EP0661505B1 - Procédé et installation de liquéfaction d'un gaz - Google Patents

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EP0661505B1
EP0661505B1 EP94402787A EP94402787A EP0661505B1 EP 0661505 B1 EP0661505 B1 EP 0661505B1 EP 94402787 A EP94402787 A EP 94402787A EP 94402787 A EP94402787 A EP 94402787A EP 0661505 B1 EP0661505 B1 EP 0661505B1
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air
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Philippe Fraysse
Corinne Garot
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air

Definitions

  • the present invention relates to a process for liquefying a gas by means of a refrigeration cycle comprising a heat exchange line, a so-called expansion turbine “Hot” and a so-called “cold” expansion turbine supplied respectively at a first temperature and at a second temperature below the first temperature and at least two stages of gas compression cycle, in which the two turbines are supplied with two fractions of the gas cycle at the same inlet pressure and at least part of it is returned gas from each turbine at the suction of a compression stage, after having heated it to room temperature in the exchange line.
  • a so-called expansion turbine "Hot” and a so-called “cold” expansion turbine supplied respectively at a first temperature and at a second temperature below the first temperature and at least two stages of gas compression cycle, in which the two turbines are supplied with two fractions of the gas cycle at the same inlet pressure and at least part of it is returned gas from each turbine at the suction of a compression stage, after having heated it to room temperature in the exchange line.
  • DE-A-2 636 933 and DE-A-1 902 601 describe a process using a "hot” turbine and "cold” turbine, each coupled to a cycle compressor.
  • the outlet pressures of the two turbines are equal, as well as their inlet pressures.
  • the object of the invention is to provide a method of this type having a particularly high yield.
  • the invention relates to a process of the aforementioned type, characterized in that the cycle gas is expanded in the hot turbine up to a first exhaust pressure, and the cycle gas is relaxed in the cold turbine up to a second exhaust pressure lower than the first exhaust pressure.
  • the invention also relates to an installation for liquefying a gas intended for the implementation of the process defined above.
  • This installation of the type comprising a heat exchange line, a turbine so-called “hot” expansion, a so-called “cold” expansion turbine, means of cycle compression, comprising at least two compression stages of cycle in series, the admissions of the two turbines being connected to the discharge of the same cycle compression stage, the output of each turbine being connected to the suction of a compression stage, means for sending two fractions of a cycle gas respectively to the two turbines and means to heat at least part of the expanded gas in each turbine to room temperature before sending it to the suction of a means of compression is characterized in that the exhaust from the hot turbine is connected to the suction of a cycle compression stage, and the exhaust of the cold turbine is connected to the suction of a cycle compression stage inferior.
  • the installation comprises a main compressor 6 for atmospheric air, an apparatus 7 for purifying air in water and in anhydride carbonic adsorption, a cycle compressor 8 to two stages 9 and 10 in series, a hot turbine 11 braked by an alternator 12 and a cold turbine 13 braked by an alternator 14.
  • atmospheric air at to be treated is compressed in 6 to the medium pressure P1, which is the operating pressure of column 3 and which is typically between 5 and 6 bars absolute, then is purified in 7 and compressed again in 9 to one intermediate pressure P2 then in 10 to a high cycle pressure P3, typically of the order of 30 to 100 absolute bars.
  • a first fraction of the air at this high P3 cycle pressure is cooled down to a temperature intermediate T1 in the hot part of the line heat exchange 2, then exit therefrom and introduced into the hot turbine 11. It emerges from the latter at the inter-stage pressure P2 of the compressor 8, is warmed up to temperature ambient in the hot part of the exchange line thermal, and is returned to the second stage intake 10 of the same compressor 8.
  • the rest of the air at the high pressure of P3 cycle is cooled in 2 to a second temperature intermediate T2 lower than T1. At this temperature, part of the air has left the exchange line thermal and introduced into the cold turbine 13, whence it comes out at medium pressure P1 and at temperature the cold end of the heat exchange line. This air turbined is partly heated in 15 from the cold end to hot end of the heat exchange line and returned to the suction of the first stage 9 of the compressor 8, and for part sent to the tank in column 3.
  • the rest of the air high pressure cooled to temperature T2 continues to cool in 16 until the cold end of the heat exchange line 2, which causes its liquefaction, then is relaxed at medium pressure P1 in an expansion valve 17 and is sent to the tank of the column 3.
  • a refrigeration unit 18 to precool at least one of the two high air streams pressure from compressor 8.
  • the electrical energy produced by the two turbines in alternators 12 and 14 can be used for driving the cycle compressor 8.
  • the refrigeration cycle is used to liquefy withdrawn nitrogen at the head of the medium pressure column 3.
  • the compressor cycle 8 is a three-stage nitrogen compressor, whose first stages 9 and 10 correspond to the two stages 9 and 10 of Figure 1 and are followed by a stage additional 19 in series delivering the nitrogen to be liquefied under a high liquefaction pressure P4 greater than the highest pressure P3 in the cycle.
  • the hot turbine 11 and the cold turbine 13 are both powered by the gas from the second stage 10, and the gas from the turbine 11 is returned to the suction of this second stage 10.
  • all of the gas from of the cold turbine 13 is combined with the nitrogen withdrawn from the head of column 3 via a pipe 20, heated in 2 to room temperature and returned to the suction of the first stage 9.
  • the nitrogen from of stage 10 which is not sent to the turbines is compressed again in 19, then cooled from the hot end at the cold end of the heat exchange line, which causes its liquefaction. Then this liquid nitrogen high pressure is relaxed to medium pressure in a expansion valve 21 and introduced under reflux at the head of the column 3.

