Brevet FR2273177A1 — publié le 19751226

La présente invention a pour objet un procédé de conpression des gaz consistant à mélanger le-gaz avec un liquide et à comprimer le mélange par une pompe à liquides. Plus précisément, l'invention concerne le procédé de compression des gaz comprenant les étapes suivantes - réalisation d'un fluide gaz-liquide par mélange d'un gaz avec un liquide sous une pression voisine de la pression atmosphérique - compression du fluide gaz-liquide par une pompe centrifuge et - introduction du fluide gaz-liquide comprimé dans un séparateur gaz-liquide pour séparer le gaz comprimé. Le procédé selon l'invention peut être appliqué aux procédés de contact gaz-liquide et/ou aux procédés de réaction gazliquide. Une installation pour la mise en oeuvre du procédé de compression des gaz selon l'invention comprend - des moyens pour réaliser un mélange gaz-liquide afin de préparer un fluide gaz-liquide par mélange du gaz dans le liquide - une pompe centrifuge pour aspirer le fluide gaz-liquide forné par les premiers moyens et rejeter le fluide gaz-liquide comprimé - un séparateur gaz-liquide pour recevoir le me lange gaz-liquide comprimé alimenté par la pompe centrifuge et pour séparer le gaz comprimé du liquide - une canalisation pour introduire le liquide issu du séparateur dans les moyens de mélange gaz-liquide après séparation des gaz - une valve disposée dans la canalisation pour contrôler le débit du liquide, ce qui permet de comprimer le gaz dans des conditions stables et simples. L'invention sera mieux comprise a' l'aide des dessins ci-joints dans lesquels s - la figure 1 est un schéna de l'une des formes de réalisation de la nouvelle installation utilisée pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention - la figure 2 est un schéma d'une autre forme de réalisation de ladite installation - la figure 3 est un graphique illustrant par une courbe la relation entre la vitesse d'ascension de l'air dans l'eau et le diaxitre des bulles - la figure 4 illustre la relation entre la pression du gaz comprimé et le débit du gaz à la sortie pour un rapport donné entre le débit du gaz et celui du liquide, l'installation utilisée pour la compression des gaz étant celle illustrée à la figure 1, - la figure 5 est la courbe.caractéristique de la pompe, illustrant la relation entre la pression et le débit de l'eau, - la figure 6 est un graphique illustrant la relation entre la pression du gaz comprimé et le débit du gaz à la sortie, l'installation utilisée pour la compression des gaz étant celle illustrée à la figure 2 et - la figure 7 montre la relation entre la pression du gaz comprimé et le débit des gaz à la sortie de l'installation, pour un débit d'entrée des gaz sensiblement constant, et la compression des gaz étant réalisée dans l'installation illustrée à la figure 1. Selon le mode de réalisation de l'installation objet de l'invention illustré à la figure 1, ladite installation comprend - un dispositif (1) pour mélanger un gaz dans un liquide, - une canne de bullage (2), pour la production de bulles de petites dimensions, - un tuyau (3) d'alimentation en gaz, - un tuyau (4) pour 11 alimentation de la pompe en fluide gaz-liquide, et - une pompe (5) pour comprimer le fluide gaz-liquide, ladite pompe étant une pompe centrifuge pour liquide. Bien qu'il soit difficile de mettre en oeuvre une telle pompe de compression pour un liquide avec mélange de gaz, il est possible de la mettre en oeuvre sans inconvénient si l'on mélange le gaz dans les conditions suivantes. La référence (6) désigne un tuyau pour l'alimentation en fluide gaz-liquide, par l'intermédiaire de la pompe (5), du séparateur (7). Dans ce dernier, le gaz contenu dans la masse de fluide gaz-liquide sous pression alimentée par la pompe (5), est séparée du liquide. Le gaz comprimé est stocké à la partie supérieure du séparateur gaz-liquide (7). Le tuyau (8) sert à l'évacuation du gaz comprimé. Le liquide est recyclé au moyen de la valve (10) placée sur la canalisation reliant le fond du séparateur gaz-liquide (7) au dispositif (1) de mélange gaz-liquide. La valve (10) sert à maintenir la pression et le niveau de liquide souhaités dans le séparateur gaz-liquide (7). Elle est mise en oeuvre, en fonction du niveau de liquide. La référence (13) désigne un indicateur de niveau permettant dtaugmeflter l'ouverture de la valve lorsque le niveau de liquide est élevé, et de