EP1409937B1 - Procede de production de vapeur d'eau et de distillation d'air - Google Patents

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EP1409937B1
EP1409937B1 EP02751288A EP02751288A EP1409937B1 EP 1409937 B1 EP1409937 B1 EP 1409937B1 EP 02751288 A EP02751288 A EP 02751288A EP 02751288 A EP02751288 A EP 02751288A EP 1409937 B1 EP1409937 B1 EP 1409937B1
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EP
European Patent Office
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steam
expansion means
inlet
unit
industrial
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Jean-Pierre Gourbier
Lasad Jaouani
Frédéric Staine
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04812—Different modes, i.e. "runs" of operation
    • F25J3/04818—Start-up of the process

Definitions

  • the present invention relates to a method of driving at least one compression machine of an air distillation unit which supplies oxygen and / or nitrogen and / or argon to a industrial unit producing water vapor, this process being of the type in which, in steady state, the compression machine is driven at least in part by means of steam relief with production of external work, fed by steam water from said industrial unit, this vapor being introduced at an inlet of said expansion means.
  • Some industrial processes consuming oxygen and / or nitrogen and / or argon such as synthetic hydrocarbon production processes (so-called “Gas to Liquid” or “GTL” processes), are exothermic and generate water vapor.
  • the steam is generally valorized as a source of entrainment, via a steam turbine, of at least one compression machine of the distillation unit. of air that produces oxygen.
  • the steam turbine may be a back pressure turbine, escaping a pressure greater than atmospheric pressure, or a condensing turbine, escaping a pressure below atmospheric pressure and associated with a water condenser, cooled by water or ambient air, and a water recycling pump to the steam boiler.
  • EP-A-0930268 discloses an air separation apparatus whose main compressor is coupled to an electric motor and a steam turbine which receives steam at two different pressures. During startup, the main compressor and the electric motor operate using electricity generated by a gas turbine.
  • US Patent 6058736 describes a method of compressing an air flow supplying an industrial unit. It uses a gas turbine to drive the main compressor in steady state and a steam turbine during startup of the industrial unit.
  • the invention aims to solve this problem in a particularly flexible manner, eliminating the electric motor.
  • the subject of the invention is a method according to claim 1 or 2.
  • the combined installation shown on the Figure 1 consists on the one hand of a GTL unit 1 which produces, among others, water vapor under high pressure in a line 2, and on the other hand an air distillation unit 3 which feeds unit 1 in gaseous oxygen gas HPGOX, via a line 4, and also in high pressure nitrogen gas HPGN, via a line 5 equipped with a nitrogen compressor 6.
  • a GTL unit 1 which produces, among others, water vapor under high pressure in a line 2
  • an air distillation unit 3 which feeds unit 1 in gaseous oxygen gas HPGOX, via a line 4, and also in high pressure nitrogen gas HPGN, via a line 5 equipped with a nitrogen compressor 6.
  • HPGOX gaseous oxygen gas
  • HPGN high pressure nitrogen gas
  • the unit 3 essentially comprises a first compression machine constituted by a main air compressor 7 (or, alternatively, by several compressors in parallel), a second compression machine constituted by an air booster 8 (or, in variant, by several boosters in parallel), and a cold box 9.
  • the latter essentially comprises an air distillation apparatus 10, for example a double column comprising a medium pressure distillation column and a low pressure distillation column coupled by a vaporizer-condenser, and a heat exchange line 11.
  • the compressor 7 and the booster 8 are mounted on the same shaft 12, coupled to a steam turbine 13 via a Coupling device disengageable 14.
  • the turbine 13 has two inputs: a high pressure inlet 15, located at the suction of the turbine, and a medium pressure inlet 16, located between the high pressure supply and the exhaust of the turbine .
  • the exhaust port of the turbine has been indicated at 17 at atmospheric pressure or at a pressure above or below atmospheric pressure.
  • the apparatus 10 produces liquid oxygen LOX under the low pressure, and this liquid oxygen is brought to the high production pressure by a pump 18, before being vaporized and reheated in the exchange line 11.
  • Apparatus 10 also produces gaseous nitrogen GN, under low pressure and / or under medium pressure, which is heated in the exchange line and then compressed at 6 to the high production pressure.
  • the atmospheric air, compressed at medium pressure at 7, is pre-cooled in an air or water pre-cooler 19, purified with water and CO 2 in an adsorption purification apparatus 20, and separated into two streams.
  • a first medium pressure air stream which is cooled at 11 to the vicinity of its dew point to be distilled at 10
  • a second air stream which is supercharged at 8 at a high pressure allowing the vaporization of the high pressure liquid oxygen in the exchange line.
  • Unit 3 further comprises an auxiliary boiler 21 which produces auxiliary steam at medium pressure in a line 22.
  • the latter provided with a valve 23, is connected to the medium pressure inlet 16 of the turbine 13 while line 2 is connected to the high pressure inlet 15.
  • the high pressure steam is at about 60 bars and the average pressure steam at about 15 bars.
  • a bypass 24 equipped with a valve 25 connects the inputs 15 and 16.
  • a medium pressure steam booster can be supplied to the inlet 16, as indicated in dotted lines.
  • the Figures 3A and 3B relate to the case where the auxiliary steam is at a pressure greater than that of the steam produced by the unit 1.
  • the first start step is ( Figures 1 and 3A ) to introduce the auxiliary steam at the inlet 15.
  • a second step shown in line mixed on the Figure 3A , the medium pressure steam, increasing flow, is introduced to the inlet 16, via the pipe 2, while the flow rate of the makeup steam is reduced correspondingly.
  • the compressor 6 can be coupled to the shaft 12, replacing the booster 8 or in addition.
  • auxiliary oxygen source for example a liquid oxygen storage tank
  • the unit 1 can be started with this oxygen.
  • the turbine 13 is then, at the start of the unit 3, fed a minority by the steam from the unit 1, and mainly by the auxiliary steam from the source 21.
  • the ratio is for example 30% - 70%.
  • the proportion of auxiliary steam gradually decreases, until the established regime, where it is a minority, especially less than 30% and, more preferably, less than 10%, or even zero.
  • the turbine may be composed of either a single body with two inputs that correspond to different inlet pressures, or two bodies each having an inlet. In the latter case, a body of the turbine is fed with steam from the industrial unit 1, and the other body by auxiliary steam. The two bodies of the turbine are then either mechanically interconnected or mechanically connected to the body of at least one compression machine of the air distillation unit.

