Brevet FR2868330A1 — publié le 20051007

Procédé et installation pour la production d'un gaz Domaine de l'invention L'invention se rapporte à la production des gaz. Elle concerne plus particulièrement un procédé et une installation pour la production d'un gaz au départ d'un mélange gaz/liquide. Etat de la technique Divers procédés industriels donnent lieu à la production de mélanges gaz/liquides, qui doivent être traités pour séparer le gaz et le liquide et récupérer ces deux fluides séparément. Parmi ces procédés, certains doivent en outre inclure une étape de refroidissement du gaz. C'est particulièrement le cas de l'hydrogène que l'on produit industriellement par électrolyse de l'eau ou de solutions aqueuses. L'hydrogène produit par cette technique électrochimique connue est en effet chargé d'eau et il se trouve par ailleurs à une pression trop basse pour permettre un stockage et une manutention économiques. L'hydrogène humide à basse pression sortant des unités d'électrolyse est dès lors normalement soumis à un procédé qui, de manière classique, comprend une compression de l'hydrogène humide, un traitement de l'hydrogène humide comprimé dans un séparateur gaz/liquide et des refroidissements séparés de l'hydrogène comprimé et de l'eau recueillis du séparateur. Dans ce procédé connu, la compression de l'hydrogène humide est habituellement réalisée dans un compresseur à anneau liquide, ce qui accentue son taux d'humidité. L'eau séparée du gaz est classiquement envoyée dans l'anneau liquide du compresseur, après avoir subi un refroidissement. Dans ce procédé connu, le refroidissement de l'hydrogène comprimé et de l'eau recueillis du séparateur sont nécessaires pour évacuer les calories emmagasinées par l'hydrogène humide sous l'effet de la compression. Dans ce procédé connu, le traitement de l'hydrogène humide comprimé nécessite par conséquent trois appareils distincts: - un séparateur gaz/liquide, ayant pour fonction de séparer de l'hydrogène comprimé et de l'eau liquide; - un réfrigérant, ayant pour fonction de refroidir l'hydrogène comprimé ; et un second réfrigérant pour refroidir l'eau liquide préalablement à son transfert dans l'anneau liquide du compresseur. La présence de ces trois appareils grève le coût de l'investissement et les frais d'entretien, ce qui constitue un premier désavantage. L'encombrement occasionné par cet ensemble d'appareils constitue un autre inconvénient de ce procédé connu. Résumé de l'invention L'invention vise à remédier aux inconvénients du procédé connu décrit plus haut, en fournissant un procédé nouveau et amélioré pour recueillir, d'un mélange gaz/liquide, un gaz et un liquide à plus basses températures, ce procédé permettant l'usage d'appareils dont l'encombrement est limité, la construction simplifiée et l'investissement réduit. En conséquence, l'invention concerne un procédé pour la production d'un gaz, selon lequel on introduit un mélange à une température Ti dans une enceinte dans laquelle on le fait circuler au contact d'au moins une paroi à une température T2, et on recueille de ladite enceinte le gaz à une température T3 et un liquide à une température T4, les températures T2, T3 et T4 étant inférieures à la température T1. Dans le procédé selon l'invention, le mélange gaz/liquide est un mélange sensiblement homogène comprenant un gaz et un liquide. Il s'agit habituellement d'un aérosol, bien qu'il puisse également s'agir, le cas échéant, d'un liquide effervescent. Le procédé selon l'invention a pour objectif de recueillir, d'un mélange gaz/liquide (se trouvant à une température T1), un gaz à une température T3 (inférieure à T1) et un liquide à une température T4 (également inférieure à T1). En d'autres termes, le procédé selon l'invention vise à recueillir, au départ d'un mélange gaz/liquide, un gaz et un liquide ayant des températures inférieures à celle du mélange gaz/liquide de départ. Le gaz du mélange gaz/liquide doit avoir une tension de vapeur saturante supérieure à celle du liquide. Il peut être un gaz unique ou un mélange de