EP3695180A1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique

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EP3695180A1
EP3695180A1 EP18773240.9A EP18773240A EP3695180A1 EP 3695180 A1 EP3695180 A1 EP 3695180A1 EP 18773240 A EP18773240 A EP 18773240A EP 3695180 A1 EP3695180 A1 EP 3695180A1
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EP
European Patent Office
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booster
wheel
air
gas
turbine
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EP18773240.9A
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German (de)
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Richard Dubettier-Grenier
Patrick Le Bot
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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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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/04—Multiple expansion turbines in parallel

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for air separation by cryogenic distillation.
  • ASU cryogenic distillation
  • Oil brake The work is extracted by the viscous friction of the axis of rotation on a film of oil under pressure contained in a cavity around the axis. This friction generates a heating of the oil, which is cooled outside the system to evacuate the work.
  • This system has the disadvantage of implementation and efficiency. Indeed, the work generated is lost and undermines the effectiveness of the whole.
  • the system is limited in power extracted (about 100kW) and is therefore not suitable for ASUs requiring a higher cooling capacity.
  • Compressor brake and refrigerant In addition to the assembly of a turbine with a cryogenic outlet temperature coupled to a compressor having a cryogenic booster inlet temperature, another assembly comprising another turbine coupled to a compressor is implemented in the process. The turbine is then coupled to a compressor whose suction temperature is ambient or slightly sub-ambient. The compression of the gas heats the latter, and it is cooled in a heat exchanger (typically against water) to extract heat, and therefore work. This is the most common way in the field of ASUs ⁇ Generator: The expansion turbine can also be coupled to a generator that extracts work by generating electrical energy sent over a network. The rotational speed of this generator is usually much lower than the speed of rotation of the turbine, which requires a reducer between the two elements.
  • each compression is done in a single-stage compression stage
  • the first compression step starting from the temperature close to ambient, makes it possible to generate work outside the cold box, which generates cooling capacity for the air separation process,
  • the second compression step is cryogenic compression, which compresses a gas withdrawn at an intermediate level from the main exchanger to a first temperature which is a cryogenic temperature, and returned to the main exchanger at a temperature above the first temperature.
  • the two compression steps will be arranged in series on the same flow.
  • this flow will be a part of the total air flow, which will be compressed first from the ambient temperature, then cold.
  • This flow after re-introduction into the main exchanger, will go to the cold end of the exchanger where it will be (pseudo) liquefied.
  • the wheel of the turbine and those of the boosters rotate at the same speed of rotation. Surprisingly, this makes it possible to maintain acceptable thermodynamic efficiencies in the compression steps and the expansion step, despite a rotational speed common to the three wheels. Compared to the state of the art of using two sets of turbine and booster, it becomes possible, thanks to the invention to reduce investment costs without dramatically reducing the efficiency of the process.
  • a method of air separation by cryogenic distillation in which air is compressed in a first compressor, cooled in a heat exchanger and then separated in a system of columns, liquid oxygen is vaporized in the countercurrent heat exchanger of a pressurized gas flow that is (pseudo) condensed, a flow of gas which is air or a gas from the column system is expanded in a single-wheel cryogenic expansion turbine, having an inlet temperature of less than -100 ° C, a gas which is air or gas from the column system, which gas has already been compressed in the first booster, is compressed in a first single-wheel booster with an inlet temperature above -50 ° C, a gas that is air or a gas from the column system is compressed in a second booster a single wheel with a inlet temperature lower than -100 ° C, the supercharged gas in at least the first booster is cooled in the heat exchanger, participates in the vaporization of liquid oxygen by heat exchange in the exchanger,
  • the work generated by the expansion turbine is used for the cryogenic compression step in the first booster and for the compression step in the second booster, and
  • the operating conditions of the wheel of the expansion turbine, the wheel of the first booster and the wheel of the second booster are defined to allow a rotational speed common to these three wheels, and
  • each booster is connected to the turbine wheel by an axis of rotation, these axes rotating at the same speed of rotation or iii) the first booster and the impeller of the expansion turbine are connected to the second booster, each by an axis of rotation, these axes rotating at identical speed of rotation, and
  • the first compression step makes it possible to generate work outside the cold box, which generates cooling capacity for the air separation process.