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Abstract

L'invention concerne un procédé d'entraînement d'au moins une machine de compression (7, 8) d'une unité de distillation d'air (3) qui fournit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon à une unité industrielle (1) produisant de la vapeur d'eau. En régime établi, la machine de compression est entraînée au moins en partie par une turbine à vapeur (13) alimentée par ladite vapeur d'eau, qui est introduite à une entrée (15) de la turbine. La turbine présente deux entrées (15, 16) qui correspondent à des pressions d'admission différentes. Pendant au moins une phase de fonctionnement de ladite unité (1), on alimente au moins partiellement la turbine par de la vapeur d'eau provenant d'une source de vapeur auxiliaire (21) et introduite à l'autre entrée (16) de la turbine. Application à l'alimentation en gaz de l'air d'une unité de production d'hydrocarbures synthétiques.

Description

  • La présente invention est relative à un procédé d'entraînement d'au moins une machine de compression d'une unité de distillation d'air qui fournit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon à une unité industrielle produisant de la vapeur d'eau, ce procédé étant du type dans lequel, en régime établi, la machine de compression est entraînée au moins en partie par des moyens de détente de vapeur avec production de travail extérieur, alimentés par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle, cette vapeur étant introduite à une entrée desdits moyens de détente.
  • Certains procédés industriels consommant de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon, tels que les procédés de production d'hydrocarbures synthétiques (procédés dits « Gas to Liquid » ou « GTL »), sont exothermiques et génèrent de la vapeur d'eau. Lorsque la pression et/ou la température de cette vapeur la rendent non utilisable sur le site, la vapeur est généralement valorisée comme source d'entraînement, via une turbine à vapeur, d'au moins une machine de compression de l'unité de distillation d'air qui produit l'oxygène. La turbine à vapeur peut être une turbine à contre-pression, échappant à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ou une turbine à condensation, échappant à une pression inférieure à la pression atmosphérique et associée à un condenseur d'eau, refroidi par de l'eau ou par de l'air ambiant, et à une pompe de recyclage de l'eau vers la chaudière de production de vapeur.
  • Cependant, la vapeur n'est pleinement disponible qu'en régime établi, ce qui pose le problème du démarrage de l'ensemble de l'installation.
  • EP-A-0930268 décrit un appareil de séparation d'air dont le compresseur principal est couplé à un moteur électrique et une turbine à vapeur qui reçoit de la vapeur à deux pressions différentes. Pendant le démarrage, le compresseur principal et le moteur électrique fonctionnement à l'aide d'électricité générée par une turbine à gaz.
  • US-A-6058736 décrit un procédé de compression d'un débit d'air alimentant une unité industrielle. Il utilise une turbine à gaz pour entraîner le compresseur principal en régime fixe et une turbine à vapeur pendant le démarrage de l'unité industrielle.
  • L'invention a pour but de résoudre ce problème de façon particulièrement souple, en éliminant le moteur électrique.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé selon la revendication 1 on 2.
  • Le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • la vapeur d'eau auxiliaire provient d'une source de vapeur auxiliaire et est introduite à l'autre entrée et/ou la même entrée de ces moyens de détente ;
    • ladite phase de fonctionnement comprend la phase de démarrage de ladite unité industrielle ;
    • au fur et à mesure de la mise en régime de l'unité industrielle, on utilise la vapeur produite par l'unité industrielle pour fournir une partie de l'énergie d'entraînement de la machine de compression, via lesdits moyens de détente;
