WO2005057111A1 - Compresseur de gaz, appareil de separation d'un melange gazeux incorporant un tel compresseur et procede de separation d'un melange gazeux incorporant un tel compresseur - Google Patents

Compresseur de gaz, appareil de separation d'un melange gazeux incorporant un tel compresseur et procede de separation d'un melange gazeux incorporant un tel compresseur Download PDF

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compressed
pressure
gas
air
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PCT/FR2004/050615
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Alain Guillard
François-Xavier LEMANT
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L'Air Liquide, Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude
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Definitions

  • GAS COMPRESSOR APPARATUS FOR SEPARATING A GAS MIXTURE INCORPORATING SUCH A COMPRESSOR AND METHOD FOR SEPARATING A GAS MIXTURE INCORPORATING SUCH A COMPRESSOR
  • the present invention relates to a gas compressor and to a device for separating a gas mixture incorporating such a compressor.
  • a conventional multistage compressor the compressed gas in one stage is cooled in an inter-stage refrigerant before being sent to the next stage, so that the gas remains at an acceptable temperature for the next compression stage .
  • the compressed gas in the last stage is also cooled downstream of this stage.
  • the gas cooled by the refrigerant undergoes a pressure drop.
  • the same pressure drops undergone by the compressed gas are the same for each refrigerant, regardless of the pressure of the compressed gas which they cool.5
  • compressor includes blowers and blowers and compressors followed by boosters forming a single machine.
  • the compressors concerned can be centrifugal, axial, radial, reciprocating or combinations of these types of compressors.
  • the compressors can have intermediate inputs and / or outputs. 0
  • the air passes through the compressor from upstream to downstream.
  • a stage of a compressor is upstream of another stage if the air passes into this stage before passing into the other stage.
  • All pressures are absolute pressures. Insofar as the same pressure drops cost only little energy at high pressure compared to medium or low pressure, instead of having a compressor having intermediate refrigerants with the same pressure drops at each of the stages, by using higher gas pressure losses on the stages compressing the gas at higher pressure, it is possible to gain on the investment of the compressor.
  • a gas compressor having n stages connected in series where n is equal to at least 3, each stage being followed by a refrigerant characterized in that at least two refrigerants have different pressure drops for the compressed gas, the refrigerant having the loss of lower load being upstream of that having the higher pressure drop.
  • the refrigerant of the last stage of the compressor has a higher pressure drop than that of the first;
  • the compressor comprises at least four stages in which the last stages of the compressor have a higher pressure drop than the first; - at least two refrigerants have different pressure drops of at least 30%, or even at least 50% or even at least 100%, the refrigerant having the lowest pressure drop being upstream of that having the higher pressure drop; at least two refrigerants have pressure losses different by at least 100%, the refrigerant having the lowest pressure drop being upstream of that having the highest pressure drop.
  • an apparatus for separating a gas mixture comprising at least one compressor as defined above and means for sending a gas originating from and / or intended for the apparatus to this compressor. .
  • an air separation apparatus as defined above, comprising a cryogenic distillation apparatus comprising at least one distillation column, means for sending compressed air to a column of the apparatus, means for withdrawing a liquid from a column of the apparatus, means for vaporizing the liquid by heat exchange with a compressed gas, the compressed gas having been compressed by at least one of the last stages (by the last stage) of the compressor and / or the compressed air having been compressed in the compressor.
  • the apparatus comprises means for vaporizing the liquid by heat exchange with air from one of the last stages (of the last stage) of the compressor.
  • a method for separating a gas mixture by cryogenic distillation in a column system in which a gas intended for the column system or a gas coming from the column system is compressed, in a compressor as defined above, the gas leaving the last stage of the compressor being at a pressure greater than 5 bars, preferably greater than 10 bars.
  • a method in which i) an air flow is compressed at a first pressure ii) a part of the air is boosted at the first pressure to a second pressure greater than 10 bars iii) part of the air is sent at the first pressure for distillation in a column of the column system iv) a liquid flow is withdrawn from a column of the system v) the liquid flow is vaporized by heat exchange with the air at the second pressure characterized in that vi) the air flow is compressed at the first pressure and / or the part of the air is pressurized until the second pressure in at least one compressor as defined above .