  • At least one of the wheels of the expansion wheel, the wheel of the first booster and the wheel of the second booster has a lower yield than it would, under the same operating conditions, with another speed of rotation.
  • the compressed gas in the first and second booster is air for distillation.
  • the work produced by the turbine is not transferred to a generator, an oil brake or a compressor other than the first and second boosters.
  • the inlet temperature of the turbine is lower than the inlet temperature of the second booster and / or the inlet temperature of the first booster.
  • the air is overpressed first in the first booster and then in the second booster.
  • the air relaxed in the turbine was supercharged in the first booster.
  • the air relaxed in the turbine was supercharged in the first booster and possibly in the second booster.
  • an apparatus for separating air by cryogenic distillation comprising a heat exchanger, a pipe for sending compressed air into a first compressor to cool in the heat exchanger, a system of columns, a pipe to send cooled air into the heat exchanger is separated in the column system, a pipe for sending liquid oxygen from the system to vaporize in the heat exchanger, a pipe for sending a flow of pressurized gas into the heat exchanger.
  • heat a single-wheel cryogenic expansion turbine, a pipe connected to an intermediate point of the heat exchanger to send a flow of gas which is air or a gas from the column system of the heat exchanger.
  • the method uses the second expansion turbine, the two turbines operate in parallel and the flow of gas which is air or gas from the column system is divided into two fractions, each being expanded in one of the two turbines.
  • the compressed gas in the first and second booster is air for distillation.
  • the apparatus comprises means for sending at least a portion of the air, or all the air or at least a portion of the gas, or even all the gas, compressed in the first booster supercharger in the second booster.
  • the turbine is not coupled to a generator, an oil brake or a compressor other than the first and second boosters.
  • the apparatus comprises only one turbine.
  • the apparatus comprises means for sending air from the first booster and possibly the second booster to the turbine.
  • Figure 1 shows a method of separating air by cryogenic distillation in a double column having an optional minaret.
  • a flow of compressed air at the pressure of the first column, designated by the reference MP, of the double column is divided into two.
  • a flow 3 cools in a main heat exchanger E1 and is sent to the first column MP.
  • the rest of the air is overpressed in an auxiliary booster S and cooled in a cooler R before being divided into two.
  • Part 7 of the air is sent to the main heat exchanger E1 where it cools to an intermediate temperature of this exchanger which is less than -100 ° C. At this temperature the flow 7 is sent to a turbine T where it is expanded at the pressure of the first column before being mixed with the flow 3 and sent to the first column.
  • Another part 9 of the air of the booster S is sent to a first booster B1 without having been cooled in the heat exchanger E1.
  • the air 9 is then cooled in a cooler before being sent to the hot end of the heat exchanger where it cools to an intermediate temperature of the exchanger but greater than the inlet temperature of the turbine T.
  • air 9 leaves the exchanger E1 at this intermediate temperature and is supercharged in a second booster B2.
  • the supercharged air is returned to the exchanger E1 at a temperature higher than the intermediate temperature and the inlet temperature of the turbine T.
  • the supercharged air in B2 continues cooling in the heat exchanger E1 to cold end and is expanded in a valve V to enter the MP column in liquid or pseudo condensed form. Part of this expanded liquid can also be returned to the LP low pressure column.
  • the first and second boosters are both single-stage boosters with only one compression wheel.
  • the wheel of the first booster B1, the wheel of the second booster B2 and the wheel of the turbine T are mounted on the same axis of rotation or on pins integrally connected.
  • the turbine T is not coupled to a generator or an oil brake. It only drives the first and second boosters B1, B2.
  • the first booster B1 has an inlet temperature greater than -50 ° C, optionally greater than 0 ° C, preferably greater than 10 ° C.
  • the second booster B2 has an inlet temperature lower than -100 ° C.
  • An oxygen enriched liquid and a nitrogen enriched liquid are fed from the first MP column to the second column, designated BP, as reflux liquids.
  • a top gas from the first column condenses in a bottom condenser of the second column and is condensed and returned to the first column.
  • the air flow 1 compressed at a pressure at least 5 bars higher than the pressure of the first column is divided into two parts 7, 9.
  • Part 7 is sent to the main heat exchanger E1 where it cools down. at an intermediate temperature of this exchanger which is below -100 ° C. At this temperature the flow 7 is sent to a turbine T where it is expanded at the pressure of the first column.