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Description

La présente invention est relative à un procédé de liquéfaction d'un gaz au moyen d'un cycle frigorifique comprenant une ligne d'échange thermique, une turbine de détente dite « chaude » et une turbine de détente dite « froide » alimentées respectivement à une première température et à une seconde température inférieure à la première température et au moins deux étages de compression du gaz de cycle, dans lequel on alimente les deux turbines avec deux fractions du gaz de cycle à une même pression d'admission et on renvoie une partie au moins du gaz issu de chaque turbine à l'aspiration d'un étage de compression, après l'avoir réchauffée à la température ambiante dans la ligne d'échange.
Un procédé de ce type est connu de US-A-4 595 405. Dans la turbine « chaude », le gaz est détendu à une pression égale à la pression de sortie de la turbine « froide ».
DE-A-2 636 933 et DE-A-1 902 601 décrivent un procédé utilisant une turbine « chaude » et une turbine « froide », chacune couplée à un compresseur du cycle. Les pressions de sortie des deux turbines sont égales, ainsi que leurs pressions d'entrée.
L'invention a pour but de fournir un procédé de ce type ayant un rendement particulièrement élevé.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on détend le gaz de cycle dans la turbine chaude jusqu'à une première pression d'échappement, et on détend le gaz de cycle dans la turbine froide jusqu'à une seconde pression d'échappement plus basse que la première pression d'échappement.
Ce procédé peut comporter un ou plusieurs des modes particuliers de réalisation de l'invention suivants :
  • une partie du gaz de cycle constitue le gaz à liquéfier et est liquéfié après avoir subi les deux étages de compression et éventuellement une compression supplémentaire;
  • le gaz à liquéfier est de l'air ou un gaz de l'air et est envoyé, après liquéfaction et détente, dans un appareil de distillation d'air;
  • la pression d'échappement de la turbine froide est une pression de fonctionnement de l'appareil de distillation, une partie au moins du gaz issu de cette turbine froide étant envoyée dans la partie correspondante de l'appareil de distillation.
L'invention a également pour objet une installation de liquéfaction d'un gaz destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation, du type comprenant une ligne d'échange thermique, une turbine de détente dite « chaude », une turbine de détente dite « froide », des moyens de compression de cycle, comprenant au moins deux étages de compression de cycle en série, les admissions des deux turbines étant reliées au refoulement d'un même étage de compression de cycle, la sortie de chaque turbine étant reliée à l'aspiration d'un étage de compression, des moyens pour envoyer deux fractions d'un gaz de cycle respectivement aux deux turbines et des moyens pour réchauffer au moins une partie du gaz détendu dans chaque turbine à la température ambiante avant de l'envoyer à l'aspiration d'un moyen de compression est caractérisée en ce que l'échappement de la turbine chaude est relié à l'aspiration d'un étage de compression de cycle, et l'échappement de la turbine froide est relié à l'aspiration d'un étage de compression de cycle inférieur.
L'installation ainsi définie peut comporter un ou plusieurs modes particuliers de réalisation de l'invention suivants :
  • l'aspiration du premier étage de compression de cycle est également reliée au refoulement d'un compresseur principal d'air d'une installation de distillation d'air, et l'échappement de la turbine froide est relié également à une partie d'un appareil de distillation d'air de cette installation qui fonctionne sous la pression d'échappement de cette turbine froide;
  • l'aspiration du premier étage de compression de cycle est également reliée à une partie d'un appareil de distillation d'air qui fonctionne sous sa pression d'aspiration, et le refoulement du dernier étage de compression de cycle est relié éventuellement via des moyens de compression supplémentaires, à travers la ligne d'échange thermique et un organe de détente, à ladite partie de l'appareil de distillation d'air;
  • les moyens de compression de cycle sont constitués par un compresseur unique multi-étages, l'échappement de la turbine chaude au moins étant relié à une aspiration inter-étages de ce compresseur;
  • l'installation comprend en outre un groupe frigorifique de prérefroidissement d'au moins un courant de gaz à turbiner.
Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel :
  • la Figure 1 représente schématiquement une installation de liquéfaction d'air conforme à l'invention; et
  • la Figure 2 représente de façon analogue une installation de liquéfaction d'azote conforme à l'invention.
