Brevet FR2304044A1 — publié le 19761008

La présente invention a pour objet un procédé de régulation du piégeage thermique d'un constituant contenu dans un mélange fluide. De façon plus précise, la présente invention concerne la régulation d'un piégeage consistant à séparer un constituant d'un mélange fluide qui le contient par changement d'état dudit constituant, ce changement d'état étant obtenu lorsque le mélange passe dans une boucle de piégeage refroidie progressivement par une source froide. Antérieurement à la présente invention, il était usuel, pour effectuer le piégeage thermique d'un constituant contenu dans un tluide, d'utiliser un cryostat dans lequel la température souhaitée, correspondant à la température de changement d'état du constituant à piéger, était réglée à l'aide d'une résistance chauffante et d'une circulation d'azote liquide et était contrôlée par un thermocouple. Cependant, l'utilisation d'un cryostat ne peut être envisagée que pour certains travaux étant donné son encombrement et son prix. La présente invention permet justement de pallier l'incon- vénient précité puisqu'elle a pour objet un procédé de régulation d'un piégeage thermique, du type rappelé ci-dessus, dont la mise en oeuvre est à la fois sûre, aisée et économique. Ce procédé est particulièrement avantageux puisqu'il peut être mis en oeuvre dans de nombreuses applications.Le procédé, objet de l'invention, permettant de régler le piégeage thermique d'au moins un des constituants contenus -dans un mélange fluide par changement d'état dudit constituant obtenu lorsque ledit mélange passe dans une boucle de piégeage refroidie progressivement par une source froide se caractérise en ce qu'on place ladite boucle dans un milieu à conduction thermique réglable en contact avec la source froide de façon à contrôler le refroidissement dudit mélange et les instants auxquels il atteint les températures de changement d'état successives de ses différents constituants. Le procédé, tel que caractérisé ci-dessus, permet de régler de façon satisfaisante le refroidissement d'un mélange par une source froide grâce à un choix judicieux de la nature et des paramètres physiques du milieu que l'on interpose entre la boucle de piégeage parcourue par le mélange et la source froide. Ainsi, pour un milieu de conduction thermique appropriée, il est possible de disposer d'un intervalle de temps satisfaisant durant lequel le constituant à séparer est le seul à changer d'état. Selon une première variante de l'invention, ledit milieu à conduction thermique réglable est constitué par un gaz emprisonné dans une enceinte dont la pression demeure constante au cours du refroidissement du mélange. Sachant que la conduction thermique à travers un gaz diminue avec la pression de ce dernier, la pression du gaz emprisonné dans enceinte est choisie à volonté afin d'obtenir un intervalle de temps convenable durant lequel le constituant à séparer peut être récupéré pur ; la loi de refroidissement de la boucle en fonction du temps est reproductible pour des conditions opératoires identiques et peut être déterminée facilement au cours d'un étalonnage antérieur, qui conduit au réseau de courbes de la figure 1. Il convient de noter que pour cette première variante, un milieu de conduction thermique appropriée peut, à la limite, consister en un vide relativement poussé établi dans une enceinte traversée par la boucle et en contact avec la source. Dans le cas particulier de la régulation du piégeage du gaz carbonique véhiculé par de l'oxygène par liquéfaction du gaz carbonique, les courbes de la figure 1 permettent de comprendre le déroulement du procédé de régulation, objet de l'invention. Ces courbes montrent les variations de température en fonction du temps d'une boucle de piégeage refroidie par une source froide d'azote liquide pour différentes pressions réalisées dans une enceinte contenant ladite boucle et en contact avec ladite source. La courbe I est relative à un vide dans l'enceinte relativement poussé. Les courbes Il, III et IV sont relatives à des pressions dans l'enceinte croissantes. On vérifie sur ces courbes qu'entre les deux conditions expérimentales extrêmes correspondant à des pressions dans l'enceinte respectivement hypothétiquement nulle (courbe I) et élevée (courbe IV) l'intervalle de temps nécessaire t2 - t1 pour que la boucle de piégeage passe de la température de liquéfaction du gaz carbonique (0-C02, à celle de ltoxygène ( 9 2) est d'autant plus grand que le vide