FR2985305A1 - Procede et appareil de production de gaz de l'air sous pression utilisant un surpresseur cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de production de gaz de l'air sous pression utilisant un surpresseur cryogenique Download PDF

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, une partie (9) de l'air, est refroidie dans une première ligne d'échange (A), soutirée à une température intermédiaire de la première ligne d'échange, et surpressée à partir d'au moins la haute pression au moyen d'un surpresseur froid (17), puis est renvoyée dans la première ligne d'échange, et une autre fraction de l'air (7) à au moins la pression P1, est refroidie dans la deuxième ligne d'échange (B) jusqu'au bout froid de celle-ci et envoyée dans au moins une turbine.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de production de gaz de l'air sous pression utilisant un surpresseur cryogénique. Le terme « sous pression » veut dire que l'oxygène est produit à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Les procédés de génération d'oxygène sous pression dits « à surpresseur 10 froid » sont, dans les configurations que l'on met en oeuvre des procédés à mono machine, des procédés dans lesquels la totalité du débit d'air à traiter est comprimée par le compresseur d'air principal à une pression de l'ordre de 20 bars. Une partie de ce débit d'air subit une compression ultérieure, et en particulier au travers d'un surpresseur cryogénique ; un surpresseur cryogénique 15 est un compresseur qui comprime un débit déjà comprimé et qui a une température d'aspiration inférieure à -100°C. La pression la plus élevée est de l'ordre de 45 à 55 bars, pour une pression de fourniture d'oxygène de l'ordre de 30 bars. Ce niveau de pression restera néanmoins suffisamment élevé pour considérer que le dimensionnement et la réalisation de la ligne d'échange restera 20 critique et complexe et donc il est difficile de réduire les coûts de l'installation qui comprennent les coûts de cette ligne d'échange. L'objet de l'invention est de proposer un procédé alternatif permettant de réduire le prix de l'installation en utilisant des échangeurs simplifiés et rapides à fabriquer. 25 Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant un système de colonnes de distillation d'air, la colonne opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression, et au moins deux lignes d'échanges, chaque ligne d'échange ayant un bout chaud et un bout froid dans 30 lequel : a) tout l'air est porté à une pression P1 au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression, b) une partie de l'air, comprenant entre 10% et 50% du débit d'air sous haute pression, est refroidie dans une première ligne d'échange, soutirée à une température intermédiaire de la première ligne d'échange, et surpressée à partir d'au moins la haute pression au moyen d'un surpresseur froid, puis est renvoyée dans la première ligne d'échange, et dont au moins une partie se liquéfie au bout froid, puis est envoyée dans au moins une colonne du système de colonnes après détente, c) une autre fraction de l'air à au moins la pression Pl, constituant éventuellement le reste de l'air, est refroidie dans la deuxième ligne d'échange jusqu'au bout froid de celle-ci, envoyée dans au moins une turbine, de préférence sans avoir été refroidi en aval du bout froid, détendue dans la au moins une turbine puis envoyée au moins en partie dans la colonne moyenne pression, d) au moins un débit liquide est soutiré d'une des colonnes du système de colonnes, pressurisé, et se vaporise dans la première ligne d'échange, et e) le surpresseur froid est couplé à un dispositif d'entraînement parmi : i) la turbine ou au moins une des turbines, ii) un moteur électrique, iii) une combinaison de la turbine ou au moins une des turbines et d'un moteur électrique. Selon d'autres aspects facultatifs : - une troisième fraction du débit d'air à au moins la pression PI se refroidit dans la première ligne d'échange. - au moins un gaz riche en azote soutiré d'une colonne du système de colonne se réchauffe dans la deuxième ligne d'échange. - le gaz riche en azote se réchauffe d"abord dans la première ligne d'échange et ensuite dans la deuxième ligne d'échange. - le gaz riche en azote se réchauffe d'abord dans la première ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci. - de l'air est envoyé du bout froid de la deuxième ligne d'échange à deux turbines d'air. - une deuxième turbine est alimentée par de l'air provenant d'un point intermédiaire de la deuxième ligne d'échange. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant un système de colonnes de distillation d'air, la colonne opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression, et au moins deux lignes d'échanges, chaque ligne d'échange ayant un bout chaud et un bout froid comprenant un compresseur pour comprimer tout l'air à une pression PI au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression, une première ligne d'échange, une deuxième ligne d'échange distincte de la première ligne d'échange, des moyens pour envoyer une première partie de l'air du compresseur, comprenant entre 10% et 50% du débit d'air sous haute pression, se refroidir dans une première ligne d'échange, des moyens pour soutirer la première partie de l'air à une température intermédiaire de la première ligne d'échange, un surpresseur froid pour surpresser la première de l'air à partir d'au moins la haute pression, des moyens pour renvoyer la première partie de l'air dans la première ligne d'échange, des moyens pour envoyer la première partie de dans au moins une colonne du système de colonnes après détente, des moyens pour envoyer une deuxième partie de l'air à au moins la pression Pl, constituant éventuellement le reste de l'air, se refroidir dans la deuxième ligne d'échange jusqu'au bout froid de celle-ci, au moins une turbine, des moyens pour envoyer la deuxième fraction dans la au moins une turbine de préférence sans l'avoir refroidie en aval du bout froid, des moyens pour envoyer au moins une partie de la deuxième partie de la turbine à la colonne moyenne pression, une pompe, des moyens pour soutirer au moins un débit liquide est soutiré d'une des colonnes du système de colonnes reliés à la pompe, des moyens reliés à la pompe pour envoyer le liquide pressurisé dans la première ligne d'échange et f) le surpresseur froid est couplé à un dispositif d'entraînement parmi : i) la turbine ou au moins une des turbines, ii) un moteur électrique, iii) une combinaison de la turbine ou au moins une des turbines et d'un moteur électrique. Eventuellement l'appareil ne comprend pas de moyens pour envoyer la première partie de l'air à la deuxième ligne d'échange et ne comprenant pas de moyens pour envoyer la deuxième partie de l'air à la première ligne d'échange.
Eventuellement la première ligne d'échange permet un échange de chaleur entre au plus 4 ou 5 ou 6 ou 7 fluides et/ou la deuxième ligne d'échange permet un échange de chaleur entre au plus 3 ou 4 fluides. Eventuellement, la deuxième ligne d'échange comprend au plus deux boîtes permettant une sortie ou entrée de fluide à un point intermédiaire, de préférence au plus une seule boîte permettant une sortie ou entrée de fluide à un point intermédiaire, voire aucune boîte permettant une sortie ou entrée de fluide à un point intermédiaire. Une ligne d'échange est distincte d'une autre quand elles ne forment pas un seul corps. L'invention sera décrite de façon plus détaillée, en faisant référence aux Figure 1 à 3 qui montrent des procédés de refroidissement d'air à incorporer dans un procédé de séparation d'air selon l'invention. Dans la Figure 1, le compresseur 3 comprime tout l'air 1 à une pression d'entre 15 et 25 bars, au moins 5 à 10 bars au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression. L'air comprimé est divisé en trois parties. Une partie 5 est envoyée uniquement à l'échangeur de chaleur A, s'y refroidit jusqu'au bout froid, et se liquéfie, éventuellement dans cet échangeur. Après liquéfaction, cette fraction est détendue dans une vanne 11 et puis envoyée à une double colonne d'un système de colonnes. Une partie 7 est envoyée uniquement à l'échangeur de chaleur B où il se refroidit jusqu'au bout froid avant d'être divisée en deux pour former les débits 21, 23. Le débit 21 est détendu dans la turbine 25, préférablement sans avoir été refroidi entre le bout froid de l'échangeur B et l'entrée de la turbine 25. Le débit 23 est détendu dans la turbine 27, préférablement sans avoir été refroidi entre le bout froid de l'échangeur B et l'entrée de la turbine 27. Les débits détendus dans les turbines 25, 27 sont envoyés soit tous deux à la colonne moyenne pression soit l'un à la colonne basse pression et l'un à la colonne moyenne pressions. La partie 9 de l'air entre 10% et 50% de l'air 1, est surpressée dans un surpresseur 13 sans avoir été refroidi dans l'échangeur A ou B. Ensuite elle est refroidie par le refroidisseur 15 et dans l'échangeur A, jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci. Ensuite à une température inférieure à -100°C, l'air est surpressé jusqu'à une haute pression, soit environ 45 à 55 bars dans le surpresseur cryogénique 17, puis renvoyé à l'échangeur A pour être refroidi au bout froid, liquéfiée éventuellement dans cet échangeur, puis détendu dans une vanne 19 puis envoyé à au moins une des colonnes de la double colonne. Un débit d'oxygène est soutiré de la colonne basse pression puis pressurisé dans une pompe. Ce débit 29, éventuellement dé-sous refroidi, se vaporise dans l'échangeur A contre les débits d'air 5, 9. De l'azote basse pression 31 est divisé en deux parties 33, 35 chacune desquelles se réchauffe dans un des échangeurs A, B. De l'azote résiduaire 37 se réchauffe successivement dans les échangeurs A puis B, ou uniquement dans l'échangeur B. Ainsi quatre débits échangent de la chaleur dans l'échangeur A et trois débits échangent de la chaleur dans l'échangeur B. Ici la deuxième ligne d'échange B n'a aucune seule sortie de fluide intermédiaire. Le surpresseur 17 est couplé à la turbine 25 mais peut être couplé à un moteur à la place de la turbine ou en plus de la turbine.