gaz. Il est généralement combiné à une vapeur du liquide, celle-ci se trouvant à une pression partielle proche de sa tension de vapeur saturante dans le gaz. La teneur en liquide du mélange gaz/liquide n'est pas critique pour la définition de l'invention. Elle peut être de quelques unités pour cent en poids (voire même inférieure à 1 % en poids) à plusieurs dizaines pour cent en poids (voire supérieure à 99,00 % en poids). La teneur en liquide du mélange gaz/liquide va dépendre de divers paramètres, notamment du gaz et du liquide formant le mélange gaz/liquide, la température T1 du mélange, sa pression et son 2868330 3 origine. En règle générale, l'invention s'applique à tout mélange gaz/liquide, dont la teneur en liquide est supérieure à 0,00 % en poids et inférieure à 100,00 en poids. La teneur en liquide du mélange doit évidemment être compatible avec la stabilité physique du mélange (par exemple de l'aérosol). Dans le procédé selon l'invention, on fait circuler le mélange gaz/liquide au contact d'au moins une paroi que l'on maintient à une température T2, qui est inférieure à la température Tl. La circulation du mélange gaz/liquide au contact de la paroi a pour fonction de refroidir le mélange. Il va sans dire que la température T2 peut représenter une température moyenne de la paroi, cette température pouvant typiquement varier de quelques degrés d'un point à l'autre de la paroi. La température T2 est inférieure aux températures respectives T3 et T4 du gaz et du liquide que l'on cherche à recueillir. Les dimensions de la paroi et sa température T2 sont déterminées par la composition du mélange gaz/liquide, son débit, sa température, sa pression, ainsi que les températures T3 et T4 imposées. En pratique, ces paramètres doivent être calculés dans chaque cas particulier par l'homme du métier. Typiquement, la différence de température Tl-T2 est au moins de 2 C, le plus souvent d'au moins 5 C. Cette différence de température ne dépasse généralement pas 60 C. En pratique, on travaille plutôt avec une différence de température ne dépassant pas 50 C. De manière avantageuse, l'enceinte dans laquelle on fait circuler le mélange gaz/liquide est un séparateur gaz/liquide dans lequel la paroi est disposée. Le séparateur gaz/liquide est conçu, de manière connue en soi, pour provoquer une séparation physique entre le gaz et le liquide du mélange gaz/liquide. Il consiste normalement en une enceinte dont les dimensions et la forme sont appropriées pour engendrer une perte de charge dans l'écoulement du mélange gaz/liquide, provoquant ladite séparation physique entre le gaz et le liquide. On recueille du séparateur le gaz et le liquide, séparément. Le gaz recueilli du séparateur gaz/liquide se trouve à la température T3 définie plus haut. Comme exposé plus haut, le gaz n'est pas pur. Il contient normalement une vapeur du liquide. Celle-ci est habituellement à sa pression de vapeur saturante dans le gaz. Le gaz peut être exempt de liquide. En pratique, il contient le plus souvent encore une fraction du liquide. Le liquide recueilli du séparateur gaz/liquide se trouve à la température T4 définie plus haut. Le liquide contient normalement du gaz à l'état dissous. Il est habituellement saturé en gaz dissous. 2868330 -4 Dans une forme d'exécution avantageuse du procédé selon l'invention, on utilise, pour la paroi, un faisceau de tubes sensiblement verticaux, à l'intérieur desquels on fait circuler un fluide caloporteur à une température égale ou inférieure à T2 et on fait circuler le mélange gaz/liquide transversalement au faisceau de tubes. Dans cette forme d'exécution du procédé selon l'invention, le faisceau de tubes se trouve à l'intérieur de l'enceinte. Dans une variante de la forme d'exécution qui vient d'être exposée, on introduit le mélange dans une zone de l'enceinte qui est intermédiaire entre une zone supérieure et une zone inférieure de ladite enceinte, on recueille le gaz dans la zone supérieure de l'enceinte et on recueille le liquide dans la zone inférieure de l'enceinte. Dans cette