FR2984474A1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique Download PDF

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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, de l'air est comprimé dans un compresseur ayant au moins un étage (5, 17, 31), l'air comprimé est refroidi puis envoyé à une unité d'épuration (65) ayant plusieurs bouteilles d'adsorbant, l'air épuré est séparé par distillation cryogénique pour former au moins un fluide enrichi en azote ou en oxygène, un débit d'azote gazeux (55) provenant de la distillation cryogénique est chauffé au moyen d'un débit de vapeur d'eau (61), avant de servir à régénérer une bouteille d'adsorbant, pour former de l'azote chauffé et de la vapeur d'eau condensée (69) et l'on envoie au moins une partie de la vapeur d'eau condensée sous une pression supérieure à 100 bars abs et à une température d'au moins 100°C se mélanger avec de l'air en amont d'au moins un étage du compresseur.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Il est nécessaire de comprimer l'air destiné à la distillation cryogénique et ensuite de l'épurer dans une unité d'épuration pour enlever l'eau et le dioxyde de carbone. L'unité d'épuration comprend des lits d'adsorbants qui doivent être régénérés avec un débit d'azote gazeux provenant de la distillation cryogénique. Ce débit d'azote est réchauffé à la température requise dans un réchauffeur de régénération, utilisant de la vapeur d'eau à température élevée, comme décrit dans US-A-6984258. En s'appuyant sur le fait que les compresseurs sont plus efficaces à basse température, l'invention propose de diminuer la puissance de compression de l'air en rendant la compression plus isotherme. 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 compresseur ayant au moins un étage, l'air comprimé est refroidi puis envoyé à une unité d'épuration ayant plusieurs bouteilles d'adsorbant, l'air épuré est séparé par distillation cryogénique pour former au moins un fluide enrichi en azote ou en oxygène, un débit d'azote gazeux provenant de la distillation cryogénique est chauffé au moyen d'un débit de vapeur d'eau avant de servir à régénérer une bouteille d'adsorbant pour former de l'azote chauffé et de la vapeur d'eau condensée caractérisé en ce que l'on envoie au moins une partie de la vapeur d'eau condensée sous une pression supérieure à 100 bars abs et à une température d'au moins 100°C se mélanger avec de l'air en amont d'au moins un étage du compresseur. Selon d'autres objets facultatifs : on envoie l'eau condensée en amont d'un premier étage de compression, on refroidit l'air comprimé en aval du premier étage et on sépare de l'eau de l'air pour former un débit d'air à recomprimer dans un étage ultérieur ou à refroidir en amont de l'unité d'épuration. - le premier étage comprime de l'air substantiellement à partir de la pression atmosphérique. - on déclenche l'envoi d'eau dans l'air à comprimer uniquement si la 5 température ambiante dépasse un seuil donné. - pendant une première période, l'azote est chauffé au moyen d'un débit de vapeur d'eau avant de servir à régénérer une bouteille d'adsorbant et pendant une deuxième période, l'azote n'est pas chauffé au moyen du débit de vapeur d'eau avant de servir à la régénération de la bouteille et dans lequel 10 pendant au moins une partie de la première période la vapeur d'eau condensée est en partie stockée dans un stockage et pendant au moins une partie de la deuxième période, la vapeur d'eau n'échange pas de chaleur avec l'azote et l'eau stockée est déstockée pour être envoyée au compresseur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation 15 d'air comprenant un compresseur ayant au moins un étage, un moyen de refroidissement, une unité d'épuration, une unité de distillation cryogénique comprenant un système de colonnes et un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air au compresseur, des moyens pour envoyer de l'air comprimé du compresseur au moyen de refroidissement, des moyens pour 20 envoyer de l'air du moyen de refroidissement à l'unité d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air épuré de l'unité d'épuration à l'unité de distillation cryogénique, des moyens pour réchauffer un débit d'azote gazeux provenant de l'unité de distillation cryogénique, des moyens pour envoyer de la vapeur d'eau aux moyens pour réchauffer le débit d'azote gazeux, des moyens pour envoyer le 25 débit d'azote gazeux réchauffé à l'unité d'épuration caractérisé ce qu' il comprend des moyens pour pressuriser de la vapeur d'eau condensée contre le débit d'azote gazeux pour former de l'eau sous pression et des moyens pour envoyer au moins une partie de l'eau sous pression en amont d'au moins un des étages du compresseur, mélangé avec l'air à comprimer. 