FR2783044A1 - Device for separating air where recycled gas is used to cool the high pressure column - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à un appareil de séparation des gaz deThe present invention relates to an apparatus for the separation of
l'air qui comprend: une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage disposé dans la tête de ladite colonne et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène disposé dans le fonds de ladite colonne, une colonne de rectification basse pression ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression disposé dans la tête de ladite colonne et un premier échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification avec l'air d'alimentation; et une unité de fourniture de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur d'une source externe de froid avec un gaz de recyclage; et qui a, en plus, un surpresseur pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passée à travers ledit premier échangeur de chaleur et acheminant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de froid et, concrètement, à un appareil de séparation des gaz de l'air dans lequel la séparation de l'air est effectuée en utilisant un froid provenant de l'extérieur par échange de chaleur avec de l'azote gazeux liquéfié (LNG) ou un produit similaire. Pour ce genre d'appareil de séparation des gaz de l'air, on ne connaît jusqu'ici qu'un appareil de séparation des gaz de l'air construit de manière telle qu'un passage de retour de gaz de recyclage soit prévu pour le retour direct dudit gaz de recyclage à la partie supérieure d'une colonne de air which comprises: a supply air unit, an air separation unit composed of a high pressure rectification column having a recirculation gas discharge orifice disposed in the head of said column and an oxygen-enriched air reboiler disposed in the bottom of said column, a low pressure rectification column having a low pressure nitrogen gas discharge orifice disposed in the head of said column and a first heat exchanger for setting implementing heat exchange of the evacuated low temperature gases from said two rectification columns with the supply air; and a cold supply unit having a second heat exchanger for carrying out heat exchange from an external source of cold with a recycle gas; and which has, in addition, a booster to increase the pressure of a portion of the low-pressure nitrogen gas which has passed through said first heat exchanger and conveying the pressurized nitrogen gas to said cold unit and, concretely, to an air gas separation apparatus in which air separation is carried out using cold from the outside by heat exchange with liquefied nitrogen gas (LNG) or the like. For this type of air gas separation device, hitherto only an air gas separation device is known, so constructed that a return passage for recycling gas is provided for the direct return of said recycling gas to the upper part of a column of
rectification haute pression.high pressure grinding.
Dans l'appareil de séparation des gaz de l'air classique mentionné cidessus, on a proposé une construction o une variation dans la quantité d'air séparé dépendant d'une variation dans la quantité de fourniture d'un froid externe comme un gaz LNG est réduite au maximum (voir le bulletin officiel de la publication de brevet japonais numéro 9, 274/1990) ou bien une construction o on la met en mesure d'utiliser de manière plus efficace l'unité de fourniture In the apparatus for separating the gases from the conventional air mentioned above, a construction has been proposed where a variation in the quantity of separated air depends on a variation in the quantity of supply of an external cold such as an LNG gas. is reduced to a minimum (see the official bulletin of Japanese patent publication number 9, 274/1990) or a construction where it is able to use the supply unit more efficiently
de froid (voir brevet japonais numéro 2,522,021). cold (see Japanese patent number 2,522,021).
Dans la mesure o une telle construction a été adoptée, cependant, le retour d'un gaz de recyclage a été directement conduit à la partie supérieure d'une colonne de rectification haute pression même si l'on veut utiliser une source de froid externe, et, par conséquent, le gaz de recyclage n'a pas contribué à l'amélioration d'une efficacité de séparation de l'air de ladite Insofar as such a construction has been adopted, however, the return of a recycling gas has been directly led to the upper part of a high pressure rectification column even if it is desired to use an external cold source, and, therefore, the recycle gas did not contribute to the improvement of an air separation efficiency from said
colonne de rectification.rectification column.
En considération des faits réels susmentionnés, la présente invention a pour objet de fournir un appareil de séparation des gaz de l'air dans lequel l'objectif de l'art antérieur mentionné ci-dessus est développé et o la In consideration of the aforementioned real facts, the object of the present invention is to provide an apparatus for separating gases from air in which the objective of the prior art mentioned above is developed and where the
consommation d'énergie électrique peut être encore réduite. electrical energy consumption can be further reduced.
