Brevet FR2507497A1 — publié le 19821217

L'invention concerne un procédé pour obtenir un gaz inerte et pour le comprimer et le séparer Elle concerne en outre un dispositif à l'aide duquel le procédé peut, de préférence, être mis en oeuvre. Il est fréquemment nécessaire de rendre iner- te des récipients On évacue l'air avec un gaz inerte ou bien on remplace par un gaz inerte un volume de liquide soutiré ou des fuites Dans le premier cas il est souhaitable de réaliser rapidement ce processus d'évacuation Dans le deuxième cas il est avantageux d'adapter le débit de gas inerte autant que pos- sible aux besoins Pour les deux cas, convient très bien de l'azote extrait d'un réservoir sous pression Toutefois l'azote est un gaz inerte relativement cher Plus économiques sont les gaz de fumée qui, en général, sont obtenus par la combustion dans l'air de substances combustibles liquides ou gazeuses. Selon le cas d'application, l'enlèvement de l'eau et, notamment dans le cas du processus métallurgique, l'enlèvement de bioxyde de carbone ou bien des substances résiduelles acides, est néces- saire Malgré cette dépense, ce gaz inerte obtenu à partir des gaz de fumée est meilleur marché que l'azote obtenu à l'aide du procédé de décomposition de l'air Un inconvénient par rap- port à l'utilisation d'azote dans le cas de l'utilisation des gaz inertes obtenus par combustion de substances combustibles liquides ou gazeuses, est la difficulté d'adaptation de la pro- duction de gaz inerte aux besoins. L'âme d'un dispositif de production de gaz inerte dans lequel le gaz inerte est obtenu par combustion d'une substance combustible liquide ou gazeuse, est le br que vers le bas la latitude de réglage est relativement faible. Il en résulte la nécessité de créer un procédé à l'aide duquel on puisse comprimer économiquement un gaz inerte prenant nais- sance lors de la combustion de substances combustibles liquides ou gazeuses et grâce auquel on puisse retirer de ce gaz dans la plus large mesure possible, la teneur en eau résultant de la combustion Un but de l'invention est en outre, de retirer également du gaz inerte, les fractions de bioxyde de carbone prenant naissance lors de la combustion C'est enfin un but de l'invention de créer un dispositif à l'aide duquel le procédé 1 g puisse être mis en oeuvre avantageusement. Pour atteindre ces buts, l'invention concerne un procédé pour obtenir un gaz inerte comprimé, caractérisé en ce qu'au moins une partie des gaz d'échappement d'un moteur à com- bustion est refroidie et comprimée dans un compresseur, ce com- presseur étant entralné par le moteur à combustion Grâce à ces dispositions, les gaz d'échappement inertes d'un moteur à com- bustion, de préférence d'un moteur Otto ou bien d'un moteur Diesel, sont après refroidissement intermédiaire, comprimés dans un compresseur, ce compresseur étant entra né par le moteur à combustion qui délivre le gaz inerte Grâce au refroidissement intermédiaire, le compresseur mis en oeuvre n'est pas sollicité thermiquement avec excès et il ne nécessite pas une conception spéciale Le gaz inerte comprimé est ds lors disponible pour l'utilisation Il est en outre proposé que les gaz dtéchappe- ment soient comprimés à plus de 10 bars, de préférence à 20 - bars et refroidis après la compression, à une température inférieure à 60 O Du fait de la compression à une pression éle- vée, la pression partielle de l'eau augmente également dans le même rapport Le refroidissement à une température inférieure à 100 O détermine toutefois la pression partielle de saturation de l'eau qui se situe plus bas que la pression partielle après compression Cela signifie que l'eau en excès se condense sous forme liquide L'eau condensée peut être séparée du gaz inerte comprimé de façon simple. Il est en outre proposé que le gaz inerte après compression et avant utilisation, soit stocké en tant que fluide inerte dans un réservoir sous pression Ce stockage per- met de tenir le gaz inerte disponible pour des besoins survenant brusquement. Une variante du procédé résulte de ce que les gaz d'échappement sont comprimées à une pression supérieure à la pression critique du bioxyde de carbone, de préférence à une pression de 200 à 300 bars, et en ce qu'ils sont refroidis au- dessous de la température critique du bioxyde de carbone, de préférence au-dessous de 310 0, le bioxyde de carbone liquéfié étant séparé du gaz inerte résiduel non condensé Dans le cas de cette variante du procédé, la pression partielle du bioxyde de carbone, lors de la compression, est augmentée du rapport de compression Du fait du refroidissement du gaz inerte comprimé 2.