BE582975A - - Google Patents

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BE582975A
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Description


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  " Procédé pour la réalisation d'un bilan frigorifique équilibré lors de l'obtention, depuis la   rectification,   de mélanges de gaz et/ou   de   compo-   sante   de mélanges de gaz sous haute   pression.-   
Les procédés connue pour la réalisation d'un bilan frigorifique équi- libré lors de l'obtention, depuis la rectification de l'air, de l'oxygène sous haute pression et qui consistent à le prélever à l'état liquide et à le trans- former à   l'état   gazeux à la pression voulue et tempéré, par exemple, à l'air ambiant, compriment à haute pression une quantité de gaz prélevée de la pré- rectification et réchauffée en contre-courant dans les échangeurs de chaleur avec ltair qui arrive, avant que cette quantité de gax ne soit introduite dans l'oxygère liquide;

   pompé à haute pression, en vue de l'évaporation et du chauf- fage de ce dernier, et est ensuite transférée à la pré-rectification ou à la rectification à basse pression, éventuellement   apris   un échange de chaleur ul- térieur et après détente. Pour ce procédé faut prévoir des compresseurs à 

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 haute pression pour la quantité de gaz, toutefois le résultat particulièrement désavantageux de l'utilisation de ces compresseurs réside dans l'encrassement par l'huile et l'humidité du dit gaz. En outre, de tels compresseurs à haute pression sont très coûteux, tant en ce qui concerne leur acquisition que leur exploitation. 



   En opposition à ce qui précède, le procédé pour la réalisation d'un bilan frigorifique lors de l'obtention de mélanges (gazeux et/ou de composants de mélanges de gaz sous haute pression, et ce, depuis la rectification d'un ou de plusieurs mélanges de gaz et par prélèvement à l'état liquide et à basse pression et par transformation à l'état gazeux à la haute ou moyenne pression voulue, tempéré,par exemple, à l'air ambiant, se caractérise du fait qu'une quantité de gaz est prélevée de la pré-rectification, elle est chauffée en contre-courant par le mélange de gaz qui arrive, elle est refroidie par échange de chaleur pour servir à l'évaporation et au réchauffage des composants liqui- des pompés à haute pression, et elle est soumise, après séparation et retour des composants ainsi liquéfiés,

   à un réchauffage partiel et à une détente avec travail extérieur subséquente. En opposition aux procédés connus, on obtient de ce fait l'avantage que la quantité de gaz, prélevée de la pré-rectification, peut âtre amenée, sans accroissement de la pression, à un échange de chaleur aveo les composante pompée à haute pression et peut être détendue avec travail extérieur après un réchauffage partiel. Cette quantité de gaz   :Leste   donc propre et ne nécessite aucun autre traitement. En oe qui concerne le procédé conforme à   l'invention,   le sert ultérieur de la quantité de gaz détendu est sans impor- tance.

   Avantageusement elle peut être amenée à une rectification à basse pres- sion ou peut être au moins partiellement évacuée, éventuellement après un échan- ge de chaleur ultérieur avec:le gaz de production dans des dispositifs à contre- courant, après réchauffage dans les   régénérs@surs   ou similaires. Le réchauffage partiel de la quantité de gaz avant la détente avec travail extérieur a lieu, avantageusement, par échange de chaleur avec une quantité de gaz comprimé d'un circuit fermé ou ouvert à pression moyenne. La pression de la quantité de gaz procurant le réchauffage partiel   de   la quantité de gaz destiné à la détente avec travail extérieur est réduite et la dite quantité de gaz est amenée à la recti- fication, par exemple à l'étage de pression préliminaire ou à l'étage à basse pression.

   De ce fait, une compression à pression moyenne avec un réchauffage 

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 préalable et un refroidissement subséquent de la quantité de gaz, et ce, en contre-courant avec elle-même, procure avantageusement un circuit fermé à pression moyenne. Par contre, si la quantité de gaz procurant le réchauffage partiel de la quantité de. gaz destinée à la détente avec travail extérieur est comprimée à une pression appropriée à l'obtention du mélange de gaz sous haute pression, si elle est liquéfiée, fortement refroidie et amenée à la rectifi- cation et au lavage de ce mélange de gaz et est mélangée avec le mélange de gaz formé ainsi, on obtient un exemple d'un circuit ouvert à pression moyenne.

