WO2003016804A2 - Installation de production d'oxygene sous haute pression par distillation d'air - Google Patents

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    • Y10S62/902—Apparatus

Definitions

  • the present invention to an installation for producing oxygen and / or nitrogen under high pressure by air distillation.
  • the invention applies to the production of very large quantities of oxygen under high pressure, in particular for the supply of production units of synthetic hydrocarbons.
  • GTL units Industrial synthetic hydrocarbon production units, known as “Gas-To-Liquids” (GTL units), can have a production capacity of around 50,000 barrels per day, which corresponds to a consumption of around 12 000 tonnes per day of oxygen. To produce such quantities of oxygen, it is necessary to provide 'several air distillation units in parallel, typically three or four units. In addition, to bring the oxygen to the high pressure necessary for the operation of the GTL unit, it is advantageous to pump the liquid oxygen produced by distillation to this high pressure, and to vaporize the liquid by exchange of heat with a circulating fluid compressed to a pressure sufficient to allow the vaporization of oxygen, this fluid being typically pressurized air. This avoids the always delicate use of gaseous oxygen compressors.
  • each air distillation unit generally comprises two compression devices: on the one hand, a main air compressor, which supplies all atmospheric air treated at a medium distillation pressure (typically 5 to 8 bars for distillation in an apparatus comprising at least two distillation columns), on the other hand a secondary compressor, in particular an air booster, which brings part of the compressed air flow at a high pressure allowing the vaporization of the pumped liquid oxygen.
  • a main air compressor which supplies all atmospheric air treated at a medium distillation pressure (typically 5 to 8 bars for distillation in an apparatus comprising at least two distillation columns)
  • a secondary compressor in particular an air booster, which brings part of the compressed air flow at a high pressure allowing the vaporization of the pumped liquid oxygen.
  • each main compressor is generally driven by a clean steam turbine, which can be a back pressure turbine, escaping a higher pressure. at "atmospheric pressure, or a condensing turbine, escaping a pressure 'lower than atmospheric pressure and associated with a water condenser, cooled by water or by ambient air, and with a pump recycling of water to the steam boiler.
  • each secondary compressor is driven by a steam turbine
  • the invention aims to reduce the investment associated with installations of the aforementioned type.
  • the subject of the invention is an installation for producing oxygen and / or nitrogen under high pressure by air distillation, characterized in that it comprises main air compression means suitable for compressing atmospheric air to be distilled; expansion means which drive said main compression means; air pre-cooling means; means for purifying air with water and C0 2 ; a main heat exchange line adapted to cool compressed air up to a temperature allowing its distillation; N (N> 1) parallel air distillation apparatus producing liquid oxygen and / or liquid nitrogen; means for pumping liquid oxygen and / or liquid nitrogen at at least one high pressure; and secondary compression means adapted to compress a circulating fluid to a high pressure allowing the vaporization of the liquid oxygen and / or of the liquid nitrogen pumped (s) to form oxygen and / or production nitrogen gas, characterized in that said secondary compression means are driven by electric motors, and in that the installation comprises an auxiliary turbine which drives an alternator, the latter supplying electric • motors (11) with electric current .
  • the secondary compression means comprise N '(N'> 1) secondary compressors, each of which is driven by one of said electric motors;
  • the secondary compressors are air boosters suitable for overpressing part of the compressed air by the main air compression means; said expansion means are turbines similar to said auxiliary turbine;
  • the installation further comprises means for final compression of gaseous oxygen and / or production nitrogen gas adapted to compress oxygen and / or vaporized nitrogen (s) at a high production pressure;
  • the final compression means are driven by electric motors themselves driven by said alternator;
  • the supply of motors with electric current is supplemented by an addition from the electric network, at least at certain stages of operation of the installation;
  • the alternator produces a surplus of electrical energy, which is exported to the electrical network, at least at certain stages of operation of the installation;
  • the installation comprises at least one industrial unit, in particular a unit for the production of synthetic hydrocarbons, supplied with oxygen, and / or nitrogen under high pressure; and said expansion means and said auxiliary turbine are steam turbines, and the industrial unit produces steam which feeds these steam turbines.
  • the installation shown in the drawings comprises four air distillation units in parallel, 1A to ID, which supply high pressure oxygen to one or more GTL 2 unit (s).
  • the high production pressure of units 1A to ID is typically understood. between 30 and 65 bars, and each of these units typically produces around 3000 tonnes of oxygen per day.
  • Each unit 1 (i.e. 1A to ID) includes:
  • an air or water pre-cooler 5 an air or water pre-cooler 5; an apparatus 6 for purifying air with water and C0 2 by adsorption;
  • an air distillation apparatus 8 comprising at least one air distillation column; - at least one liquid oxygen pump 9; and
  • the installation also comprises a fifth condensing steam turbine 12, which can advantageously be analogous to turbines 4A to 4D, that is to say of the same type and substantially of the same power, and which drives a single alternator 13.
  • the latter supplies the four motors 11 with electrical current.
  • the products from the device 8 are heated against the flow of air in the exchange line 7.
  • the liquid oxygen produced by the low pressure column (LOX) is pumped to the high production pressure at 9, and vaporized by condensation of the pressurized air, then reheated near room temperature, to provide the desired flow of high pressure gaseous oxygen (HPGOX).
  • Each compressor 3 consumes a power on the order of 50 to 60 MW, while each booster 10 consumes a power on the order of 15 MW.
  • the steam turbine 12 can be analogous to each of the turbines 4A to 4D, also providing a power of the order of 60 MW. A significant gain can thus be obtained on the stock of spare parts for the entire installation.
  • each distillation unit can optionally supply nitrogen gaseous under high pressure (HPGN) in unit 2.
  • This nitrogen can be compressed in gaseous form by a nitrogen compressor 14, as shown.
  • the nitrogen can be pumped at high pressure in liquid form and vaporized in the exchange line 7 by condensation of an additional flow of pressurized air.
  • the alternator 13 can produce insufficient electrical power to drive the motors 11, in which case an additional electrical power is supplied by the network 15.
  • the alternator can on the contrary produce excess electrical power ; this is then exported to network 15.
  • each compressor 4 compresses the air to a pressure different from the distillation pressure.
  • turbines 3 and 12 can be replaced by gas turbines, especially if the site has natural gas.
  • Electric motors powered by an alternator such as the alternator 13, driven by a turbine can also be used to drive the compressors 14A to 14D and / or additional oxygen compressors 16A to 16B, shown in phantom, which brings gaseous products at their final supply pressure to unit 2.