Dans la Figure 2, le compresseur 3 comprime tout l'air 1 à une pression d'entre 15 et 25 bars, au moins 5 à 10 bars au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression. L'air comprimé est divisé en trois parties. Une partie 5 est envoyée uniquement à l'échangeur A et s'y refroidit jusqu'au bout froid, et se liquéfie, éventuellement dans cet échangeur. Après liquéfaction, cette fraction est détendue dans une vanne et puis envoyée à une double colonne d'un système de colonnes comme débit 39. Une partie 7 est envoyée uniquement à l'échangeur de chaleur B où il se refroidit jusqu'au bout froid avant d'être divisée en deux pour former les débits 21, 23. Le débit 21 est détendu dans la turbine 25 préférablement sans avoir été refroidi entre le bout froid de l'échangeur B et l'entrée de la turbine 25. Le débit 23 est détendu dans la turbine 27 préférablement sans avoir été refroidi entre le bout froid de l'échangeur B et l'entrée de la turbine 27. Les débits détendus dans les turbines 25, 27 sont envoyés soit tous deux à la colonne moyenne pression soit l'un à la colonne basse pression et l'un à la colonne moyenne pressions. La partie 9 de l'air, entre 10% et 50% de l'air 1, est surpressée dans un surpresseur 13 sans avoir été refroidi dans l'échangeur A ou B. Ensuite elle est refroidie par un refroidisseur 15 et dans l'échangeur A, jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci. Ensuite à une température inférieure à -100°C, l'air est surpressé jusqu'à une haute pression d'environ 45 à 55 bars dans le surpresseur cryogénique 17, puis renvoyé à un niveau intermédiaire de l'échangeur A pour être refroidi jusqu'au bout froid et liquéfié. Cette fraction est ensuite détendue dans une vanne puis envoyé à au moins une des colonnes de la double colonne.
Un débit d'oxygène est soutiré de la colonne basse pression puis pressurisé dans une pompe 28. Ce débit 29, éventuellement dé-sous refroidi se vaporise dans l'échangeur A contre les débits d'air 5, 9. De l'azote résiduaire 41 se réchauffe éventuellement dans l'échangeur A du bout froid jusqu'à un niveau intermédiaire, se réchauffe ensuite dans l'échangeur B après être divisé en deux. Une partie 45 se réchauffe partiellement dans l'échangeur B du bout froid jusqu'à un niveau intermédiaire, puis est envoyé se réchauffer dans l'échangeur A d'un point intermédiaire jusqu'au bout chaud. Le débit 41 sort de l'échangeur A pour être envoyé à l'échangeur B à une température plus basse que celle à laquelle il est renvoyé dans l'échangeur A. La partie 43 du débit 41 se réchauffe dans l'échangeur B du bout froid jusqu'au bout chaud. Eventuellement de l'azote basse pression 49 se réchauffe dans l'échangeur A, du bout froid au bout chaud, et/ou en suivant la même circulation de fluide que le débit 41.
Ainsi sept débits échangent de la chaleur dans l'échangeur A et trois débits échangent de la chaleur dans l'échangeur B. Ici la deuxième ligne d'échange B a une seule sortie de fluide intermédiaire. La Figure 3 diffère de la Figure 2 en ce que les deux turbines 25 et 27 ont leurs entrées reliées par une conduite et une vanne 24. La turbine 27 est également reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange B par la conduite 23. Ainsi l'air envoyé à la turbine 27 peut provenir du bout froid ou être plus chaud. Ici la deuxième ligne d'échange B a deux sorties de fluide intermédiaires. L'invention s'applique évidemment à la vaporisation d'azote liquide avec ou à la place de l'oxygène liquide.