   De tels circuits à pression moyenne, dans lesquels la pression atteint à peine ou ne dépasse pas 30 atm., sont particulièrement avantageux en raison de la possi- bilité de pouvoir utiliser des compresseurs fonctionnant à sec, étant donné que le gaz à comprimer n'est pas souillé et ne nécessite donc aucun traitement ultérieur ou des procédés d'épuration compliqués.

   Toutefois un circuit ouvert à pression moyenne peut donner lieu à un déplacement de la quantité de froide de manière que pour son retour depuis la rectification de l'un des mélanges de gaz à celle de l'antre, on   prélevé   de la pré-rectification de ce dernier une quantité de gaz qui est liquéfiée par échange de chaleur indirecte avec le mé- lange de gaz formé par l'amenée d'une partie de la quantité de gaz liquéfié ayant servi au réchauffage partiel et qui est ramenée à nouveau à la pré-recti- fication.

   Une possibilité de l'échange d'une quantité de froid entre les deux mélanges de gaz dont chacun est soumis à une rectification,   r@ide   dans le fait que le réchauffage total des composants amenés à haute pression et que le pré- refroidissement du mélange de gaz sous haute pression à fractionner sont obtenus par échange de chaleur mutuel, toutefois en raison de   l'inflamm&bilité   et du risque d'explosions, on intercale, de préférence, un circuit humide (circuit à   saumure).   



   Les figures représentent des exemples de mises en oeuvre de l'invention et servent à une meilleure compréhension. Les pièces identiques portent les   mêmes   repères sur toutes les figures. La fig. 1 représente les pièces consti-   tutives   essentielles d'un appareillage pour le fractionnement de mélanges de gaz, ici un fractionnement   d'aire   et qui est constitué par : 
Une canalisation d'admission 1 pour de l'air comprimé à 5,3 et 6,5 atm.; une paire de régénérateurs 2, périodiquement inversibles, pour le refroidisse- ment de l'air qui arrive;

   une   canalisatj     -,-   de raccord 3 conduisant du fond   d'une   

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 .colonne de rectifioation 4, portant une colonne de pression 5, une colonne à basse pression 6 et un condenseur 7; une canalisation 8 pour le mélange de gaz   liquéfié,   munie d'une soupape de détente 9 et conduisant du fond de la colonne de pression 5 vers la colonne à Dasse pression   6;   ane canalisation 10 pour   l'azot'   liquide, munie d'une soupape de détente 11 et conduisant du côté pression du condenseur 7 vers la tête de la colonne à basse pression 6 et dans laquelle es intercalé un dispositif à contre-courant 12;

   une   canalisation   de prélèvement 13 traversant également le dit dispositif à contre-courant et conduisant aux régé- nérateurs 2; un autre dispositif à contre-courant   14   intercalé entre les régé- '      nérateurs; une canalisation de sortie 15 pour l'azote produit; une canalisation      de prélèvement 16 pour l'oxygène liquide et venant de la partie à basse prêt-   @   sion du condenseur 7; une pompe à gaz liquide 17 qui pompe l'oxygène à la haute pression voulue; une canalisation sous pression 18 conduisant à un dispositif à contre-courant 19 dans lequel le composant liquéfié, pompé   à   haute pression, iei de l'oxygène, est réchauffé;

   et une canalisation à oxygène   20,  Conformément à l'invention, l'appareillage est complété par : une canalisation de prélève- ment 21 conduisant depuis la colonne de pression 5 vers les régénérateurs 2 et servant au prélèvement et au réchauffage de l'air venant de la colonne de pres- sion; des serpentins de réchauffage 22 prévus dans les   régénérateurs     2,.;   une canalisation 23 conduisant vers le dispositif à contre-courant 19; un séparateur de liquide 24, disposé à la suite, muni d'une canalisation de retour 25 pour le produit de la condensation et d'une canalisation de gaz 26 conduisant vers un échangeur de chaleur 27 dont les contre-faces sont sous une pression moyenne; une canalisation d'admission 28; une turbine d'expansion 29; et une canalisation d'évacuation 30 avec dérivation 31.