  • the invention will be described in more detail with reference to the Figures.
  • the Figures show very simplified separation devices incorporating at least one compressor according to the invention.
  • an air flow 3 at atmospheric pressure is sent to a compressor 1.
  • the compressor consists of stages C1, C2, C3, C4 and C5 and their respective refrigerants. It is: compressed in the first stage C1, cooled by the intermediate refrigerant R1, compressed in the second stage C2, cooled by the intermediate refrigerant R2, compressed in the third stage C3, cooled by the intermediate refrigerant R3, compressed in the fourth stage C4, cooled by the intermediate refrigerant R4, compressed in the fifth stage C5 and cooled by the final refrigerant R5 to exit at a pressure between 20 and 40 bars.
  • the pressure drops of the compressed air for the intermediate refrigerants R1, R2 and R3 are substantially identical.
  • the pressure drop for the intermediate refrigerant R4 is at least 30%, preferably at least 50%, or even at least 100% higher than that of the preceding refrigerants R1, R2 and R3.
  • the pressure drop for the final refrigerant R5 is at least 30% higher, preferably at least 50%, or even at least 100% than that of the refrigerant R4.
  • the refrigerant R4 can have the same pressure drop as the refrigerants R1, R2 and R3.
  • the pressure drop for the refrigerant R3 can be greater than that of the refrigerants R1 and R2 by at least 30%, preferably by at least 50%, or even 100% and the pressure drop for the refrigerant R4 may be substantially equal to or greater than that of R3 by at least
  • the air cooled in the refrigerant R5 is sent to a purification step 5 and then to an air separation device 7 operating by cryogenic distillation or another technique, to produce a product 9 which can be oxygen and / or nitrogen and / or argon.
  • an air flow 3 at atmospheric pressure is sent to a compressor 1.
  • the compressor consists of stages C1, C2, C3, C4 and C5 and their respective refrigerants. It is: compressed in the first stage C1, cooled by the intermediate refrigerant R1, compressed in the second stage C2, cooled by the intermediate refrigerant R2, compressed in the third stage C3, cooled by the intermediate refrigerant R3 and then sent to a stage treatment.
  • a purified flow 6 leaves the purification step to be sent to the air separation device 7 or elsewhere.
  • the rest of the purified air 8 is compressed in the fourth stage C4, cooled by the intermediate refrigerant R4, compressed in the fifth stage C5 and cooled by the final refrigerant R5 to exit at a pressure between 20 and 40 bars.
  • This gas can then be used to vaporize a liquid pumped under pressure in an exchanger of the air separation apparatus 7.
  • the pressure drops on the air for the intermediate refrigerants R1, R2 and R3 are substantially identical. However, the pressure drop for the intermediate refrigerant R4 is at least 30%, preferably at least 50%, or even 100% higher than that of the preceding refrigerants R1, R2 and R3.
  • the pressure drop for the final refrigerant R5 is at least 30%, preferably at least 50%, or even at least 100% higher than that of the refrigerant R4.
  • the refrigerant R4 can have the same pressure drop as the refrigerants R1, R2 and R3.
  • the pressure drop for the refrigerant R3 can be greater than that of the refrigerants R1 and R2 by at least 30%, preferably by at least 50%, or even 100% and the pressure drop for the refrigerant R4 may be substantially equal to or greater than that of R3 by at least 30%, preferably at least 50%, or even at least 100%.
  • stages C1, C2 and C3 compress all the air to an intermediate pressure and only part of the air is compressed to the maximum pressure in stages C4, C5 which form a booster. All stages C1, C2, C3, C4 and C5 are on the same axis and form part of the compressor 1.
  • the air 8 cooled in the final refrigerant R5 is sent to the air separation device.
  • air 3 is compressed in a compressor 1 which may be that described in FIGS. 1 or 2, the compressed air is purified and sent to the air separation device 7.
  • From the nitrogen gas 9 is withdrawn from the device 7 and sent to a compressor 11, consisting of three stages CA1, CA2 and CA3.
  • the nitrogen pressure is above atmospheric pressure, preferably between 1.5 and 10 bars.
  • the nitrogen is: compressed in the first stage CA1, cooled by the intermediate refrigerant RA1, compressed in the second stage CA2, cooled by the intermediate refrigerant RA2, compressed in the third stage CA3 and cooled by the final refrigerant RA3.
  • the pressure drop on the nitrogen of the final refrigerant RA3 is greater by at least 30%, preferably by at least 50%, or even by at least 100% than that of the refrigerant RA2 and the refrigerant RA1.
  • the invention applies in particular to separation by cryogenic distillation but can be used in separations at higher temperatures.
  • the gaseous mixture to be separated described in the examples is air but can for example consist of carbon monoxide and / or hydrogen and / or methane and / or nitrogen and / or helium as main components.
  • the compressor can be a compressor for air, nitrogen, oxygen, argon, synthesis gas, hydrogen, carbon monoxide, helium, methane or any other gas.

