Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
~L22~7g~3
La présente invention concerne un procédé et une
installation de concentration d'hydrogène. Plus précisément,
la présente invention est relative à un procédé de concentra-
lion en hydrogène d'un gaz contenant, outre l'hydrogène, un
ou plusieurs autres constituants moins volatils, du type dans
lequel: on refroidit le gaz à traiter jusqu'à obtenir une
fraction vapeur riche en hydrogène et une fraction liquide,
on recueille et on détend la fraction liquide, et on la
vaporise en échange de chaleur avec ledit gaz; on détend au
moins une partie de la fraction vapeur dans une turbine à
paliers gaz, puis on la réchauffe en échange de chaleur avec
ledit gaz' on prélève un premier débit de la fraction vapeur,
après ré chauffage, pour alimenter la turbine en gaz au
flaires: et l'on ajoute à ladite fraction liquide détendue un
deuxième débit de ladite fraction vapeur, détendu à la même
pression.
De façon générale, à partir d'une mixture en phase
gazeuse disponible sous pression, notamment d'un gaz de
purge d'une installation de synthèse d'ammoniac, il est
connu de concentrer l'hydrogène en éliminant par condensation
partielle les constituants nettement moins volatils que
l'hydrogène, tels que C2H~, CHU, An, 2 et Né.
Dans cette technique, il est fréquent que la simple
détente de la fraction liquide ne permette pas d'obtenir un
début de vaporisation à une température suffisamment basse polir
atteindre la pureté désirée de l'hydrogène dans la fraction
vapeur. C'est pourquoi l'on ajoute une petite quantité de
cette fraction vapeur, après détente, à la fraction liquide
détendue, ce qui abaisse le point de bulle du mélange. Ceci
est le cas lorsque les constituants principaux de la phase
-- 1
y
vapeur et de la phase liquide ont des volatilisés très
différentes.
Par ailleurs, notamment dans le cas des petites
installations, il peut être nécessaire de complimenter la
quantité de frigo ries produite par la détente libre, et l'on
utilise pour cela une turbine traversée par tout ou partie de
la fraction vapeur. Une possibilité existe alors de mettre
en oeuvre une turbine du genre dit "à paliers gaz". En effet,
ces turbines permettent d'atteindre des vitesses de rotation
très élevées incompatibles avec des turbines classiques à
paliers huile, et d'obtenir ainsi des rendements adiabatiques
nettement supérieurs, notamment lorsque le gaz refroidi dans
la turbine est un gaz très léger tel que l'hydrogène.
Les turbines à paliers gaz font appel à des quantités
non négligeables de gaz auxiliaires qui se répartissent de la
façon suivante:
- un gaz paliers assure la sustentation des paliers
ainsi qua la fonction de butée axiale de l'arbre de la turbine
en supprimant tout contact métal-métal,
- un gaz frein maintient une pression suffisante dans
le compresseur-frein accouplé à la turbine, et
- un gaz de barrage empêche d'une part le gaz en
cours de détente de mirer vers les paliers et de les refroidir
à une température mécaniquement incompatible, et, d'autre plat,
contrebalance le refroidissement inévitable des paliers par
conduction thermique.
Pour éviter toute pollution du gaz traité par les
gaz auxiliaires, on utilise comme gaz auxiliaires le gaz
traité lui-même. Cependant, le débit correspondant sort
de la turbine à une pression inférieure à la pression
go
d'échappement de cette turbine et, comme ce débit est trop
faible pour justifier l'utilisation d'un compresseur
supplémentaire, il est perdu pour l'application principale
à laquelle est destiné l'hydrogène et ne peut être utilisé
que dans des conditions peu rentables, par exemple pour le
chauffage de l'usine. Ceci constitue un obstacle à la mise
en oeuvre des turbines à paliers gaz, car cette perte s'ajoute
à celle qui résulte de la nécessité, expliquée plus haut,
d'ajouter un petit débit de la fraction vapeur à la fraction
liquide détendue.
La présente invention a pour but de permettre
l'utilisation, dans le contexte indiqué plus haut, d'une
turbine à paliers gaz avec une perte d'hydrogène fortement
réduite.
A cet effet, elle a pour objet un procédé du type
précisé, caractérisé en ce que l'on utilise les gaz aux-
flaires sortant de la turbine pour constituer ledit deuxième
débit.