   En outre, l'appareillage est caractérisé par une canalisation de prélèvement 32 pour l'air depuis la colonne de pression un dispositif à contre-courant 33 pour le réchauffage de cet air; une canalisa- tion 34; un compresseur fonctionnant à sec 35 à refroidisseur relié à la suite;   @        une canalisation 36   oonduisant   vers le dispositif à contre-courant 33 pour le refroidissement de l'air comprimé   à   pression moyenne; une canalisation 37 con- duisant vers l'échangeur de chaleur 27 pour le réchauffage partiel de   l'air   à détendre avec travail extérieur; une canalisation d'évacuation 38 à soupape de détente 39 conduisant vers la canalisation 3, respectivement la colonne de pres- sion 5.

   Enfin on prévoit encore une canalisation intermédiaire   40   à organe de 

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 verrouillage 41 et disposée entre les canalisations 21 et 26 pour le transfert éventuel d'air comprimé. 



     Le   circuit à pression moyenne, formé par les pièces 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 et 39 et qui   est     fessé   en soi par le prol gement dans les pièces 3, 5 et 2l, est prévu étant donné que les régénérateurs 2 travaillent avec une éva- cuation en excès, de manière qu'ils ne disposent pas d'un excès de chaleur utile pour le réchauffage de l'air à détendre dans la   turbi@e   29. De ce fait, le réchauffage partiel de l'air à détendre dans la turbine 29 est obtenu dans l'éohangeur de chaleur 27, intercalé dans le circuit à pression moyenne, en re- prenant la chaleur de liquéfaction de la quantité d'air conduite dana le circuit à pression moyenne.

   Si la quantité d'air sortant du séparateur 24 n'est pas suffisante pour produire le froid nécessaire lors de la détente avec travail extérieur faisant suite au réchauffage   partiel@eelle   est accrue en conséquence en   y   mélangeant l'air èe la colonne de pression, par l'intermédiaire de la oa- ralisation 40 et de la soupape 41, Par l'intermédiaire de la canalisation 30, une partie (généralement faible) de l'air qui se détend est soufflée dans la co- lonne à basse pression tandis qu'une partie (généralement plus grande) est mé- langée, par l'intermédiaire de la dérivation 31, à l'azote sortant par la oa-   na@sation   13. 



   La fig. 2 représente un dispositif essentiellement identique pour la mise en oeuvre du même procédé, toutefois présentant une variante dans la dis- position du circuit à pression moyenne, étant donné qu'à la place d'un circuit à pression moyenne pour l'air venant de la colonne de pression, on prévoit un circuit fermé à pression moyenne pour l'azote venant de la colonne de pression. 



  L'azote est prélevé du condenseur 7 de la colonne de pression 5 par l'intermé- diaire de la. canalisation 51, il est réchauffé dans l'échangeur de chaleur   52,   est amené par la canalisation 53 au compresseur fonctionnant à sec à pression moyenne 54, est refroidi davantage et est refroidi encore plus, en contre- courant avec lui-même, par la canalisation 55 prévue dans l'échangeur de   cha-   leur 52, il est amené par la canalisation 56 à l'échangeur de chaleur 27 en vue de la liquéfaction (à ce moment a lieu le réchauffage partiel de l'air à détendre) et il Prit ramené, par la canalisation 57 et la soupape de détente 58, à la colonne de pression 5. 