La construction caractéristique de l'appareil de séparation des gaz de l'air conformément à la présente invention visant à atteindre cet objectif réside en: un appareil de séparation des gaz de l'air qui comprend: une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage disposé dans la tête de ladite colonne et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène disposé dans le fond de ladite colonne, une colonne de rectification basse pression ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression disposé dans la tête de ladite colonne et un premier échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification avec l'air d'alimentation; et une unité de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur d'une source externe de froid avec un gaz de recyclage; et qui a, en plus, un surpresseur pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passé à travers ledit premier échangeur de chaleur et acheminant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de froid, caractérisé en ce que l'on prévoit un passage de retour du gaz de recyclage pour acheminer le gaz de recyclage qui est passé à travers ladite unité de froid à la tête de la colonne de ladite colonne de rectification haute pression par l'intermédiaire du rebouilleur dans The characteristic construction of the air gas separation apparatus in accordance with the present invention aiming to achieve this objective resides in: an air gas separation apparatus which comprises: a supply air unit, an air separation unit composed of a high pressure rectification column having a recirculation gas discharge orifice disposed in the head of said column and an oxygen-enriched air reboiler arranged in the bottom of said column , a low pressure rectification column having a discharge port for low pressure nitrogen gas disposed in the head of said column and a first heat exchanger for implementing heat exchange of the low temperature gases discharged from said two rectification columns with supply air; and a cold unit having a second heat exchanger for carrying out heat exchange from an external source of cold with a recycling gas; and which has, in addition, a booster to increase the pressure of a portion of the low pressure nitrogen gas which has passed through said first heat exchanger and conveying the pressurized nitrogen gas to said cold unit, characterized in that that there is provided a return passage of the recycling gas to convey the recycling gas which has passed through said cold unit to the head of the column of said high pressure rectification column via the reboiler in
le fond de colonne de la colonne de rectification haute pression. the column bottom of the high pressure rectification column.
De plus, un tronçon de rectification est prévu de préférence entre la partie d'admission d'air d'alimentation de ladite colonne de rectification haute In addition, a rectification section is preferably provided between the supply air intake portion of said high rectification column.
pression et ledit rebouilleur.pressure and said reboiler.
Du fait de la construction susmentionnée, notamment le gaz de recyclage qui est passé à travers ladite unité de fourniture de froid est fourni en tête de ladite colonne de rectification haute pression par l'intermédiaire du rebouilleur disposé dans le fond de colonne de la colonne de rectification haute pression, et par conséquent, le gaz enrichi en oxygène dans le fond de colonne est rebouilli par le même gaz de recyclage. Il en résulte que l'efficacité de rectification de la colonne de rectification haute pression est améliorée et que la quantité d'azote gazeux recyclé extrait de la tête de colonne de celle-ci est augmentée. En conséquence, la quantité de gaz qui a été surpressée par le surpresseur et a été fournie à l'unité de fourniture de froid est diminuée dans une proportion correspondante. La quantité d'énergie électrique, Due to the aforementioned construction, in particular the recycling gas which has passed through said cold supply unit is supplied at the head of said high pressure rectification column by means of the reboiler arranged in the column bottom of the column of high pressure rectification, and therefore the oxygen-enriched gas at the bottom of the column is reboiled by the same recycle gas. As a result, the rectification efficiency of the high pressure rectification column is improved and the amount of recycled nitrogen gas extracted from the column head thereof is increased. Consequently, the amount of gas which has been boosted by the booster and has been supplied to the cold supply unit is decreased in a corresponding proportion. The amount of electrical energy,
correspondant à cette proportion décroissante, peut notamment être réduite. corresponding to this decreasing proportion, can in particular be reduced.
En prévoyant un tronçon de rectification entre la partie d'admission d'air d'alimentation de ladite colonne de rectification haute pression et ledit rebouilleur, la concentration en oxygène enrichi dans le fond de colonne est augmentée et l'efficacité de rectification est ainsi encore améliorée et ceci peut By providing a rectification section between the supply air intake portion of said high pressure rectification column and said reboiler, the concentration of enriched oxygen in the bottom of the column is increased and the rectification efficiency is thus further improved and this can
contribuer à la réduction de la conservation électrique. contribute to the reduction of electrical conservation.
Par référence maintenant au dessin ci-joint, on décrira ici un mode With reference now to the attached drawing, a mode will be described here
de réalisation de la présente invention. of the present invention.
