EP1671070A1 - Appareil et procede de separation d'un melange gazeux par utilisation cryogenique - Google Patents

Appareil et procede de separation d'un melange gazeux par utilisation cryogenique

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EP1671070A1
EP1671070A1 EP04817100A EP04817100A EP1671070A1 EP 1671070 A1 EP1671070 A1 EP 1671070A1 EP 04817100 A EP04817100 A EP 04817100A EP 04817100 A EP04817100 A EP 04817100A EP 1671070 A1 EP1671070 A1 EP 1671070A1
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EP
European Patent Office
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turbine
bearings
gas
column
separated
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Withdrawn
Application number
EP04817100A
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German (de)
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Inventor
Jean-Pierre Tranier
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J2290/42—Modularity, pre-fabrication of modules, assembling and erection, horizontal layout, i.e. plot plan, and vertical arrangement of parts of the cryogenic unit, e.g. of the cold box

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for separating a gas mixture by cryogenic distillation.
  • the gas separation units from air use turbines with lubricated bearings, these bearings being axial or radial.
  • the turbines expand air or nitrogen with the production of external work, the expansion being of isentropic type with irreversibilities.
  • bearing turbines lubricated, for example with oil have two major drawbacks: Firstly, there is a risk of pollution of the gas produced by oil in the event of failure of the sealing system along the tree.
  • the object of the invention is to overcome the lubricated bearings for the expansion turbines of the gas mixture separation units by cryogenic distillation by proposing the expansion of the gas mixture to be separated in a turbine on bearings (ball or roller) steel or ceramic), these bearings may have to be greased periodically but not being oiled.
  • a gas separation apparatus by cryogenic distillation comprising a column system, means for sending a gas to be separated to a column of the columns, means for withdrawing at least one product from the column system, means for sending a gas from the apparatus, possibly at least part of the gas mixture to be separated, into a bearing turbine and means for sending at least one part of the expanded gas in the one-column turbine of the column system in the case where the expanded gas constitutes at least part of the gas mixture to be separated, characterized in that the bearings of the turbine are rolling bearings.
  • the bearings of the turbine are rolling bearings.
  • the turbine has non-oiled bearings.
  • the turbine has non-lubricated bearings.
  • the gas to be separated contains as main components oxygen and / or nitrogen and / or hydrogen and / or methane and / or carbon monoxide.
  • the expanded gas is air, nitrogen or hydrogen.
  • the turbine is installed at least 1 meter above the ground, at least
  • the turbine is braked by a brake booster, possibly of the centrifugal type, placed on the same shaft as the turbine, all the bearings of this common shaft being non-lubricated.
  • All the bearings of the common shaft are of the rolling bearing type.
  • the turbine is braked by a brake generator, the bearings of which are not lubricated.
  • the bearings of the brake generator are magnetic.
  • a method for separating a gas mixture by cryogenic distillation in which a gas mixture to be separated is sent to a column of a column system, at least one product is withdrawn from the column system, at least part of a gas from the apparatus, possibly at least part of the gas mixture to be separated, is sent to a bearing turbine characterized in that the bearings of the turbine are rolling bearings.
  • the turbine is braked by a brake generator, the bearings of which are not lubricated, and the brake generator is driven at the same speed as the turbine.
  • An air flow 1 is compressed at medium pressure in a compressor 3 and is then purified in a purifying unit 5 which can be of any known type.
  • the air is then divided into two fractions 21, 23.
  • the fraction 21 cools by crossing the exchange line 7 and is sent to the bottom of the medium pressure column 13 in gaseous form.
  • the rest of the air 23 is boosted in a booster 9, cooled in a cooler 19 and sent to the exchange line 7 where it cools partially before being sent to the insufflation turbine 11.
  • This turbine can be a turbine on bearings (steel or ceramic balls or rollers).
  • the turbine 11 is mounted at least 1 meter from the ground, preferably at least 2 meters from the ground or even at least 5 meters from the ground.
  • the turbine 11 is located on the same shaft as the booster 9.
  • the booster 9 is preferably of the centrifugal type, having non-lubricated bearings. Preferably all the bearings of the shaft are rolling bearings.
  • the booster can be replaced by a generator, also with non-lubricated bearings.
  • the air expanded in the turbine 11 is sent to a low pressure minaret column 15. - Flow rates of rich liquid 25, lower lean liquid 27 and upper lean liquid 29 are sent from the medium pressure column 13 to the column low pressure 15. A purge flow is withdrawn from the vaporizer-condenser 17 connecting the two columns.
  • FIG. 2 shows an apparatus for separating air by cryogenic distillation with an air cycle.
  • An air flow 1 is compressed at medium pressure in a compressor 3 and is then purified in a purifying unit 5 which can be of any known type.
  • the air is boosted in a booster 9, cooled in a cooler (not shown) and sent to the exchange line 7 where it cools partially before being sent in part to a Claude 11 turbine.
  • This turbine is a turbine on bearings (steel or ceramic ball or roller).
  • the turbine 11 is mounted at least 1 meter from the ground, preferably at least 2 meters from the ground or even at least 5 meters from the ground.
  • the turbine 11 can be coupled to the booster 9.
  • the expanded air in the turbine 11 is sent partly to the medium pressure column 13 and partly recycled (flow 43) to the booster 9.
  • the expanded air in the turbine 11 is sent to the medium pressure column.
  • Flow rates of rich liquid 25, lower lean liquid 27 and upper lean liquid 29 are sent from the medium pressure column 13 to the low pressure column 15.
  • a purge flow is withdrawn from the vaporizer-condenser 17 connecting the two columns.
  • the turbine 11 is mounted at least 1 meter from the ground, preferably at least 2 meters from the ground or even at least 5 meters from the ground.
  • the expanded nitrogen is mixed with the residual nitrogen 33.
  • the low pressure column 15 operates under a sufficiently high pressure, it is possible to expand a low pressure nitrogen flow in the turbine.
  • the devices concerned can include any possible combination of Claude turbines, insufflation turbines and nitrogen turbines, provided that at least one of these turbines is a turbine on bearings (with steel balls or rollers or ceramic).
  • the invention is obviously not limited to methods using a minaret column. It applies to any type of air separation process using an expansion turbine, including so-called pump processes.