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   La forme d'exécution suivant la fig. 3 représente l'association d'une installation de fractionnement d'air 61 pour la production d'oxygène sous haute pression et d-azote sous pression et d'une installation de fractionnement de gaz 62 pour la production de gaz ammoniac do synthese depuis le gaz converti et constitué par de l'hydrogène, de l'azote, de l'oxyde de carbone et du mechane, L'oxygène doit être débité sous une pression d'environ 40 atm., l'azote doit être amené à la pression du gaz brut, à savoir ici environ 2, atm.. Le réchauf- fage du gaz de turbine est obtenu par l'azote qui doit être de toute façon trans- féré à l'installation de gaz, donc l'azote de production.

   L'azote de production est prélevé par la canalisation 63 depuis la colonne sous pression 5 et sous la pression de cette dernière; dans les serpentins 64 il est amené en contre-courant à l'air qui arrive et est réchauffé de oe fait; en dehors de l'appareil de frac- tionnement, par exemple au moyen du compresseur fonctionnant à sec 65, il est amené à environ 25 atm. et, après un nouveau refroidissement dans un refroidis- seur non représenté, il échange la ohaleur en contre-courant avec le gaz rési- duel venant de l'installation de gaz et avec un mélange hydrogène-azote.

   De ce fait il est refroidi approximativement jusqu'au début de sa liquéfaction dans les dispositifs à contre-courant 66 et 67 et ensuite il est liquéfié dans le dis- positif à contre-courant 68 en transmettant à nouveau sa chaleur de liquéfaction à 1;air à détendre dans la turbine 29, tout comme dans l'exemple précédent. Cet azote, maintenant liquéfié dans le dispositif à oontre-courant 68, est refroidi davantage dans le dispositif à contre-courant 69 avec le gaz résiduel et pénè- tre maintenant à l'état liquide et par l'intermédiaire de la canalisation 70 dans l'installation de gaz 62 où une partie est utilisée pour le lavage dans la colonne de lavage 71, tandis que l'autre partie est introduite en 72 directe- ment dans le mélange hydrogène-azote.

   De ce fait l'appareil à gaz 62 est alimen- té en une quantité d'azote liquide qui est beaucoup plus grande que celle qu'il nécessite en liquide pour couvrir ses propres pertes en froid. Il faut donc de nouveau éliminer une quantité correspondante de liquide de l'appareil à gaz 62 afin d'équilibrer son bilan frigorifique. A cette fin on prélève de la colonne sous pression 5 de l'azote qui est amené au dispositif à contre-courant 72. 



  Dans ce dispositif   à   contre-courant 72, l'azote provenant de la colonne de pression 5, est liquéfié par échange de chaleur avec l'azote liquide,   s'évapo-   rant du mélange d'hydrogène, et reflue à nouveau vers l'installation à air. De 

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 ce fait, le froid, amené par l'azote liquide à l'appareil à gaz 62 depuis le dispositif à contre-courant 69, est retourné pour la plus grande partie à l'installation de fractionnement d'air 61 et dans l'installation à gaz 62 il ne subsiste que la quantité qui est nécessaire pour couvrir ses pertes en froid. 



  Dans les dispositifs   à   contre-courant 73 et   74   le gaz brut est refroidi en contre-courant avec le mélange hydrogène-azote sortant dar la canalisation 75. 



  Le gaz brut arrive à une canalisation 76 et est refroidi à environ +5  dans un dispositif de pré-refroidissement à contre-courant 73 et l'eau de la condensa- tion se déposant de ce fait est éliminée dans le séparateur 77. Dans le dispos sitif à contre-courant 74 suivant, le gaz est refroidi à environ -50 . Il pé- nètre alors dans un sécheur à gel 78 et ensuite dans les dispositifs à contre- courant 79 et 80 proprement dite de l'appareillage, à savoir la branche chaude (79) et la branche froide (80). Depuis la branche froide 80 il est transféré au récipient d'évaporation 81 dans lequel il est   ref@oidi   à température con- ctante d'environ -85* à   l'aide   d'azote ou de gaz résiduel liquide évaporé sans pression.