établi dans l'enceinte est plus important. Selon une deuxième variante de l'invention, ledit milieu à conduction thermique réglable est constitué par un gaz emprisonne dans une enceinte, dont la température de liquéfaction est comprise entre la température de la source et la température de changement d'état de celui des constituants du mélange pour lequel cette dernière st 13 plus voisine de celle du constituant à piéger. Ainsi, lors du refroidissement du mélange, la pression du gaz emprisonné va se mettre progressivement à dlmínuer. En effet, en tenant compte du gradient thermique régnan dans l'enceinte entre la source et la boucle, le gaz contenu dans cette dernière va commencer à se liquéfier lorsquE l'enceinte atteindra au voisinage de la source, la températ#re de changement d'état dudit gaz. De ce fait, cette deuxième variante peut dans certains cas être très avantageuse puisqu'elle permet d'atteindre un intervalle de temps pour la séparation du constituant, supérieur à celui qui serait obtenu avec un milieu de pression constante pour une même valeur initiale de la pression régnant dans l'enceinte. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre de deux exemples de mise en oeuvre du procédé de régulation de l'invention pour le piégeage thermique du gaz carbonique véhiculé ar de l'oxygène par liquéfaction du gaz carbonique, ces deux exemples étant donnes à titre illustratif mais nullement limitatif. Il va de soi que le schéma général de mise en oeuvre du procédé qui va être illustré dans ces exemples est conservé pour un piégeage consistant à séparer un constituant d'un mélange fluide par solidification dudit constituant. Cette description sera faite en référence à la figure 2 annexée, représentant schématiquement un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Sur la figure 2, on voit qu'une boucle de piégeage 1 en forme d'U, dans laquelle circule le mélange gazeux gaz carbonique- oxygène, est disposée verticalement dans une enceinte étanche 2 munie d'une sortie 3 et que l'ensemble constitué par ladite boucle et l'enceinte 2 contenant cette dernière est placé dans un vase Dewar 4 contenant de l'azote liquide constituant la source froide. Pour l'étude qui va suivre de la régulation selon l'invention du piégeage du gaz carbonique véhiculé dans la boucle 1 par de l'oxygène, les dimensions du dispositif décrit sont les suivantes : un diamètre de as mm et une hauteur de 180 mm pour ladite enceinte 2 ; une longueur de 160 mm et une largeur de 25 mm pour ladite boucle 1. Selon la première variante de l'invention, on établit dans l'enceinte 2, grâce à sa sortie 3, un vide partiel, comme on l'a vu au regard des courbes tracées sur la figure 1, ce vide est choisi suffisamment élevé afin d'obtenir un refroidissement le plus lent possible du mélange passant dans la boucle t, Dan3 la mise en oeuvre du procédé donné en exemple, on effectue une régulation du piégeage du gaz carbonique en établissant dans ladite enceinte 2 un vide de 7.10 2 torr environ. Avant d'effectuer le piégeage proprement dit du gaz carbonique, il convie#nt de déterminer les instants t1 et t2 auxquels le gaz carbonique et lssoxyg-ène commencent respectivement à se liquéfier au cours du refroidissement dela boucle 1 par la source d'azote liquide contenue dans le Dewar 4 sachant que l'abaissement de la température dè ladite boucle est controlé par la pression de 7.10 2 torr environ de l'enceinte 2. Pour ce faire, on détermine, d'une part, lors d'un premier échange thermique entre la boucle, parcourue uniquement par du gaz carbonique, initialement à température ambiante et la source d'azote liquide dont la température initiale est de - 185 C le temps t1 au bout duquel la température de ladite boucle 1 est égale à - 78,50C, soit la température de sublimation du gaz carbonique et, d'autre part, selon le même processus, le temps t2 au bout duquel la température de la boucle atteint une température de - 1830C soit la température de liquéfaction de ltoxygène. Après avoir déterminé t1 et t2, qui, pour les conditions expérimentales choisies ci-dessus, sont respectivement égaux à 1 mn 45s et 9 mn 45 s environ, on fait passer le mélange, lors du refroidissement de ladite boucle 1,dans les mêmes conditions que pour ltétabnnage antérieur, afin de récupérer dans l'intervalle de temps t2 - t1 le gaz carbonique qui se liquéfie. Selon la deuxième variante de l'invention, on introduit dans l'enceinte 2, après y avoir effectué le vide, de l'argon dont la température de