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Abstract

Cette installation comprend: des moyens de compression principale d'air (3) entraînés par des turbines (4); N(N>l) appareils de distillation d'air (8) produisant de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide; au moins une pompe (9) de pompage de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide à au moins une haute pression; et des moyens de compression secondaire (10) adaptés pour comprimer un fluide calorigène servant à vaporiser ce(s) liquide(s). Les moyens (10) de compression secondaire sont entraînés par des moteurs électriques (11), et une turbine auxiliaire (12) entraîne un alternateur (13) alimentant ces moteurs en courant électrique. Application à l'alimentation en oxygène et/ou en azote haute pression des unités de production d'hydrocarbures synthétiques (2).

Description

INSTALLATION DE PRODUCTION D'OXYGENE SOUS HAUTE PRESSION PAR DISTILLATION D'AIR.
La présente invention à une installation de production d'oxygène et/ou d'azote sous haute pression par distillation d'air.
L'invention s'applique à la production de très grandes quantités d'oxygène sous haute pression, notamment pour l'alimentation d'unités de production d'hydrocarbures synthétiques . '
Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues. Les unités industrielles de production d'hydrocarbures synthétiques, dites « unités GTL » (Gas-To- Liquids) , peuvent avoir une capacité de production de l'ordre de 50 000 barils par jour, ce qui correspond à une consommation d'environ 12 000 tonnes par jour d'oxygène. Pour produire de telles quantités d'oxygène, il est nécessaire de prévoir' plusieurs unités de distillation d'air en parallèle, typiquement trois ou quatre unités. De plus, pour amener l'oxygène à la haute pression nécessaire pour le fonctionnement de l'unité GTL, il est avantageux d'amener par pompage à cette haute pression l'oxygène liquide produit par distillation, et de vaporiser le liquide par échange de chaleur avec un fluide calorigène comprimé à une pression suffisante pour permettre la vaporisation d'oxygène, ce fluide étant typiquement de l'air surpressé. On évite ainsi l'utilisation, toujours délicate, de compresseurs d'oxygène gazeux.
Par suite, chaque unité de distillation d'air comprend généralement deux appareils de compression : d'une part, un compresseur principal d'air, qui amène la totalité de l'air atmosphérique traité à une moyenne pression de distillation (typiquement 5 à 8 bars pour une distillation dans un appareil comprenant au moins deux colonnes de distillation), d'autre part un compresseur secondaire, notamment un surpresseur d'air, qui amène une partie du débit d'air comprimé à une haute pression permettant la vaporisation de l'oxygène liquide pompé.
Dans la technique habituelle, chaque compresseur principal est généralement entraîné par une turbine à vapeur propre, qui peut être une turbine à contre-pression, échappant à une pression supérieure. à "la pression atmosphérique, ou une turbine à condensation, échappant à une pression' inférieure à la pression atmosphérique et associée à un condenseur d'eau, refroidi par de l'eau ou par de l'air ambiant, et à une pompe de recyclage de l'eau vers la chaudière de production de vapeur. De même, chaque compresseur secondaire est entraîné par une turbine à vapeur
"propre. Les turbines à vapeur sont entraînées par détente de la vapeur produite par l'unité GTL. II résulte de cet agencement un coût très élevé des moyens de compression d'air, notamment lorsqu'on utilise des turbines à condensation, qui sont des machines complexes et coûteuses .
L'invention a pour but de réduire l'investissement associé aux installations du type précité.
A cet effet, l'invention a pour objet une installation de production d'oxygène et/ou d'azote sous haute pression par distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de compression principale d'air adaptés pour comprimer de l'air atmosphérique à distiller ; des moyens de détente qui entraînent lesdits moyens de compression principale ; des moyens de pré-refroidissement d'air ; des moyens d'épuration d'air en eau et en C02 ; une ligne d' échange thermique principale adaptée pour refroidir l'air comprimé jusqu'à une température permettant sa distillation ; N(N>1) appareils de distillation d'air en parallèle produisant de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide; des moyens de pompage de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide à au moins une haute pression; et des moyens de compression secondaire adaptés pour comprimer un fluide calorigène jusqu'à une haute pression permettant la vaporisation de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide pompé (s) pour former de l'oxygène et/ou de l'azote gazeux de production, caractérisée en ce que lesdits moyens de compression secondaire sont entraînés par des moteurs électriques, et en ce que l'installation comprend une turbine auxiliaire qui entraîne un alternateur, ce dernier alimentant les • moteurs électriques (11) en courant électrique.
L'installation suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- les moyens de compression secondaire comprennent N' (N'>1) compresseurs secondaires dont chacun est entraîné par l'un desdits moteurs électriques ;