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Abstract

Dans un compresseur de gaz (1) ayant n étapes (C1, C2, C3, C4, C5) connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d’un réfrigérant (R1, R2, R3, R4, R5), au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée.

Description

COMPRESSEUR DE GAZ, APPAREIL DE SÉPARATION D'UN MÉLANGE GAZEUX INCORPORANT UN TEL COMPRESSEUR ET PROCÉDÉ DE SÉPARATION D'UN MÉLANGE GAZEUX INCORPORANT UN TEL COMPRESSEUR
5 La présente invention est relative à un compresseur de gaz et à un appareil de séparation d'un mélange gazeux incorporant un tel compresseur. Dans un compresseur classique à plusieurs étages, le gaz comprimé dans un étage est refroidi dans un réfrigérant inter-étages avant d'être envoyé à l'étage suivant, de sorte que le gaz reste à une température acceptable pour0 l'étage de compression suivant. Le gaz comprimé dans le dernier étage est également refroidi en aval de cet étage. Le gaz refroidi par le réfrigérant subit une perte de charge. Selon l'art antérieur, les mêmes pertes de charge subies par le gaz comprimé sont les mêmes pour chaque réfrigérant, quelle que soit la pression du gaz comprimé qu'ils refroidissent.5 Le terme « compresseur » comprend les soufflantes et les surpresseurs et les compresseurs suivis de surpresseurs formant une seule machine. Les compresseurs concernés peuvent être centrifuges, axiaux, radiaux, alternatifs ou des combinaisons de ces types de compresseurs. Les compresseurs peuvent avoir des entrées et/ou sorties intermédiaires.0 L'air passe dans le compresseur d'amont en aval. Un étage d'un compresseur est en amont d'un autre étage si l'air passe dans cet étage avant de passer dans l'autre étage. Toutes les pressions sont des pressions absolues. Dans la mesure que les mêmes pertes de charge ne coûtent que peu5 d'énergie en haute pression par rapport à la moyenne ou basse pression, au lieu d'avoir un compresseur ayant des réfrigérants intermédiaires avec les mêmes pertes de charge à chacun des étages, en utilisant des pertes de charge de gaz plus fortes sur les étages comprimant le gaz à pression plus élevée, il est possible de gagner sur l'investissement du compresseur.0 Selon un objet de l'invention, il est prévu un compresseur de gaz ayant n étages connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d'un réfrigérant caractérisé en ce qu'au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - le réfrigérant du dernier étage du compresseur a une perte de charge plus élevée que celui du premier ; - le compresseur comprend au moins quatre étages dans lequel les derniers étages du compresseur ont une perte de charge plus élevée que les premiers ; - au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 30%, voire d'au moins 50% ou même d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée ; au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de compression d'un gaz dans un compresseur ayant n étages connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d'un réfrigérant caractérisé en ce qu'au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un mélange gazeux comprenant au moins un compresseur tel que défini précédemment et des moyens pour envoyer un gaz provenant de et/ou destiné à l'appareil à ce compresseur. De préférence, il est prévu un appareil de séparation d'air tel que défini précédemment comprenant un appareil de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, des moyens pour envoyer de l'air comprimé à une colonne de l'appareil, des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne de l'appareil, des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec un gaz comprimé, le gaz comprimé ayant été comprimé par au moins un des derniers étages (par le dernier étage) du compresseur et/ou l'air comprimé ayant été comprimé dans le compresseur. Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec de l'air provenant d'un des derniers étages (du dernier étage) du compresseur. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans un système de colonnes dans lequel on comprime un gaz destiné au système de colonnes ou un gaz provenant du système de colonnes, dans un compresseur tel que défini précédemment, le gaz sortant du dernier étage du compresseur étant à une pression supérieure à 5 bars, de préférence supérieure à 10 bars. Selon un autre aspect facultatif, il est prévu un procédé dans lequel i) on comprime un débit d'air à une première pression ii) on surpresse une partie de l'air à la première pression jusqu'à une deuxième pression supérieure à 10 bars iii) on envoie une partie de l'air à la première pression à la distillation dans une colonne du système de colonnes iv) on soutire un débit liquide d'une colonne du système v) on vaporise le débit liquide par échange de chaleur avec de l'air à la deuxième pression caractérisé en ce que vi) on comprime le débit d'air à la première pression et/ou on surpresse la partie de l'air jusqu'à la deuxième pression dans au moins un compresseur tel que défini précédemment. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures. Les Figures représentent des appareils de séparation très simplifiés incorporant au moins un compresseur selon l'invention. Dans la Figure 1 , un débit d'air 3 à la pression atmosphérique est envoyé à un compresseur 1. Le compresseur est constitué des étages C1 , C2, C3, C4 et C5 et de leurs réfrigérants respectifs. Il est : comprimé dans le premier étage C1, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R1, comprimé dans le deuxième étage C2, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R2, comprimé dans le troisième étage C3, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R3, comprimé dans le quatrième étage C4, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R4, comprimé dans le cinquième étage C5 et refroidi par le réfrigérant final R5 pour sortir à une pression d'entre 20 et 40 bars. Les pertes de charge de l'air comprimé pour les réfrigérant intermédiaires R1 , R2 et R3 sont substantiellement identiques. Or la perte de charge pour le réfrigérant intermédiaire R4 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle des réfrigérants précédents R1 , R2 et R3. La perte de charge pour le réfrigérant final R5 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle du réfrigérant R4. En variante, le réfrigérant R4 peut avoir la même perte de charge que les réfrigérants R1 , R2 et R3. Encore en variante, la perte de charge pour le réfrigérant R3 peut être supérieure à celle des réfrigérants R1 et R2 d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire 100% et la perte de charge pour le réfrigérant R4 peut être substantiellement égale à celle de R3 ou supérieure à celle-ci d'au moins
30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins100%. L'air refroidi dans le réfrigérant R5 est envoyé à une étape d'épuration 5 et ensuite à un appareil de séparation d'air 7 opérant par distillation cryogénique ou une autre technique, pour produire un produit 9 qui peut être de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon. Dans la Figure 2, un débit d'air 3 à la pression atmosphérique est envoyé à un compresseur 1. Le compresseur est constitué des étages C1 , C2, C3, C4 et C5 et de leurs réfrigérants respectifs. Il est : comprimé dans le premier étage C1, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R1, comprimé dans le deuxième étage C2, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R2, comprimé dans le troisième étage C3, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R3 et ensuite envoyé à une étape d'épuration. Un débit épuré 6 sort de l'étape d'épuration pour être envoyé à l'appareil de séparation d'air 7 ou ailleurs. Le reste de l'air épuré 8 est comprimé dans le quatrième étage C4, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R4, comprimé dans le cinquième étage C5 et refroidi par le réfrigérant final R5 pour sortir à une pression d'entre 20 et 40 bars. Ce gaz peut ensuite servir à vaporiser un liquide pompé sous pression dans un échangeur de l'appareil de séparation d'air 7. Les pertes de charge sur l'air pour les réfrigérant intermédiaires R1 , R2 et R3 sont substantiellement identiques. Or la perte de charge pour le réfrigérant intermédiaire R4 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire 100% à celle des réfrigérants précédents R1 , R2 et R3. La perte de charge pour le réfrigérant final R5 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle du réfrigérant R4. En variante, le réfrigérant R4 peut avoir la même perte de charge que les réfrigérants R1 , R2 et R3. Encore en variante, la perte de charge pour le réfrigérant R3 peut être supérieure à celle des réfrigérants R1 et R2 d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire 100% et la perte de charge pour le réfrigérant R4 peut être substantiellement égale à celle de R3 ou supérieure à celle-ci d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins100%. Dans cet exemple, les étages C1 , C2 et C3 compriment tout l'air à une pression intermédiaire et seule une partie de l'air est comprimée à la pression maximale dans les étages C4, C5 qui forment un surpresseur. Tous les étages C1 , C2, C3, C4 et C5 sont sur le même axe et forment partie du compresseur 1. L'air 8 refroidi dans le réfrigérant final R5 est envoyé à l'appareil de séparation d'air. Dans la Figure 3, de l'air 3 est comprimé dans une compresseur 1 qui peut être celui décrit dans les Figures 1 ou 2, l'air comprimé est épuré et envoyé à l'appareil de séparation d'air 7. De l'azote gazeux 9 est soutiré de l'appareil 7 et envoyé à un compresseur 11 , constitué par trois étages CA1, CA2 et CA3. La pression de l'azote est au-dessus de la pression atmosphérique, de préférence entre 1,5 et 10 bars. L'azote est : comprimé dans le premier étage CA1, refroidi par le réfrigérant intermédiaire RA1 , comprimé dans le deuxième étage CA2, refroidi par le réfrigérant intermédiaire RA2, comprimé dans le troisième étage CA3 et refroidi par le réfrigérant final RA3. La perte de charge sur l'azote du réfrigérant final RA3 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle du réfrigérant RA2 et du réfrigérant RA1. L'invention s'applique en particulier à la séparation par distillation cryogénique mais peut être utilisée dans des séparations à températures plus élevées. Le mélange gazeux à séparer décrit dans les exemples est de l'air mais peut être par exemple constitué de monoxyde de carbone et/ou d'hydrogène et/ou de méthane et/ou d'azote et/ou de l'hélium comme principaux composants. Le compresseur peut être un compresseur d'air, d'azote, d'oxygène, d'argon, d'un gaz de synthèse, d'hydrogène, de monoxyde de carbone, d'hélium, de méthane ou de tout autre gaz.