- à une température inférieure à la température critique du bi- oxyde de carbone, de préférence au-dessous de 3100 C la pression de saturation du bioxyde de carbone est plus faible que la pres- sion partielle obtenue Le bioxyde de carbone en excès se con- dense sous forme liquide et peut être séparé du gaz inerte ré- siduel non condensé. Pour la mise en oeuvre du procédé, il est proposé qu'une canalisation de gaz d'échappement soit prévue entre le moteur à combustion et le compresseur, canalisation sur le parcours de laquelle est disposé un échangeur thermique. En outre, il est proposé qu'un réservoir sous pression soit branché à la suite du compresseur, un échangeur thermique à tube étant disposé sur la canalisation allant du compresseur au ré- servoir sous pression Gr Ace à ces deux dispositions, on est as- suré, que, d'une part, les gaz d'échappement du moteur à combus- tion destinés à être comprimés, sont pré-refroidis avant d'entrer dans le compresseur En outre, on est également assuré que les gaz d'échappement comprimés qui s'écoulent du compresseur au réservoir sous pression, sont soumis à un refroidissement qui abaisse la température atteinte du fait de la chaleur de compres- sion. Il est en outre proposé que l'échangeur de chaleur soit muni d'une évacuation du gaz condense Cette éva- cuation du gaz condensé sert, dans le cas de l'échangeur ther- mique disposé entre le moteur à combustion et le compresseur, à évacuer l'eau condensée, et dans le cas d'un échangeur ther- mique disposé entre le compresseur et le récipient sous pres- sion, à évacuer le bioxyde de carbone condensé Il va de soi que, étant donné la pression interne élevée par rapport à la pression atmosphérique, ces évacuations des gaz condensés revê- tent la forme de sas. Il est en outre proposé qu'entre le compres- seur et le réservoir sous pression, il soit prévu, s'ouvrant vers le réservoir sous pression, une soupape d'excès de débit. Lors du fonctionnement on ne peut exclure des cas dans lesquels la pression, par exemple du réservoir sous pression rempli, soit importante par rapport à la pression produite par le compres- seur au démarrage Dans ces cas, le démarrage du compresseur serait rendu beaucoup plus difficile si la pression en prove- nance du réservoir sous pression, pouvait agir sur le compres- 3.- seur Ceci est empêché par une soupape d'excès de débit s'ou- vrant vers le réservoir sous pression. Grâce au procédé selon l'invention, il est possible de comprimer les gaz d'échappement d'un moteur à com- bustion Il est en outre possible par un refroidissement ap- proprié, de condenser la majeure partie de l'eau Grâce à la proposition consistant à utiliser le moteur à combustion pour entrainement du compresseur, il s'avère que lors de l'utilisa- tion de substances combustibles avec des pouvoirs calorifiques élevés, tels que le propane, l'essence, le combustible Diesel, et le gas naturel, et en cas de collecte totale des gaz d'échap- pement du moteur à combustion, une puissance suffisante est dé- livrée pour comprimer ces gaz d'échappement à plus de 10 bars, la plupart du temps à 20 50 bars Comme effet secondaire sur- prenant, il en résulte une sécurité inhérente accrue du système; avec une dépense plus réduite pour la surveillance Comme la compression implique la production correspondante des gaz d'échap- pement, on peut renoncer à la surveillance de la flamme néces- saire dans le cas des brtleurs de gaz inerte Le compresseur n'est ni mis en circuit, ni mis hors circuit car son entratne- ment s'effectue par le moteur à