   A cette température le gaz brut arrive ensuite par la canalisation 82 jusque dans la colonne de lavage 71 et est transformé ici en mélange hydrogène- azote pur. Les composants éliminés par lavage quittent la colonne de lavage 71 dans le fond 83 par l'intermédiaire de la canalisation 84 en tant que gaz rési- duel sous forme liquide, Ce gaz résiduel liquide est introduit dans le récipient d'évaporation 81 et sert à refroidir le gaz brut, tandis qu'une autre partie arrive sous forme liquide dans l'installation de fractionnement d'air 61 et est réchauffée dans le dispositif à contre-courant 69 et dans le dispositif à contre-courant 66 par échange de chaleur avec l'azote à pression moyenne qui arrive. Le gaz résiduel réchauffé quitte l'installation 61 par la canalisation 85.

   Afin d'exploiter le froid qui subsiste dans l'oxygène après son passage à travers l'échangeur de chaleur 19, on intercale un circuit humide 86 (circuit à saumure) entre la canalisation d'oxygène 20 et les dispositifs à contre-cou- rant 73 et   74   de la partie fractionnement de gaz. Ce circuit humide 86 transmet au gaz brut le froid subsistant dans l'oxygène, et ce, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 87, et sert ainsi au refroidissement préalable du gaz brut. 



  Etant donné que dans ce procédé d'échange de chaleur à basse pression, l'oxygène comprimé quitte le dispositif à contre-courant 19 à un état relativement froid, 

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 la grande réserve de froid peut être exploitée avantageusement et permet d'éco- nomiser un refroidissement à ammoniac, nécessitant de l'énergie, et autrement nécessaire. 



   REVENDICATIONS. 



   1.- Procédé pour la réalisation d'un bilan frigorifique équilibré lors de l'obtention de mélanges de gaz et/ou de composants de mélangea de gaz sous haute pression, et ces depuis la rectification d'un ou de plusieurs mélangea de gaz en le prélevant à l'état liquide à basse pression et en le transformant à l'état gazeux, à la pression moyenne ou à la haute pression voulue, éventuelle- ment tempéré à l'air ambiant, caractérisé en ce qu'une quantité de gaz (air, N2) est prélevée de la pré-rectification, est réchauffée en contre-courant avec le mélange de gaz (air) qui arrive, est refroidie par échange de chaleur pour l'évaporation et le réohauffage des composants (O2) liquides, pompés à haute pression et est soumise, après séparation et retour des composants ainsi liqué- fiés,

   à un réchauffage partiel et à une détente avec travail extérieur subsé- quente.

Claims (1)