Claims

REVENDICATIONS
1 Compresseur de gaz (1 , 11) ayant n étages (C1 , C2, C3, C4, C5, CA1 , CA2, CA3) connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d'un réfrigérant (R1 , R2, R3, R4, R5, RA1 , RA2, RA3) caractérisé en ce qu'au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée.
2. Compresseur selon la revendication 1 dans lequel le réfrigérant
(R5, RA3) du dernier étage du compresseur a une perte de charge plus élevée que celui du premier.
3. Compresseur selon la revendication 2 ayant au moins quatre étages dans lequel les derniers étages du compresseur ont une perte de charge plus élevée que les premiers.
4. Compresseur selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 30%, voire d'au moins 50% ou même d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée.
5. Compresseur selon la revendication 4 dans lequel au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée.
6. Appareil de séparation d'un mélange gazeux comprenant au moins un compresseur (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 5 et des moyens pour envoyer un gaz (3, 9) provenant de et/ou destiné à l'appareil à ce compresseur.
7. Appareil de séparation d'air selon la revendication 6 comprenant un appareil de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, des moyens pour envoyer de l'air comprimé à une colonne de l'appareil, des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne de l'appareil, des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec un gaz comprimé, le gaz comprimé ayant été comprimé par au moins un des derniers étages (par le dernier étage) (R4, R5) du compresseur et/ou l'air comprimé ayant été comprimé dans le compresseur (1).
8. Appareil selon la revendication 7 comprenant des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec de l'air provenant d'un des derniers étages (du dernier étage) (R4, R5) du compresseur.
9. Procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans un système de colonnes dans lequel on comprime un gaz destiné au système de colonnes ou un gaz provenant du système de colonnes, dans un compresseur (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 5, le gaz sortant du dernier étage du compresseur (R5) étant à une pression supérieure à 5 bars, de préférence supérieure à 10 bars.
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel i) on comprime un débit d'air à une première pression ii) on surpresse une partie de l'air à la première pression jusqu'à une deuxième pression supérieure à 10 bars iii) on envoie une partie de l'air à la première pression à la distillation dans une colonne du système de colonnes iv) on soutire un débit liquide d'une colonne du système v) on vaporise le débit liquide par échange de chaleur avec de l'air à la deuxième pression caractérisé en ce que vi) on comprime le débit d'air à la première pression et/ou on surpresse la partie de l'air jusqu'à la deuxième pression dans au moins un compresseur selon l'une des revendications 1 à 5.
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