FR3069913A1 - Appareil et procede de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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Abstract

Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, une première turbine, un premier compresseur couplé à la première turbine, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci vers le premier compresseur, des moyens pour envoyer de l'air détendu de la première turbine vers le système de colonnes, des moyens pour envoyer de l'air comprimé dans le premier compresseur à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur et ensuite au moins en partie au système de colonnes à travers une vanne et des moyens pour envoyer de l'air comprimé dans le premier compresseur à l'entrée de la première turbine à travers une vanne sans passer par l'échangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer de l'air du premier compresseur au système de colonnes sans passer ni par l'échangeur de chaleur ni éventuellement par une turbine, ces moyens étant constitués par une conduite de court-circuitage munie d'une vanne de détente.

Description

L’invention est relative à un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique, en particulier à un appareil utilisant un échangeur de chaleur pour refroidir tout l’air destiné à la distillation. L’appareil est tenu en froid au moins partiellement par deux turbines, chacune couplée à un compresseur. L’un des compresseurs a une température d’entrée supérieure à 0°C et l’autre a une température d’entrée qui est une température intermédiaire de l’échangeur de chaleur, inférieure à 0°C, voire inférieure à -50°C.
L’usage d’un tel compresseur connu sous le nom « compresseur froid », car ayant une température d’entrée très froide, pose des problèmes. Au moment du démarrage l’air chauffé dans le compresseur froid peut se trouver à une température supérieure à celles supportées par l’échangeur de chaleur.
Il est connu de FR-A-2851330 de relier la sortie d’un compresseur froide à l’entrée d’une turbine par des conduites en parallèle, une passant pas l’échangeur de chaleur principal de l’appareil de séparation d’air et l’autre n’y passant pas. Ainsi lors du démarrage des machines, il est préconisé d’envoyer l’air comprimé dans le compresseur froid à la turbine sans passer par l’échangeur de chaleur, afin d’éviter d’y envoyer de l’air trop chaud.
Ceci peut amener à envoyer de grandes quantités d’air chaud à l’entrée de la turbine.
La présente invention propose de pallier ce problème, en installant une conduite de court-circuitage entre l’entrée de la turbine et la sortie de la turbine, la conduite étant équipée d’une vanne de détente. De cette manière, il est possible de démarrer le procédé plus rapidement en envoyant une partie de l’air du compresseur froid à la colonne, sans passer ni par l’échangeur de chaleur ni par la turbine.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, une première turbine, un premier compresseur couplé à la première turbine, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l’air refroidi dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température intermédiaire de celui-ci vers le premier compresseur, des moyens pour envoyer de l’air détendu de la première turbine vers le système de colonnes, des moyens pour envoyer de l’air comprimé dans le premier compresseur à un point intermédiaire de l’échangeur de chaleur et ensuite au moins en partie au système de colonnes à travers une vanne et des moyens pour envoyer de l’air comprimé dans le premier compresseur à l’entrée de la première turbine à travers une vanne sans passer par l’échangeur de chaleur caractérisé en ce qu’il comprend des moyens pour envoyer de l’air du premier compresseur au système de colonnes sans passer ni par l’échangeur de chaleur ni éventuellement par une turbine, ces moyens étant constitués par une conduite de court-circuitage munie d’une vanne de détente.
Selon d’autres objets facultatifs :
l’appareil comprend une deuxième turbine, un deuxième compresseur couplé à la deuxième turbine, des moyens pour envoyer une fraction d’air refroidie dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température intermédiaire de celui-ci vers la deuxième turbine, des moyens pour envoyer de l’air détendu de la deuxième turbine vers le système de colonnes, les moyens pour envoyer de l’air comprimé dans le premier compresseur à l’entrée de la première turbine à travers une vanne sans passer par l’échangeur de chaleur étant également reliés à l’entrée de la deuxième turbine.
