Brevet FR2384534A1 — publié le 19781020

L'invention concerne un procédé et une installation pour séparer de l'eau à partir de l'air humide ou d'un autre gaz humide. On sait que la teneur maximale possible en vapeur d'eau de l'air, par unité de volume, dépend exponentiellement de la température, mais qu'elle est indépendante de la pression de l'air. Il s'ensuit que lthnmidité relative de l'air augmente dans le cas d'une compression isotherme, ceci pouvant aboutir i une saturation de l'air en vapeur d'eau et à la condensation de celle-ci. Ce phénomène est utilisé par exemple dans le procédé bien connu de compression pour le séchage des gaz. Du fait que la vapeur d'eau contenue dans l'air dépend de la température, il stensuit également que l'humidité relative de l'air augmente dans le cas d'une détente adiabatique, ceci pouvant également aboutir è une saturation de l'air en vapeur d'eau et à la condensation de celle-ci. Ce phénomène peut s'observer dans la nature lorsque l'air humide ##élève en altitude tout en se dilatant, alors qu'iL n'y a aucun apport de chaleur et que la faible adsorption des rayons solaires dans le laps de temps relativement court de cette pontée ne Joue aucun rôle. Lors de la détente de l'air humide dans des conditions essentiellement adiabatiques, il y a formation de brouillard et il peut se former des précipitations. L'invention a pour but d'indiquer des mesures permettant de séparer d'un gaz humide une quantité d'eau plus grande que ne le permettaient jusqu'8 présent les procédés de compression connus pour le séchage de gaz aussi bien qu'une détente adiabatique de gaz humide. Le problème est résolu par un procédé qui comporte les opérations suivantes a) compression du gaz humide b) refroidissesent du gaz humide comprimé c) détente adiabatique du gaz humide tordre des opérations a) et c) étant quelconque. Avec le procédé selon l'invention, il est possible, dès le refroidissement du gaz humide comprimé, d'augmenter l'humidité relative de l'air å tel point qu'il se produise une condensation de la vapeur d'eau présente dans le gaz humide. Ia plus grande partie de l'eau b séparer est séparée lors de la détente adiabatique du gaz humide. Par rapport aux procédés de compres- sion connus pour le séchage de gaz, le procédé selon l'invention présente l'avantage qu'il permet de séparer beaucoup plus d'eau d'un gaz humide que les procédés de compression connus.Par rapport aux procédés connus pour l'extraction de l'eau dans lesquels la rosée formée par le refroidissement nocturne des couches d'air au voisinage du sol est utilisée h des fins d'irrigation, le procédé correspondant A l'invention présente l'avantage que le rendement est pratiquement indépendant des influences atmosphériques, et est beaucoup plus élevé qu'avec les procédés d'extraction d'eau, connus. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la compression du gaz humide s'effectue en plusieurs étages, le gaz humide étant refroidi après chaque étage de compression. Dans le cas d'une compression en plusieurs étages, il est possible selon encore une autre forme de réalisation de l'invention, de refroidir tout d'abord le gaz humide comprimé après chaque étage de compression et de le détendre ensuite adiabatiquemeut. Suivant une autre forme d'exécution de l'invention, il est avantageux d'utiliser, pour la compression du gaz humide, le travail fourni lors de la détente adiabatique du gaz humide, de manière è ne nécessiter qu'un travail supplémentaire relativement faible. Selon encore un autre mode d'exécution avantageux de l'invention, le gaz refroidi par la détente adiabatique est utilisé pour le refroidissement du gaz comprimé humide. Le procédé selon l'invention convient d'une part pour l'extraction de l'eau de l'air atmosphérique dans les régions désertiques les plus chaudes et les plus sèches de la terre, où l'atmosphère contient encore 5 i 15 g d'eau par mètre cube d'air. L'eau récupérée B partir de l'atscsphbre peut etre utilisée pour l'irrigation et cosse eau potable. D'autre part, le procédé selon l'invention convient aussi au séchage de gaz. L'installation destinée à séparer l'eau d'un gaz humide est caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un compresseur à un ou plusieurs étages, pouvant autre entraSné par moteur, pour la compression du gaz humide, au moins un réfrigérant pour le refroidissement du gaz comprimé, au moins un détendeur pouvant être actionné par moteur, pour la détente adiabatique du gaz humide refroidi et comprimé et un premier séparateur d'eau pour la séparation de l'eau à partir du gaz détendu adiabatiquement. L'installation selon la présente invention est conçue de manière à pouvoir fonctionner à différents niveaux de pression, l'ordre selon lequel la compression et la détente ont lieu pouvant etre inversé ou alterné. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, l'installation comporte au moins un deuxième séparateur d'eau, pour la séparation de l'eau de l'air comprimé refroidi par le réfrigérateur. Avec le deuxième séparateur, une partie de l'eau à séparer peut déjà entre séparée du gaz humide lors du refroidissement du gaz comprimé. Suivant un autre agencement de l'installation selon l'invention il est possible de coupler directement ou indirectement le détendeur avec le compresseur pour l'entrainement moteur du compresseur, de manière à pouvoir récupérer dans une large mesure le travail de compression dans le détendeur. Il est particulièrement avantageux de disposer le compresseur et le détendeur sur un arbre commun. Suivant un autre agencement le condenseur est réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur par lequel passe le gaz refroidi par le détendeur et séché par le premier séparateur, en vue d'absorber la chaleur cédée par le gaz comprimé. L'échangeur de chaleur est de préférence construit pour l'échange de chaleur à contre-courant des deux fluides. mitant donné que dans l'installation selon l'invention le travail mécanique et les quantités de chaleur sont largement recyclés, il ne faut qu'un faible entratnement supplémentaire pour l'installation. L'installation selon l'invention peut être utilisée aussi bien pour extraire l'eau de l'air que pour sécher des gaz humides0 Si l'installation est utilisée pour le séchage de l'air et d'autres gaz, il est avantageux d'utiliser des taux de compression plus élevés et des températures plus basses que dans le cas d'une installation servant à l'extraction de l'eau. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif fera bien comprendre comment 11 invention peut etre réalisée. la figure I montre un schéma de circulation du procédé de l'invention pour l'extraction de l'eau à partir de l'air ou pour sécher des gaz et La figure 2 indique le changement d'état thermodynamique de l'air utilisé dans le procédé selon la figure 1 ou du gaz huii- de dans un diagralie entha@pie-entropie. L1installation suivant l'invention comporte un compresseur avec deux étages 1 et 2, et une machine à détente (détendeur) 3, qui sont disposés sur un arbre commun 4. Un moteur d'entraînement 5 est relié à l'arbre 4. Chacun des étages 1 et 2 du compresseur a, respectivement, une entrée 1' et 2' et une sortie #1" et 21. L'entrée et la sortie de la machine à détente 3 sont respectivement désignées par 5' et 3'. Entre le premier et le deuxième étage du compresseur et entre le deuxième étage du compresseur et le détendeur sont disposés des échangeurs de chaleur à contrecourant 6 et 7, dont l'un est relié à la sortie 1" de l'étage de compresseur 1 et à l'entrée 2' de l'étage de compresseur 2, et l'autre, à la sortie 2" de l'étage de compresseur 2 et à l'entrée 3' du détendeur 3. À l'intérieur des échangeurs de chaleur à contre-courant sont disposés des séparateurs de vapeur et d'eau qui ne sont pas représentés sur la figure. Un séparateur d'eau 8 est relié à la sortie 3" du détendeur 3 et à l'échangeur de chaleur 7, qui est lui-même relié à l'échangeur de chaleur 6. Ia sortie de l'échangeur de chaleur 6 est désignée par 6'. Lorsque l'installation est en service, de l'air humide FL à l'état thermodynamique 1' pénètre dans le compresseur 1 et y est comprimé. L'air comprimé, qui est à l'état 1" en quittant le compresseur 1, est amené dans l'échangeur de chaleur 6 dans lequel il est refroidi, isobariquement, à l'état 2' par cession de chaleur à l'air L déjà séché et refroidi par détente adiabatique. Ici, une partie de la teneur en vapeur d'eau de l'air humide peut déjà étre séparée dans le séparateur de vapeur d'eau qui est disposé dans l'échangeur de chaleur 6.Après avoir quitté 11 échangeur de chaleur 6, 11 air humide est amené dans le compresseur 2 où il est comprimé, atteignant ainsi 11 état 2". L'air humide à l'état 2" pénètre ensuite dans l'échangeur de chaleur à contre-courant 7 et y est refroidi isobariquement par cession de chaleur à l'air détendu sdiabatiquement et séché. Dans l'échangeur de chaleur 7 aussi, une partie de la teneur en vapeur de l'air humide peut être séparée par le séparateur de vapeur et d'eau qui y est disposé. Par