  • Part 9 of the air is supercharged in a second booster B2. The supercharged air is sent, after cooling in a water cooler, to the hot end of the heat exchanger E1 where it cools to an intermediate temperature of the exchanger but greater than or equal to the inlet temperature of the turbine T.
  • the air 9 leaves the exchanger E1 at this intermediate temperature and is supercharged in a second booster B2.
  • the supercharged air is returned to the exchanger E1 at a temperature higher than the inlet temperature of the turbine T.
  • the supercharged air in B2 continues cooling in the heat exchanger E1 until the cold end and is relaxed in a valve to enter the MP column in liquid or pseudo condensed form. Part of this expanded liquid can also be returned to the LP low pressure column.
  • the first and second boosters are both single-stage boosters with only one compression wheel.
  • the wheel of the first booster B1, the wheel of the second booster B2 and the wheel of the turbine T are mounted on the same axis of rotation or on pins integrally connected.
  • the turbine T is not coupled to a generator or an oil brake. It only drives the first and second boosters B1, B2.
  • the first booster B1 has an inlet temperature greater than 0 ° C.
  • the second booster B2 has an inlet temperature lower than -100 ° C.
  • the work generated by the expansion turbine is used for the cryogenic compression step in the first booster and for the compression step in the second booster.
  • the operating conditions of the wheel of the expansion turbine T, the wheel of the first booster B1 and the wheel of the second booster B2 are defined to allow a rotation speed common to these three wheels.
  • the wheel of the first booster B1, the wheel of the second booster B2 and the wheel of the turbine T are mounted on the same axis of rotation in the figures /
  • each booster can be connected to the wheel of the turbine by an axis of rotation, these axes rotating at identical speed.
  • At least one of the wheels of the expansion wheel, the wheel of the first booster and the wheel of the second booster has a lower yield than it would, under the same operating conditions, with another rotation speed.
  • the invention is also applicable in the case where a nitrogen flow or other gas from the distillation is supercharged in a first booster having an inlet temperature greater than -50 ° C and a second booster having an inlet temperature lower than -100 ° C.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, un débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est détendu dans une turbine de détente cryogénique à une seule roue, ayant une température d'entrée inférieure à -100°C, un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est comprimé dans un premier surpresseur (B1 ) à une seule roue avec une température d'entrée supérieure à -50°C, de l'air est comprimé dans un deuxième surpresseur (B2) à une seule roue avec une température d'entrée inférieure à -100°C, l'air surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidit dans l'échangeur de chaleur le travail généré par la turbine de détente (T) est utilisé pour l'étape de compression cryogénique dans le premier surpresseur et pour l'étape de compression dans le deuxième surpresseur et la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine sont montées sur le même axe de rotation.

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION D'AIR
PAR DISTILLATION CRYOGENIQUE La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique.
Les unités de séparation d'air par distillation cryogénique (ASU) mettant en œuvre la compression cryogénique d'un gaz sont connues. Un moyen connu de mettre en œuvre cette compression froide est d'entraîner une roue de compression cryogénique par une turbine de détente cryogénique. Néanmoins un tel équipement ne génère pas la production frigorifique nécessaire au fonctionnement des unités de séparation d'air, puisqu'aucun travail n'est extrait de la boite froide. Alors de tels systèmes sont toujours couplés à un moyen de production frigorifique complémentaire. Les moyens connus sont :
· Frein d'huile : Le travail est extrait par les frottements visqueux de l'axe de rotation sur un film d'huile sous pression contenue dans une cavité autour de l'axe. Ce frottement génère un échauffement de l'huile, qui est refroidie à l'extérieur du système pour évacuer le travail. Ce système présente l'inconvénient de mise en œuvre et d'efficacité. En effet, le travail généré est perdu et nuit à l'efficacité de l'ensemble. Par ailleurs, le système est limité en puissance extraite (env. 100kW) et ne convient donc pas aux ASU nécessitant une puissance frigorifique supérieure.
