Brevet FR3014504A1 — publié le 20150612

La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de compression de fluides gazeux, et plus particulièrement aux procédés de compression d'air. Il est connu d'injecter dans un flux d'air à comprimer, en amont du compresseur, des gouttelettes d'eau destinées à limiter l'échauffement du mélange air/eau lors de la compression, ce qui permet de rendre ladite compression plus isotherme et ainsi d'en augmenter l'efficacité. Ceci étant, les objets assignés à l'invention visent à améliorer encore davantage l'efficacité de la compression d'un fluide gazeux, et à proposer à cet effet un nouveau procédé de compression qui offre un gain de rendement significatif par rapport aux procédés connus, tout en conservant une relative simplicité de mise en oeuvre. Les objets assignés à l'invention sont atteints au moyen d'un procédé de compression d'un fluide gazeux comprenant une étape (a) d'injection de réfrigérant au cours de laquelle on pulvérise dans le fluide gazeux à comprimer une substance réfrigérante, ainsi qu'une étape (b) de compression, au cours de laquelle on force le passage dudit fluide gazeux chargé en substance réfrigérante à travers un compresseur afin de comprimer ledit fluide gazeux, ledit procédé étant caractérisé en ce que le débit massique de la substance réfrigérante injectée dans le fluide gazeux représente entre 1 % et 5 % du débit massique du fluide gazeux à comprimer, et en ce que la substance réfrigérante est pulvérisée sous forme de particules de dimension maximale inférieure ou égale à 25 pm. Avantageusement, en combinant les conditions particulières d'injection du réfrigérant propres à l'invention, et plus particulièrement en associant une quantité appropriée de substance réfrigérante à une pulvérisation particulièrement fine de ladite substance réfrigérante, on peut optimiser les performances de la compression. Les inventeurs ont en effet constaté que l'optimisation conjointe de ces 30 paramètres d'injection permettait d'obtenir une véritable synergie procurant simultanément deux effets notablement bénéfiques au rendement du compresseur. D'une part la pulvérisation de la substance réfrigérante en quantité relativement importante sous forme de micro-particules, ou micro-gouttelettes, 5 crée un milieu diphasique particulièrement homogène dont la densité moyenne, et plus particulièrement la « densité homogène », est supérieure à celle du fluide gazeux seul, ce qui permet de conférer au fluide gazeux ainsi chargé de substance réfrigérante et entraîné par le compresseur une énergie cinétique élevée, et par conséquent de favoriser l'augmentation de la pression dynamique 10 dudit fluide gazeux lors de son entraînement par le compresseur. Le taux de compression, c'est-à-dire le rapport entre la pression en sortie de compresseur et la pression en entrée dudit compresseur, se voit donc amélioré par un premier effet, d'ordre mécanique. D'autre part l'injection en excès de substance réfrigérante, et notamment 15 d'eau, permet d'obtenir un second effet, d'ordre thermique : une partie seulement de ladite substance réfrigérante se vaporisant (ou se sublimant) lors de la compression, le procédé permet d'exploiter non seulement la chaleur latente de ladite substance réfrigérante, lors du changement d'état de la part de substance réfrigérante qui se vaporise (ou se sublime), mais également la chaleur spécifique 20 de ladite substance réfrigérante, lors de l'échauffement de la part de substance réfrigérante qui reste à l'état condensé. Ceci permet avantageusement d'obtenir une compression quasi-isotherme. La finesse des particules (ou gouttelettes) contribue à ce titre avantageusement à améliorer la qualité et l'homogénéité des échanges 25 thermiques. En pratique, le cumul de des effets thermique et mécanique susmentionnés, selon le procédé conforme à l'invention, permet d'accroître significativement l'efficacité du compresseur, par l'obtention de taux de compression par étage nettement supérieurs à ceux communément observés. 30 E n pratique, les résultats expérimentaux permettent de constater une augmentation de 5% du taux de compression. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus en détail à la lecture de la description qui suit, ainsi qu'à l'aide du dessin annexé, fourni à titre purement illustratif et non limitatif, et tel que : La figure 1 représente une vue schématique d'une installation permettant la 5 mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention. La présente invention concerne un procédé de compression d'un fluide gazeux 1. Ledit fluide gazeux 1 peut être formé d'un gaz unique, ou bien encore d'un mélange de plusieurs gaz. 10 De façon préférentielle, ledit fluide gazeux à comprimer sera formé par de l'air, tel que cela est mentionné à titre purement illustratif sur la figure 1. Bien entendu, le procédé est applicable à d'autres gaz, tels que le di-azote. Selon l'invention, le procédé comprend une étape (a) d'injection de réfrigérant au cours de laquelle on pulvérise dans le fluide gazeux à comprimer 1 15 une substance réfrigérante 3, puis une étape (b) de compression, au cours de laquelle on force le passage dudit fluide gazeux 1 chargé en substance réfrigérante 3 à travers ledit compresseur 2 afin de comprimer ledit fluide gazeux. La substance réfrigérante 3 sera de préférence injectée en amont du compresseur 2, tel que cela est illustré sur la figure 1. 20 Ceci étant, il n'est pas exclu, en variante, d'injecter ladite substance réfrigérante 3 dans un tronçon du circuit de compression situé en aval de l'entrée du compresseur 2, mais néanmoins en amont de la sortie du compresseur 2, pourvu que ladite substance réfrigérante 3 soit présente dans le fluide gazeux 1 lorsque ledit fluide gazeux 1 est (encore) soumis à tout ou partie de l'action 25 effective du compresseur 2. A titre d'exemple, la substance réfrigérante pourra ainsi être injectée au niveau de la roue du compresseur 2, dans le cas d'un compresseur centrifuge. Selon l'invention, le débit massique Q3 de la substance réfrigérante 3 injectée dans le fluide gazeux représente entre 1 % et 5 % du débit massique Q1 30 du fluide gazeux à comprimer 1, c'est-à-dire que l'on a : 0,01 x Q1 [kg/s] Q3 [kg/s] 0,05 x Q1 [kg/s]. De préférence, le débit massique Q3 de la substance réfrigérante 3 sera ainsi inférieur ou égal, voire strictement inférieur à 5 % du débit massique Q1 du fluide gazeux à comprimer 1, et préférentiellement supérieur ou égal, voire strictement supérieur à 1 % dudit débit massique Q1 du fluide gazeux à comprimer 1. A titre d'exemple, ledit débit massique Q3 de substance réfrigérante pourra être égal à, ou compris entre, 2% et 3 %, ou même 4 %, selon la valeur de réglage qui permettra d'obtenir les meilleures performances. En outre, toujours selon l'invention, la substance réfrigérante 3 est 10 pulvérisée sous forme de particules de dimension maximale inférieure ou égale à 25 pm. De préférence les particules de substance réfrigérante 3 seront de dimension maximale inférieure ou égale à 10 pm, et, à titre d'exemple préférentiel, de l'ordre de 5 pm. 15 Plus particulièrement, si l'on assimile les particules de substance réfrigérante à des sphères ou des gouttelettes sphériques, leur diamètre sera inférieur ou égal aux valeurs susmentionnées. On pourra bien entendu employer tout atomiseur 7 ou pulvérisateur approprié pour créer lesdites particules de taille appropriée et les injecter, en 20 quantité souhaitée, dans le fluide gazeux à comprimer 1. Bien entendu, il reste envisageable d'injecter la substance réfrigérante 3 sous une forme encore plus fine, par exemple sous forme de particules de taille inférieure à 5 pm, voire à 2 pm. Avantageusement, comme cela a été indiqué plus haut, la création, de 25 préférence en amont du compresseur, d'un fluide gazeux 1 chargé en substance réfrigérante 3, formant un milieu diphasique à la fois homogène et plus dense que le fluide gazeux seul, est particulièrement propice non seulement au captage et à l'évacuation par la substance réfrigérante 3 de la chaleur produite par la compression, et par conséquent à l'obtention d'une compression quasi-isotherme, 30 mais également à la compression dynamique du fluide chargé. Avantageusement, en injectant une quantité de substance réfrigérante 3 convenablement dosée au regard de la quantité de fluide gazeux 1 à traiter, on optimise l'extraction de chaleur, en particulier du fait que, en raison du dosage