfrigérant évoluant entre un état gazeux et un état liquide,
dans lequel (a) on comprime, dans une zone de compression, une
phase gazeuse du fluide réfrigerant de maniere a obtenir une phase
gazeuse comprimée, on dissout, au moins en partie, la phase gazeuse
comprimée dans une phase solvant liquide pour obtenir une solution,
et on transmet au moins une partie de la chaleur de compression
et de la chaleur de dissolution a un fluide de refroidissment
extérieur, (b) on refroidit la solution de l'étape ~a) comme indi-
qué aux étages (d) et (f) de maniere a obtenir deux phases liquides
par démixtion, (c) on sépare la phase liquide legere de la phase
liquide lourde, (d) on met la phase liquide lourde provenant de
l'etape (c) en relation d'echange de chaleur avec la solution a
refroidir de l'etape (b) puis on renvoie cette phase liquide lourde
comme phase solvant a l'etape (a) pour dissoudre une nouvelle
quantité de phase gazeuze comprimée, (e) on détent la phase liquide
légere et on la laisse se vaporiser, de maniere a produire du
froid, (f) on met la phase légere vaporisee de l'étape (e) en
relation d'échange de chaleur avec la solution a refroidir de
l'étape (b), et on renvoie ensuite cette phase légere vaporisée
a la zone de compression a titre de phase gazeuse de fluide réfri-
gérant.
Le procédé selon l'invention est ainsi basé sur l~ob-
servation que, pour condenser un constituant gazeux léger ou un
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mélange de constituants gazeux légers d'un fluide réfrigérant à
la température ambiante, donc avec une consommation réduite d'éner-
gie thermique à basse température, il est possible de le dissoudre
sous pression dans un solvant, ce solvant étant de préférence un
solvant polaire. L'abaissement ultérieur de la température pro-
voque en règle genérale une diminution de la solubilité du cons-
tituant léger et on observe un phénomè~e de démixtion7 Il est
ainsi possible d'ob~enir le constituant léger à l'état liquide à
basse température et de le vaporiser ensuite à basse température
pour produire du froid. Après vaporisation, le constituant gazeux
léger est recomprimé et remis en solution dans le solvant.
Le mélange refrigérant est essentiellement en phase
liquide à une température proche de la température du milieu exté-
rieur de refroidissement, généralement l'eau ou l~air, et SOUS
pression,la pression se situant de préférence entre 12 et 70 atm.
Le mélange refrigerant comprend au moins un constituant
léger et au moins un constituant lourd. Le constituant léger
gazeux dans les conditions normales de température et de pression
peut être par exemple un hydrocarbure ayant de préférence 1 a 4
atomes de carbone, par exemple méthane, éthane ou propane et/ou
un hydrocarbure halogéné, ayant de préférence 1 ou 2 atomes de
carbone, par exemple un hydrocarbure fluoré et/ou chloré, notamment
du type des "fréons" et/ou un ou plusieurs des gaz communément
utilisés dans les procédés de refrigération tels que azote, hélium,
hydrogene, ammoniac, oxyde de carbone.
L'invention est particulièrement avantageuse (obtention
de températures particulièrement basses) et inattendue dans le
cas où le fluide réfrigérant comprend un gaz non-condensable par
simple compression aux temperatures usuelles de travail (tempéra-
ture ambiante), pouvant atteindre 50 C, tel que le méthane, l'éthane,l'éthylène et le chlorotrifluoromethane.
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Le constituant lourd est un constituant condensable à
la temperature ambiante et de preference liquide dans les condi-
tions normales de temperature et de pression, jouant le role de
solvant de preference polaire, qui peut etre par exemple un alcool,
une cetone, une amine ou un nitrile.
Le solvant peut etre par exemple R-OH, R-CO-R', R-CN,
R-NH2, R-NH-R', R et R' designant des radicaux alkyls renfermant de
1 à 3 atomes de carbone, de préférence le méthanol, l'éthanol,
l'acéthone, l'acétonitrile, l'éthylamine, la diméthylamine et le
propionitrile.
Le solvant peut aussi etre un amide Rl - CO - N ~ 2
où Rl à R3 sont l'hydrogène et/ou des radicaux alkyls, par exemple
le diméthylformamide.