• Compresseur frein et réfrigérant : En complément de l'ensemble d'une turbine ayant une température de sortie cryogénique couplée à un compresseur ayant une température d'entrée booster cryogénique, un autre ensemble comprenant une autre turbine couplée à un compresseur est mis en œuvre dans le procédé. La turbine est alors couplée à un compresseur dont la température d'aspiration est ambiante ou légèrement sub-ambiante. La compression du gaz échauffe celui-ci, et il est refroidi dans un échangeur de chaleur (typiquement contre de l'eau) pour en extraire la chaleur, et donc du travail. C'est le moyen le plus répandu dans le champ des ASUs · Génératrice : La turbine de détente peut également être couplée à une génératrice qui extrait du travail par génération d'énergie électrique envoyée sur un réseau. La vitesse de rotation de cette génératrice est le plus souvent très inférieure à la vitesse de rotation de la turbine, ce qui nécessite un réducteur entre les deux éléments. Cette pièce est onéreuse et génère des pertes par frottement. On trouve également des génératrices à haute vitesse de rotation. Cette génératrice est alors intégrée sur l'axe de la turbine et génère de l'électricité sans besoin d'un réducteur intermédiaire. Un système de traitement du signal électrique (fréquence, etc ..) est alors nécessaire pour le rendre compatible des spécifications des réseaux électriques, ou il peut alors être renvoyé. Ces systèmes sont très onéreux et encore limités en puissance générée (environ 250 kW), et ne peuvent servir complètement les besoins des ASUs.
Par ailleurs, il est également connu de pouvoir accoupler sur un même arbre une combinaison de compresseurs et turbines. On trouvera par exemple des entraînements de compresseurs par turbine à gaz, qui dévoile une turbine de gaz chaud, entraînant son compresseur d'air et un autre compresseur de produit. Mais ces arrangements, si complexes soient-ils, ne sont pas applicables à l'utilisation cryogénique : type de turbines différentes, températures subambiantes, pas de criticité des pertes thermiques.
Selon l'invention, dans une unité de séparation d'air par distillation cryogénique, on génère deux débits comprimés caractérisé en ce que :
chaque compression se fait dans un étage de compression mono- étagée,
les deux étages de compression sont entraînés par la même turbine de détente cryogénique,
la première étape de compression, à partir de la température proche de l'ambiante, permet de générer du travail extérieur à la boite froide, ce qui génère de la puissance frigorifique pour le procédé de séparation d'air,
la seconde étape de compression est une compression cryogénique, qui comprime un gaz soutiré à un niveau intermédiaire de l'échangeur principal à une première température qui est une température cryogénique, et renvoyé vers l'échangeur principal à une température supérieure à la première température.
Dans un mode privilégié de mise en œuvre, les deux étapes de compression seront disposées en série sur le même débit. Préférentiellement, ce débit sera une partie du débit d'air total, qui sera d'abord comprimé à partir de la température ambiante, puis à froid. Ce débit, après ré-introduction dans l'échangeur principal, ira jusqu'au bout froid de l'échangeur où il sera (pseudo) liquéfié.
Selon l'invention, la roue de la turbine et celles des surpresseurs tournent à la même vitesse de rotation. De manière surprenante, ceci permet de conserver des rendements thermodynamiques acceptables dans les étapes de compressions et l'étape de détente, malgré une vitesse de rotation commune aux trois roues. Par rapport à l'état de l'art consistant à utiliser deux ensembles turbine et booster, il devient possible, grâce à l'invention, d'en réduire tes coûts d'investissement sans pénaliser dramatiquement l'efficacité du procédé.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des procédés selon l'invention.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, dans lequel de l'air est comprimé dans un premier compresseur, refroidi dans un échangeur de chaleur et puis séparé dans un système de colonnes, de l'oxygène liquide est vaporisé dans l'échangeur de chaleur à contre- courant d'un débit de gaz sous pression qui se (pseudo) condense, un débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est détendu dans une turbine de détente cryogénique à une seule roue, ayant une température d'entrée inférieure à -100°C, un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes, ce gaz ayant déjà été comprimé dans le premier surpresseur, est comprimé dans un premier surpresseur à une seule roue avec une température d'entrée supérieure à -50°C, un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est comprimé dans un deuxième surpresseur à une seule roue avec une température d'entrée inférieure à -100°C, le gaz surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidit dans l'échangeur de chaleur, participe à la vaporisation d'oxygène liquide par échange de chaleur dans l'échangeur, et est (pseudo) liquéfié en sortie au bout froid de l'échangeur de chaleur dans lequel :
a) le travail généré par la turbine de détente est utilisé pour l'étape de compression cryogénique dans le premier surpresseur et pour l'étape de compression dans le deuxième surpresseur, et
b) tes conditions opératoires de la roue de la turbine de détente, de la roue du premier surpresseur et de la roue du deuxième surpresseur sont définies pour permettre une vitesse de rotation commune à ces trois roues, et
c) i) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine sont montées sur le même axe de rotation ou
ii) chaque surpresseur est relié à la roue de la turbine par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique ou iii) le premier surpresseur et la roue de la turbine de détente sont reliés au deuxième surpresseur, chacun par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique, et
d) la première étape de compression permet de générer du travail extérieur à la boite froide, ce qui génère de la puissance frigorifique pour le procédé de séparation d'air.