en excès de substance réfrigérante présente initialement dans un état condensé 5 (liquide ou solide), seule une partie de ladite substance réfrigérante 3 change d'état, et plus particulièrement se vaporise ou se sublime, lors de la compression, ce qui permet d'exploiter non seulement la chaleur latente de la substance réfrigérante 3, lors du changement d'état de la part de substance réfrigérante concernée, mais également la chaleur spécifique de ladite substance réfrigérante, 10 lors de l'échauffement de la part de substance réfrigérante qui reste à l'état condensé. Toute substance réfrigérante 3 appropriée, et plus particulièrement toute substance capable d'opérer un changement de phase, en l'espèce partiel, lors de la compression pour capter la chaleur peut convenir. 15 Selon une variante préférentielle de mise en oeuvre, la substance réfrigérante 3 est formée majoritairement, et de préférence exclusivement, par de l'eau, et plus particulièrement par des gouttelettes d'eau injectées sous forme liquide. Cette eau est de préférence déminéralisée avant son introduction dans le 20 circuit de réfrigération. L'injection d'eau en entrée de compresseur 2, sous forme de micro-gouttelettes liquides, constitue un moyen simple d'augmenter la densité du fluide chargé à comprimer, tel qu'il a été dit plus haut, et de maximiser l'évacuation de chaleur. 25 Il serait également envisageable d'injecter l'eau sous forme de particules solides de glace, ou bien d'utiliser, seule ou en combinaison avec l'eau, une autre substance réfrigérante se présentant initialement sous forme solide. Ainsi, selon une variante possible de mise en oeuvre, la substance réfrigérante 3 pourra contenir, le cas échéant majoritairement voire exclusivement, 30 de la glace d'eau ou de la neige carbonique, injectée sous forme de particules solides. La neige carbonique peut avantageusement capter la chaleur dégagée par la compression du fluide gazeux 1 en se sublimant au moins partiellement lors de ladite compression. Par ailleurs, la compression est de préférence réalisée au moyen d'un 5 compresseur 2 dynamique, et plus particulièrement au moyen d'un compresseur 2 centrifuge (ou « compresseur radial »). Par « compresseur dynamique », on désigne, par opposition aux compresseurs « volumétriques » dans lesquels on force la réduction d'un volume fermé de gaz pour en augmenter la pression, un compresseur 2 qui permet 10 d'obtenir une augmentation de pression en ajoutant de l'énergie cinétique à un jet continu de fluide, grâce à un rotor ou à un étage de compression, ladite énergie cinétique ainsi acquise étant ensuite transformée en une augmentation de la pression statique par freinage du flux à travers un diffuseur. Un tel mode de compression dynamique est en effet particulièrement 15 approprié à l'accélération et à la compression dynamique du fluide diphasique relativement dense créé par l'ajout, dans le fluide gazeux 1, de la substance réfrigérante 3 dans les proportions et conditions prévues par l'invention. Selon une variante de mise en oeuvre préférentielle, le procédé comprend une étape (c) de recyclage de la substance réfrigérante au cours de laquelle on 20 sépare la substance réfrigérante 3 du flux gazeux 1 en sortie du compresseur 2, au moyen d'un séparateur 4 tel qu'un condenseur ou un dévésiculeur, afin de récupérer au moins en partie, de préférence en majorité, voire en totalité, ladite substance réfrigérante 3. On peut ensuite avantageusement ré-injecter au niveau du compresseur 2, 25 et de préférence en entrée dudit compresseur 2, au cours de l'étape (a) d'injection de substance réfrigérante, ladite substance réfrigérante 3 ainsi recueillie. La substance réfrigérante 3 ainsi recueillie et recyclée sera de préférence refroidie avant d'être réinjectée dans le compresseur. Avantageusement, le recyclage permet de réaliser de substantielles 30 économies de substance réfrigérante 3, et plus particulièrement de réduire considérablement la consommation d'eau de l'installation qui met en oeuvre le procédé. Au regard notamment du caractère diphasique chargé du fluide traité, et de la pression dynamique élevée régnant en sortie de compresseur 2, on préfèrera l'usage d'un dévésiculeur permettant une