combustion qui produit le gaz inerte sous forme de gaz d'échappement. Grâce à la compression élevée Jointe au re- froidissement correspondant des gaz d'échappement avant et après la compression, la majeure partie de l'eau est condensée Le gaz inerte, après sa détente à,la pression atmosphérique, a un point de rosée inférieur à -20 O C, tel qu'on ne pourrait l'at- teindre par ailleurs qu'avec des séchoirs à absorption supplé- mentaires. Il s'est avéré de façon surprenante qu'avec un refroidissement soigneux et une compression à plusieurs éche- lons, la puissance que délivre un moteur Otto moderne suffit amplement à comprimer la totalité des gaz d'échappement à plus de 75 bars On dépasse alors la pression critique du bioxyde de carbone et lors d'un refroidissement terminal au-dessous de la température critique de 31 0, cette fraction des gaz d'échappe- ment est condensée Le bioxyde de carbone liquide peut alors s'écouler facilement dans un second réservoir sous pression si bien que le gaz inerte non condensé constitué en majeure partie d'azote, s'en trouve séparé. 4.- L'exemple suivant du procédé caractérise mieux la nature de l'invention: un réservoir d'une contenance libre de 50 m 3 doit être rendu inerte Le temps nécessaire à cet effet, doit être aussi réduit que possible Des temps su- périeurs à 15 minutes ne sont pas tolérables Il s'y a Joute que pour un processus unique de rinçage, une production du gaz iner- te de plus de 200 m 3/h est nécessaire Mais comme deux rinçages conditionnés par le procédé, ne sont pas nécessaires à moins de 3 heures d'intervalle, on peut utiliser un accumulateur ayant une capacité de plus de 50 m 3 de gaz inerte à l'état détendu. Il n'est alors nécessaire de prévoir le dispositif de production de gaz inerte que pour une production de 20 m 3/h. Conformément à l'invention, on choisit un moteur Otto avec comme carburant du propane, qui développe une puissance de 6 k W et fournit alors la quantité nécessaire de gaz inerte de 20 m 3/h Le compresseur directement couplé à ce mo- teur comprime les gaz d'échappement à environ 30 bars L'accumu- lateur de pression a seulement un volume de 2 m 3 Les gaz d'échap- pement sont indirectement refroidis entre le moteur et le compres- seur Après la compression, s'effectue encore un refroidissement indirect dans l'échangeur thermique à tube Les besoins en eau de refroidissement, y compris le refroidissement du moteur et du compresseur eux-mêmes, sont de l'ordre de 1 m 3/h Le moteur et le compresseur tourhent en continu jusqu'à ce que l'accumula- teur de pression ait atteint sa pression finale de 30 bars Un rinçage unique du réservoir ( 50 m 3) est alors possible en peu de minutes grâce à une décharge rapide de l'accumulateur de pression. Un autre exemple explicite la seconde varian- te du procédé: Un moteur Otto à 4 cylindres et à 4 temps à cylindres opposés avec une cylindrée de 1 200 cm 3 qui tournait à 2000 tours par minute, développait une puissance d'environ k W et fournissait un débit de gaz d'échappement d'environ m 3/h à l'état normal Comme carburant, on utilisait du gaz liquide avec une composition de 70 % de propane et de 30 % de butane Un compresseur à quatre cylindres et à quatre étages était couplé avec l'entraînement par l'intermédiaire d'une dé- multiplication de façon telle que ce compresseur tournait à 1500 tours par minute lorsque le moteur à combustion qui l'en- tratnait atteignait 2000 tours par minute L'échappement du - moteur et l'aspiration du compresseur étaient reliés ensemble par l'intermédiaire d'une chambre ouverte sur l'atmosphère Cette chambre, le compresseur et également l'entra nement étaient re- froidis par l'air d'un ventilateur Chacun des quatre étages de compression était équipé d'évacuation automatique de gaz con- densé L'étage terminal atteignait 200 bars Par l'intermédiaire des évacuations de produits condensés, l'eau et le bioxyde de carbone étaient évacuée le gaz comprimé à pression terminale était constitué de plus de 99,5 % en volume d'azote et conte- nait moins de 0,1 % en volume de bioxyde de carbone Le gaz était amené par