la conduite de court-circuitage est reliée au refoulement du premier compresseur et
i) à l’entrée de la première turbine et à la sortie de la première turbine ou ii) l’entrée de la deuxième turbine et à la sortie de la deuxième turbine ou iii) à la sortie des première et deuxième turbines.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de démarrage d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel :
i) en marche normale, on envoie de l’air à un échangeur de chaleur, on le refroidit, on soutire au moins une partie de l’air à une température intermédiaire de l’échangeur de chaleur, on le comprime dans un premier compresseur, on renvoie l’air comprimé à l’échangeur de chaleur, on envoie au moins une partie de l’air comprimé, éventuellement dans le premier compresseur, et refroidi dans l’échangeur de chaleur à une première turbine et on envoie l’air détendu dans la turbine au système de colonnes, et ii) pendant le démarrage de l’appareil, on envoie de l’air du premier compresseur à l’entrée de la première turbine sans passer par l’échangeur de chaleur et caractérisé en ce que pendant le démarrage, on envoie de l’air du premier compresseur au système de colonnes après détente dans une vanne, sans passer ni par l’échangeur de chaleur ni par une turbine.
Selon d’autres aspects facultatifs :
dans un appareil comprenant un deuxième compresseur et une deuxième turbine, la deuxième turbine étant couplée au deuxième compresseur :
a. en marche normale on envoie de l’air au deuxième compresseur et on le refroidit dans l’échangeur de chaleur avant de l’envoyer au système de colonnes, éventuellement après détente dans la première ou deuxième turbine.
b. pendant le démarrage, on envoie de l’air du premier compresseur à l’entrée de la deuxième turbine sans passer par l’échangeur de chaleur.
on démarre la première et la deuxième turbines simultanément, en marche normale au moins une partie de l’air du premier compresseur est envoyée à l’échangeur de chaleur et ensuite au système de colonnes à travers une première vanne et pendant au moins une partie du démarrage la première vanne est fermée.
L’invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui illustre un appareil I de séparation d’air par distillation cryogénique selon l’invention.
L’appareil comprenant un système de colonnes comprenant une colonne opérant à une première pression K1 et une colonne opérant à une deuxième pression K2 inférieure à la première pression. Les colonnes sont reliées thermiquement à travers un rebouilleur de cuve de la deuxième colonne chauffé par de l’azote de tête de la première colonne. Des débits de reflux non-illustrés enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la colonne K1 à la colonne K2.
De l’oxygène liquide 31 est soutiré en cuve de la deuxième colonne K2 et de l’azote gazeux 33 est soutiré en tête de la deuxième colonne. De l’azote liquide est envoyé en tête de la deuxième colonne par certaines phases pour aider à tenir le procédé en froid. L’oxygène liquide 31 peut se vaporiser dans l’échangeur de chaleur E.
L’appareil comprend une première turbine de détente d’air T1, une deuxième turbine de détente d’air T2, un premier compresseur d’air C1 couplé à la première turbine et un deuxième compresseur d’air C2 couplé à la deuxième turbine. L’air comprimé 1 à une pression P provenant d’un autre compresseur (non-illustré) est divisé en deux fractions, dont une première fraction 3 est envoyée à l’échangeur de chaleur E sans avoir été comprimé à une pression au-delà de la pression P.
Une deuxième fraction 5 est envoyée au premier compresseur C1 où elle est comprimée à une pression supérieure à celle (P) de la première fraction 3. La sortie du premier compresseur C1 est reliée à l’entrée de ce compresseur par une conduite 25 à travers une vanne V8.
Selon une première variante, la première fraction 3 est refroidie dans l’échangeur de chaleur E jusqu’ à une température intermédiaire de celui-ci et n’ayant pas été comprimée dans le premier compresseur est envoyée vers la première et la deuxième turbines à travers le clapet ouvert CL3 et les vannes ouvertes V5, V13, V4, V19.
La deuxième fraction 5 se refroidit dans l’échangeur de chaleur E jusqu’à une température intermédiaire de celui-ci après avoir été comprimée dans le premier compresseur C1. Ensuite elle est envoyée vers le deuxième compresseur C2.
En marche normale, l’air détendu provenant des première et deuxième turbines est envoyé à la première colonne K1 pour être séparé à travers les vannes V6, V15, V11 et la conduite 13. La deuxième fraction 5 est comprimée dans le deuxième compresseur C2, passe par le clapet ouvert CL1 et ensuite se refroidit dans l’échangeur de chaleur avant d’être envoyé sous forme liquide à la première colonne K1 à travers la vanne V9. Les vannes V2 et V3 sont fermées.