réduire cette ouverture lorsque le niveau de liquide est bas. Le réservoir (11) pour le liquide communique avec ltat oosphère par l'intermédiaire du tuyau (12). Le réservoir (11) permet de maintenir la pression du liquide et la pression à l'entrée du dispositif (1) de mélange gazliquide à une valeur proche de la pression atmosphérique, de sorte que l'alimentation en gaz à comprimer est stable. - Le réservoir (11) peut être disposé entre le dispositif (1) de mélange gaz-liquide et la pompe (5) (c'est-à-dire sur la canalisation (4) ). Comme représenté à la figure 2, il est possible de met- tre en oeuvre l'installation de compression sans employer de rEser- voir (11). Selon le cas de la figure 2, la quantité de liquide recyclée au noyen de la pompe (5) est constante (à l'exception de la consonation due aux fuites), de sorte que le niveau de liquide dans le séparateur gaz-liquide est constant lors de la mise en oeuvre pratique de l'installation, et qu'il n'est pas nécessaire d'actionner la valve en foliation du niveau de liquide. Cependant, il est nécessaire de prendre soin d'éviter une pression anormalement réduite ou élevée dans le dispositif de mélange gaz-liquide, et du côté de l'aspiration de la pompe (5), en règlant convenablement l'ouverture de la valve, compte-tenu de la pression dans le séparateur gaz-liquide (7). Une fois que l'on a obtenu une ouverture convenable de la valve (10), on modifie la pression dans le séparateur gaz-liquide (7) en fonction de l'évacuation du gaz comprimé, ce qui modifie la pression du liquide dans le dispositif de mélange gaz-liquide du côté de l'-aspiration de la pompe (5). En conséquence, lorsque la pression de gaz est constante à l'entrée du dispositif de mélange gaz-liquidè, la pression du séparateur gaz-liquide est réduite lorsqu'augmente la vitesse d'évacuation du gaz comprimé. I1 en résulte que la pression du liquide dans le dispositif (1) de mélange gaz-liquide est abaissée, ce qui entraîne une augmentation de la proportion de gaz alimenté à partir du dispositif (1) de mélange gaz-liquide.En conséquence, la réduction de la pression du gaz comprimé, notamment lorsque le taux d'évacuation du gaz comprimé est augmenté, peut être compensée par une augmentation du taux d'alimentation en gaz à partir du dispositif (1) de mélange gaz-liquide. La circulation du fluide et les fonctions des éléments de l'installation ont été décrites ci-dessus. On trouvera décrit ci-dessous le fonctionnement de la pompe avec un mélange gaz-liquide. Lorsqu'un gaz est incorporé dans un liquide sous forme de fines bulles, on peut considérer que le fluide gaz-liquide est un liquide de densité apparente dininuée en fonction de la proportion de gaz dans le liquide,(la densité est diminuée par rapport à celle du liquide pur ne contenant pas de gaz). Si l'on utilise une pompe centrifuge communiquant une 2 pression de 5 Kg/cn (G) au liquide pur, la pression du fluide gaz 2 liquide, est-de 2,5 kg/cm (G), lorsque la proportion de gaz au li- quide est de lsl, parce que la densité apparente du fluide gazliquide est la moitié de celle du liquide pur. En pratique, le gaz dans le liquide est comprimé sous pression, ce qui entraîne une di ninution de son volume, de sorte que la densité apparente du fluide gaz-liquide est supérieure à la moitié de celle du liquide pur. Finalement donc, la pression du fluide est supérieure à la noitié de celle du fluide pur. On illustre ce fait à l'aide de quelques exemples. On choisit un cas où la pression opératoire du fluide 2 gaz-liquide est environ de 4 kg/cm (G). La pression du fluide gaz-liquide est égale à la pression du liquide et à la pression du gaz. En conséquence, la pression du gaz séparé dans le séparateur gaz-liquide est égale à la pression du fluide gaz-liquide. C'est-à-dire que le gaz comprimé peut être obtenu par ce procédé. Lorsque les bulles sont de petites dimensions, la pression des bulles est supérieure à celle du liquide en raison de la tension superficielle. Cependant, lorsque ces bulles sont brisées au cours de la séparation gaz-liquide, la pression du gaz devient égale à celle du liquide. La pression du gaz est égale à celle régnant dans le séparateur gaz-liquide, qui dépend de la caractéristique de la pompe (5), du taux d'évacuation du gaz comprimé à partir du séparateur, et du taux d'alimentation du gaz dans le dispositif de mélange gazliquide. Les conditions de mise en oeuvre