La figure 1 est un schéma de fabrication montrant un mode de réalisation de l'appareil de séparation des gaz de l'air utilisant une source de froid externe conformément à la présente invention. L'appareil de séparation des gaz de l'air comprend notamment une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation des gaz de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression 5, ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage 51, disposé dans la tête de colonne de celle-ci et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène disposé dans le fond de colonne de celle-ci, une colonne de rectification basse pression 6, ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression 61 disposé dans la tête de colonne de celle-ci et un premier échangeur de chaleur E1 pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification 5, 6 avec l'air d'alimentation et une unité de fourniture de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur E2 pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur entre une source externe de froid et un gaz de recyclage, et a, de plus, un compresseur d'appoint Cl pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passé à travers ledit premier échangeur de chaleur E1 et fournissant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de froid, o un passage de retour du gaz de recyclage P25, P26 est prévu pour fournir le gaz de recyclage qui est passé à travers ladite unité de fourniture de froid à la tête de colonne de ladite colonne de rectification haute pression 5 par l'intermédiaire du rebouilleur E4 dans le fond de colonne de la colonne de Figure 1 is a manufacturing diagram showing an embodiment of the air gas separation apparatus using an external cold source in accordance with the present invention. The air gas separation apparatus comprises in particular a supply air unit, an air gas separation unit composed of a high pressure rectification column 5, having a discharge outlet for recycling gas 51, disposed in the column head thereof and an oxygen-enriched air reboiler disposed in the column bottom thereof, a low pressure rectification column 6, having a discharge port d low pressure nitrogen gas 61 disposed in the column head thereof and a first heat exchanger E1 for the implementation of a heat exchange of the low temperature gases discharged from said two rectification columns 5, 6 with l supply air and a cold supply unit having a second heat exchanger E2 for carrying out a heat exchange between an external source of cold and a recycle gas, and also has a compressor booster Cl to increase the pr ession of a portion of the low pressure nitrogen gas which has passed through said first heat exchanger E1 and supplying the pressurized nitrogen gas to said cold unit, o a return passage for recycling gas P25, P26 is provided to supply the recycle gas which has passed through said cold supply unit to the column head of said high pressure rectification column 5 via reboiler E4 in the column bottom of the column
rectification haute pression 5.high pressure grinding 5.
De plus, un tronçon de rectification 53 est disposé entre la partie d'admission d'air d'alimentation 52 de ladite colonne de rectification haute In addition, a rectification section 53 is disposed between the supply air intake portion 52 of said high rectification column.
pression 5 et ledit rebouilleur E4.pressure 5 and said reboiler E4.
L'air d'alimentation, qui est passé à travers un filtre d'air 1 et a été débarrassé de la poussière contenue dans l'air, est conduit à un compresseur d'air 2 à travers un conduit P1 de manière à être comprimé à une pression IC2 d'environ 5 kg/cm2G, et conduit par l'intermédiaire d'un conduit P2 à une unité de décarbonatation-séchage 3, o le dioxyde de carbone gazeux et I'humidité en sont éliminés, et est introduit alors dans le premier échangeur de chaleur E1 The supply air, which is passed through an air filter 1 and has been freed from the dust contained in the air, is led to an air compressor 2 through a duct P1 so as to be compressed at a pressure IC2 of approximately 5 kg / cm2G, and leads via a pipe P2 to a decarbonation-drying unit 3, where the carbon dioxide gas and the humidity are eliminated therefrom, and is then introduced in the first heat exchanger E1
par l'intermédiaire d'un conduit P3. via a P3 conduit.
De plus, I'unité de décarbonatation-séchage 3 utilisée ici comprend une paire de colonnes d'adsorption, et ces colonnes d'adsorption sont construites de telle manière qu'une colonne d'adsorption, qui vient d'effectuer la décarbonatation et le séchage de l'air d'alimentation, puisse être simultanément régénérée, alors même que l'autre colonne d'adsorption est en train d'effectuer la décarbonatation et le séchage. Ces colonnes d'adsorption peuvent notamment être appliquées en continu à la décarbonatation et au séchage de l'air d'alimentation grâce à un usage en alternance de chacune In addition, the decarbonation-drying unit 3 used here comprises a pair of adsorption columns, and these adsorption columns are constructed in such a way that an adsorption column, which has just effected the decarbonation and the drying of the supply air, can be simultaneously regenerated, while the other adsorption column is in the process of decarbonation and drying. These adsorption columns can in particular be applied continuously to the decarbonation and drying of the supply air by alternating use of each.
d'entre elles.between them.
L'air d'alimentation qui a été introduit dans le premier échangeur de chaleur E1 subit un échange de chaleur avec les gaz basse température The supply air which has been introduced into the first heat exchanger E1 undergoes a heat exchange with the low temperature gases.