variante de réalisation de l'invention, la zone supérieure de l'enceinte est la partie de celle-ci, qui occupe moins de la moitié supérieure de son volume, généralement au maximum le tiers supérieur dudit volume, plus généralement au maximum le quart supérieur dudit volume. La zone inférieure de l'enceinte est la partie de celle-ci, qui occupe moins de la moitié inférieure de son volume, généralement au maximum le tiers inférieur dudit volume, plus généralement au maximum le quart inférieur dudit volume. Le procédé selon l'invention présente la particularité avantageuse de réaliser, dans un appareil unique, une séparation du gaz et du liquide d'un mélange gaz/liquide, un refroidissement du gaz et un refroidissement du liquide. L'invention concerne dès lors également un séparateur gaz/liquide utilisable pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, ledit séparateur comprenant une enceinte contenant au moins un refroidisseur; un conduit d'admission d'un mélange gaz/liquide dans l'enceinte; un conduit d'évacuation de gaz de l'enceinte; et un conduit d'évacuation de liquide de l'enceinte. Dans le séparateur gaz/liquide selon l'invention la forme et les dimensions de l'enceinte doivent être déterminées pour réaliser une séparation physique du gaz et du liquide. L'enceinte peut éventuellement comprendre des chicanes. La forme de l'enceinte n'est toutefois pas critique pour la définition de l'invention. L'enceinte peut par exemple avoir la forme d'une colonne cylindrique verticale. Le refroidisseur comprend normalement au moins une paroi que l'on maintient à une température appropriée, inférieure à celle du mélange gaz/liquide. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, ladite paroi comprend avantageusement au moins un faisceau de tubes sensiblement verticaux, raccordés à un circuit d'un fluide caloporteur. Dans cette forme de réalisation particulière du séparateur gaz/liquide selon l'invention, le conduit d'admission du mélange gaz/liquide dans l'enceinte est de préférence sensiblement horizontal. Le fluide caloporteur n'est pas critique pour la définition de l'invention et il va dépendre de divers paramètrès, notamment de la température du mélange gaz/liquide, des températures recherchées respectivement pour le gaz et pour le liquide recueillis de l'enceinte, ainsi que du débit du mélange gaz/liquide. Le séparateur gaz/liquide selon l'invention est bien adapté au traitement des mélanges gaz/liquides provenant des compresseurs à anneau liquides. En conséquence, l'invention concerne dès lors également une installation pour le traitement de tels mélanges gaz/liquide comprenant un séparateur gaz/liquide selon l'invention, dans laquelle le conduit d'admission du mélange gaz/liquide fait suite à une ouïe de sortie d'ûn compresseur de gaz du type à anneau Iiquide et le conduit d'évacuation de liquide de l'enceinte est en communication avec l'anneau liquide du compresseur. Le procédé, le séparateur gaz/liquide et l'installation selon l'invention s'appliquent à tous mélanges gaz/liquide présentant les paramètres énoncés plus haut. Ils trouvent une application toute particulière pour le traitement des mélanges gaz/liquides obtenus par compression d'un fluide gazeux dans un compresseur à anneau liquide. Les compresseurs à anneau liquide sont bien connus en technique (Techniques de l'Ingénieur - Traité de génie mécanique BM 4271 2000 pages 1, 5, 6 et 7). Avec ces compresseurs, il est pratiquement impossible d'éviter qu'une fraction de l'anneau liquide soit entraînée avec le gaz comprimé, de sorte que l'on recueille à la sortie de ces compresseurs un mélange gaz/liquide. Toutes autres choses égales, la fraction pondérale du liquide dans le mélange gaz/liquide va dépendre des masses pondérales respectives du gaz et du liquide et elle est d'autant plus élevée que le taux de compression du gaz est élevé. Elle est fréquemment supérieure à 10 % du mélange, voire à 50 % et peut parfois excéder 80 % et même 90 %, dans le cas de gaz légers tels que l'hydrogène par exemple. Le procédé, le