de la pompe sont stables, meme si le gaz est incorporé au liquide. Les conditions opératoires sont telles qu'il est possible de traiter le fluide conte s'il s'agissait d'un seul fluide homo- gène, sans séparation des bulles du liquide0 Si les bulles flottent et ont tendance à se séparer du liquide par gravité dans les tuyaux conduisant du dispositif de mélange gaz-liquide à la pompe (5), le fluide ne se comporte pas comme un fluide unique, susceptible d'amener de grandes quantités de gaz dans la pompe à liquide, et la pompe ne peut être amorcée. En conséquence, on doit éviter la séparation gaz-liquide dans le tuyau arrivant à l'entrée de la pompe. Dans la pompe, on met en oeuvre une certaine force centrifuge pour mettre les bulles contenues dans le liquide en rouve- ment vers le centre. Par ailleurs, le liquide est mis en mouvement du centre vers l'extérieur. Si la vitesse des bulles vers le centre (la vitesse relative par rapport au liquide) est supérieure à la vitesse du liquide vers l'extérieur, la partie centrale de la roue de la pompe est remplie de gaz de sorte que la pompe ne fonctionne plus. En consequence, il convient d'éviter la séparation gazliquide même dans la pompe. En pratique, les facteurs intervenant pour déterminer la facilité de la séparation gaz-liquide comprennent t le diamètre des bulles, la viscosité du liquide et la densité du liquide. Comme il est bien connu, la vitesse d'ascension des bul les est considérablement diminuée lorsque diminue le diamètre des bulles, conformément à l'équation de Stock V = (PR- P ) D2 (1) g g 18/u où Pk désigne la densité du liquide P désigne la densité du gaz g N désigne la viscosité du liquide D désigne le diamètre des bulles et g désigne l'accélération de la pesanteur. La vitesse d'ascension est inversement proportionnelle à la viscosité du liquide. La poussée s'exerçant sur les bulles et leur vitesse d'ascension augmentent avec la densité du liquide. Dans la pompe : g (accélération de la pesanteur) doit être remplacée par l'accélération angulaire. Dans le champ centrifuge, la force de poussée (force dans la direction centrale), est proportionnelle à la force centri fuge. En outre s 3 densité x accélération angulaire, correspond à 3 la pression de la pompe, En conséquence, dans la pompe, la pression est un facteur plus important que la densité. I1 ressort de l'exposé ci-dessus que le diamètre des bulles doit être diminué pour les fluides ayant une viscosité constante, afin d'éviter la séparation gaz-liquide dans les tuyaux conduisant à la pompe et dans la pompe. Dans la pompe, on applique une pression lorsque la taille des bulles est constante, la flottabilité augmentant proportionnellement à la pression. Mais le volume des bulles varie de manière inversement proportionnelle à la pression. En conséquence, et conformément à l'enseignement de l'équation de Stock, la vitesse d'ascension n'est pas affectée par la pression engendrée par la force centrifuge dans la pompe. C'est-à-dire que la taille des bulles diminue sous la pression dans la pompe, mais que la vitesse d'ascension reste gros virement la même que dans le champ de la pesanteur. Afin d'éviter le mouvement des bulles vers la partie cen trale de la pompe, il faut conférer au liquide une vitesse supérieure à la vitesse d'ascension des bulles vers l'extérieur. La vitesse d'écoulement du liquide dans la pompe dépend de la structure de la pompe et de la vitesse d'évacuation à partir de la pompe. Par exemple, lorsque la vitesse d'écoulement est nulle par fermeture de la valve placée à la sortie de la pompe, le débit du liquide vers l'extérieur est nul. En conséquence, même si le gaz est incorporé sous la forme de très petites bulles, celles-ci se déplacent vers la partie centrale après une certaine période, de sorte que la pompe ne stå- morce plus. Il en résulte que le fluide doit traverser la pompe k une vitesse supérieure à un certain seuil. I1 est possible d'utiliser un éjecteur pour incorporer de fines bulles. L'éjecteur peut être placé au même endroit que le dispositif (1) de mélange gaz-liquide. Cependant, par ltemploi de 2 l'éjecteur, on obtient une perte de pression de plusieurs kg/cs cela entraîne qu'il est préférable d'utiliser un éjecteur ayant une capacité relativement petite, et de le lier en parallèle à la valve de contrôle (10) du niveau. La figure 3 montre la relation liant la vitesse d'ascension des bulles à leur