séparation mécanique de la substance réfrigérante 3 par inertie au moyen de plaques ou chicanes, à l'usage (néanmoins possible, voir combinable au précédent) d'un condenseur à fonctionnement thermique. De préférence, on récupère, lors de l'étape (c) de recyclage, une partie de l'eau atmosphérique qui était initialement contenue dans l'air (dans le fluide gazeux 1) et qui s'est condensée lors de la compression ou suite à ladite compression, et l'on utilise cette eau atmosphérique pour purger, ce qui est symbolisé par un robinet de purge 6 sur la figure 1, le circuit de recyclage 5 de ses impuretés. Avantageusement, la quantité d'eau soutirée par le séparateur 4 excédant la quantité d'eau ajoutée initialement en tant que substance réfrigérante 3 en amont du compresseur 2, on peut utiliser la différence, qui correspond au volume de l'eau atmosphérique dont on a débarrassé l'air comprimé, comme liquide de rinçage du circuit de recyclage 5. Le recyclage de la substance réfrigérante 3 étant ainsi total, sans perte, la consommation d'eau après mise en route du procédé est avantageusement quasiment nulle. Selon une variante de mise en oeuvre du procédé, qui peut constituer une invention à part entière, le fluide gazeux à comprimer 1 est formé par du di-azote, 25 et la substance réfrigérante 3 par de l'azote liquide, avantageusement injecté sous forme de gouttelettes. De préférence, le taux de compression par étage de compresseur 2, c'est-à-dire le rapport entre la pression en sortie de compresseur et la pression en entrée de compresseur, peut être supérieur à 2, à 2,5 voire sensiblement égal ou 30 supérieur à 5. L'invention permet à ce titre d'accroître significativement les performances du compresseur, si bien qu'il devient possible de réaliser en un seul étage de compression des opérations de compression qui nécessitaient jusqu'à présent plusieurs étages de compresseurs successifs. Par exemple, un compresseur 2 fonctionnant selon l'invention permet d'obtenir, avec une pression d'entrée de l'ordre de 1 bar (pression atmosphérique), une pression de sortie de l'ordre de 5 bar à 6 bar avec deux étages de compression au lieu de 3 habituellement. En outre, l'augmentation de température (par rapport à la température 10 ambiante d'entrée) provoquée par la compression est très largement contenue par la réfrigération, et peut en particulier rester inférieure à +50°C. Expérimentalement, il a été constaté que l'invention permet, à taille de roue de compresseur 2 constante, et par rapport à un fonctionnement sans injection de substance réfrigérante, d'augmenter le taux de compression de l'ordre de 2% à 5 15 % pour un débit Q1 de fluide gazeux 1 donné, ou, inversement, d'augmenter le débit Q1 de fluide gazeux 1 traité de 2 % à 5 % à un taux de compression donné constant, ce qui permet de gagner en productivité. A titre d'exemple, des essais ont été menés sur un compresseur aspirant un fluide gazeux de type air à 1,013 bar et 15°C, et procurant un taux de 20 compression de 1,8. Le diamètre maximal des gouttelettes d'eau utilisées comme substance réfrigérante 3 était de 5 pm, et le débit massique Q3 de ladite substance réfrigérante 3 représentait 2% du débit massique Q1 du fluide gazeux à comprimer. La température de sortie était voisine de 70°C 25 Un tel compresseur offrait une plage de fonctionnement de Q1 = 1 000 m3/h à Q1 = 2 000 m3/h. L'augmentation du taux de compression a pu atteindre 5%, et était globalement comprise, sur ladite plage de fonctionnement, entre 2% et 5%. Concernant ce dernier point, on notera que, avantageusement, l'invention 30 permet d'augmenter significativement le taux de compression du compresseur 2 sur toute la plage de fonctionnement de ce dernier, depuis le point de débit minimum, dit « point de pompage », en-deçà duquel le compresseur ne peut plus fonctionner de manière stable, jusqu'au point de débit maximum, obtenu lorsque ledit compresseur fonctionne avec une faible résistance en aval. A titre indicatif, les plages de fonctionnement envisagées, c'est-à-dire les 5 débits Q1 de fluide gazeux 1 traité par le compresseur 2, pourront notamment s'étendre de 50 000 m3/h à 100 000 m3/h. Plus globalement, lesdites plages de fonctionnement pourront être