liquéfaction est égale à - 185su. Le mode opératoire du piégeage du gaz carbonique avec une régulation du refroidissement du mélange par la masse d'argon contenu dans l'enceinte 2 est identique à celui qui vient autre décrit ci-dessus. Il convient simplement de noter que, dans ce cas, la pression de l'enceinte 2 diminue au cours du refroidissement de la boucle 1 puisque, lorsque la température de l'enceinte 2, inférieure à la température de la boucle 1, atteint la température de liquéfaction de l'argon, ce dernier se condense. Grâce à l'établissement dans l'enceinte 2 d'une pression initiale d'argon de 5 mm de mercure, l'argon jouant lé roule de miLieu intermédiaire tampon, il est possible d'obtenir des temps t1 et t2 au bout desquels se liquéfient respectivement le gaz carbonique et l'oxygène égaux à 2 mn et 40 mn environ. Il convient de remarquer que cette deuxième variante de l'invention pourrait être mise en oeuvre avec un tout autre gaz dont la température de liquéfaction serait comprise entre la température de la source froide et la température de Iiquéfac tion de ltoxygène à ne pas condenser. Dans le cas particulier du piégeage du gaz carbonique contenu dans de l'oxygène gazeux, la mise en oeuvre du procédé de régulation de l'invention est particulièrement avantageuse lorsque l'or désire. par exemple effectuer le dosage de traces de gaz carbonique dans de l'oxygène, le dosage du carbone dans des matériaux divers ou le dosage du gaz carbonique dans l'atmosphère. En effet, le gaz carbonique une fois piégé peut être récupéré en purgeant ltoxygène gazeux restant dans la boucle par un courant dthélium De façon générale, tout piégeage incorporant le procédé de l'invention peut facilement être inclus dans une manipulation de nature quelconque du fait du caractère séquentiel des opérations de mise en oeuvre facilement automatisables. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation du piégeage thermique d'au moins un des constituants contenu dans un mélange fluide par changement d'état dudit constituant obtenu lorsque ledit mélange passe dans une boucle de piégeage refroidie progressivement par une source froide caractérisé en ce qu'on place ladite boucle dans un milieu à conduction thermique réglable en contact avec la source froide de façon à contrôler le refroidissement dudit mélange et les instants auxquels il atteint les tempéra-tures de changement d'état successives de ses différents constituants. 2. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit milieu à conduction thermique réglable est constitué par un gaz emprisonné dans une enceinte dont la pression, constante au cours du refroidissement du mélange, est choisie de façon à obtenir, par référence à un étalonnage antérieur. un intervalle de temps approprié durant lequel la température du mélange diminue depuis la température de changement d'état du constituant à piéger jusqu'à la température de changement d'état de celui des constituants pour lequel cette température de changement d'état est la plus voisine de celle du constituant à piéger. 3. Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit milieu à conduction thermique réglable est constitué par un gaz emprisonné dans une enceinte dont la température de liquéfaction est comprise entre la température de la source et la température de changement d'état de celui des constituants du mélange pour lequel cette dernière est la plus voisine de celle du constituant à piéger et dont la pression, variable au cours du refroidissement du mélange, est choisie initialement de façon à obtenir un intervalle de temps approprié durant lequel la température du mélange diminue depuis la température de changement d'état du constituant à piéger jusqu'à la température de changement d'état de celui des constituants pour lequel cette température est la plus voisine de celle du constituant à piéger. 4. Procédé de régulation selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on choisit la pression dans ladite enceinte à une valeur très basse correspondant à un vide primaire. 5. Procédé de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pression très basse est choisie de l'ordre de 1.10 2 torr. 6. Procédé de régulation selon la revendication 3 du piégeage thermique du gaz carbonique véhiculé par de l t oxygène pour lequel la source froide est constituée par de l'azote liquide caractérisé en ce que ledit milieu est constitué par de l'argon emprisonné dans une enceinte sous une pression de l'ordre de 5 mm de mercure.