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Abstract

Dans un appareil de séparation de gaz par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes (13, 15), des moyens pour envoyer un gaz à séparer à une colonne du système de colonnes, des moyens pour soutirer au moins un produit (31, 35) du système de colonnes et des moyens pour envoyer un gaz de l'appareil (23) dans une turbine à paliers (11), les paliers de la turbine sont des paliers à roulements.

Description

Appareil et procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique. Depuis très longtemps, comme décrit dans « Tieftemperaturtechnik » de Hausen Linde, pp.457-461 , les unités de séparation des gaz de l'air utilisent des turbines à paliers lubrifiés, ces paliers étant axiaux ou radiaux. Pour produire du froid, les turbines détendent de l'air ou de l'azote avec production de travail extérieur, la détente étant de type isentropique aux irréversibilités près. Néanmoins, les turbines à paliers lubrifiés, par exemple avec de l'huile, ont deux inconvénients majeurs : Premièrement, il y a un risque de pollution du gaz procédé par de l'huile en cas de défaillance du système d'étanchéité le long de l'arbre. Une telle pollution engendre la migration d'huile dans les différents équipements de l'appareil (échangeurs, tuyauteries, colonnes à distiller, vaporiseur), l'huile pouvant avoir tendance à se concentrer au niveau du vaporiseur principal en présence d'oxygène relativement pur. Cela pourrait être la cause d'une explosion majeure dans un appareil de séparation des gaz de l'air. Deuxièmement, il est pour ainsi dire obligatoire pour des raisons économiques d'installer la turbine près du sol pour minimiser les distances vis- à-vis de la bâche à huile ; cette contrainte n'est pas spécifique aux usines de séparation des gaz de l'air mais peut aussi s'appliquer à des liquéfacteurs de gaz (H2, He, CH , ...) ou à d'autres unités de séparation des gaz (H2/CO, ...). - L'objet de l'invention est de s'affranchir des paliers lubrifiés pour les turbines de détente des unités de séparation de mélange gazeux par distillation cryogénique en proposant la détente du mélange gazeux à séparer dans une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques), ces roulements pouvant avoir à être graissés périodiquement mais n'étant pas huilés. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation de gaz par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, des moyens pour envoyer un gaz à séparer à une colonne du système de colonnes, des moyens pour soutirer au moins un produit du système de colonnes, des moyens pour envoyer un gaz de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, dans une turbine à paliers et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz détendu dans la turbine à une colonne du système de colonnes dans le cas où le gaz détendu constitue au moins une partie du mélange gazeux à séparer caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers à roulements. Optionnellement : - La turbine a des paliers non huilés. - La turbine a des paliers non lubrifiés. - Le gaz à séparer contient comme composants principaux de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'hydrogène et/ou du méthane et/ou du monoxyde de carbone. - Le gaz détendu est de l'air, de l'azote ou de l'hydrogène. - La turbine est installée au moins 1 mètre au-dessus du sol, au moins
2 mètres au-dessus du sol ou même au moins 5 mètres au-dessus du sol. - La turbine est freinée par un surpresseur frein, éventuellement de type centrifuge, placé sur le même arbre que la turbine, tous les paliers de cet arbre commun étant non lubrifiés. - Tous les paliers de l'arbre commun sont de type à roulements. - La turbine est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non lubrifiés. - Les paliers de la génératrice frein sont de type magnétique. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel un mélange gazeux à séparer est envoyé à une colonne d'un système de colonnes, au moins un produit est soutiré du système de colonnes, au moins une partie d'un gaz de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, est envoyé dans une turbine à paliers caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers à roulements. De préférence la turbine est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non lubrifiés et la génératrice frein est entraînée à la même vitesse que la turbine. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures, qui montrent des appareils de séparation d'air selon l'invention. La figure 1 montre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. - Un débit d'air 1 est comprimé à la moyenne pression dans un compresseur 3 et est ensuite épuré dans une unité d'épuration 5 pouvant être de tout type connu. L'air est ensuite divisé en deux fractions 21 , 23. La fraction 21 se refroidit en traversant la ligne d'échange 7 et est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 13 sous forme gazeuse. - Le reste de l'air 23 est surpressé dans un surpresseur 9, refroidi dans un refroidisseur 19 et envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit partiellement avant d'être envoyé à la turbine d'insufflation 11. Cette turbine peut être une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques). - La turbine 11 est montée à au moins 1 mètre du sol, de préférence à au moins 2 mètres du sol ou même à au moins 5 mètres du sol. - La turbine 11 se trouve sur le même arbre que le surpresseur 9. Le surpresseur 9 est de préférence de type centrifuge, ayant des paliers non- lubrifiés. De préférence tous les paliers de l'arbre sont des paliers à roulements. - Alternativement le surpresseur peut être remplacé par une génératrice, également à paliers non-lubrifiés. - L'air détendu dans la turbine 11 est envoyé dans une colonne basse pression à minaret 15. - Des débits de liquide riche 25, de liquide pauvre inférieur 27 et de liquide pauvre supérieur 29 sont envoyés de la colonne moyenne pression 13 à la colonne basse pression 15. Un débit de purge est soutiré du vaporiseur- condenseur 17 reliant les deux colonnes. - De l'azote pur 31 est soutiré en tête du minaret, de l'azote residuaire 33 d'en dessous du minaret et de l'oxygène gazeux 35 de la cuve de la colonne basse pression. Ces trois débits de réchauffent dans la ligne d'échange 7. Une partie de l'azote residuaire sert à la régénération suite à une étape de réchauffage. La figure 2 montre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique avec un cycle d'air. - Un débit d'air 1 est comprimé à la moyenne pression dans un compresseur 3 et est ensuite épuré dans une unité d'épuration 5 pouvant être de tout type connu. L'air est surpressé dans un surpresseur 9, refroidi dans un refroidisseur (non-illustré) et envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit partiellement avant d'être envoyé en partie à une turbine Claude 11. Cette turbine est une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques). - La turbine 11 est montée à au moins 1 mètre du sol, de préférence à au moins 2 mètres du sol ou même à au moins 5 mètres du sol. - La turbine 11 peut être est couplée au surpresseur 9. - L'air détendu dans la turbine 11 est envoyé en partie à la colonne moyenne pression 13 et en partie recyclé (débit 43) vers le surpresseur 9. Dans la variante sans cycle tout l'air détendu dans la turbine 11 est envoyé à la colonne moyenne pression. - Des débits de liquide riche 25, de liquide pauvre inférieur 27 et de liquide pauvre supérieur 29 sont envoyés de la colonne moyenne pression 13 à la colonne basse pression 15. Un débit de purge est soutiré du vaporiseur- condenseur 17 reliant les deux colonnes. - De l'azote pur 31 est soutiré en tête du minaret, de l'azote residuaire 33 d'en dessous du minaret et de l'oxygène gazeux 35 de la cuve de la colonne basse pression. Ces trois débits de réchauffent dans la ligne d'échange 7. Une partie de l'azote residuaire sert à la régénération suite à une étape de réchauffage. - L'appareil produit de l'azote liquide 39 en tête de la colonne moyenne pression et de l'oxygène liquide 41 en cuve de la colonne basse pression. La figure 3 montre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. - Un débit d'air 1 est comprimé à la moyenne pression dans un compresseur 3 et est ensuite épuré dans une unité d'épuration 5 pouvant être de tout type connu. L'air se refroidit en traversant la ligne d'échange 7 et est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 13 sous forme gazeuse. - Des débits de liquide riche 25, de liquide pauvre inférieur 27 et de liquide pauvre supérieur 29 sont envoyés de la colonne moyenne pression 13 à la colonne basse pression 15. Un débit de purge est soutiré du vaporiseur- condenseur 17 reliant les deux colonnes. - De l'azote pur 31 est soutiré en tête du minaret, de l'azote residuaire 33 d'en dessous du minaret et de l'oxygène gazeux 35 de la cuve de la colonne basse pression. Ces trois débits de réchauffent dans la ligne d'échange 7. Une partie de l'azote residuaire sert à la régénération suite à une étape de réchauffage. - De l'azote moyenne pression 45 se réchauffe partiellement dans la ligne d'échange avant d'être détendu dans la turbine 11. Cette turbine est une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques). La turbine 11 est montée à au moins 1 mètre du sol, de préférence à au moins 2 mètres du sol ou même à au moins 5 mètres du sol. L'azote détendu est mélangé avec l'azote residuaire 33. - Alternativement si la colonne basse pression 15 opère sous une pression suffisamment élevée, il est possible de détendre un débit d'azote basse pression dans la turbine. Il sera aisément compris que les appareils concernés peuvent comprendre toute combinaison possible de turbines Claude, turbines d'insufflation et turbines d'azote, à condition qu'au moins une de ces turbines soit une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques). L'invention n'est évidemment pas limitée aux procédés utilisant une colonne à minaret. Elle s'applique à tout type de procédé de séparation d'air utilisant une turbine de détente, y compris les procédés dits à pompe.