Dans les Figures 2 et 3, le couplage du surpresseur 17 à au moins une turbine et/ou à un moteur n'est pas illustré.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant un système de colonnes de distillation d'air, la colonne opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression, et au moins deux lignes d'échange (A, B), chaque ligne d'échange ayant un bout chaud et un bout froid dans lequel : a) tout l'air est porté à une pression P1 au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression b) une partie (9) de l'air, comprenant entre 10% et 50% du débit d'air sous haute pression, est refroidie dans une première des lignes d'échange (A), soutirée à une température intermédiaire de la première ligne d'échange, et surpressée à partir d'au moins la haute pression au moyen d'un surpresseur froid (17), puis est renvoyée dans la première ligne d'échange, et dont au moins une partie se liquéfie au bout froid, puis est envoyée dans au moins une colonne du système de colonnes après détente c) une autre fraction de l'air (7) à au moins la pression P1, constituant éventuellement le reste de l'air, est refroidie dans la deuxième ligne d'échange (B) jusqu'au bout froid de celle-ci, envoyée dans au moins une turbine, de préférence sans avoir été refroidi en aval du bout froid, détendue dans la au moins une turbine (25, 27) puis envoyée au moins en partie dans la colonne moyenne pression. d) au moins un débit liquide (29) est soutiré d'une des colonnes du système de colonnes, pressurisé, et se vaporise dans la première ligne d'échange et e) le surpresseur froid est couplé à un dispositif d'entraînement parmi : i) la turbine ou au moins une des turbines (25, 27), ii) un moteur électrique, iii) une combinaison de la turbine ou au moins une des turbines et d'un moteur électrique.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une troisième fraction (5) du débit d'air à au moins la pression P1 se refroidit dans la première ligne d'échange (A).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins un gaz (41) riche en azote soutiré d'une colonne du système de colonne se réchauffe dans la deuxième ligne d'échange (B).
  4. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le gaz riche en azote (41) se réchauffe d"abord dans la première ligne d'échange (A) et ensuite dans la deuxième ligne d'échange (B).
  5. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le gaz riche en azote se réchauffe d'abord dans la première ligne d'échange (A) jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de l'air est envoyé du bout froid de la deuxième ligne d'échange (B) à une ou deux turbines d'air (25, 27).
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel une deuxième turbine (27) est alimentée par de l'air provenant d'un point intermédiaire de la deuxième ligne d'échange.
  8. 8. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant un système de colonnes de distillation d'air, la colonne opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression, et au moins deux lignes d'échange (A, B), chaque ligne d'échange ayant un bout chaud et un bout froid comprenant un compresseur (3) pour comprimer tout l'air à une pression P1 au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression, une première ligne d'échange (A), une deuxième ligne d'échange (B) distincte de la première ligne d'échange, des moyens pour envoyer une première partie de l'air du compresseur, comprenant entre 10% et 50% du débit d'air sous haute pression, se refroidir dans une première ligne d'échange, des moyens poursoutirer la première partie de l'air à une température intermédiaire de la première ligne d'échange, un surpresseur froid (17) pour surpresser la première partie de l'air à partir d'au moins la haute pression, des moyens pour renvoyer la première partie de l'air dans la première ligne d'échange, des moyens pour envoyer la première partie de l'air dans au moins une colonne du système de colonnes après détente, des moyens pour envoyer une deuxième partie de l'air à au moins la pression P1, constituant éventuellement le reste de l'air, se refroidir dans la deuxième ligne d'échange jusqu'au bout froid de celle-ci, au moins une turbine, des moyens pour envoyer la deuxième fraction dans la au moins une turbine (25, 27) de préférence sans l'avoir refroidie en aval du bout froid, des moyens pour envoyer au moins une partie de la deuxième partie de la turbine à la colonne moyenne pression, une pompe (28), des moyens pour soutirer au moins un débit liquide est soutiré d'une des colonnes du système de colonnes reliés à la pompe, des moyens reliés à la pompe pour envoyer le liquide pressurisé dans la première ligne d'échange et f) le surpresseur froid est couplé à un dispositif d'entraînement parmi : i) la turbine ou au moins une des turbines (25, 27), ii) un moteur électrique, iii) une combinaison de la turbine ou au moins une des turbines et d'un moteur électrique.
  9. 9. Appareil selon la revendication 8 ne comprenant pas de moyens pour envoyer la première partie de l'air à la deuxième ligne d'échange (B) et ne comprenant pas de moyens pour envoyer la deuxième partie de l'air à la première ligne d'échange (A).
  10. 10.Appareil selon la revendication 8 ou 9 dans lequel la première ligne d'échange (A) permet un échange de chaleur entre au plus 4 ou 5 ou 6 ou 7 fluides et/ou la deuxième ligne d'échange (B) permet un échange de chaleur entre au plus 3 ou 4 fluides.
  11. 11.Appareil selon la revendication 8, 9 ou 10 dans lequel la deuxième ligne d'échange (B) comprend au plus deux boîtes permettant une sortie ou entrée de fluide à un point intermédiaire, de préférence au plus une seule boîte permettantune sortie ou entrée de fluide à un point intermédiaire, voire aucune boîte permettant une sortie ou entrée de fluide à un point intermédiaire.
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