comprises entre 5 000 m3/h et 500 000 m3/h (c'est-à-dire correspondre à tout intervalle, quelle que soit sa largeur, qui est strictement contenu entre ces deux 10 valeurs extrémales), voire couvrir intégralement une plage qui s'étend, de préférence continûment, depuis 5 000 m3/h jusqu'à 500 000 m3/h. Bien entendu, ces performances individuelles par étage de compression n'excluent pas que l'on puisse mettre éventuellement en oeuvre plusieurs étages de compression en série, chacun répétant tout ou partie des étapes du procédé 15 conforme à l'invention. L'invention concerne bien entendu également une installation de compression de fluide gazeux, et notamment une installation de production d'air comprimé, agencée pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention. Elle concerne en particulier des installations capables de traiter un 20 important débit de fluide gazeux 1 à comprimer, de l'ordre de 104 m3/h à 106 m3/h. On notera en outre que le procédé conforme à l'invention est particulièrement bien adapté aux installations de séparation des gaz de l'air (« Air Separation Units »). Bien entendu, l'invention n'est toutefois nullement limitée aux variantes 25 décrites, l'homme du métier étant notamment susceptible d'isoler ou de combiner librement entre elles les différentes caractéristiques mentionnées dans ce qui précède. REVENDICATIONS1. Procédé de compression d'un fluide gazeux comprenant une étape (a) d'injection de réfrigérant au cours de laquelle on pulvérise dans le fluide gazeux (1) à comprimer une substance réfrigérante (3), ainsi qu'une étape (b) de compression, au cours de laquelle on force le passage dudit fluide gazeux (1) chargé en substance réfrigérante (3) à travers un compresseur (2) afin de comprimer ledit fluide gazeux, ledit procédé étant caractérisé en ce que le débit massique (Q3) de la substance réfrigérante (3) injectée dans le fluide gazeux (1) représente entre 1 % et 5 % du débit massique du fluide gazeux (1) à comprimer, et en ce que la substance réfrigérante (3) est pulvérisée sous forme de particules de dimension maximale inférieure ou égale à 25 pm. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les particules de substance réfrigérante (3) sont de dimension maximale inférieure ou égale à 10 pm, et de préférence de l'ordre de 5 pm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la substance réfrigérante est formée majoritairement, et de préférence exclusivement, par de l'eau, et plus particulièrement par des gouttelettes d'eau injectées sous forme liquide. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la substance réfrigérante (3) contient de la glace d'eau ou de la neige carbonique, injectée sous forme de particules solides. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 30 qu'il comprend une étape (c) de recyclage de la substance réfrigérante au cours de laquelle on sépare la substance réfrigérante (3) du flux gazeux en sortie ducompresseur (2), au moyen d'un séparateur (4) tel qu'un condenseur ou un dévésiculeur, afin de récupérer au moins en partie, de préférence en majorité, voire en totalité, ladite substance réfrigérante (3), et en ce que l'on ré-injecte au niveau dudit compresseur (2), au cours de l'étape (a) d'injection de substance réfrigérante, ladite substance réfrigérante (3) ainsi recueillie. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le fluide gazeux à comprimer (1) est formé par de l'air. 7. Procédé selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que l'on récupère, lors de l'étape (c) de recyclage, une partie de l'eau atmosphérique initialement contenue dans l'air et condensée lors de la compression, et l'on utilise cette eau atmosphérique pour purger (6) le circuit de recyclage de ses impuretés. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le fluide gazeux (1) à comprimer est formé par du di-azote, et en ce que la substance réfrigérante (3) est formée par de l'azote liquide. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce 20 que la compression est réalisée au moyen d'un compresseur (2) centrifuge. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le taux de compression par étage de compresseur est supérieur à 2, à 2,5 voire sensiblement égal ou supérieur à 5.