Selon d'autres aspects facultatifs :
au moins une des roues parmi la roue de détente, la roue du premier surpresseur et la roue du deuxième surpresseur a un rendement inférieur à celui qu'elle aurait, dans les mêmes conditions opératoires, avec une autre vitesse de rotation.
le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur est de l'air destiné à la distillation.
au moins une partie de l'air, voire tout l'air ou au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimée dans le premier surpresseur est ensuite comprimée dans le deuxième surpresseur.
le travail produit par la turbine n'est pas transféré à une génératrice, à un frein d'huile ou à un compresseur autre que les premiers et deuxièmes surpresseurs.
la température d'entrée de la turbine est plus basse que la température d'entrée du deuxième surpresseur et/ou la température d'entrée du premier surpresseur.
l'air est surpressé d'abord dans le premier surpresseur et ensuite dans le deuxième surpresseur.
tout l'air surpressé dans le premier surpresseur est surpressé ensuite dans le deuxième surpresseur.
l'air détendu dans la turbine a été surpressé dans le premier surpresseur. l'air détendu dans la turbine a été surpressé dans le premier surpresseur et éventuellement dans le deuxième surpresseur.
l'air détendu dans la turbine n'a pas été surpressé dans le premier ou le deuxième surpresseur.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer de l'air comprimé dans un premier compresseur se refroidir dans l'échangeur de chaleur, un système de colonnes, une conduite pour envoyer l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur se séparer dans le système de colonnes, une conduite pour envoyer de l'oxygène liquide du système se vaporiser dans l'échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer d'un débit de gaz sous pression dans l'échangeur de chaleur, une turbine de détente cryogénique à une seule roue, une conduite reliée à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur pour envoyer un débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes de l'échangeur de chaleur se détendre dans la turbine de détente cryogénique, ayant une température d'entrée inférieure à -100°C, un premier surpresseur à un seul étage avec une température d'entrée supérieure à -50°C, une conduite, éventuellement reliée à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur, pour envoyer un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes se surpresser dans le premier surpresseur, un deuxième surpresseur à un seul étage avec une température d'entrée inférieure à -100°C, une conduite reliée à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur pour envoyer un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes se surpresseur dans le deuxième surpresseur, le cas échéant des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur se surpresser dans le deuxième surpresseur, une conduite pour envoyer le gaz surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidir dans l'échangeur de chaleur et ainsi participer à la vaporisation d'oxygène liquide par échange de chaleur dans l'échangeur, dans lequel :
a) la roue de la turbine de détente, de la roue du premier surpresseur et de la roue du deuxième compresseur sont reliées entre elles de sorte que chaque roue puisse avoir la même vitesse de rotation et
b) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine étant montées sur le même axe de rotation ou chaque surpresseur est relié à la roue de la turbine par un axe de rotation, ces axes étant conçus pour tourner à vitesse de rotation identique.
Selon d'autres aspects facultatifs :
le procédé utilise la deuxième turbine de détente, les deux turbines fonctionnent en parallèle et le débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est divisé en deux fractions, chacune étant détendue dans une des deux turbines.
le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur est de l'air destiné à la distillation. l'appareil comprend des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air, voire tout l'air ou au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur se surpresser dans le deuxième surpresseur.
la turbine n'est pas couplée à une génératrice, à un frein d'huile ou à un compresseur autre que les premier et deuxième surpresseurs.
l'appareil ne comprend qu'une seule turbine.
l'appareil comprend des moyens pour envoyer de l'air du premier surpresseur et éventuellement du deuxième surpresseur à la turbine.