évacués provenant des deux colonnes de rectification 5, 6, mentionnées ci- discharged from the two rectification columns 5, 6, mentioned above
dessous, de manière à être refroidi presque jusqu'au point de liquéfaction, et est alors introduit dans la colonne de rectification haute pression 5 à travers un conduit P4. Dans cette colonne de rectification haute pression 5, I'air d'alimentation est rectifié de manière à produire de l'azote gazeux et de l'azote liquide dans la tête de colonne et un liquide enrichi en oxygène dans le fond de colonne. Le liquide enrichi en oxygène recueilli dans le fond de colonne de ladite colonne de rectification haute pression 5 est conduit dans une vanne d'expansion Vl par l'intermédiaire d'un conduit P5, o il est soumis à une détente libre et est introduit dans la partie médiane de la colonne de below, so as to be cooled almost to the liquefaction point, and is then introduced into the high pressure rectification column 5 through a pipe P4. In this high pressure rectification column 5, the supply air is rectified so as to produce nitrogen gas and liquid nitrogen in the column head and an oxygen-enriched liquid at the bottom of the column. The oxygen-enriched liquid collected in the bottom of the column of said high-pressure rectification column 5 is led into an expansion valve V1 via a pipe P5, where it is subjected to free expansion and is introduced into the middle part of the column of
rectification basse pression 6.low pressure rectification 6.
Une partie de l'azote liquide produit dans la tête de colonne de la colonne de rectification haute pression 5 est conduite dans une vanne d'expansion V3 à travers un conduit P9 de manière à subir une détente libre et est alors introduite dans la tête de colonne de la colonne de rectification basse pression 6, et la partie restante de ce dernier sera évacuée en tant que produit Part of the liquid nitrogen produced in the column head of the high pressure rectification column 5 is led into an expansion valve V3 through a pipe P9 so as to undergo free expansion and is then introduced into the head of column of the low pressure rectification column 6, and the remaining part of the latter will be discharged as a product
d'azote liquide à travers un conduit P35. liquid nitrogen through a P35 conduit.
La colonne de rectification basse pression 6 reçoit, dans son fond de colonne, de la chaleur en provenance de la colonne de rectification haute pression 5 et produit de l'azote gazeux dans la tête de colonne et de l'oxygène liquide dans la partie inférieure. De plus, on évacuera le produit d'oxygène The low pressure rectification column 6 receives, at its bottom of the column, heat from the high pressure rectification column 5 and produces nitrogen gas in the column head and liquid oxygen in the lower part . In addition, the oxygen product will be removed
liquide par un conduit P36.liquid through a P36 conduit.
Un gaz résiduaire introduit dans le premier échangeur de chaleur E1 à travers un conduit P30 arrive à la température ambiante par l'intermédiaire d'un échange de chaleur avec l'air d'alimentation, et sera alors conduit dans l'unité de décarbonatation-séchage 3 à travers un conduit P31 et y sera utilisé A waste gas introduced into the first heat exchanger E1 through a pipe P30 arrives at ambient temperature by means of a heat exchange with the supply air, and will then be led into the decarbonation unit- drying 3 through a P31 conduit and will be used there
pour la régénération de l'unité de décarbonatation-séchage 3. for regeneration of the decarbonation-drying unit 3.
Dans la suite, on procédera à la description d'un gaz de recyclage. In the following, we will describe a recycling gas.
De l'azote gazeux basse pression qui a été introduit dans le premier échangeur de chaleur E1 à partir de la tête de colonne de ladite colonne de rectification basse pression 6 à travers un conduit Pl1 arrive à la température ambiante à une pression d'environ 0,05 kg/cm2G par un échange de chaleur avec l'air d'alimentation et il est alors introduit dans le surpresseur C1 à travers un conduit P12 de manière à subir une compression à une pression d'environ Low pressure nitrogen gas which has been introduced into the first heat exchanger E1 from the column head of said low pressure rectification column 6 through a pipe Pl1 arrives at ambient temperature at a pressure of approximately 0 0.05 kg / cm2G by heat exchange with the supply air and it is then introduced into the booster C1 through a pipe P12 so as to undergo compression at a pressure of approximately
4,2 kg/cm2G.4.2 kg / cm2G.
L'azote gazeux de complément comprimé par le surpresseur C1 est combiné à l'azote gazeux de recyclage ayant une pression d'environ 4,2 kg/cm2G qui y a été introduit à partir de la tête de colonne de la colonne de rectification haute pression 5 à travers un conduit P15, et l'azote gazeux résultant est alors comprimé à basse température à une pression d'environ 80 kg/cm2G par des compresseurs basse température C2, C3 de façon à devenir The additional nitrogen gas compressed by the booster C1 is combined with the recycling nitrogen gas having a pressure of approximately 4.2 kg / cm2G which has been introduced therein from the column head of the high rectification column pressure 5 through a pipe P15, and the resulting nitrogen gas is then compressed at low temperature to a pressure of about 80 kg / cm2G by low temperature compressors C2, C3 so as to become
du gaz de recyclage comprimé.compressed recycling gas.