    • en régime établi, lesdits moyens de turbine sont alimentés majoritairement par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle ;
    • on entraîne de façon analogue au moins deux machines de compression couplées à un même arbre, à savoir un compresseur principal d'air et un autre compresseur de gaz, notamment un surpresseur d'air, de l'unité de distillation d'air ;
    • lesdits moyens de détente comprennent une turbine à vapeur ayant un corps muni de deux entrées.
  • Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :
    • la Figure 1 représente schématiquement une installation combinée fonctionnant selon un procédé conforme à l'invention ;
    • les Figures 2A à 2C illustrent trois phases successives du démarrage de cette installation ; et
    • les Figures 3A et 3B illustrent de façon analogue le démarrage d'une variante.
  • L'installation combinée représentée sur la Figure 1 est constituée d'une part d'une unité GTL 1 qui produit, entre autres, de la vapeur d'eau sous haute pression dans une ligne 2, et d'autre part d'une unité de distillation d'air 3 qui alimente l'unité 1 en oxygène gazeux haute pression HPGOX, via une ligne 4, et également en azote gazeux haute pression HPGN, via une ligne 5 équipée d'un compresseur d'azote 6. En pratique, il peut être prévu plusieurs unités 3 en parallèle.
  • L'unité 3 comprend essentiellement une première machine de compression constituée par un compresseur principal d'air 7 (ou, en variante, par plusieurs compresseurs en parallèle), une seconde machine de compression constituée par un surpresseur d'air 8 (ou, en variante, par plusieurs surpresseurs en parallèle), et une boîte froide 9. Cette dernière comprend essentiellement un appareil de distillation d'air 10, par exemple une double colonne comportant une colonne de distillation moyenne pression et une colonne de distillation basse pression couplées par un vaporiseur-condenseur, et une ligne d'échange thermique 11.
  • Le compresseur 7 et le surpresseur 8 sont montés sur un même arbre 12, couplé à une turbine à vapeur 13 via un dispositif d'accouplement désaccouplable 14. La turbine 13 comporte deux entrées : une entrée haute pression 15, située à l'aspiration de la turbine, et une entrée moyenne pression 16, située entre l'alimentation haute pression et l'échappement de la turbine. On a indiqué en 17 l'orifice d'échappement de la turbine, à la pression atmosphérique ou à une pression supérieure ou inférieure à la pression atmosphérique.
  • L'appareil 10 produit de l'oxygène liquide LOX sous la basse pression, et cet oxygène liquide est porté à la haute pression de production par une pompe 18, avant d'être vaporisé et réchauffé dans la ligne d'échange 11. L'appareil 10 produit également de l'azote gazeux GN, sous la basse pression et/ou sous la moyenne pression, qui est réchauffé dans la ligne d'échange puis comprimé en 6 à la haute pression de production.
  • En fonctionnement, l'air atmosphérique, comprimé à la moyenne pression en 7, est prérefroidi dans un prérefroidisseur 19 à air ou à eau, épuré en eau et en CO2 dans un appareil d'épuration par adsorption 20, et séparé en deux flux : un premier flux d'air moyenne pression qui est refroidi en 11 jusqu'au voisinage de son point de rosée pour être distillé en 10, et un second flux d'air qui est surpressé en 8 à une haute pression permettant la vaporisation de l'oxygène liquide haute pression dans la ligne d'échange.
  • L'unité 3 comprend encore une chaudière auxiliaire 21 qui produit de la vapeur d'eau auxiliaire à moyenne pression dans une ligne 22. Cette dernière, munie d'une vanne 23, est reliée à l'entrée moyenne pression 16 de la turbine 13, tandis que la ligne 2 est reliée à l'entrée haute pression 15.