- les compresseurs secondaires sont des surpresseurs d'air adaptés pour surpresser une partie de l'air comprimé par les moyens de compression principale d' air ; lesdits moyens de détente sont des turbines analogues à ladite turbine auxiliaire ;
- l'installation comprend en outre des moyens de compression finale d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux de production adaptés pour comprimer à une haute pression de production l'oxygène et/ou l'azote vaporisé (s) ; - les moyens de compression finale sont entraînés par des moteurs électriques eux-mêmes entraînés par ledit alternateur ;
- l'alimentation des moteurs en courant électrique est complétée par un appoint provenant du réseau électrique, au moins à certaines étapes de fonctionnement de l'installation ; l'alternateur produit un excédent d'énergie électrique, qui est exporté vers le réseau électrique, au moins à certaines étapes de fonctionnement de l'installation ; l'installation comprend au moins une unité industrielle notamment une unité de production d'hydrocarbures synthétiques, alimentée par l'oxygène, et/ou l'azote sous haute pression ; et lesdits moyens de détente et ladite turbine auxiliaire sont des turbines à vapeur, et l'unité industrielle produit de la vapeur d' eau qui alimente ces turbines à vapeur. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la Figure unique représente très schématiquement une installation conforme à l'invention.
L'installation représentée aux dessins comprend quatre unités de distillation d'air en parallèle, 1A à ID, qui alimentent en oxygène haute pression une ou plusieurs unité (s) GTL 2. La haute pression de production des unités 1A à ID est typiquement comprise entre 30 et 65 bars, et chacune de ces unités produit typiquement 3000 tonnes par jour d'oxygène environ.
Chaque unité 1 (c'est-à-dire 1A à ID) comprend :
- un compresseur d'air principal 3 entraîné par une turbine de vapeur à condensation 4 qui lui est dédiée ;
- un pré-refroidisseur d'air 5 à air ou à eau ; - un appareil 6 d'épuration d'air en eau et en C02 par adsorption ;
- une ligne d' échange thermique principale 7 ;
- un appareil de distillation d' air 8 comprenant au moins une colonne de distillation d' air ; - au moins une pompe d' oxygène liquide 9 ; et
- un surpresseur d'air 10 entraîné par un moteur électrique 11 qui lui est dédié.
L' installation comprend en outre une cinquième turbine à vapeur à condensation 12, qui peut être avantageusement analogue aux turbines 4A à 4D, c'est-à-dire de même type et sensiblement de même puissance, et qui entraîne un alternateur unique 13. Ce dernier alimente en courant électrique les quatre moteurs 11. ' En fonctionnement, pour chaque unité 1A à ID, l'air atmosphérique, comprimé en totalité à la moyenne pression de distillation en 3, est pré-refroidi au voisinage de la température ambiante en 5 et épuré en 6. Environ 35% du débit d'air est surpressé en 10. Les deux flux d'air sont refroidis dans la ligne d'échange 7, puis envoyés à la moyenne pression à l'appareil de distillation 8.
Les produits issus de l'appareil 8 sont réchauffés à contre-courant des flux d'air dans la ligne d'échange 7. En particulier, l'oxygèn'e liquide produit par la colonne basse pression (LOX) est pompé à la haute pression de production en 9, et vaporisé par condensation de l'air surpressé, puis réchauffé au voisinage de la température ambiante, pour fournir le flux d'oxygène gazeux haute pression désiré (HPGOX) . Chaque compresseur 3 consomme une puissance de l'ordre de 50 à 60 MW, tandis que chaque surpresseur 10 consomme une puissance de l'ordre de 15 MW. Ainsi, la turbine à vapeur 12 peut être analogue à chacune des turbines 4A à 4D, fournissant également une puissance de l'ordre de 60 MW. Un gain important peut ainsi être obtenu sur le stock de pièces de rechange pour l'ensemble de 1' installation.
Comme indiqué en traits mixtes, chaque unité de distillation peut éventuellement fournir en outre de l'azote gazeux sous haute pression (HPGN) à l'unité 2. Cet azote peut être comprimé sous forme gazeuse par un compresseur d'azote 14, comme représenté. En variante, l'azote peut être pompé à la haute pression sous forme liquide et vaporisé dans la ligne d'échange 7 par condensation d'un débit supplémentaire d'air surpressé.
Comme on le comprend, dans certains cas, l'alternateur 13 peut produire une puissance électrique insuffisante pour entraîner les moteurs 11, auquel cas un appoint de puissance électrique est fourni par le réseau 15. L'alternateur peut au contraire produire une puissance électrique excédentaire ; celle-ci est alors exportée vers le réseau 15.
Par ailleurs, l'invention s'applique également à des procédés dans lesquels chaque compresseur 4 comprime l'air à une pression différente de la pression de distillation.
En variante, les turbines 3 et 12 peuvent être remplacées par des turbines à gaz, notamment si le site dispose de gaz naturel. Des moteurs électriques alimentés par un alternateur tel que l'alternateur 13, entraîné par une turbine, peuvent également être utilisés pour entraîner les compresseurs 14A à 14D et/ou des compresseurs additionnels d'oxygène 16A à 16B, représentés en trait mixte, qui amène les produits gazeux à leur pression finale d'alimentation de l'unité 2.