La Figure 1 représente un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne ayant un minaret facultatif.
Un débit d'air comprimé à la pression de la première colonne, désignée par la référence MP, de la double colonne est divisé en deux. Un débit 3 se refroidit dans un échangeur de chaleur principal E1 et est envoyé à la première colonne MP. Le reste 5 de l'air est surpressé dans un surpresseur auxiliaire S et refroidi dans un refroidisseur R avant d'être divisé en deux. Une partie 7 de l'air est envoyée à l'échangeur de chaleur principal E1 où elle se refroidit jusqu'à une température intermédiaire de cet échangeur qui est inférieure à -100°C. A cette température le débit 7 est envoyé à une turbine T où il est détendu à la pression de la première colonne avant d'être mélangé avec le débit 3 et envoyé à la première colonne.
Une autre partie 9 de l'air du surpresseur S est envoyée à un premier surpresseur B1 sans avoir été refroidie dans l'échangeur de chaleur E1 . L'air 9 est ensuite refroidi dans un refroidisseur avant d'être envoyé au bout chaud de l'échangeur de chaleur où il se refroidit à une température intermédiaire de l'échangeur mais supérieure à la température d'entrée de la turbine T. L'air 9 sort de l'échangeur E1 à cette température intermédiaire et est surpressé dans un deuxième surpresseur B2. L'air surpressé est renvoyé dans l'échangeur E1 à une température supérieure à la température intermédiaire et à la température d'entrée de la turbine T. L'air surpressé dans B2 poursuit son refroidissement dans l'échangeur de chaleur E1 jusqu'au bout froid et est détendu dans une vanne V pour rentrer dans la colonne MP sous forme liquide ou pseudo condensé. Une partie de ce liquide détendu peut également être renvoyée vers la colonne basse pression BP.
Le premier et deuxième surpresseurs sont tous deux des surpresseurs mono- étagés, n'ayant qu'une seule roue de compression. La roue du premier surpresseur B1 , la roue du deuxième surpresseur B2 et la roue de la turbine T sont montées sur le même axe de rotation ou sur des axes solidairement liés.
La turbine T n'est couplée ni à une génératrice ni à un frein d'huile. Elle entraîne uniquement les premier et deuxième surpresseurs B1 , B2.
Le premier surpresseur B1 a une température d'entrée supérieure à -50°C, éventuellement supérieure à 0°C, préférentiellement supérieure à 10°C. Le deuxième surpresseur B2 a une température d'entrée inférieure à -100°C.
Un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote sont envoyés de la première colonne MP vers la deuxième colonne, désignée par la référence BP, comme liquides de reflux. Un gaz de tête de la première colonne se condense dans un condenseur de cuve de la deuxième colonne et est condensé et renvoyé à la première colonne.
Dans le procédé de la Figure 2, seulement deux surpresseurs sont utilisés. Le débit d'air 1 comprimé à une pression au moins 5 bars plus élevée que la pression de la première colonne est divisé en deux parties 7, 9. La partie 7 est envoyée à l'échangeur de chaleur principal E1 où elle se refroidit jusqu'à une température intermédiaire de cet échangeur qui est inférieure à -100°C. A cette température le débit 7 est envoyé à une turbine T où il est détendu à la pression de la première colonne. La partie 9 de l'air est surpressée dans un deuxième surpresseur B2. L'air surpressé est envoyée, après refroidissement dans un réfrigérant à eau, au bout chaud de l'échangeur de chaleur E1 où elle se refroidit à une température intermédiaire de l'échangeur mais supérieure ou égale à la température d'entrée de la turbine T. L'air 9 sort de l'échangeur E1 à cette température intermédiaire et est surpressé dans un deuxième surpresseur B2. L'air surpressé est renvoyé dans l'échangeur E1 à une température supérieure à la température d'entrée de la turbine T. L'air surpressé dans B2 poursuit son refroidissement dans l'échangeur de chaleur E1 jusqu'au bout froid et est détendu dans une vanne pour rentrer dans la colonne MP sous forme liquide ou pseudo condensé. Une partie de ce liquide détendu peut également être renvoyée vers la colonne basse pression BP.
