Brevet FR2975306A1 — publié le 20121123

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé et un dis-positif de compression par un ou plusieurs étages d'un milieu gazeux, notamment d'hydrogène ou de gaz naturel à l'aide d'au moins un corn- presseur à piston, le milieu pouvant avoir une teneur en eau allant jus-qu'à la saturation totale en eau. Etat de la technique Les procédés et dispositifs du type ci-dessus utilisés pour comprimer un milieu sont des techniques connues depuis longtemps. De tels procédés et dispositifs s'utilisent par exemple pour comprimer de l'hydrogène gazeux ou du gaz naturel. La difficulté qui se pose jus-qu'alors est que l'hydrogène à comprimer, du fait de son procédé de fabrication (par exemple par électrolyse), contient nécessairement de l'eau. Cette eau doit être éliminée complètement avant la compression proprement dite car dans le cas des compresseurs selon l'état de la technique, notamment des compresseurs à piston, cette eau pourrait endommager les soupapes du compresseur par des gouttes d'eau ou par la corrosion. Pour cette raison, on utilise actuellement des installations ou des systèmes relativement compliqués pour séparer l'eau. Dans le cas de la production d'hydrogène par électrolyse, on utilise par exemple des filtres à tamis moléculaire. Mais ces filtres consomment de l'énergie car il faut les chauffer de manière cyclique et de plus, ils consomment une partie de l'hydrogène coûteux utilisé comme gaz de purge pour régénérer le tamis moléculaire. La séparation nécessaire de l'eau, renchérit la fabrication d'hydrogène. De plus, de telles installations nécessitent également un certain entretien, ce qui renchérit d'autant la production d'hydrogène. On rencontre les mêmes difficultés pour la compression d'autres milieux tels que par exemple le gaz naturel qu'il faut compri-30 mer pour alimenter les véhicules. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé et un dispositif tels que définis ci-dessus pour comprimer un mélange gazeux évitant les inconvénients développés ci-dessus. 2 Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'avant la compression, on chauffe le milieu à comprimer au moins pour éviter que l'eau ne se sépare par condensation au cours de la phase de compression et ensuite on sou-met le milieu comprimé à une séparation d'eau. L'invention a également pour objet un dispositif pour comprimer un milieu gazeux, notamment de l'hydrogène ou du gaz naturel, le milieu ayant une teneur en eau allant jusqu'à la saturation totale en eau et le milieu étant comprimé par au moins un compresseur à piston â un ou plusieurs étages, comportant au moins un compresseur à piston, au moins un échangeur de chaleur en amont du ou des compresseurs à piston pour chauffer le milieu à comprimer et au moins un séparateur d'eau en aval du ou des compresseurs à piston. 15 Ainsi l'invention crée pour la première fois la possibilité de comprimer des milieux chargés d'eau avec les compresseurs à piston usuels. Pour cela, il faut chauffer suffisamment le milieu à comprimer avant qu'il n'arrive dans le compresseur à piston ou le système de compression à plusieurs étages. Le réchauffage évite efficacement que l'eau 20 contenue dans le milieu à compresser ne se sépare par condensation au cours de la compression. Une fois la compression faite à la pression intermédiaire ou à la pression finale, on refroidit le milieu comprimé pour séparer par condensation l'eau qu'il contient. Cette séparation est faite par un dispositif approprié de séparation d'eau qui élimine l'eau du mi- 25 lieu comprimé. Contrairement à la compression réalisée jusqu'alors à l'aide de compresseurs à piston cherchant à utiliser un milieu ou gaz aussi froid que possible du côté aspiration du compresseur à piston, on réchauffe selon l'invention le milieu à comprimer, à l'opposé de la pra- 30 tique actuelle, directement avant de comprimer. Le degré de réchauffage selon l'invention du milieu à comprimer dépend d'un certain nombre de facteurs tels que par exemple la pression, la température, le débit et la teneur en eau du mi-lieu à comprimer. Dans le cas d'une compression à plusieurs étages, le 35 réchauffage pourra se faire uniquement avant le premier étage de com- 3 pression ou avant chaque étage de compression ou avant le premier et au moins un autre étage de compression. La variante de procédé utilisée dépend en pratique du degré de séparation d'eau dans le premier étage de compression ou après celui-ci ; on cherche à réaliser une sépa- ration aussi complète que possible de l'eau dans le premier étage de compression. Selon des développements avantageux du procédé et du dispositif selon l'invention pour comprimer un milieu â l'état gazeux, l'invention propose également les caractéristiques suivantes - le milieu à comprimer est soumis à une séparation d'eau après chaque étage de compression, - le milieu à comprimer est refroidi avant la compression ou le premier étage de compression pour séparer alors l'eau par condensation, le ou les dispositifs de séparation d'eau sont précédés d'un dispositif de refroidissement, et/ ou - un dispositif de refroidissement suivi d'un dispositif séparateur d'eau sont en amont du compresseur à piston ou du premier compresseur à piston. Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de procédé et de dispositif de compression d'un milieu gazeux représenté â titre d'exemple sous la forme d'un schéma dans l'unique figure annexée. Description d'un mode de réalisation La figure montre de manière schématique un électrolyseur E et une unité de compression composée de trois étages de compression V1, V2, V3. L'hydrogène généré par l'électrolyseur E a une teneur en eau d'environ 8 % en volume. Cette veine de fluide 1 est re- froidie dans l'échangeur de chaleur E avec un milieu de refroidissement approprié, par exemple de l'eau de refroidissement puis la veine est transférée par la conduite 2 à un premier séparateur Dl. L'eau séparée par condensation qui arrive dans le séparateur D 1 est extraite par la conduite 4 munie d'une vanne de 35 régulation a. 4 L'hydrogène extrait de la tête du séparateur D 1 par la conduite 3 est réchauffé dans l'échangeur de chaleur E 1 par un milieu chauffant approprié, au moins suffisamment pour éviter la condensation du reste d'eau pendant la compression suivante dans le premier étage V1 du système de compresseur à piston. En aucun cas, pendant l'opération d'entrée et de compression dans le compresseur à piston, de l'eau ne doit se séparer par condensation car elle endommagerait le compresseur à piston. Après la compression à la pression intermédiaire souhai- l'hydrogène comprimé est refroidi dans l'échangeur de chaleur E2 à l'aide d'un milieu de refroidissement approprié pour être transféré par la conduite 5 au second séparateur D2. L'eau recueillie dans le puits est évacuée par la conduite 7 équipée d'une vanne de régulation b. La fraction d'hydrogène extraite du second séparateur D2 est transférée par la conduite 6 à un autre échangeur de chaleur E3 qui réchauffe l'hydrogène de nouveau avec un milieu chauffant approprié pour garantir que l'eau encore contenue ne risque de se condenser au cours de la compression suivante dans le second étage V2 du système de compresseur à piston. Dans le second étage de compression V2, l'hydrogène précomprimé est comprimé à la pression finale souhaitée. Il faut remarquer que le procédé selon l'invention est réalisable indépendamment du nombre choisi d'étages de compression. Ensuite, l'hydrogène comprimé est refroidi dans l'échangeur de chaleur E4 par un milieu de refroidissement approprié pour être transféré par la conduite E8 au troisième séparateur D3. L'eau qui arrive dans le puits de ce séparateur D3 est extraite par la conduite 10 équipée d'une vanne de régulation c pour être fournie par une conduite collectrice 11 qui reçoit également les fractions d'eau 4 et 7 des deux premiers séparateurs D 1 et D2 vers un réservoir intermé- diaire S prévu le cas échéant. Le réservoir intermédiaire S sert à régulariser la veine d'eau qui arrive par la conduite 12 de nouveau dans l'électrolyseur E. Comme cette eau est dessalée, on peut la reconduire directement à l'électrolyse E, ce qui se traduit par une économie de préparation d'eau pour l'électrolyse E. A la tête du troisième séparateur D3, on extrait par la conduite 9 la veine d'hydrogène comprimé pour transférer cette veine pour son utilisation. Le reste d'eau dans la veine d'eau 9 est inférieur aux valeurs limites requises. La concentration d'eau dans la veine 5 d'hydrogène 9 se règle par la ou les températures du ou des milieux de refroidissement et/ou des rapports des niveaux de pression réalisés par les étages de compression. L'énergie nécessaire au chauffage du milieu comprimé dans les échangeurs de chaleur El et E2 est de préférence fournie par les échangeurs de chaleur E2 et E4 en aval des étages de compression V1 et V2 et qui recueillent l'énergie de compression. En complément ou en variante, on peut utiliser d'autres formes de fournitures d'énergie ou de chaleur. Le procédé et le dispositif selon l'invention pour compri- mer un milieu gazeux permettent d'utiliser les techniques de compresseur usuelles pour des milieux « contaminés » avec de l'eau. Le réchauffage selon l'invention ou la surchauffe (directe) du milieu avant la compression ainsi que la détérioration du rendement de transfert qui en résulte et de la détérioration du degré d'action sont très largement compensés par les avantages résultant de l'invention tels que la possibilité d'utilisation de composants de compresseur standards, de simplifier le système d'alimentation de l'électrolyse, etc...