  • A titre d'exemple, la vapeur haute pression est à 60 bars environ et la vapeur moyenne pression à 15 bars environ.
  • De plus, une dérivation 24 équipée d'une vanne 25 relie les entrées 15 et 16.
  • Lors du démarrage de l'installation, l'unité 1 ne produit pas de vapeur haute pression, puis elle en produit en quantité croissante, jusqu'à ce que le régime nominal soit établi. Le démarrage s'opère en trois phases successives :
    • 1ère phase ( Figures 1 et 2A ) : la turbine 13 n'est alimentée qu'en vapeur moyenne pression.
  • Toutefois, pour équilibrer la partie de détente amont de la turbine, cette vapeur est introduire à la fois dans les entrées 15 et 16, via la conduite 24, dont la vanne 25 est ouverte.
    • 2ème phase ( Figures 1 et 2B ) : La vanne 25 est fermée. La vapeur haute pression, à débit croissant, est introduite, via la ligne 2, dans l'entrée 15, et l'appoint d'énergie nécessaire est fourni par un débit décroissant de vapeur moyenne pression, introduit dans l'entrée 16.
    • 3ème phase ( Figures 1 et 2C ) : La vanne 25 reste fermée. Le régime établi étant atteint, le débit nominal de vapeur haute pression est introduit dans l'entrée 15 et assure l'entraînement des machines de compression 7 et 8.
  • Eventuellement, de façon permanente ou transitoire, un appoint de vapeur moyenne pression peut être fourni à l'entrée 16, comme indiqué en trait mixte.
  • Les Figures 3A et 3B se rapportent au cas où la vapeur auxiliaire est à une pression supérieure à celle de la vapeur produite par l'unité 1.
  • Dans ce cas, la première étape de démarrage consiste (Figures 1 et 3A) à introduire la vapeur auxiliaire à l'entrée 15. Dans une deuxième étape, illustrée en trait mixte sur la Figure 3A, la vapeur moyenne pression, à débit croissant, est introduite à l'entrée 16, via la conduite 2, tandis que le débit de la vapeur d'appoint est réduit de façon correspondante.
  • Dans la troisième phase (Figures 1 et 3B), correspondant au régime établi, la vanne 23 est fermée. La vapeur moyenne pression, à son débit nominal, est introduite à l'entrée 16. Comme précédemment, il peut alors être avantageux de prévoir la dérivation 24 avec sa vanne 25 pour introduire également la vapeur moyenne pression à l'entrée 15, et ainsi, équilibrer la partie de détente amont de la turbine.
  • On voit ainsi que, dans tous les cas, toute la vapeur disponible dans la ligne 2 est utilisée dans la turbine 13 sans détente préalable, et donc sans perte d'énergie. De plus, à tout instant, le complément d'énergie d'entraînement des machines de compression est fourni par de la vapeur auxiliaire, dont les caractéristiques peuvent être choisies relativement librement.
  • En variante, le compresseur 6 peut être couplé à l'arbre 12, en remplacement du surpresseur 8 ou en supplément.
  • En variante également, si l'on dispose sur le site d'une source d'oxygène auxiliaire, par exemple d'un réservoir de stockage d'oxygène liquide, on peut démarrer l'unité 1 avec cet oxygène. La turbine 13 est alors, au démarrage de l'unité 3, alimentée minoritairement par la vapeur provenant de l'unité 1, et majoritairement par la vapeur auxiliaire provenant de la source 21. Le rapport est par exemple 30% - 70%. Puis la proportion de vapeur auxiliaire baisse progressivement, jusqu'au régime établi, où elle est minoritaire, notamment inférieure à 30% et, de préférence encore, inférieure à 10%, voire nulle.
  • La turbine peut être composée soit d'un corps unique avec deux entrées qui correspondent à des pressions d'admissions différentes, soit de deux corps ayant chacun une entrée. Dans ce dernier cas, un corps de la turbine est alimenté par de la vapeur issue de l'unité industrielle 1, et l'autre corps par de la vapeur auxiliaire. Les deux corps de la turbine sont alors soit reliés entre eux mécaniquement, soit reliés mécaniquement au corps d'au moins une machine de compression de l'unité de distillation d'air.