Le gaz de recyclage comprimé qui a été comprimé à basse température à une pression d'environ 80 kg/cm2G est conduit dans le deuxième échangeur de chaleur E2 à travers un conduit P21 de manière à être refroidi par un froid qui est engendré quand le LNG monte en température ou s'évapore, et est alors introduit dans un échangeur de chaleur E3, o il transmet du froid au gaz de recyclage. Le gaz de recyclage comprimé est ensuite conduit à nouveau dans le deuxième échangeur de chaleur E2 et y est refroidi de manière à devenir de l'azote liquide. Cet azote liquide passe alors à travers un conduit P24, un sous-refroidisseur F et un conduit P25 et est soumis à un échange de chaleur avec du liquide enrichi en oxygène dans le rebouilleur E4, et passe alors à travers un conduit P26 et est soumis à une détente adiabatique libre dans la vanne de détente V4, et est alors introduit à The compressed recycling gas which has been compressed at low temperature to a pressure of about 80 kg / cm2G is led into the second heat exchanger E2 through a pipe P21 so as to be cooled by a cold which is generated when the LNG rises in temperature or evaporates, and is then introduced into a heat exchanger E3, where it transmits cold to the recycling gas. The compressed recycling gas is then led again into the second heat exchanger E2 and is cooled there so as to become liquid nitrogen. This liquid nitrogen then passes through a pipe P24, a sub-cooler F and a pipe P25 and is subjected to a heat exchange with liquid enriched in oxygen in the reboiler E4, and then passes through a pipe P26 and is subjected free adiabatic expansion in the expansion valve V4, and is then introduced to
la tête de colonne de la colonne de rectification haute pression 5. the column head of the high pressure rectification column 5.
De plus, la partie de l'air d'alimentation 52 pour ladite colonne de rectification haute pression 5 provient en principe dudit rebouilleur E4, et le tronçon de rectification 53 est garni avec des plateaux et du garnissage entre la partie d'admission d'air d'alimentation 52 et le rebouilleur E4, o la rectification de l'air est effectuée dans ce tronçon, I'efficacité de rectification de la colonne de rectification haute pression 5 pouvant être encore améliorée et la consommation d'énergie électrique dans le surpresseur Cl pouvant être réduite. Dans le cas o un écart de température entre les températures aux extrémités du premier échangeur de chaleur E1 est ajusté à 3 C et celui du rebouilleur E4 est ajusté à 2 C, concrètement, on peut voir que l'on obtient l'économie In addition, the part of the supply air 52 for said high-pressure rectification column 5 comes in principle from said reboiler E4, and the rectification section 53 is lined with trays and packing between the intake portion of supply air 52 and reboiler E4, where the air is rectified in this section, the rectification efficiency of the high pressure rectification column 5 can be further improved and the consumption of electrical energy in the booster Cl can be reduced. In the case where a temperature difference between the temperatures at the ends of the first heat exchanger E1 is adjusted to 3 C and that of the reboiler E4 is adjusted to 2 C, concretely, we can see that we obtain the economy
d'énergie indiquée dans le tableau 1, laquelle quantité contribuera à la réduction de 3 - of energy indicated in table 1, which quantity will contribute to the reduction of 3 -
% de l'énergie électrique requise pour la séparation de l'air. % of electrical energy required for air separation.
Tableau 1Table 1
Art antérieur Cette invention Quantité de froid Nm3/h 10 000 10 000 engendrée Quantité d'azote Nm3/h 15 252 15 252 haute pression requise Réduction du débit Nm3/h 0 - 2 700 (surpresseur) Réduction de la KW 0 206 quantité d'énergie électrique La figure 1 est un dessin du système montrant l'appareil de séparation des gaz de l'air utilisant une source de froid externe conformément PRIOR ART This invention Quantity of cold Nm3 / h 10,000 10,000 generated Quantity of nitrogen Nm3 / h 15,252 15,252 high pressure required Flow reduction Nm3 / h 0 - 2,700 (booster) Reduction in KW 0 206 quantity of electric power Figure 1 is a drawing of the system showing the apparatus for separating gases from air using an external cold source in accordance
à la présente invention.to the present invention.
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1999
- 1999-08-20 FR FR9910669A patent/FR2783044B1/en not_active Expired - Fee Related
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