Le premier et deuxième surpresseurs sont tous deux des surpresseurs mono- étagés, n'ayant qu'une seule roue de compression. La roue du premier surpresseur B1 , la roue du deuxième surpresseur B2 et la roue de la turbine T sont montées sur le même axe de rotation ou sur des axes solidairement liés. La turbine T n'est couplée ni à une génératrice ni à un frein d'huile. Elle entraîne uniquement les premier et deuxième surpresseurs B1 , B2.
Le premier surpresseur B1 a une température d'entrée supérieure à 0°C. Le deuxième surpresseur B2 a une température d'entrée inférieure à -100°C.
Pour les deux figures, le travail généré par la turbine de détente est utilisé pour l'étape de compression cryogénique dans le premier surpresseur et pour l'étape de compression dans le deuxième surpresseur.
Les conditions opératoires de la roue de la turbine de détente T, de la roue du premier surpresseur B1 et de la roue du deuxième surpresseur B2 sont définies pour permettre une vitesse de rotation commune à ces trois roues.
La roue du premier surpresseur B1 , la roue du deuxième surpresseur B2 et la roue de la turbine T sont montées sur le même axe de rotation dans les figures/
Sinon chaque surpresseur peut être relié à la roue de la turbine par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique.
Au moins une des roues parmi la roue de détente, la roue du premier surpresseur et la roue du deuxième surpresseur a un rendement inférieur à celui qu'elle aurait, dans les mêmes conditions opératoires, avec une autre vitesse de rotation.
Ainsi au moins une, voire au moins deux, voire toutes tes roues ne fonctionnent pas à leur rendement optimal.
Il sera compris que l'invention s'applique également au cas où un débit d'azote ou un autre gaz provenant de la distillation est surpressé dans un premier surpresseur ayant une température d'entrée supérieure à -50°C et un deuxième surpresseur ayant une température d'entrée inférieure à -100°C.

Claims

Revendications
1 . Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, dans lequel de l'air est comprimé dans un premier compresseur, refroidi dans un échangeur de chaleur (E1 ) et puis séparé dans un système de colonnes (MP, BP), de l'oxygène liquide (1 1 ) est vaporisé dans l'échangeur de chaleur à contre-courant d'un débit de gaz sous pression qui se (pseudo) condense, un débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est détendu dans une turbine de détente cryogénique à une seule roue, et éventuellement dans une deuxième turbine de détente à une seule roue, chaque turbine ayant une température d'entrée inférieure à -100°C, un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est comprimé dans un premier surpresseur (B1 ) à une seule roue avec une température d'entrée supérieure à -50°C, un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes, ce gaz ayant déjà été comprimé dans le premier surpresseur, est comprimé dans un deuxième surpresseur (B2) à une seule roue avec une température d'entrée inférieure à -100°C, le gaz surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidit dans l'échangeur de chaleur, participe à la vaporisation d'oxygène liquide par échange de chaleur dans l'échangeur, et est (pseudo) liquéfié en sortie au bout froid de l'échangeur de chaleur dans lequel :
a) le travail généré par la turbine de détente (T) et éventuellement la deuxième turbine de détente est utilisé pour l'étape de compression dans le premier surpresseur et pour l'étape de compression dans le deuxième surpresseur,
b) les conditions opératoires de la roue de la turbine de détente, éventuellement de la roue de la deuxième turbine de détente, de la roue du premier surpresseur et de la roue du deuxième surpresseur sont définies telles que ces trois, voire quatre, roues aient une vitesse de rotation commune,
c) i) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine et éventuellement la roue de la deuxième turbine de détente sont montées sur le même axe de rotation ou
ii) le premier et le deuxième surpresseur sont reliés à la roue de la turbine de détente, et éventuellement à la roue de la deuxième turbine, chacun par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique ou iii) le premier surpresseur et la roue de la turbine de détente sont reliés au deuxième surpresseur, chacun par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique, et
d) la première étape de compression permet de générer du travail extérieur à la boite froide, ce qui génère de la puissance frigorifique pour le procédé de séparation d'air.