séparateur gaz/liquide et l'installation selon l'invention trouvent des applications dans les industries chimique, pétrochimique et pharmaceutique, particulièrement dans les installations de production de composés gazeux au départ de réactifs liquides, ainsi que dans les installations de production de composés liquides au départ de réactifs gazeux. Le procédé, le séparateur gaz/liquide et l'installation selon l'invention trouvent notamment une application intéressante dans le conditionnement du chlore, typiquement obtenu par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Le chlore produit dans les installations industrielles d'électrolyse est généralement chargé d'eau et se trouve à température élevée. Il subit habituellement un lavage avec un courant d'acide sulfurique pour le débarrasser d'une partie substantielle de l'eau qu'il contient, avant d'être liquéfié par compression à haute pression, suivie d'un refroidissement (Chemical Engineering Series Industrial Electrochemistry C.L. Mantell McGraw Hill Book Company, Inc. 1950 Electrolysis of alkali halides and sulfates page 399). Dans cette technique industrielle, la compression du chlore est opérée dans des compresseurs à anneau liquide d'acide sulfurique. Le chlore comprimé, sortant de ces compresseurs est dès lors accompagné d'une quantité importante d'acide sulfurique qu'il est souhaitable d'éliminer. Pour appliquer le procédé selon l'invention à la technique précitée de liquéfaction du chlore, le mélange de chlore gazeux et d'acide sulfurique sortant de l'étape de compression, typiquement à une température de 30 à 50 C, est traité conformément au procédé selon l'invention, de manière à obtenir du chlore gazeux à une température généralement comprise entre 15 et 25 C, débarrassé d'acide sulfurique. Le procédé, le séparateur gaz/liquide et l'installation selon l'invention sont particulièrement avantageux dans le traitement de manutention de l'hydrogène gazeux produit industriellement, par exemple par électrolyse de l'eau ou de solutions aqueuses. Dans ces techniques industrielles l'hydrogène est généralement obtenu à une pression voisine de la pression atmosphérique. Cette pression est souvent trop basse pour un usage économique et l'hydrogène industriel doit par conséquent être comprimé avant d'être conditionné ou utilisé dans les circuits avals. La compression de l'hydrogène est classiquement opérée à une pression supérieure à 2,00 bars, habituellement au moins égale à 3,00 bars. Elle est habituellement effectuée dans des compresseurs à anneau liquide et l'hydrogène comprimé entraîne inévitablement une fraction de l'anneau liquide à sa sortie du compresseur. Le fluide sortant du compresseur consiste dès lors en un mélange gaz (essentiellement H2) / liquide (essentiellement eau), contenant une masse importante d'eau qu'il est nécessaire d'éliminer. Ce fluide doit par ailleurs être refroidi, étant donné le taux élevé de compression. Le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté à cette technique connue de manutention de l'hydrogène, car il réalise, dans un appareil unique, une séparation de l'hydrogène et de l'eau du fluide aérosol, un refroidissement de l'hydrogène et un refroidissement de l'eau avant son recyclage dans l'anneau liquide du compresseur. Le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté au traitement d'un mélange gaz/liquide, en particulier d'un mélange hydrogène/eau, présentant une pression absolue de 2,50 à 5,00 bars, une température Tl de 40 à 50 C et une teneur en Iiquide de 95,0 à 99,9 %, mélange résultant de la compression dans un compresseur à anneau d'un fluide gazeux présentant une pression absolue de 1,00 à 1,50 bar, une température de 30 à 40 C et une teneur en liquide de 20,0 à 40,0 % en poids. Dans ce cas, le gaz séparé par le procédé présente typiquement une température T3 de 30 à 48 C et une teneur en liquide de 8,0 à 12,0 %. Le liquide présente typiquement une température T4 inférieure ou égale à T3, la différence T4-T3 ne dépassant généralement pas 5 C. Brève description