Claims (7)

  1. Procédé d'entraînement d'au moins une machine de compression (7, 8) d'une unité de distillation d'air (3) qui fournit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon à une unité industrielle (1) produisant de la vapeur d'eau, ce procédé étant du type dans lequel, en régime établi, la machine de compression est entraînée uniquement par des moyens (13) de détente de vapeur avec production de travail extérieur, de la vapeur provenant de l'unité industrielle étant introduite à une entrée (15 ; 16) desdits moyens de détente, lesdits moyens de détente de vapeur (13) comportant deux entrées (15, 16) qui correspondent à des pressions d'admission différentes, respectivement haute et moyenne, et caractérisé en ce que, pendant au moins le démarrage de ladite unité industrielle (1), on alimente au moins partiellement lesdits moyens de détente par de la vapeur d'eau auxiliaire provenant d'une source de vapeur auxiliaire (21) et introduite à l'autre entrée (16 ; 15) de ces moyens de détente (13), on alimente sensiblement en permanence l'entrée (15) desdits moyens de détente (13) qui correspond à la haute pression d'admission
    , la vapeur auxiliaire est à la moyenne pression d'admission, et en ce qu'on alimente successivement :
    - les deux entrées (15, 16) par la vapeur auxiliaire ;
    - l'entrée haute pression (15) par la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1), et l'entrée moyenne pression (16) par la vapeur auxiliaire ; et
    - en régime établi, au moins l'entrée haute pression (15) par de la vapeur provenant de l'unité industrielle.
  2. Procédé d'entraînement d'au moins une machine de compression (7, 8) d'une unité de distillation d'air (3) qui fournit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon à une unité industrielle (1) produisant de la vapeur d'eau, ce procédé étant du type dans lequel, en régime établi, la machine de compression est entraînée uniquement par des moyens (13) de détente de vapeur avec production de travail extérieur, de la vapeur provenant de l'unité industrielle étant introduite à une entrée (15 ; 16) desdits moyens de détente, lesdits moyens de détente de vapeur (13) comportant deux entrées (15, 16) qui correspondent à des pressions d'admission différentes, respectivement haute et moyenne, et caractérisé en ce que, pendant au moins le démarrage de ladite unité industrielle (1), on alimente au moins partiellement lesdits moyens de détente par de la vapeur d'eau auxiliaire provenant d'une source de vapeur auxiliaire (21) et introduite à l'autre entrée (16 ; 15) de ces moyens de détente (13) on alimente sensiblement en permanence l'entrée (15) desdits moyens de détente (13) qui correspond à la haute pression d'admission,
    la vapeur auxiliaire est à la haute pression, et en ce qu'on alimente successivement :
    - l'entrée haute pression (15) par la vapeur auxiliaire ;
    - l'entrée haute pression (15) par la vapeur auxiliaire et l'entrée moyenne pression (16) par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1) ; et
    - en régime établi, les deux entrées (15, 16) par de la vapeur provenant de ladite unité industrielle (1).
  3. Procédé suivant la revendication 1 on 2 caractérisé en ce que la vapeur d'eau auxiliaire est introduite à l'autre entrée et/ou la même entrée (16 ; 15) de ces moyens de détente (13) que la vapeur provenant de l'unité industrielle.
  4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que, au fur et à mesure de la mise en régime de l'unité industrielle (1), on utilise la vapeur produite par l'unité industrielle pour fournir une partie de l'énergie d'entraînement de la machine de compression (7, 8), via lesdits moyens de détente (13).
  5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, en régime établi, lesdits moyens de détente (13) sont alimentés majoritairement par de la vapeur d'eau provenant de ladite unité industrielle (1).
  6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on entraîne de façon analogue au moins deux machines de compression (7, 8) couplées à un même arbre, à savoir un compresseur principal d'air (7) et un autre compresseur de gaz (8), notamment un surpresseur d'air, de l'unité de distillation d'air (3).
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de détente (13) comprennent une turbine à vapeur ayant un corps muni de deux entrées (15, 16).
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