2. Procédé selon la revendication 1 , utilisant la deuxième turbine de détente selon lequel les deux turbines fonctionnent en parallèle et le débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes est divisé en deux fractions, chacune étant détendue dans une des deux turbines.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins une des roues parmi la roue de détente (T), la roue de la deuxième turbine de détente, la roue du premier surpresseur (B1 ) et la roue du deuxième surpresseur (B2) a un rendement inférieur à celui qu'elle aurait, dans les mêmes conditions opératoires, avec une autre vitesse de rotation.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur (B1 , B2) est de l'air destiné à la distillation.
5. Procédé selon la revendication 1 , 2 ou 3 dans lequel au moins une partie de l'air, voire tout l'air ou au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur (B1 ) est ensuite comprimée dans le deuxième surpresseur (B2).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le travail produit par la turbine (T), et éventuellement la deuxième turbine, n'est pas transféré à une génératrice, à un frein d'huile ou à un compresseur autre que les premier et deuxième surpresseurs (B1 , B2).
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'entrée de la turbine (T), et éventuellement de la deuxième turbine, est plus basse que la température d'entrée du deuxième surpresseur (B2) et/ou la température d'entrée du premier surpresseur (B1 ).
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air est surpressé d'abord dans le premier surpresseur (B1 ) et ensuite dans le deuxième surpresseur (B2).
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel tout l'air surpressé dans le premier surpresseur (B1 ) est surpressé ensuite dans le deuxième surpresseur (B2).
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air détendu dans la turbine (T) a été surpressé dans le premier surpresseur (B1 ).
1 1 . Procédé selon la revendication 10 dans lequel l'air détendu dans la turbine (T) a déjà été surpressé dans le premier surpresseur (B1 ) et éventuellement dans le deuxième surpresseur (B2).
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'air détendu dans la turbine (T) n'a pas été surpressé dans le premier ou le deuxième surpresseur.
13. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un échangeur de chaleur (E1 ), une conduite pour envoyer de l'air comprimé dans un premier compresseur se refroidir dans l'échangeur de chaleur, un système de colonnes (MP, BP), une conduite pour envoyer l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur se séparer dans le système de colonnes, une conduite pour envoyer de l'oxygène liquide (1 1 ) du système se vaporiser dans l'échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer d'un débit de gaz sous pression dans l'échangeur de chaleur, une turbine de détente cryogénique (T) à une seule roue, une conduite reliée à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur pour envoyer un débit de gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes de l'échangeur de chaleur se détendre dans la turbine de détente cryogénique (T), éventuellement dans une deuxième turbine de détente, chaque turbine ayant une température d'entrée inférieure à -100°C, un premier surpresseur (B1 ) à un seul étage avec une température d'entrée supérieure à -50°C, une conduite, éventuellement reliée à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur, pour envoyer un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes se surpresser dans le premier surpresseur, un deuxième surpresseur (B2) à un seul étage avec une température d'entrée inférieure à -100°C, une conduite reliée à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur pour envoyer un gaz qui est de l'air ou un gaz provenant du système de colonnes se surpresseur dans le deuxième surpresseur, le cas échéant des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz, voire tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur (B1 ) se surpresser dans le deuxième surpresseur (B2), une conduite pour envoyer le gaz surpressé dans au moins le premier surpresseur se refroidir dans l'échangeur de chaleur et ainsi participer à la vaporisation d'oxygène liquide par échange de chaleur dans l'échangeur, dans lequel :
a) la roue de la turbine de détente, éventuellement la roue de la deuxième turbine, la roue du premier surpresseur et de la roue du deuxième compresseur sont reliées entre elles de sorte que chaque roue puisse avoir la même vitesse de rotation et
b) i) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la turbine et éventuellement la roue de la deuxième turbine de détente sont montées sur le même axe de rotation ou
ii) le premier et le deuxième surpresseur sont reliés à la roue de la turbine de détente, et éventuellement à la roue de la deuxième turbine, chacun par un axe de rotation, ces axes étant capables de tourner à vitesse de rotation identique ou
iii) le premier surpresseur et la roue de la turbine de détente sont reliées au deuxième surpresseur, chacun par un axe de rotation, ces axes étant capable de tourner à vitesse de rotation identique.
14. Appareil selon la revendication 13 dans lequel le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur (B1 , B2) est de l'air destiné à la distillation.
15. Appareil selon la revendication 13 ou 14 comprenant des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air, voire tout l'air comprimé dans le premier surpresseur (B1 ) se surpresser dans le deuxième surpresseur (B2).
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