des figures Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures annexées, qui représentent quelques formes particulières de réalisation de l'invention. La figure 1 montre schématiquement une installation antérieure à l'invention pour le traitement d'hydrogène industriel; La figure 2 montre schématiquement une forme de réalisation particulière d'une installation selon l'invention pour le traitement d'hydrogène industriel; et La figure 3 montre un séparateur gaz-liquide de l'installation de la figure 2. Dans ces figures, les mêmes numéros de référence désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de réalisation particuliers L'installation représentée à la figure 1 est antérieure à l'invention. Elle comprend un compresseur à anneau liquide 1, un séparateur gaz/liquide 2 et deux échangeurs de chaleur 3 et 4. Pour l'exploitation de l'installation représentée à la figure 1, on envoie de l'hydrogène 5 à basse pression dans le compresseur à anneau Iiquide 1. L'origine de l'hydrogène n'est pas critique. Il peut par exemple être obtenu par électrolyse de l'eau ou d'une solution aqueuse de chlorure de sodium. L'hydrogène est normalement mélangé à de la vapeur d'eau. Il est fréquemment accompagné d'eau à l'état liquide. On recueille du compresseur 1 un mélange gaz/liquide 6. Le mélange gaz/liquide 6 se présente à l'état d'un aérosol formé d'hydrogène (saturé de vapeur d'eau) à haute pression et d'eau (contenant éventuellement des sels dissous tels que du chlorure de sodium). L'aérosol 6 se trouve à température élevée, supérieure à la température ambiante. On l'envoie dans le séparateur gaz/liquide 2. En tête du séparateur gaz/liquide 2, on recueille un courant gazeux 7 et au pied dudit séparateur, on recueille une solution aqueuse 8. Le courant gazeux 7 consiste pour l'essentiel en hydrogène, saturé de vapeur d'eau. Il contient éventuellement un peu d'eau liquide, le rendement du séparateur gaz/liquide n'étant pas de 100 %. La solution aqueuse 8 recueillie au pied du séparateur 2 contient principalement de l'eau. Le fluide gazeux 7 est envoyé dans l'échangeur de chaleur 3, où il est refroidi de manière classique, par circulation autour d'un faisceau de tubes parcourus par de l'eau froide ou un autre fluide caloporteur adéquat. On recueille de l'échangeur 3 de l'hydrogène 9 prêt à être conditionné et utilisé dans les circuits avals. Les condensats qui se sont formés pendant le refroidissement sont généralement récupérés vers le séparateur 2 par un siphon 20. La solution aqueuse 8 est envoyée dans l'échangeur de chaleur 4, où on la refroidit de manière habituelle par circulation autour d'un faisceau de tubes ou un échangeur à plaques parcourus par de l'eau froide ou un autre fluide caloporteur adéquat. On recueille de l'échangeur 4 de l'eau (ou une solution aqueuse) froide 10, que l'on recycle dans l'anneau liquide du compresseur 1. L'installation représentée à la figure 2 est conforme à l'invention. Cette installation réunit, dans une enceinte unique 11, le séparateur gaz/liquide et les deux échangeurs de chaleur de l'installation antérieure à l'invention de la figure 1. L'enceinte 11 est représentée de manière plus détaillée à la figure 3. Elle se présente sous la forme d'une chambre cylindrique verticale et contient un faisceau 12 de tubes verticaux, destinés à être raccordés à un circuit d'un fluide caloporteur, non représenté. Ce fluide caloporteur peut être de l'eau ou un autre fluide liquide ou gazeux communément utilisé dans les échangeurs de chaleur. Un conduit 13 débouche sensiblement horizontalement dans la partie médiane de la chambre 11. Ce conduit 13 sert à l'admission du mélange gaz/liquide 6. Un conduit 14 est en communication avec le ciel de la chambre I l et sert à l'évacuation du gaz 9. Un conduit 15 est en communication avec la partie inférieure de la chambre 11 et sert à l'évacuation du liquide 10. Un panneau déflecteur 16 peut être disposé en face du conduit d'admission 6, pour protéger les tubes du faisceau 12 et favoriser la répartition du mélange gaz/liquide dans la chambre 11. L'exemple suivant sert à illustrer l'invention. 