L'invention a également pour objet une installation
destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette instar-
talion, du type comprenant: un échangeur de chaleur, un
premier conduit qui part d'une source dédit gaz, traverse
l'échangeur du bout chaud au bout froid puis débouche dans
un séparateur de phases, un second conduit qui part de lettre
mité inférieure de ce séparateur, est muni d'une vanne de
détente et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud,
un troisième conduit qui part de l'extrémité supérieure du
séparateur et traverse l'échangeur du bout froid au bout
chaud, un quatrième conduit qui part d'un point du troisième
conduit et aboutit à l'admission d'une turbine à paliers gaz;
y
un cinquième conduit qui part de l'échappement de cette
turbine et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud,
lesdits second, troisième et cinquième conduits traversant
l'échangeur en relation d'échange thermique avec ledit
premier conduit: au moins un conduit auxiliaire qui part
du troisième ou du cinquième conduit, au bout chaud de
l'échangeur, et aboutit à une entrée de gaz auxiliaires de
la turbine, et un septième conduit d'amenée de gaz riche
en hydrogène qui aboutit à un point dédit second conduit
situé entre la vanne de détente de ce dernier et le bout
froid de l'échangeur, est caractérisée en ce que ledit
septième conduit est relié à la sortie de gaz auxiliaires
de la tu bine.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va
maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la
figure unique représente schématiquement une installation de
concentration d'hydrogène conforme à l'invention.
Sur le dessin, on a représenté par un rectangle 1 un
échangeur de chaleur qui peut être de n'importe quel type
approprié, éventuellement en deux parties respectivement
"froide" et "chaude". Cet échangeur réalise un certain nombre
de transferts de chaleur à contre-courant entre un bout chaud
2 à la température ambiante et un bout froid 3.
Dans ce qui suit, on utilisera pour simplifier le mot
"conduit" pour désigner les moyens servant à faire circuler un
fluide à travers l'échangeur l; il est bien entendu que ce
terme doit être compris dans son sens le plus large et peut
désigner un tube, un faisceau tubulaire, un ou plusieurs
passages plats ou même la calandre de l'échangeur.
Un premier conduit 4, relié à une source 5 de gaz à
traiter, traverse l'échangeur 1 du bout chaud 2 au bout froid
3. La source 5 est, dans cet exemple, une installation de
synthèse d'ammoniac, le gaz à traiter contenant, outre l'hydro-
gène, des constituants nettement moins volatils tels que
C2H6, CHU, An, 2 et Né.
Au cours de sa traversée de l'échangeur, ce gaz se
refroidit et se condense partiellement. La température du bout
froid est choisie de façon que la pression partielle des cons--
titubants autres que l'hydrogène soit descendue à une valeur
faible prédéterminée. A sa sortie de l'échangeur, le conduit 4
débouche dans un séparateur de phases 6.
Un second conduit 7 part du point bas du séparateur 6
et est muni d'une vanne de détente 8. Après cette vanne, le
conduit 7 traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud.
Ainsi, la fraction liquide recueillie dans le séparateur est
revalorisée à contre-courant du gaz traité.
Un troisième conduit 9 part du point haut du sépara-
leur 6 et traverse l'échangeur 1 du bout froid au bout chaud.
La fraction vapeur contenue dans ce conduit se réchauffe ainsi
en cédant des frigo ries au gaz traité. En fait, la quasi-
totalité de la fraction vapeur contenue dans le conduit 9
est sortie de l'échangeur en un point intermédiaire par un
quatrième conduit 10, est détendue dans une turbine à
paliers gaz 11 puis traverse la totalité de l'échangeur du
bout froid au bout chaud par un cinquième conduit 12 relié à
l'échappement de la turbine. Le taux de détente dans la
turbine 11 est choisi de manière que la puissance frigorifique
produltesoit suffisante pour la tenue en froid de lins tala
lion. Le gaz sortant de la turbine se trouve à une pression
moyenne supérieure à la pression basse du conduit 7.
