Brevet FR2715579A1 — publié le 19950804

PROCEDE DE SEPARATION DE COMPOSANTS GAZEUX La présente invention concerne un procédé de sépara tion magnéto-centrifuge de fluides à i'état gazeux. Dans les techniques actuelles, la séparation des composants d'un mélange gazeux peut être effectuée par distillation fractionnée du mélange en phase iiquide. Les techniques d'absorption et d'adsorption sélective sont également utilisées sous des formes très diverses. Plus récemment des procédés utilisent des membranes poreuses permettant la séparation de molécules de tailles différentes. Les procédés utilisant des champs centrifuges très élevés ont été appliqués à la séparation des isotopes de l'uranium mis sous forme de composés gazeux. La séparation des constituants de l'air fait appel aux trois premières méthodes. Les procédés cryogéniques conviennent particulièrement pour les productions importantes, au moins 100 t/j. Les procédés par adsorption utilisant des tamis moléculaires sont bien adaptés aux installations de moyenne importance, de 10 à 100t/ j. Pour ces procédés la consommation d'énergie est de l'ordre de 0,5 kWh/Nm3. Quant aux procédés à membrane ils paraissent économiques pour les petites installations, jusqu'à 10 t/h, où l'on ne recherche pas une pureté élevée. Le procédé objet de la présente invention répond à une orien tation de la demande vers la satisfaction de besoins en oxy gène, et ou azote,à des concentrations de lordre de 90%, à des cuûts nettement moins élevés qu'avec les procédés décrits ci-dessus. Extèmement simple de fonctionnement, continu, peu côuteux en investissement et exploitation, ce procédé trouvera de nom breuses applications de tailles très diverses. La présente invention est basée notamment sur les propriétés paramagnétiques bien connues de l'oxygène, tandis que i'azote est diamagnétique. L'oxygène, dont l'atome comporte 8 électrons, dont 2 non appa riés engendrent par leur Spin un moment magnétique relative- ment élevé. Mises en présence u"0n champ magnétique, les mollé cuies d'oxygène sont attirées tandis qu'eiles alignent leurs moment parallèlement au champ. La slsceptibilité magnétique, nombre sans dimension, caractérise quantitativement cette pro priété. Pcur l'oxygène aux conditions normales, x= 0,16.10 -6 Celle de l'azote est de l'ordre de -0,02.10 -7. La force s'appliquant à une particule de volume v est donnée par l'équation: Fx-x.v.B. dB/dx qu'on peut également mettre sous la forme: Fx= 1/2 x.v.d(B)2idx Cette équation indique la direction de la force vers les champs croissants et son intensité. Les forces magnétiques ainsi développées dans un champ magnétique variable sont relativement très faibles,même pour l'oxy gène. A première vue l'emploi de champs magnétiques très importants paraît donc indispensable. C'est ainsi qu'une invention japonaise des années 80 mentionne l'utilisation de champs obtenus avec des matériaux supraconducteurs. La présente invention est caractérisée par la mise en oeuvre particulière de deux effets combinés: celle d'un champ centrifuge associé à un cnamp magnétique engendré par un ensemble d'aimants permanents convenablement disposés. Cette combinaison peut être réalisée, d'une manière préférentielle mais non limitative, avec un appareillage du type multicyclone de caractère modulaire. I1 est possible, en effet, avec ces appa reils, de développer des champs centrifuges élevés pouvant atteindre aisément 15.000 g. Simultanément, le fluide en rotation rapide dans l'espace annuiaire de l'appareil, soumis à l'effet d'un ensemble d'aimants disposés radialement, reçoit une série d'impulsions dirigées suivant une trajectoire tangentielle. En outre, le champ magnétique a pour effet de développer une certaine structuration dans le fluide qui le traverse. Cet effet est analogue à celui observé avec les fluides électro-rhéologiques soumis à un champ électrique. Ii y a formation de chaînes de particules, alignées suivant les lignes de forces, constituées d'une succession d'éléments bipolaires. Ces chaines induisent une structuration en colonnes, réduisant les effets de L'agitatialthermque. D'une manière analogue, le champ magnétique radial, alignant les molécules bipolaires d'oxygéne dans le sens du champ, il s'agit de dipoles magnétiques, doit provoquer des effets similaires d'assemblage et d'in duction, facilitant ainsi les transferts de celles-ci vers la périphérie de l'appareil. La comparaison de l'énergie magnétique: l/2.x.B2 et de 1'éner- gie thermique: 3/2 k.T perturbatrice, pouvant se trouver dans le rapport de 10 à 1 pourrait justifier ce comportement. Ainsi, les deux champs de forceudécrits ci-dessus se conjuguent étroitement pour provoquer la séparation de l'oxygène, paramagnétique et plus dense, vers la périphérie de la capaci té annulaire du dispositif tandis que l'azote, diamagnétique et plus léger, se rassemble dans la partie centrale. L'évacuation de l'oxygène s'effectue par des éléments poreux cylindriques en matériau non magnétique, situés à la partie extérieure basse de la capacité annulaire. L'azote peut être extrait par un dispositif analogue entourant la part le interne de l'enceinte annulaire. Un dispositif de régulation commande 1 'extraction de 1 'oxygène. L'invention sera mieux compriseà travers la description qui suit, faite au regard de la fiaure I qui représente schématiquement un module "multimagnéto-cyclonique". Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend une capaci té annulaire 1 réalisée vn matériaux non magnétiques. I1 comporte une tubulaire d'introduction du fluide à traiter 2, en l'espèce l'air, dont l'entrée tangentielle à la capacité annulaire 1 présente une section rectangulaire allongée. Cette tubulure 2 réalisée en matériau analogue à 1: matière plastique de caractéristiques mécaniques adéquates, permet la mise en vitesse de l'air a un niveau de l'ordre de 100 m/sec., sans que ce soit limitatif. L'air entrant à grande vitesse à la partie supérieure de la capacité annulaire 1 est ainsi soumis à un mouvement de rotation très rapide, en rapport inverse du diamètre de cette capacité, e champ centrifuge résultant atteignant facilement 15.000 g et pouvant être accru si nécessaire pour augmenter effet de séparation. D'autre part, une double série d'aimants permanents 3 et 4, ceìnturant, ou mieux incorporés à la paroi de l'enceinte 1, développe des champs magnétiques radiaux dirigés vers l'extérieur, dont l'intensité peut être de l'ordre de 5.000 Gauss. D'autres paires d'aimants telles que 3 et 4 sont disposées à la périphérie de l'enceinte et sont montées sur les mêmes embases assurant la circulation interne des champs, afin de multiplier les effets d'impulsion, agissant essentiellement l'oxygène. Celui-ci se concentre ainsi à la périphérie de 1wu; la double action qui vient d'être décrite. Des éléments porreux 5 disposés à la partie inférieure de l'enceinte 1 permet tent l'extraction de l'oxygène d'une manière continue et sans exercer de perturbation sur le courant gazeux interne. L' oxygène extrait est recueilli dans des capacités annulaires externes non représentées sur la figure 1. Un dispositif analogue, non représenté, permet i'extraction de l'azote à partir de a paroi interne de la capacité annulaire 1. L'extraction cornue de l'oxygène à partir des éléments 5 peut être contrôlée par un dispositif très simple de vanne réglant le débit d'extraction, commandée par un analyseur d'oxygène. Le dispositif modulaire qui vient d'être décrit, fonctionnant à une pression voisine de la pression atmosphérique, est susceptible de fournir environ 10 Nm3/h d'oxygène. Un appareillage de production industrielle composé de 50 modules peut être facilement et économiquement réalisé pour fournir 500 m3/h d'oxygène. Il est alimenté par un ventilateur d'un débit de l'ordre de 2 50Q m3/h sous environ 12.000Pa (1.200mm CE), consommant environ 12 kWh. RVENDZCATIONS 1. Procédé continu de séparation des composants d'un d'un gaz et tout particulièrement de l'oxygène et de l'azote de air. mettant en oeuvre l'action combinée d un champ centrifuge et d'un champ magnétique qui exerce ses effets sélectivement sur les molécules de comportement paramagnétique. Cette combinaison d'effets est réalisée dans un module cylindrique annulaire alimenté tangentiellement par le gaz à traiter introduit à grande vitesse. Le flux gazeux est soumis à un ensemble de champs magnétiques radiaux répartis à la périphérie de la capacité annulaire. La combinaison des champs, centrifuge et magnétique, produit une séparation effet cace des deux composants principaux de l'air. L'oxygène est extrait à la périphérie tandis que l'azote est prélevé dans la partie interne de l'enceinte annulaire. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les champs magnétiques sont obtenus par une série d'aimants à hautes performances disposés pour obtenir des champs radiaux orientés vers l'extérieur. Les forces magnétiques agissant essentiel lement sur l'oxygène se développent grace au mouvement du fluid*elativement aux aimants et dans la même direction, par une série dt pulsations, entraînant l'oxy- gène vers la périphérie. 3 Procédé selon les revendications 1 et 2 selon lequel le courant gazeux est "structuré" sous l'effet du champ magnétique, favorisant ainsi l'action du champ centrifuge auquel il est soumis d'autre part. Le fluide est séparé en ses deux constituants essentieis: l'oxygène, plus lourd, se rassemble à la périphérie tandis que l'azote se concentre dans la zone centrale. 4. Procédé selon les revendications précédentes caracen ce que les composants gazeux, et notamment l'oxygène, sont extraits au travers de médiums poreux évitant ainsi de perturber le mouvement de rotation du fluide. 5. Procédé selon les revendications précédentes caractérise en ce que le dispositif de mise en oeuvre est modulaire re, l'appareíllaae ae production pouvant etre constitué d'une cinquantaine de modules identiques assemblés à l'inte rieur d'un caisson. 6. Procédé selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les modules sont réalisés en matériaux non magnétiques, en matières plastiques notamment.