En phase de démarrage, on craint que l’air provenant du compresseur C2 n’arrive trop chaud à l'entrée de l'échangeur E en sortie de C2, par exemple à une température plus haute que les 65°C de température de tenue mécanique de l'échangeur.
Pour éviter cela, la vanne V9 est fermée et la vanne V3 ouverte. Ainsi l’air provenant du compresseur C2 ne passe plus vers l’échangeur de chaleur E mais vers l’entrée de la deuxième turbine T2 à travers la conduite 23 et la vanne ouverte V3. Tout l’air ne peut pas passer dans la turbine donc la vanne V4 est ouverte, le débit passant par la turbine étant limitée par l’ouverture des aubages de la turbine et le reste de l’air provenant du compresseur C2 passe à la colonne à travers les conduites 11 et 15.
Il est également possible d’envoyer l’air de démarrage vers l’entrée des deux turbines. Ainsi l’air passe dans la conduite 11 et passe à la turbine T1 à travers les vannes V13, V5 et/ou à la conduite de court-circuitages 15 dans laquelle il est détendu par la vanne V7 pour obtenir une réduction de pression similaire à celle de la turbine T1. La vanne V2 reste fermée. Il est également possible d’envoyer l’air provenant du compresseur C2 vers le refoulement de la turbine T1 et/ou vers le refoulement de la turbine T2. Ainsi l’air ne circule ni dans l’échangeur de chaleur ni de préférence dans les turbines et passe directement à la colonne de distillation.
Lorsqu'on démarre les turbines T1, T2 et donc les compresseurs C1, C2, les vannes antipompage des compresseurs G1, C2 sont totalement ouvertes (vanne V8 pour C1 et vanne V3 pour C2)
Ceci permet le démarrage à chaud du compresseur froid C2 quelle que soit la température et sans conséquence sur les températures de calcul des équipements en aval du compresseur C2.
L’élévation de la température est extrêmement faible au démarrage, étant donné le taux de compression minimal sur le compresseur C1 grâce à la vanne d’anti pompage V3.
Selon une deuxième variante, la première fraction 3 est sortie d’un échangeur de chaleur à une température intermédiaire de celui-ci et n’ayant pas été comprimée dans le premier compresseur est envoyée vers le deuxième compresseur C2.
La deuxième fraction 5 se refroidit dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température intermédiaire de celui-ci après avoir été comprimée dans le premier compresseur C1. Ensuite elle est envoyée vers la première et la deuxième turbines. Dans ce cas, c’est la première fraction 3 de l’air qui est divertie, en cas de démarrage, pour ne plus passer par l’échangeur de chaleur E mais directement à l’entrée de la turbine T1 ou T2, voire les deux.
Comme décrit ci-dessus, il est recommandé d’envoyer une partie de l’air provenant de la conduite 23 dans la conduite 9 en ouvrant la vanne V19 et ensuite vers la conduite 11 et la conduite de court-circuitage 15 avec sa vanne V7.
L’invention s’applique également au cas dans lequel l’appareil ne comprend qu’une seule turbine d’air couplée à un compresseur froid. Dans ce cas, l’air est envoyé en service normal du compresseur froid vers l’échangeur de chaleur. L’air peut ensuite passer directement dans le système de colonne après détente ou sinon peut être envoyé au moins en partie à la seule turbine.
Pendant le démarrage, l’air du compresseur froid peut éviter l’échangeur de chaleur en passant par une conduite de court-circuitage relié en amont de l’entrée de l’unique turbine. L’air peut également être envoyé depuis cette conduite de court-circuitage à une autre conduite de court-circuitage qui permet d’envoyer de l’air du compresseur froid au système de colonnes, sans passer par la turbine, en le détendant dans une vanne.
Une marche différenciée est possible pour les deux turbines T1, T2. Afin d'arrêter la turbine T2 reliée au surpresseur chaud C2, il est possible d'isoler le surpresseur en fermant la vanne V1 et en ouvrant la vanne V2, de sorte que l'air puisse transiter de la conduite 5 par la conduite 27.
Dans ce cas, les vannes V6 et V13 sont fermées pour isoler la turbine T2 et les frigories nécessaires sont rajoutées par rajout d'azote liquide LIN en tête de la colonne basse pression K2.
