EP3695180B1 - Procede de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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EP3695180B1
EP3695180B1 EP18773240.9A EP18773240A EP3695180B1 EP 3695180 B1 EP3695180 B1 EP 3695180B1 EP 18773240 A EP18773240 A EP 18773240A EP 3695180 B1 EP3695180 B1 EP 3695180B1
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EP
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booster compressor
turbine
wheel
air
compressed
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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
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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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 an apparatus for separating air by cryogenic distillation.
  • compressor drives by gas turbine, which reveals a hot gas turbine, driving its air compressor and another product compressor. But these arrangements, however complex they may be, are not applicable to cryogenic use: different type of turbines, subambient temperatures, no criticality of thermal losses.
  • the two compression stages will be arranged in series at the same flow rate.
  • this flow rate will be a part of the total air flow rate, which will first be compressed from 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 turbine wheel and those of the boosters rotate at the same rotation speed.
  • FIG. 1 represents an air separation process by cryogenic distillation in a double column having an optional minaret.
  • a flow of compressed air 1 at the pressure of the first column, designated by the reference MP, of the double column is divided in two.
  • a flow 3 cools in a main heat exchanger E1 and is sent to the first column MP.
  • the remainder of the air is boosted in an auxiliary booster S and cooled in a cooler R before being divided in 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 to 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 from 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 higher than the inlet temperature of the turbine T.
  • L The air 9 leaves the exchanger E1 at this intermediate temperature and is overpressurized in a second booster B2.
  • the superpressured air is returned to the exchanger E1 at a temperature higher than the intermediate temperature and the turbine inlet temperature T.
  • the superpressured air in B2 continues to cool in the heat exchanger E1 until 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 low pressure LP column.
  • Both the first and second blowers are single-stage blowers, having 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 integrally linked axes.
  • the T turbine 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, possibly greater than 0°C, preferably greater than 10°C.
  • the second booster B2 has an inlet temperature lower than -100°C.
  • a liquid enriched in oxygen and a liquid enriched in nitrogen are sent from the first column MP to the second column, designated by the reference BP, as reflux liquids.
  • An overhead gas from the first column condenses in a bottom condenser of the second column and is condensed and returned to the first column.
  • Air 9 leaves exchanger E1 at this intermediate temperature and is overpressured in a second booster B2.
  • the superpressurized air is returned to the exchanger E1 at a temperature higher than the inlet temperature of the turbine T.
  • the superpressured air in B2 continues to cool in the heat exchanger E1 to the cold end and is expanded 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 low pressure LP column.
  • Both the first and second blowers are single-stage blowers, having 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 integrally linked axes.
  • the T turbine 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 compression stage in the first booster and for the cryogenic compression stage in the second booster.
  • the operating conditions of the expansion turbine wheel T, the wheel of the first booster B1 and the wheel of the second booster B2 are defined to allow a common rotation speed for 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 turbine wheel by a rotation axis, these axes rotating at identical rotation speed.
  • At least one of the wheels among the expansion wheel, the wheel of the first booster and the wheel of the second booster has an efficiency lower than that which it would have, under the same operating conditions, with another rotation speed.

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Description

  • 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 oeuvre la compression cryogénique d'un gaz sont connues. Un moyen connu de mettre en oeuvre cette compression froide est d'entrainer 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 oeuvre 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 oeuvre 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, entrainant 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 entrainés 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 oeuvre, 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 les 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.
  • US2005/0126221 A1 , confer figure 7, décrit un procédé selon le préambule de la revendication 1.
  • Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé selon la revendication 1..
  • Selon d'autres aspects facultatifs :
    • 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 dans le deuxième surpresseur.
    • l'air détendu dans la turbine n'a pas été surpressé dans le premier ou le deuxième surpresseur.
  • 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 1 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 premier surpresseur B1. L'air surpressé est envoyée, après refroidissement dans un réfrigérant R 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 dans le premier surpresseur et pour l'étape de compression cryogénique 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 les 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 (11)

  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 (11) 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 première turbine de détente cryogénique à une seule roue, et éventuellement dans une deuxième turbine de détente à une seule roue, la turbine ou selon le cas 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 première 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) l'étape de compression dans le premier surpresseur permet de générer du travail extérieur à la boite froide, ce qui génère de la puissance frigorifique pour le procédé de séparation d'air, caractérisé en ce que
    c)
    i) la roue du premier surpresseur, la roue du deuxième surpresseur et la roue de la première 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 première 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 première turbine de détente sont reliés au deuxième surpresseur, chacun par un axe de rotation, ces axes tournant à vitesse de rotation identique,
    d) les conditions opératoires de la roue de la première 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,
    e) au moins une des roues parmi la roue de la première turbine de détente (T), 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.
  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 le gaz comprimé dans le premier et le deuxième surpresseur (B1, B2) est de l'air destiné à la distillation.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel tout l'air ou tout le gaz, comprimé dans le premier surpresseur (B1) est ensuite comprimée dans le deuxième surpresseur (B2).
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le travail produit par la première 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).
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'entrée de la première 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).
  7. 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).
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel tout l'air surpressé dans le premier surpresseur (B1) est surpressé ensuite dans le deuxième surpresseur (B2).
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air détendu dans la première turbine (T) a été surpressé dans le premier surpresseur (B1)
  10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'air détendu dans la première turbine (T) a déjà été surpressé dans le premier surpresseur (B1) et dans le deuxième surpresseur (B2).
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'air détendu dans la première turbine (T) n'a pas été surpressé dans le premier ou le deuxième surpresseur
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