Des mélanges dé solvants peuvent également être utilisés.
Par température ambiante, on entend une température
comprise entre 0 et 50 C, habituellement 20C, la température à
choisir dans chaque cas étant de préférence voisine de celle des
sources de refroidissement disponibles (air et eau, par exemple).
De même, conditions normales de température et pression
correspond normalement à 20C et 1 atmosphère, mais peut être pris
ici dans un sens sensiblement plus large. En effet, ce qui compte,
ce sont les conditions, non du milieu exterieur, mais des fluides
circulant à l'interieur de canalisations.
Des modes de réalisation de l'invention vont être
décrits ci-après en faisant reference aux dessins, dans lesquels:
La figure 1 represente un premier mode de mise ne
oeuvre du procedé selon l'invention, et
La figure 2 represente un deuxieme mode de mise en
oeuvre du procedé selon l'invention.
Les zones d'echange de chaleur El et E2 de la figure 1
sont du type a paroi, pour éviter le melange des fluides et permet-
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tre leur circulation sous des pressions différentes de chaque côte
de la paroi.
Suivant le trajet 1 - 2, la solution est refroidie dans
l'échangeur El par échange avec le recyclage de phase lourde
(ligne 10 - 14) et de la phase légère détendue (ligne 4 - 6).
Ce refroidissement permet de séparer dans le ballon Bl une phase
lourde liquide qui est recyclée (ligne 8 - 10 - 19) et une phase
légère liquide qui après refroidissement dans l'échangeur E3 sui-
vant le trajet 3 - 5 au contact de la phase légère détendue (ligne
16 - 4) est détendue jusqu'à une pression de 1 à 10 atmosphères
et de préférence voisine de la pression atmosphérique à travers
la vanne Vl et se vaporise dans l'echangeur E2 suivant le trajet
9 - 16 en fournissant des frigories au fluide à refroidir qui
entre par le conduit 12 et repart par le conduit 13. Après passage
dans l'échangeur E3 puis dans l'échangeur El, la phase légère dé-
tendue est envoyée par le conduit 6 au compresseur Kl puis envoyée
par la ligne 7 dans l'échangeur Cl pour être refroidie par le
milieu exterieur de refroidissement (air, eau), mélangée en
ligne (ligne 11) avec la phase lourde recyclée au moyen de la
pompe de reprise Pl, la chaleur de dissolution étant transmise
au milieu extérieur de refroidissement au moyen de l'échangeur C2,
le mélange entrant dans cet échangeur par le conduit 15 et repartant
par le conduit 1.
. _ _ .. . __ , . . .
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Le nombre et la disposition des équipements tels que les moyens d'échange
thermique, de compression, de détente, les conduites et ballons de recette
peuvent varier à condition que soit respecté le principe general de l'invention.Le mélange envoye par la ligne 1 dans l'échangeur E1 est de préférence
essentiellement liquide ; il peut toutefois arriver qu'une fraction mineure du
- ; gaz subsiste à l'état gazeux, mais ceci, quoique on préfere l'éviter, n'est pas
trop genant car cette fraction gazeuse se condensera au cours du refroidissementdans l'echangeur E1 (cette condensation se fera ~ basse température, donc dans
des conditions économiquement moins avantageuses que celle du reste du gaz).
L'invention est illustrée par les exemples suivants :
Exemple 1.
Dans cet exemple, on procéde selon le schéma représenté sur la figure 1. En
1, à la sortie de l'échangeur C2, le mélange réfrigérant a la composition
suivante en fractions molaire : éthane : 0,4 - méthanol : 0,6.
Le mélange est à une température de 30 C et a une pression de 34,5 atm. Le
debit est de 2,44 t/h.