30 Selon d'autres aspects facultatifs : - l'appareil comprend un séparateur de phases en aval d'un étage du compresseur pour séparer de l'eau du débit d'air comprimé. - les moyens pour envoyer l'eau sous pression sont reliés à un point en amont d'un étage du compresseur comprimant l'air à partir de substantiellement la pression atmosphérique. - l'appareil comprend des moyens pour déclencher l'envoi d'eau sous 5 pression en amont d'un étage de compresseur si la température dépasse un seuil donné. - l'appareil comprend un moyen de stockage de vapeur d'eau condensée relié en amont d'au moins un des étages du compresseur et aux moyens pour réchauffer le débit d'azote gazeux. 10 - le moyen de stockage est un réservoir. L'invention propose d'injecter des gouttelettes d'eau chaude déminéralisée sous pression en amont du compresseur. Cette eau est vaporisée dans le compresseur, pendant la compression. Cela permet de limiter l'échauffement de l'air et donc d'améliorer l'efficacité du compresseur. L'eau chaude sous pression 15 et surchauffée permet d'obtenir des gouttelettes de petites tailles, évitant ainsi d'endommager les parties tournantes (roues ou ailettes) du compresseur. L'eau chaude provient des condensats du réchauffeur de régénération, lorsque celui-ci utilise de la vapeur qui se condense (sans être sous-refroidie) pour réchauffer l'azote résiduaire lors de la régénération de l'épuration. 20 La compression de l'air s'effectue à travers un ou plusieurs étages de compressions centrifuges ou axiaux. Entre ces étages de compression, l'air peut être refroidi à température ambiante, de façon à limiter l'échauffement de l'air. On parle alors de compression isotherme. S'il n'y a pas de refroidissement intermédiaire, on parle de compression adiabatique. 25 L'injection d'eau en amont des compresseurs est déjà réalisée sur certaines turbines à gaz pour améliorer les performances. L'injection se fait à travers des buses à trous micrométriques et à très forte pression (200 bars). Généralement, entre 1`)/0 et 3% du débit molaire d'air est ainsi injecté. L'invention propose d'injecter de l'eau déminéralisée surchauffée et sous 30 pression, prélevée en sortie de réchauffeur à vapeur de régénération de l'épuration de l'appareil de séparation d'air, en amont du premier étage de compression, et éventuellement sur d'autres étages de compression pour générer de très fines gouttelettes (< 5 pm), évitant ainsi d'endommager les parties tournantes (roues ou ailettes) du compresseur. L'eau injectée peut ensuite être récupérée lors des refroidissements soit intermédiaires soit final de l'air, après condensation de celle-ci. On récupère aussi l'eau existante dans l'air ambiant (humidité). Cette eau, éventuellement en excès par rapport au prélèvement en sortie du réchauffeur, peut être envoyée à un système de traitement d'eau pour être de nouveau utilisé dans un système de génération de vapeur. Par exemple, avec des buses SwirFlash ®, on utilisera de l'eau à 180°C (température de la vapeur condensée en sortie de réchauffeur de régénération) que l'on surpressera à 130 bar. Cela permettra d'obtenir des gouttelettes de 2-3 pm. L'injection d'eau peut être envisagée tout le temps que le réchauffage de l'azote est en marche ou uniquement lorsque la température ambiante est élevée (typiquement en été). Dans ce cas, un moyen de détection de température TIC peut détecter quand la température dépasse un seuil donné et déclencher l'envoi 15 d'eau en conséquence, par exemple en ouvrant une vanne en aval de la capacité 74. Le gain énergétique est d'environ 2-3% sur un compresseur dit isotherme, et peut être supérieure à 10% sur un compresseur adiabatique. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui 20 représente un appareil de séparation d'air selon l'invention. De l'air 1 est envoyé à au premier étage 5 d'un compresseur centrifuge ou axial. Avant de rentrer dans cet étage, de l'eau à 180°C 77 est injectée dans l'air pour former un débit d'air 3 chargé de gouttelettes d'eau. L'eau de vaporise pendant la compression dans l'étage 5 pour former un débit d'air 6 qui est refroidi 25 par le refroidisseur 7 et envoyé à un premier séparateur de phases 9. Une partie de l'eau injectée 77 et de l'eau déjà présente dans le débit 1 s'il est humide se trouvera dans l'eau 11 qui est soutiré du séparateur de phases 9. L'air 13 reçoit une injection d'eau 79 pour former de l'air 15 chargé de gouttelettes d'eau. L'air 15 est comprimé dans le deuxième étage 17 du compresseur. L'air comprimé est 30 refroidi par le refroidisseur 19 pour former le débit 21 qui est envoyé au deuxième séparateur de phases 23 d'où on sort de l'eau 25. L'air 27 provenant du séparateur de phases 23 reçoit de l'eau 81 à 180°C et le mélange 29 d'air comprimé et de gouttelettes d'eau est envoyé au troisième étage de compression 31. L'air comprimé 33 est refroidi par le refroidisseur 35 pour condenser l'eau qu'il contient. Le troisième séparateur de phases 37 permet d'enlever l'eau 39. Le gaz 41 est envoyé à une tour de refroidissement 43 où il est lavé pour le refroidir par de l'eau 85 et 49. L'air refroidi dans la tour 43 est envoyé à une unité d'épuration 65 comprenant deux bouteilles d'adsorbant qui doivent être périodiquement régénérées. L'air y est épuré en eau et en dioxyde de carbone puis est envoyé comme débit 56 à une unité de distillation cryogénique 54. Là le débit 56 se refroidit dans un échangeur de chaleur (non illustré) jusqu' à la température de distillation. L'air épuré et refroidi est envoyé à un système de colonnes de l'unité 54 comprenant une, deux ou trois colonnes de distillation. Un débit d'azote gazeux 53 est soutiré du système de colonnes, réchauffé dans l'échangeur de chaleur et est divisé en deux. Une partie 55 de l'azote gazeux sert à régénérer périodiquement les bouteilles d'adsorbant de l'unité 65. Avant cela, elle est réchauffée dans un réchauffeur 63 au moyen d'un débit de vapeur d'eau 61 à haute température. La vapeur se trouve au moins partiellement condensée. L'eau condensée 69 dans le réchauffeur 63 est à 180°C. Une partie de l'eau 71 circule dans le circuit d'eau pour le réchauffage et le reste 73 est pompé à une pression de 130 bars abs dans la pompe 75. Eventuellement l'eau chaude n'est envoyée au compresseur que pendant la régénération avec de l'azote chauffé. Si par contre l'eau chaude doit être envoyée au compresseur en dehors de cette période, par exemple en étant toujours envoyée au compresseur quand l'azote n'est plus chauffé, des dispositions particulières peuvent être prévues. Quand l'azote est chauffé, l'eau chaude produite 73 est stockée en partie dans une capacité tampon 74 au moins une partie du temps. Ensuite quand l'azote n'est plus envoyé au réchauffeur 63, celui-ci n'est pas alimenté non plus en vapeur d'eau. L'eau chaude 73 provisoirement stockée dans une capacité tampon 74, est utilisée par exemple pendant la régénération avec de l'azote non-réchauffé : ceci permet de pouvoir injecter en continue de l'eau dans le compresseur. Ensuite de l'eau est envoyée comme débit 77 vers l'amont du premier étage 5 du compresseur. D'autres débits 79, 81 peuvent également être envoyés en amont des autres étages 17, 31. Le refroidissement en aval du dernier étage 31 peut être omis en cas d'un compresseur adiabatique.
L'eau 11, 25, 39 récupérée dans les séparateurs de phases peut être traitée pour servir à former de la vapeur, par exemple pour le réchauffage de l'azote de régénération 55. L'autre partie de l'azote 57 est envoyé à une tour 47 où se refroidit l'eau destinée à la tour de refroidissement 43. L'eau 87 est divisée du débit 83 dont une partie 85 est envoyée à un niveau intermédiaire de la tour 43. L'eau 87 est envoyée en haut de la tour 47 et sort refroidie en cuve de la tour 47 comme débit 49 à pressuriser dans la pompe 51 avant envoi à la tour 43. L'azote réchauffé 59 sort de la tête de la tour 47.