diamètre. Cette donnée est importante pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Pour une certaine dimension des bulles dans le liquide, il est nécessaire de faire circuler le fluide dans la pompe à une vitesse supérieure à la vitesse d'ascension des bulles correspondant à ladite dimension, cette vitesse d'ascension se lisant sur la figure 3. En général, la vitesse d'écoulement dans des conditions assurant une efficacité élevée à la pompe est de plusieurs la/s, En conséquence, il est aisé de maintenir des bulles de relativement grandes dimensions dans des conditions opératoires normales. On illustre ci-après certaines expériences conformes à l'invention. La figure 4 montre la relation liant la pression du gaz comprimé à la vitesse d'écoulement de gaz à la sortie, lors de la mise en oeuvre d'une installation telle que représentée à la figure 1, utilisant de l'eau à titre de liquide et de l'air à titre de gaz. La pompe est une pompe centrifuge présentant vis à vis de l'eau les caractéristiques illustrées à la figure 5. Pour réaliser l'expérience illustrée à la figure 4, on a utilisé une pompe présentant une pression d'aspiration à débit nul 2 3 de 4,6 kg/cm et un débit de 12 m /h, la canne de bullage ayant un diamètre des pores conpris entre 10 et 50,u dans le dispositif de mélange gaz-liquide. Le rapport du débit gazeux au débit liquide (G/L) est 0,2; 0,5 et 1. La pression augmente en fonction de la diminution de G/L. Le débit gazeux est faible lorsque le rapport G/L est petit. Le but visé lorsque l'on augmente la pression en fonction de la diminution de G/L est d'approcher la densité de l'eau en raison de la petitesse du rapport G/L, Comme indiqué ci-dessus lorsque le débit de fluide descend en dessous d'un certain seuil, l'amorçage de la pompe n'est plus possible. 3 Dans ce cas, sous un débit compris entre 0,3 et 0,5 m l'amorçage de la pompe reste possible si l'on atteint de plus faibles débits pour un rapport G/L diminué. La figure 6 indique les résultats d'une autre expérience utilisant la même pompe mais mettant en oeuvre un éjecteur en tant que dispositif de mélange gaz-liquide. La caractéristique de ltéjec- l'air ' 3 teur est qu'il aspire de l'air à un débit d'environ 10 n /h pour un débit d'veau de 10 m3/h, lorsque la pression à l'admission de gaz est la pression atmosphérique. Dans ce mode de mise en oeuvre, on emploie la structure représentée à la figure 2. L'aspiration de gaz de l'éjecteur est ouverte à l'atmosphère, et en conséquence la pression de l'admission de l'air reste constante et égale à la pression atmosphérique. La courbe représentée la figure 6 est l'enveloppe des courbes représentées à la figure 4 lorsque G/L varie. On considère que la quantité d'air admise qui est mélangée par aspiration par l'éjecteur est modifiée lorsque varie la pression du séparateur gazliquide (taux d'évacuation du gaz comprimé) de sorte que le rapport G/L est modifié. On rapporte d'autres expériences encore. On met en oeuvre l'installation représentée à la figure I, la pompe ayant la caractéristique indiquée ci-dessus. Le débit des gaz est maintenu constant, indépendamment du débit de l'eaudans laquelle plonge la canne de bullage. Par ailleurs, une valve est placée à la sortie de l'air comprimé (8), et on mesure la pression dans le séparateur gaz-liquide sous diverses ouvertures de la valve. On conduit les expériences avec différents niveaux du débit gazeux. Les résultats sont indiqués à la figure 7. Le débit gazeux à la sortie est légèrement diminué k haute pression, mais on trouve une caractéristique de débit grossie rement constante quelle que soit la pression0 On considère que la raison de la réduction du débit sous haute pression est que la séparation gaz-liquide ne s'opère pas dans des conditions douces, du fait de l'augmentation de la quantité d' air se dissolvant dans l'eau. Lorsque la pression reste élevée, la pompe ne fonctionne plus. Le gaz dissout dans l'eau sous pression élevée reste en suspension sous forme de fines bulles, après passage du fluide par la valve (10), en raison de la diminution de la pression. En dépit de cela, il nty a pas de perturbation dans le fonctionnement de la pompe et de ses accessoires, Dans ce mode de mise en oeuvre, on recycle une partie du gaz alimenté au dispositif de mélange gaz-liquide. Cependant, la quantité de gaz recyclée est très petite, comparativement à la quantité alimentée, de sorte