2868330 9- Par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium, on produit de l'hydrogène (saturé de vapeur d'eau) sous une pression absolue de 1,25 bar et à la température de 90 C. On refroidit l'hydrogène jusqu'à une température voisine de 35 C et on sépare l'eau condensée. Après séparation de l'eau condensée, on recueille un courant d'hydrogène à 35 C, contenant environ 30% en poids d'eau. On traite ce courant d'hydrogène conformément au procédé selon l'invention, schématisé à la figure 2. A cet effet, le courant d'hydrogène 5 est envoyé dans le compresseur à anneau liquide 1, duquel on recueille un mélange gaz (H2)/liquide (eau) 6 à 3,5 bars et 45 C. Le mélange H2/eau 6 a une teneur pondérale de 99% en eau. On l'envoie dans l'enceinte 11, de laquelle on recueille un courant d'hydrogène 9 à 35 C, contenant seulement 10% en poids d'eau et un courant d'eau 10 à 35 C, que l'on recycle dans l'anneau liquide du compresseur 1. 2868330 -10- REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la production d'un gaz, selon lequel on introduit un mélange gaz/liquide à une température Tl dans une enceinte dans laquelle on le fait circuler au contact d'au moins une paroi à une température T2, et on recueille de ladite enceinte le gaz à une température T3 et un liquide à une température T4, les températures T2, T3 et T4 étant inférieures à la température Tl. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi comprend un faisceau de tubes sensiblement verticaux, à l'intérieur desquels on fait circuler un fluide caloporteur à une température égale ou inférieure à T2 et on fait circuler le mélange gaz/liquide transversalement au faisceau de tubes. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on introduit le mélange dans une zone de l'enceinte qui est intermédiaire entre une zone supérieure et une zone inférieure de ladite enceinte, on recueille le gaz dans la zone supérieure de l'enceinte et on recueille le liquide dans la zone inférieure de l'enceinte. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange gaz/liquide est obtenu par compression d'un fluide gazeux dans un compresseur à anneau liquide. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide gazeux comprend de l'hydrogène et le liquide comprend de l'eau. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide gazeux présente une pression absolue de 1,00 à 1,50 bar, une température de 30 à 40 C et une teneur en eau de 20,0 à 40,0 % en poids, le mélange gaz/liquide présente une pression absolue de 2,50 à 5,00 bars, une température Tl de 40 à 50 C et une teneur en eau de 95,0 à 99,9 % et le gaz recueilli de l'enceinte présente une température T3 de 30 à 48 C et une teneur en eau de 8,0 à 12,0 %. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendication 4 à 6, caractérisé en ce qu'on envoie dans l'anneau liquide du compresseur, au moins une partie du liquide recueilli de l'enceinte. 8 - Séparateur gaz/liquide comprenant une enceinte contenant au moins un refroidisseur; un conduit d'admission du mélange gaz/liquide dans l'enceinte; un conduit d'évacuation de gaz de l'enceinte; et un conduit d'évacuation de liquide de l'enceinte. 9 - Séparateur gaz/liquide selon la revendication 8, caractérisé en ce que le refroidisseur comprend un faisceau de tubes sensiblement verticaux, raccordés à un circuit d'un fluide caloporteur et en ce que le conduit d'admission du mélange gaz/liquide débouche de manière sensiblement horizontale dans une zone médiane de l'enceinte. I O - Installation pour la production d'un gaz conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un séparateur gaz/liquide selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9. 11 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le conduit d'admission du mélange gaz/liquide fait suite à une ouïe de sortie d'un compresseur de gaz du type à anneau liquide et en ce que le conduit d'évacuation de liquide de l'enceinte est en communication avec l'anneau liquide du compresseur.