Il sera compris que le compresseur peut avoir n'importe lequel nombre d'étages.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel de l'air est comprimé dans un compresseur ayant au moins un étage (5, 17, 31), l'air comprimé est refroidi puis envoyé à une unité d'épuration (65) ayant plusieurs bouteilles d'adsorbant, l'air épuré est séparé par distillation cryogénique pour former au moins un fluide enrichi en azote ou en oxygène, un débit d'azote gazeux (55) provenant de la distillation cryogénique est chauffé au moyen d'un débit de vapeur d'eau (61) avant de servir à régénérer une bouteille d'adsorbant pour former de l'azote chauffé et de la vapeur d'eau condensée (69) caractérisé en ce que l'on envoie au moins une partie de la vapeur d'eau condensée sous une pression supérieure à 100 bars abs et à une température d'au moins 100°C se mélanger avec de l'air en amont d'au moins un étage du compresseur.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie l'eau condensée en amont d'un premier étage de compression (5, 17), on refroidit l'air comprimé en aval du premier étage et on sépare de l'eau de l'air pour former un débit d'air à recomprimer dans un étage ultérieur (17, 31) ou à refroidir en amont de l'unité d'épuration.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le premier étage (5) comprime de l'air à partir de la pression atmosphérique.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on déclenche l'envoi d'eau dans l'air à comprimer uniquement si la température ambiante dépasse un seuil donné.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant une première période, l'azote est chauffé au moyen d'un débit de vapeur d'eau avant de servir à régénérer une bouteille d'adsorbant et pendant une deuxième période, l'azote n'est pas chauffé au moyen du débit de vapeur d'eauavant de servir à la régénération de la bouteille et dans lequel pendant au moins une partie de la première période la vapeur d'eau condensée est en partie stockée dans un stockage (74) et pendant au moins une partie de la deuxième période, la vapeur d'eau n'échange pas de chaleur avec l'azote et l'eau stockée est déstockée pour être envoyée au compresseur.
  6. 6. Appareil de séparation d'air comprenant un compresseur ayant au moins un étage (5, 17, 31), un moyen de refroidissement (43), une unité d'épuration (65) ayant plusieurs bouteilles d'adsorbant, une unité de distillation cryogénique (54) comprenant un système de colonnes et un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air au compresseur, des moyens pour envoyer de l'air comprimé du compresseur au moyen de refroidissement, des moyens pour envoyer de l'air du moyen de refroidissement à l'unité d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air épuré de l'unité d'épuration à l'unité de distillation cryogénique, des moyens (63) pour réchauffer un débit d'azote gazeux provenant de l'unité de distillation cryogénique, des moyens pour envoyer de la vapeur d'eau (61) aux moyens pour réchauffer le débit d'azote gazeux, des moyens pour envoyer le débit d'azote gazeux réchauffé à l'unité d'épuration caractérisé ce qu' il comprend des moyens (75) pour pressuriser de la vapeur d'eau condensée contre le débit d'azote gazeux pour former de l'eau sous pression et des moyens pour envoyer au moins une partie de l'eau sous pression en amont d'au moins un des étages du compresseur, mélangée avec l'air à comprimer.
  7. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant un séparateur de phases (9, 23, 37) en aval d'un étage du compresseur pour séparer de l'eau du débit d'air comprimé.
  8. 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 dans lequel les moyens pour 30 envoyer l'eau sous pression sont reliés à un point en amont d'un étage du compresseur comprimant l'air à partir de substantiellement la pression atmosphérique.
  9. 9. Appareil selon l'une des revendications 6 à 8 comprenant des moyens (TIC) pour déclencher l'envoi d'eau sous pression en amont d'un étage de compresseur si la température dépasse un seuil donné.
  10. 10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 comprenant un moyen de stockage (74) de vapeur d'eau condensée relié en amont d'au moins un des étages du compresseur (5) et aux moyens (63) pour réchauffer le débit d'azote gazeux. 10
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