qu'il ny a pas de perturbation. Cependant, dans la structure représentée à la figure 1, les bulles de gaz sont évacuées à partir du réservoir 11. Si l'on emploie un gaz toxique, il est nécessaire de prendre des précautions pour l'évacuation des gaz. Il est clair que la combinaison de gaz et de liquides qui sont moins solubles l'un dans l'autre est préférable du point de vue du recyclage du gaz dissout dans le liquide. Dans le cas où il y a réaction du gaz avec le liquide, on peut utiliser le liquide lui-même. Dans ce cas, il n'est pas toujours nécessaire de recycler tout le liquide. On peut en recycler une partie seulement. Eventuellement, pour récupérer l'énergie du fluide comprimé, il est possible d'utiliser une turbine hydraulique convenablement reliée à la pompe au lieu de la valve (10). Comme indiqué ci-dessus, et conformément à l'invention, il est possible d'obtenir le gaz comprimé désiré, d'une manière simple et économique, sans qu'il soit besoin de mettre en oeuvre une installation coûteuse et compliquée. Au cas où il se produit une réaction d'un gaz avec un composé dans un liquide, on peut promouvoir la réaction en comprimant le gaz conformément à l'invention. Grâce à l'installation de l'invention incluant un réservoir à liquides, l'alimentation en liquide peut être effectuée automatiquement, et le gaz qui sera comprimé peut être alimenté de manière stable. Grâce à l'installation de l'invention incluant une turbine, il est possible de récupérer l'énergie du liquide, ce qui permet d'opérer avec une efficacité élevée. REVEND I C & IONS 1. Procédé de compression des gaz qui comprend une étape de réalisation d'un fluide gaz-liquide par mélange d'un gaz avec un liquide et une étape de compression du fluide gaz-liquide par une pompe centrifuge. 2. Procédé de mise en contact d'un gaz avec un liquide et/ou procédé de réaction gaz-liquide qui comprend une étape de réalisation d'un fluide gaz-liquide par mélange d'un gaz avec un liqui de; et une étape de compression du fluide gaz-liquide par une pompe centrifuge. 3. Procédé de compression des gaz qui comprend une étape de réalisation d'un fluide gaz-liquide par mélange d'un gaz avec un liquide; une étape de compression du fluide gaz-liquide par une pom- pe centrifuge et une étape de séparation du gaz comprimé formé par une séparation gaz-liquide du fluide gaz-liquide comprimé. 4. Installation de compression des gaz qui comprend - des moyens pour réaliser un fluide gaz-liquide par mélange d'un gaz avec un liquide. - une pompe centrifuge pour aspirer le fluide gaz-liquide, le comprimer et l'évacuer; - un séparateur gaz-liquide pour recevoir le fluide gaz-liquide évacué par la pompe centrifuge, et séparer le gaz du liquide; - une canalisation pour introduire le liquide issu du séparateur dans les moyens de mélange gaz-liquide après séparation des gaz et - une valve disposée dans la canalisation pour contrôler le débit du liquide. ' 5.Installation pour la compression des gaz qui comprend - une alinentation en liquide; - des moyens de mélange gaz-liquide pour réaliser un fluide gaz-liquide par mélange du gaz avec le liquide alimenté par ladite alimentation au liquide; - une pompe centrifuge pour aspirer le fluide gaz-liquide, le comprimer et l'évacuer; - un séparateur gaz-liquide pour recevoir le fluide gaz-liquide évacué par la pompe centrifuge et séparer le gaz du liquide; - une canalisation pour introduire le liquide issu du séparateur dans les moyens de mélange gaz-liquide après séparation des gaz - une valve disposée dans la canalisation pour contrôler le débit du liquide, et - un réservoir à liquide contenant le liquide à une pression prédéterminée, relié du côté de l'alimentation en liquide des moyens de mélange gaz-liquide, ou du côté de l'aspiration de la pompe centrifuge. 6. Installation pour la compression des gaz, qui comprend - des moyens de mélange gaz-liquidepour réaliser un fluide gaz-liquide par mélange du gaz avec le liquide - une pompe centrifuge pour aspirer le fluide gaz-liquide, le com- primer et l'évacuer - un séparateur gaz-liquide pour recevoir le fluide gaz-liquide évacué par la pompe centrifuge et séparer le gaz du liquide; - une canalisation pour introduire le liquide dans les moyens de mélange gaz-liquide après séparation des gaz et - une turbine qui est entraînée par le liquide traversant la canalisation, pour conférer une force de révolution à la pompe centrifuge.