Dans chacune des Figures 1 et 2, on a illustré l'application de l'invention à une installation de distillation d'air comprenant une double colonne de distillation d'air 1 et une ligne d'échange thermique 2 du type à échange de chaleur indirect et à contre-courant. La double colonne 1 comprend elle-même une colonne moyenne pression 3 surmontée d'une colonne basse pression 4 et couplée à celle-ci par un vaporisateur-condenseur 5. Toutefois, on n'a représenté aux Figures 1 et 2 que les parties de l'installation de distillation d'air concernées par la présente invention, et en particulier le cycle de liquéfaction, mais on comprend que l'installation comporte également toutes les conduites et tous les équipements habituels nécessaires pour la production de gaz de l'air par distillation. Dans le cas de la Figure 1, le gaz liquéfié est de l'air à traiter, tandis que dans le cas de la Figure 2, le gaz liquéfié est de l'azote.
Dans l'exemple de la Figure 1, l'installation comprend un compresseur principal 6 d'air atmosphérique, un appareil 7 d'épuration d'air en eau et en anhydride carbonique par adsorption, un compresseur de cycle 8 à deux étages 9 et 10 en série, une turbine chaude 11 freinée par un alternateur 12, et une turbine froide 13 freinée par un alternateur 14.
En fonctionnement, l'air atmosphérique à traiter est comprimé en 6 jusqu'à la moyenne pression P1, qui est la pression de fonctionnement de la colonne 3 et qui est typiquement comprise entre 5 et 6 bars absolus, puis est épuré en 7 et comprimé de nouveau en 9 à une pression intermédiaire P2 puis en 10 jusqu'à une haute pression de cycle P3, typiquement de l'ordre de 30 à 100 bars absolus.
Une première fraction de l'air à cette haute pression de cycle P3 est refroidie jusqu'à une température intermédiaire T1 dans la partie chaude de la ligne d'échange thermique 2, puis sortie de celle-ci et introduite dans la turbine chaude 11. Elle ressort de cette dernière à la pression d'inter-étages P2 du compresseur 8, est réchauffée jusqu'à la température ambiante dans la partie chaude de la ligne d'échange thermique, et est renvoyée à l'admission du second étage 10 du même compresseur 8.
Le reste de l'air à la haute pression de cycle P3 est refroidi en 2 jusqu'à une seconde température intermédiaire T2 inférieure à T1. A cette température, une partie de l'air est sortie de la ligne d'échange thermique et introduite dans la turbine froide 13, d'où elle ressort à la moyenne pression P1 et à la température du bout froid de la ligne d'échange thermique. Cet air turbiné est pour partie réchauffé en 15 du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange thermique et renvoyé à l'aspiration du premier étage 9 du compresseur 8, et pour partie envoyé en cuve de la colonne 3. Le reste de l'air haute pression refroidi jusqu'à la température T2 poursuit son refroidissement en 16 jusqu'au bout froid de la ligne d'échange thermique 2, ce qui provoque sa liquéfaction, puis est détendu à la moyenne pression P1 dans une vanne de détente 17 et est envoyé en cuve de la colonne 3.
Comme représenté en traits interrompus sur la Figure 1, on peut utiliser un groupe frigorifique 18 pour prérefroidir l'un au moins des deux courants d'air haute pression issus du compresseur 8.
L'énergie électrique produite par les deux turbines dans les alternateurs 12 et 14 peut être utilisée pour l'entraínement du compresseur de cycle 8.
Dans le mode de réalisation de la Figure 2, le cycle frigorifique sert à liquéfier de l'azote soutiré en tête de la colonne moyenne pression 3. Le compresseur de cycle 8 est un compresseur d'azote à trois étages, dont les premiers étages 9 et 10 correspondent aux deux étages 9 et 10 de la Figure 1 et sont suivis d'un étage supplémentaire 19 en série délivrant l'azote à liquéfier sous une haute pression de liquéfaction P4 supérieure à la plus haute pression P3 du cycle.
Comme précédemment, la turbine chaude 11 et la turbine froide 13 sont toutes deux alimentées par le gaz issu du deuxième étage 10, et le gaz issu de la turbine 11 est renvoyé à l'aspiration de ce deuxième étage 10. Toutefois, dans ce cas, la totalité du gaz issu de la turbine froide 13 est réuni à l'azote soutiré de la tête de la colonne 3 via une conduite 20, réchauffé en 2 jusqu'à la température ambiante et renvoyé à l'aspiration du premier étage 9. De plus, l'azote issu de l'étage 10 qui n'est pas envoyé aux turbines est comprimé de nouveau en 19, puis refroidi du bout chaud au bout froid de la ligne d'échange thermique, ce qui provoque sa liquéfaction. Ensuite, cet azote liquide haute pression est détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 21 et introduit en reflux en tête de la colonne 3.
Dans chacun des modes de réalisation ci-dessus, l'alimentation des deux turbines à des températures décalées Tl et T2 mais à la même pression, et leur échappement à deux pressions différentes P1 et P2, dont une pression plus basse pour la turbine froide, conduisent à un rendement élevé du cycle de liquéfaction. De plus, l'utilisation d'un compresseur de cycle multi-étages 8 apporte une simplification de l'installation et un avantage substantiel du point de vue de l'investissement.