  1. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réchauf- fage partiel de la quantité de gaz (air, IL) est obtenu avant la détente avec travail extérieur, et ce, par échange de chaleur avec une quantité de gaz com- primé (air, il 2) d'un circuit fermé ou ouvert à prersion moyenne.
    3.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pression de la quantité de gaz (aime N2) procurant le réchauffage partiel de la quantité de gaz (air, N2) destinée à la détente avec travail extérieur, est réduite et en ce que cette quantité de gaz est amenée à la rectification, par exemple à l'étage de pression préliminaire ou à l'étage de basse pression.
    4.- Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la quantité de gaz (air, N2) procurant le réchauffage partiel de la quantité de gaz (air, N2) destinée à la détente aveo travail extérieur, est comprimée à une pression (environ 25 atm.) appropriée à l'obtention du mélange de gaz (H2 + N2) sous haute pression, est liquéfiée, réfrigérée (par échange de cha- leur avec le gaz résiduel), est soumise à la rectification et au lavage du mé- lange de gaz (gaz brut, gaz converti) et . mélange avec le mélange de gaz (H2 + N2) se formant ainsi.
    @ <Desc/Clms Page number 9> 5.- Procédé suivant les revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce que pour le retour de la quantité de froid depuis la rectification de l'un des mé- langes de gaz (gaz brut, gaz converti) à celle de l'autre (air), on prélève de la pré-rectification de ce dernier une quantité de gaz (N2) qui est liquéfié par échange de chaleur indirect avec le mélange de gaz se formant par l'admis- sion d'une partie de la quantité de gaz liquéfié, ayant servi au réchauffage partiel, et est ramenée à nouveau à la pré-rectification.
    6.- Procédé suivant les revendications 1, 2, 4 et 5, caractérisé en ce que le réchauffage total des composant. (02) amenés à haute pression et le pré- refroidissement du mélange de gaz (gaz brut, gaz converti) sous haute pression et à fractionner, sont obtenus par échange de chaleur mutuel, de préférence en intercalant un circuit humide (circuit à saumure).
    7.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendica- tion 1, en tant que complément de l'appareillage nécessaire pour le fractionne- ment de mélangea de gaz, caractérisé en ce qu'il est constitué par 1 une canali- sation de prélèvement coduisant de la colonne de pression de l'une des colonnes de rectification vers les régénérateurs ou similaires; des serpentins de réchauf- fage prévue dans les dits régénérateurs; un échangeur de chaleur situé dans la. canalisation d'évacuation pour les composants pompéa à haute pression; une cana- lisation conduisant depuis les serpentins de réchauffage vers le dit échangeur de chaleur;
    un séparateur de liquide relié à la suite, muni d'une canalisation de retour pour le produit de condensation conduisant vers la colonne de pression et d'une canalisation de gaz, un échangeur de chaleur dont les contre-faces sant sous pression moyenne, et une turbine d'expansion munie d'une canalisation d'ad- mission venant de l'éohangeur de chaleur et d'une dérivation.
    8. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant les revendica- tions 1 et 2 et clivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur pour le réchauffage partiel est relié aux appareils d'un circuit fermé ou ouvert à pression moyenne devant la turbine d'expansion, et ce, par son con- tre-faces nous pression moyenne.
    9.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé des revendications 1, 2 et 3, suivant les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend : une canalisation de prélèvement venant de la colonne de pression; un échangeur de chaleur; un compresseur à pression moyens muni d'un refroidisseur; une canali- <Desc/Clms Page number 10> sation conduisant à l'échangeur de chaleur cité plus haut; un raccord vers 1'échangeur de chaleur procurant le réchauffage partiel devant la turbine d' ex- pansion;
    et une canalisation d'évacuation conduisant à la colonne de pression et dans laquelle est encastrée une installation de détente (soupape), 10. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé des revendications 1, 2 et 4, suivant les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend une canalisation de prélèvement venant de la colonne de pression; des serpentins de réchauffage disposés dans les régénérateurs ou similaires; un compresseur à pres- sion moyenne muni d'un refroidisseur; des échangeurs de chaleur à contre-courant reliés à la suite; un échangeur de chaleur pour le réchauffage partiel avant la turbine d'expansion en tant que liquéfacteur et relié à la suite des échangeurs de chaleur à contre-courant cités plus haut;
    en outre, un échangeur de chaleur en tant que réfrigérateur et une canalisation de transfert conduisant à une in- stallation de rectification et de lavage se trouvant dans un appareillage de fractionnement de gaz et à un mélangeur.
    11.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé des revendications 1, 2, 4 et 5, suivant les revendications 7, 8 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend : une canalisation de prélèvement de gaz pour une partie d'un composant de frac- tionnement depuis la colonne de pression; une surface d'échange de chaleur pré- vue à l'intérieur du mélangeur pour une autre partie liquéfiée, réfrigérée et sous haute pression d'un composant de fractionnement, avec @n mélange de gaz en tant que liquéfacteur des composants circulant dans la canalisation de prélève- ment de gaz; et une canalisation de retour conduisant à la colonne de pression, 12.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé des revendications 1, 2, 4 et 6, suivant les revendications 7, 8,10 et 11, caractérisé en ce qu'il com- prend :
    un échangeur de chaleur relié à la suite de l'échangeur de chaleur situé dans le sens du flux dans la canalisation d'évacuation pour les composants pompés à haute pression; des surfaces d'échange de chaleur prévues dans le dispositif de pré-refroidissement pour le mélange de gaz sous haute pression à fraotionner; et des canalisations de raccord,,de préférence de manière que l'on obtienne de ce fait les dispositions d'un circuit humide (circuit à saumure).
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