Ce mélange est envoyé dans l'échangeur E1 d'ou il sort a une température
de -60 C. Par suite de l'abaissement de température, il s'est opéré une démix-
tion et le mélange est envoye par le conduit 2 dans le ballon de décantati~n B1.La phase legere est formee de 92 % d'éthane et de 8 ~ de méthanol. Elle
est evacuée par le conduit 3 et détendue a travers la vanne V1 jusqu'à une pres-sion de 1,6 atm. A la sortie de l'échangeur E2, l'éthane est entièrement vaporisé
et se trouve à la température de -82 C. La quantité de froid fournie est de
22 X 106 frigories (g) et sert a refroidir un fluide entrant en 12 et ressortanten 13. La fraction légère est envoyée par le conauit 16 à l'echangeur E3 d'ou
elle sort à une température de -70 C puis est envoyée par le conduit 4 dans
l'echangeur E1 d'oD elle sort par le conduit 6 a une température de 23 C pour
~tre envoyée au compresseur K1. Dans le compresseur K1 elle est comprimée jus-
qu'~ une pression de 36 atm. La compression est effectuée en trois étages avec
refroidissement intermédiaire. A la soriie du dernier étage le gaz se trouve à
unç température de 92 C. Il est envoyé par le condu,t 7 a l'échangeur de refroi-
dissement C1 d'ou il sort a une température de 32 C. La fraction lourde issue du
ballon décanteur e1 est évacuée par le conduit 8 et envoyée à l'échangeur E1 d'où
elle sort à une température de 25 C. Elle est reprise par la pompe P1 et mélangée
en ligne avec la fraction gazeuse issue de l'échangeur C1 et arrivant par le con-
duit 11. Il se produit une dissolution d'éthane gazeux dans le méthanol liquide
et le mélange est envoyé dans l'échangeur de refroidissement C2 de façon à évacuer
la chaleur de dissolution.
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Exemple 2
Dans cet exemple on utilise un melange d'ethane et de propane comme fluide
p refrigerant et on procède selon le schéma représente sur la figure 2. Dans la
conduite 1, à la sortie du condenseur, le melange réfrigérant a la composition
suivante en fractions molaires : éthane : 0,3 - propane : 0,2 - méthanol : 0,5.
Le melange est à une température de 30 C et à une pression de 30 atm. Le
debit est de 3,17 t/h.
Ce me1ange est envoye dans l'echangeur E1 d'où il sort à une temperature
de -55 C. Par suite de l'abaissement de temperature, il s'e~ op~r~ une d~mixtion
et le melange est envoye par le conduit 2 dans le ballon de decantation B1. La
phase liquide legère est envoyee par le conduit 3 à l'echangeur E2 d'où elle sort
~ une temperature de -73 C par la ligne 5. Elle est detendue ~ travers la vanneV1 jusqu'à une pression de 1,6 atm puis est envoyee dans l'echangeur E2 dans le-quel elle commence à se vaporiser à une température de -78 C. La quantité de
froid fournie est de 2Q X 106 frigories (9) et sert à refroidir un fluide entrant
en 12 et ressortant en 13. La fraction lourde issue du ballon B1 est detendue
jusqu'à une pression de 1,4 atm à travers la vanne de detente V2 puis est melangee
en ligne avec la fraction legere sortant par le conduit 4 de l'echangeur E2.
Le melange est envoye par le conduit 10 à l'echangeur E1 et ressort par le conduit
18 a une temperature de 24 C en ayant fo~rni 50 X 106 frigories (9) qui serventà refroidir un fluide entrant en 1g et ressortant en 17. Le melange est envoye
par le conduit 18 au ballon separateur B2. La phase gazeuse issue du ballon B2
est envoyee par la ligne 20 au compresseur K1 dans lequel elle est comprimée
jusqu'à une pression de 30 atm. La compression est effectuée en trois étages avec
refroidissement ir;termédiaire. A la sortie du dernier etage le gaz se trouve à une
temperature de 85 C. Il est envoyé par le conduit 7 à l'echangeur de refroidis-sement C1 d'où il sort ~ une temperature de 32 C (ligne 11). La fraction liquide
issue du ballon B2 est reprise par la pompe P1 (ligne 14) et melangee en ligne ala fraction gazeuse arrivant par le conduit 11. Il se produit une dissolution dumélange gazeux dans le methanol liquide et le melange est envoyé par la ligne 1~dan l'echangeur de refroidissement C2 de façon a évacuer la chaleur de dissolution.
Dans cet exemple l'utilisation d'un melange de deux constituants en phase
gazeuse et la detente de la phase lourde obtenue par démixtion ont permis de
produire du froid c deux niveaux de température différents.