Claims

REVENDICATIONS 1. Installation de production d'oxygène et/ou d'azote sous haute pression par distillation d'air, caractérisée en ce qu' elle comprend des moyens de compression principale d'air (3) adaptés pour comprimer de l'air atmosphérique à distiller ; des moyens de détente (4) qui entraînent lesdits moyens de compression principale ; des moyens (5) de pré-refroidissement d'air ; des moyens (6) d' épuration d' air en eau et en C02 ; une ligne d' échange thermique principale (7) adaptée pour refroidir l'air comprimé jusqu'à une température permettant sa distillation ; N(N>1) appareils de distillation d'air (8) en parallèle produisant de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide; des moyens (9) de pompage de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide à au moins une haute pression; et des moyens (10) de compression secondaire adaptés pour comprimer un fluide calorigène jusqu'à une haute pression permettant la vaporisation de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide pompé (s) pour former de l'oxygène et/ou de l'azote gazeux de production, caractérisée en ce que lesdits moyens de compression secondaire (10) sont entraînés par des moteurs électriques (11), et en ce que l'installation comprend une turbine auxiliaire (12) qui entraîne un alternateur (13) , ce dernier alimentant les moteurs électriques (11) en courant électrique.
2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens (10) de compression secondaire comprennent N'(N'>1) compresseurs secondaires dont chacun est entraîné par l'un desdits moteurs électriques (11) .
3. Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les compresseurs secondaires (10) sont des surpresseurs d'air adaptés pour surpresser une partie de l'air comprimé par les moyens de compression principale d'air (3).
4. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de détente (4) sont des turbines (4) analogues à ladite turbine auxiliaire (12) .
5. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (14, 16) de compression finale d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux de production, adaptés pour comprimer à une haute pression de production l'oxygène et/ou l'azote vaporisé(s).
6. Installation suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de compression finale (14) sont entraînés par des moteurs électriques eux-mêmes entraînés par ledit alternateur (13) .
7. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'alimentation des moteurs (11) en courant électrique est complétée par un appoint provenant du réseau électrique (15) , au moins à certaines étapes de fonctionnement de l'installation.
8. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'alternateur (13) produit un excédent d'énergie électrique, qui est exporté vers le réseau électrique (15) , au moins à certaines étapes de fonctionnement de l'installation.
9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend.au moins une unité industrielle (2), notamment une unité de production d'hydrocarbures synthétiques, alimentée par l'oxygène et/ou l'azote sous haute pression.
10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de détente (4) et ladite turbine auxiliaire (12) sont des turbines à vapeur, et en ce que l'unité industrielle (2) produit de la vapeur d'eau qui alimente ces turbines à vapeur.
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