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil de séparation de gaz par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes (13, 15), des moyens pour envoyer un gaz à séparer (11 ) à une colonne du système de colonnes, des moyens pour soutirer au moins un produit (33, 35, 39, 41) du système de colonnes, des moyens pour envoyer un gaz (23, 45) de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, dans une turbine à paliers (11 ) et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz détendu dans la turbine à une colonne du système de colonnes (13, 15) dans le cas où le gaz détendu constitue au moins une partie du mélange gazeux à séparer caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers à roulements.
2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la turbine (11) a des paliers non huilés.
3. Appareil selon la revendication 2 dans lequel la turbine (11 ) a des paliers non lubrifiés.
4. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz à séparer (1 ) contient comme composants principaux de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'hydrogène et/ou du méthane et/ou du monoxyde de carbone.
5. Appareil selon la revendication 4 dans lequel le gaz détendu (23) est de l'air, de l'azote ou de l'hydrogène.
6. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel la turbine (11) est installée au moins 1 mètre au-dessus du sol, de préférence au moins 2 mètres au-dessus du sol ou même au moins 5 mètres au-dessus du sol.
7. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel la turbine (11) est freinée par un surpresseur frein (9), éventuellement de type centrifuge, placé sur le même arbre que la turbine, tous les paliers de cet arbre commun étant non lubrifiés.
8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel tous les paliers de l'arbre commun sont de type à roulements.
9. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6 selon 1 dans lequel la turbine est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non lubrifiés.
10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel les paliers de la génératrice frein sont de type magnétique.
11. Procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel un mélange gazeux à séparer (1) est envoyé à une colonne (13) d'un système de colonnes (13;15), au moins un produit est soutiré du système de colonnes, au moins une partie d'un gaz (23, 45) de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, est envoyé dans une turbine à paliers (11) caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers à roulements.
12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel la turbine (11) est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non lubrifiés et la génératrice frein est entraînée à la même vitesse que la turbine.
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