Il est également possible de fonctionner avec le compresseur C1 et la turbine T1 à l'arrêt et le surpresseur C2 et la turbine T2 en marche. Cette marche dégradée donne un produit à pression et débit plus faibles.

Claims (7)

  1. Revendications
    1. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes (K1,K2), une première turbine (T2), un premier compresseur (C2) couplé à la première turbine, un échangeur de chaleur (E), des moyens pour envoyer de l’air refroidi dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température intermédiaire de celui-ci vers le premier compresseur, des moyens pour envoyer de l’air détendu de la première turbine vers le système de colonnes, des moyens (CL1) pour envoyer de l’air comprimé dans le premier compresseur à un point intermédiaire de l’échangeur de chaleur et ensuite au moins en partie au système de colonnes à travers une vanne (V9) et des moyens (23,V3) pour envoyer de l’air comprimé dans le premier compresseur à l’entrée de la première turbine à travers une vanne sans passer par l’échangeur de chaleur caractérisé en ce qu’il comprend des moyens (9,11,15, V7) pour envoyer de l’air du premier compresseur au système de colonnes sans passer ni par l’échangeur de chaleur ni éventuellement par une turbine, ces moyens étant constitués par une conduite de court-circuitage munie d’une vanne de détente.
  2. 2. Appareil selon la revendication 1 comprenant une deuxième turbine (T1), un deuxième compresseur (C1) couplé à la deuxième turbine (T1), des moyens (11 ,V13,V5) pour envoyer une fraction d’air refroidie dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température intermédiaire de celui-ci vers la deuxième turbine, des moyens (13) pour envoyer de l’air détendu de la deuxième turbine vers le système de colonnes, les moyens pour envoyer de l’air comprimé dans le premier compresseur (C2) à l’entrée de la première turbine (T2) à travers une vanne (V7) sans passer par l’échangeur de chaleur étant également reliés à l’entrée de la deuxième turbine.
  3. 3. Appareil selon la revendication 2 dans lequel la conduite de courtcircuitage est reliée au refoulement du premier compresseur et
    a. à l’entrée de la première turbine (T2) et à la sortie de la première turbine ou
    b. l’entrée de la deuxième turbine et à la sortie de la deuxième turbine ou
    c. à la sortie des première et deuxième turbines (T 1 ,T2).
  4. 4. Procédé de démarrage d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel :
    a. en marche normale, on envoie de l’air à un échangeur de chaleur (E ), on le refroidit, on soutire au moins une partie de l’air à une température intermédiaire de l’échangeur de chaleur, on le comprime dans un premier compresseur (C2), on renvoie l’air comprimé à l’échangeur de chaleur, on envoie au moins une partie de l’air comprimé, éventuellement dans le premier compresseur, et refroidi dans l’échangeur de chaleur à une première turbine (T2) et on envoie l’air détendu dans la turbine au système de colonnes (K1,K2), et
    b. pendant le démarrage de l’appareil, on envoie de l’air du premier compresseur à l’entrée de la première turbine sans passer par l’échangeur de chaleur et caractérisé en ce que pendant le démarrage, on envoie de l’air du premier compresseur au système de colonnes après détente dans une vanne (7), sans passer ni par l’échangeur de chaleur ni par une turbine.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4 dans un appareil comprenant un deuxième compresseur (C1) et une deuxième turbine (T1) , la deuxième turbine étant couplée au deuxième compresseur dans lequel :
    a. en marche normale on envoie de l’air au deuxième compresseur et on le refroidit dans l’échangeur de chaleur (E ) avant de l’envoyer au système de colonnes, éventuellement après détente dans la première ou deuxième turbine.
    b. pendant le démarrage, on envoie de l’air du premier compresseur (C2) à l’entrée de la deuxième turbine sans passer par l’échangeur de chaleur.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel on démarre la première et la deuxième turbines (T2, T1) simultanément.
  7. 7. Procédé selon l’une des revendications 4 à 6 dans lequel en marche 5 normale au moins une partie de l’air du premier compresseur (C2) est envoyée à l’échangeur de chaleur (E ) et ensuite au système de colonnes (K1, K2) à travers une première vanne (V9) et pendant au moins une partie du démarrage la première vanne est fermée.
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