Claims (9)

  1. Procédé de liquéfaction d'un gaz au moyen d'un cycle frigorifique comprenant une ligne d'échange thermique (2), une turbine de détente dite « chaude » (11) et une turbine de détente dite « froide » (13) alimentées respectivement à une première température (T1) et à une seconde température (T2) inférieure à la première température, et au moins deux étages (9, 10) de compression de gaz de cycle, dans lequel on alimente les deux turbines (11, 13) avec deux fractions du gaz de cycle à une même pression d'admission (P3) et on renvoie une partie au moins du gaz issu de chaque turbine (11, 13) à l'aspiration d'un étage de compression (10, 9), après l'avoir réchauffée à la température ambiante dans la ligne d'échange, caractérisé en ce que l'on détend le gaz de cycle dans la turbine chaude (11) jusqu'à une première pression d'échappement (P2), et on détend le gaz de cycle dans la turbine froide (13) jusqu'à une seconde pression d'échappement (P1) plus basse que la première pression d'échappement (P2).
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie du gaz de cycle constitue le gaz à liquéfier et est liquéfié après avoir subi les deux étages de compression et éventuellement une compression supplémentaire (en 19).
  3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz à liquéfier est de l'air ou un gaz de l'air et est envoyé, après liquéfaction et détente (en 17; 21), dans un appareil de distillation d'air (1).
  4. Procédé suivant les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que la pression d'échappement de la turbine froide (13) est une pression de fonctionnement de l'appareil de distillation (1), une partie au moins du gaz issu de cette turbine froide étant envoyé dans la partie correspondante (3) de l'appareil de distillation.
  5. Installation de liquéfaction d'un gaz, du type comprenant une ligne d'échange thermique (2), une turbine de détente dite « chaude » (11), une turbine de détente dite « froide » (12), des moyens de compression de cycle, comprenant au moins deux étages de compression (9, 10) en série, les admissions des deux turbines (11, 13) étant reliées au refoulement d'un même étage (10) de compression de cycle, la sortie de chaque turbine étant reliée à l'aspiration d'un étage de compression, des moyens pour envoyer deux fractions d'un gaz de cycle respectivement aux deux turbines et des moyens (2) pour réchauffer au moins une partie du gaz détendu dans chaque turbine à la température ambiante avant de l'envoyer à l'aspiration d'un moyen de compression, caractérisée en ce que l'échappement de la turbine chaude (11) est relié à l'aspiration d'un étage (10) de compression de cycle, et l'échappement de la turbine froide (13) est relié à l'aspiration d'un étage de compression de cycle inférieur (9).
  6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'aspiration du premier étage de compression de cycle (9) est également reliée au refoulement d'un compresseur principal d'air (6) d'une installation de distillation d'air, et l'échappement de la turbine froide (13) est également relié à une partie (3) d'un appareil de distillation d'air (1) de cette installation qui fonctionne sous la pression d'échappement de cette turbine froide.
  7. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'aspiration du premier étage de compression de cycle (9) est également reliée à une partie (3) d'un appareil de distillation d'air (1) qui fonctionne sous sa pression d'aspiration, et le refoulement du dernier étage de compression de cycle (10) est relié, éventuellement via des moyens de compression supplémentaires (19), à travers la ligne d'échange thermique (2) et un organe de détente (21), à ladite partie (3) de l'appareil de distillation d'air.
  8. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les moyens de compression de cycle (9, 10) sont constitués par un compresseur unique multi-étages, l'échappement de la turbine chaude (11) au moins étant relié à une aspiration inter-étages de ce compresseur.
  9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un groupe frigorifique (18) de prérefroidissement d'au moins un courant de gaz à turbiner.
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