suite du refroidissement isobare de l'air dans l'échangeur de chaleur 7, l'air atteint l'état 3'. Après avoir quitté l'échangeur de chaleur 7, l'air humide a environ la m'eme température, mais une pression plus élevée qu'à son entrée dans l'étage 1 du compresseur. Par suite d'une détente adiabatique dans le détendeur 3, l'air atteint. l'état 3". Lors de la détente adiabatique, l'air fournit du travail dont la valeur correspond à la distance verticale entre les points 3' et 3", et simultanément il se refroidit à une température approchant OC. Dans le séparateur d'eau 8, la teneur en vapeur d'eau est réduite à quelques grammes par mètre cube. L'eau séparée Y est recueillie et évacuée. La pression de l'air à ltétat An correspond à la pression atmosphérique. après avoir quitté le séparateur d'eau 8, l'air refroidi et séché est amené tout d'abord dans l'échangeur de chaleur 7 et, ensuite, dans l'échangeur de chaleur 6. Dans les deux échangeurs de chaleur 6 et 7, l'air est chauffé isobariquement par absorption de la chaleur dégagée par l'air humide et il atteint alors l'état 6'. Les déficits résiduels d'enthalpie et d'entropie sont compensés à l'air libre par l'énergie solaire et l'évaporation des eaux de surface, de sorte que l'air retourne à l'état 1', comme le montre la ligne en tirets de 6' à 1' dans le diagramme E-s. Le travail nécessaire à la compression de l'air humide, dont la valeur correspond à la distance verticale entre les points 1' et 1", ainsi que 2' et 2" est largement récupéré dans le détendeur. Pour Ùompenser les pertes par frottement et la variation de l'entropie de mélange dans le mélange air-eau, le moteur 5 fournit du travail à l'arbre 4. Par élévation des rapports de pression et un refroidissesent supplémentaire correspondant il est possible de parvenir à un séchage plus poussé de l'air et d'autres gaz. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la séparation de l'eau à partir d'un gaz humide, caractérisé par les opérations suivantes : a) compression du gaz humide b) refroidissement du gaz humide comprimé c) détente adiabatique de l'air humide ordre des opérations a) et c) étant quelconque. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la compression du gaz humide se fait en plusieurs étagea, le gaz humide étant refroidi après chaque étage de compression. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'après chaque étage de compression le gaz comprimé humide est tout d'abord refroidi puis détendu adiabatiquement. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le gaz humide fournit du travail lors de la détente adiabatique, travail qui est utilisé pour la compression du gaz humide. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le gaz humide refroidi par la d~- tente adiabatique est utilisé pour le refroidissement du gaz comprimé humide. 6. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 à l'extraction d'eau à partir de l'air atmosphérique. 7. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 au séchage de gaz humide. 8. Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un compresseur (1, 2) pouvant être actionné par un moteur, pour comprimer le gaz humide, au moins un réfrigérant (6, 7) pour le refroidissement du gaz comprimé, au moins une machine à détente (détendeur) (3) pouvant etre actionnée par moteur, pour la détente adiabatique du gaz humide refroidi et comprimé, et un premier séparateur d'eau (8) pour séparer l'eau du gaz détendu adiabatiquement. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un deuxième séparateur d'eau pour séparer 11 eau de l'air comprimé refroidi par le réfrigérant (6, 7). 10. Installation selon l'une des revendications 8 ou 91 caractérisée par le fait que pour ltentratnesent moteur du compresseur (1, 2) le détendeur (5) est couplé avec le compresseur (1, 2). 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée par le fait que le compresseur (1, 2) et le détendeur (3) sont disposés sur un arbre commun (4). 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée par le fait que le réfrigérant (6, 7) est réalisé sous la forme d'échangeur de chaleur. 13. Installation selon la revendication 12, caractérisée par le fait que le premier séparateur d1 eau (8) est relié à l'échangeur de chaleur ou à chacun des échangeurs de chaleur (6w 7). 14. Application de l'installation selon lfune quelconque des revendications 8 à 13, à l'extraction d'eau à partir de l'air. 15. Application de l'installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 13 au séchage de gaz humides.