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Le faible débit D de la fraction vapeur qui n'a pas
été envoyée dans la turbine par le conduit 10 est envoyé
par un premier conduit auxiliaire A du bout chaud de l'échan-
peur 1 à l'admission de gaz de barrage 14 de la turbine. De
plus, un faible débit D est prélevé sur le conduit 12, au bout
chaud de l'échangeur, et envoyé par un deuxième conduit aux-
flaire 13B a l'admission 15 de gaz paliers et de gaz frein
de la turbine.
Après utilisation, l'ensemble des gaz auxiliaires est
collecté à une sortie auxiliaire 16 de la turbine 11 et est
envoyé par un conduit 17 au bout de l'échangeur, que ce conduit
traverse de bout en bout. Au bout froid, le conduit 17 est
muni d'une vanne de détente 18 qui ramène la pression du gaz
véhiculé à la basse pression de l'installation, qui est celle
qui règne dans la conduite 7 en aval de la vanne 8. Le conduit
17 aboutit en un point de la conduite 7 situé entre cette
vanne 8 et le bout froid de l'échangeur.
Ainsi, l'ensemble des gaz auxiliaires, après leur
utilisation dans la turbine, est récupéré, refroidi jusqu'au
même niveau de température que le gaz traité, et est ré injecté
dans la fraction liquide détendue pour en abaisser le point
de bulle. Ceci est rendu possible par la constatation du fait
que, dans ce type d'installation, le débit de gaz épuré,
riche en hydrogène, nécessaire pour obtenir cet abaissement
du point de bulle est du même ordre que le débit Dl + Dû
de gaz auxiliaires dont a besoin la turbine à paliers gaz.
Par conséquent, la perte de gaz épuré est limitée
au débit Dl + Dû, qui passe dans le gaz résidu aire basse
pression par le conduit 7, après réchauffement jusqu'à la
température ambiante.
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~22~3~79~3
L'installation décrite ci-dessus suppose que certaines
conditions soient remplies en ce qui concerne la pression des
gaz auxiliaires. Ainsi:
la pression de sortie de ces gaz, au point 16, doit
être supérieure à la basse pression de l'installation d'une
quantité suffisante pour vaincre les pertes de charge résul-
tant de leur passage le long du conduit 17,
- le rapport de la pression d'admission du gaz
paliers à la pression de sortie de ce gaz doit être suffisant
pour assurer la fonction de sustentation de l'arbre de la
turbine; ce rapport peut être par exemple de l'ordre de 2,5;
- la pression d'admission du gaz de barrage doit être
ir.termédiaire entre la pression d'admission et la pression
d'échappement du gaz traité, pour que la fonction de barrage
soit correctement remplie, et
- la pression d'admission du gaz frein doit être
de l'ordre de grandeur de la pression d'échappement de la
turbine, dans le cas fréquent où cet échappement ainsi que
l'admission du compresseur rein sont axiaux, pour étui-
livrer la poussée axiale sur l'arbre aie la turbine.
Ceci explique pourquoi le gaz de barrage ne peut-être prélevé que sur le conduit haute pression 9, tandis que
le gaz frein et le gaz paliers peuvent être prélevés en
moyenne pression sur Fe conduit 12. sien entendu, en variante,
le gaz frein et le gaz paliers pourraient également être pré-
levés sur le conduit 9, pour cire éventuellement détendus
avant leur entrée dans la turbine.
Dans l'installation décrite ci-dessus, on a supposé
que la somme des débits Dl et Dû était exactement égale au
débit nécessaire pour obtenir au bout froid de l'échangeur le
~22~79~3
point de bulle désiré du mélange revalorisé. Si Dl Dû est
légèrement excédentaire, ceci permet d'utiliser un échangeur
de chaleur ayant des performances légèrement moins élevées,
et donc plus économique. Si Dl Dû est légèrement déliai-
taire, on peut complimenter ce débit par un petit débit
prélevé sur le conduit 12 à l'échappement de la turbine.
On comprend que l'invention s'applique également aux
installations dans lesquelles la ligne d'échange thermique
comprend plusieurs échangeurs afin d'effectuer plusieurs
condensations partielles du mélange de départ et d'éviter
tout problème de solidification des constituants les moins
volatils Dans de telles installations, comme dans celle
représentée au dessin, lladdition de gaz riche en hydrogène
sleffectue au bout froid de la ligne d'échange thermique.