l'intermédiaire d'une soupape de retenue à un accumulateur constitué de 10 bouteilles en acier courantes du commerce, chacune de 50 litres Dans cet accumulateur de pres- sion, étaient stockées, convertis à l'état normal, 100 m 3 de gaz inerte essentiellement de l'azote. En se référant au schéma du procédé selon la figure uniques la constitution du dispositif va être expli- quée plus en détail à titre d'exemple non limitatif La référence 2 désigne le moteur à combustions qui reçoit le carburant à par- tir d'un réservoir 1 de carburant par l'intermédiaire, par exem- ple, d'un carburateur ou bien d'une pompe à injection L'air comburant est aspiré à partir de la tubulure d'aspiration 3 et amené aux chambres de combustion les gaz d'échappement du moteur quittent celui-ci par l'intermédiaire de la canalisa- tion 4 1 et traversent un premier échangeur thermique 5 Le gaz se condensant éventuellement, est extrait de l'échangeur ther- mique par l'intermédiaire de l'évacuation de gaz condensé 12. Le travail mécanique du moteur à combustion 2 est transmis au compresseur 7, par l'intermédiaire de l'arbre 6, éventuellement avec interposition d'un embrayage L'aspiration du compresseur 7 est reliée à la sortie de l'échangeur thermique 5 par l'in- termédiaire de la canalisation 4 2 La sortie du compresseur lui-même est reliée par l'intermédiaire de la canalisation 8 à un autre échangeur thermique 9 le gaz refroidi et comprimé est amené par l'intermédiaire de la canalisation 10 à un accu- mulateur de pression 11 ou bien immédiatement à l'utilisation. Par l'intermédiaire de l'évacuation du gaz condensé 12, les gaz condensés peuvent être extraits La soupape de retenue 13 empêche l'écoulement en retour du gaz inerte comprimé depuis le réservoir 11 vers le compresseur, lequel peut ainsi fonction- 6.- 7. 2507497 ner sans contre pression La soupape 14 permet de prélever le gaz inerte pour l'utilisation. Il va de soi qu'il est prévu un refroidisse- ment du moteur et un refroidissement du compresseur Il va en outre de soi que dans le cas de compresseurs à plusieurs étages, le gaz allant d'un étage au suivant est refroidi dans l'inter- valle Les gaz se condensant en ces points sont également ex- traits. REVENDICAT I O N S 1. Procédé pour obtenir un gaz inerte com- primé, procédé caractérisé en ce qu'au moins une partie des gaz d'échappement d'un moteur à combustion est refroidie et comprimée dans un compresseur, ce compresseur étant entrafné par le moteur à combustion. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les gaz d'échappement sont comprimés à plus de 10 bars, de préférence à 20 50 bars et après compression, sont refroidis à une température inférieure à + 60 . 3. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que les gaz d'échappe- ment après la compression et avant leur utilisation, sont stockés en tant que fluide inerte dans un réservoir sous pres- sion. 4. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que les gaz d'échappement sont comprimés à une pression supérieure à la pression critique du bioxyde de carbone, de préférence à une pression de 200 à 300 bars, et sont refroidis au-dessous de la température criti- que du bioxyde de carbone, de préférence au-dessous de 3100 Ct le bioxyde de carbone liquéfié étant séparé du gaz inerte rési- duel non condensé,. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que, entre le moteur à combustion et le compres- seur, il est prévu une canalisation de gaz d'échappement sur le parcours de laquelle est disposé un échangeur thermique. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce qu'un réservoir sous pression est branché à la suite du compresseur, un échangeur thermique à tube étant dis- posé sur la canalisation allant du compresseur au réservoir sous pression. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'échangeur ther- mique est muni d'une évacuation de gaz condensé. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que, entre le compres- seur et le réservoir sous pression, il est prévu, s'ouvrant vers le réservoir sous pression, une soupape d'excès de débit. 8.-