WO2008040894A2 - Procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique - Google Patents

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    • F25J2245/40—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being air

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for air separation by cryogenic distillation. Air, coming from an intermediate withdrawal of a main exchanger of an air separation device, enters during certain steps at too low a temperature in the turbine. Therefore, there is a risk of liquid in the turbine which could destroy the wheel.
  • the cold section of the exchanger and is mixed with residual remaining in an intermediate section of the exchanger.
  • the fact that less frigories pass through the cold end of the exchanger may result in a temperature crossing in this section;
  • the solution according to the invention consists in heating the air at the inlet of the turbine by increasing the air flow through the exchanger main and going towards the turbine then to extract a part of this air flow at the entry of the turbine and to recycle it while relaxing it towards the entry of a booster (linked to a turbine) on a line of air going to the main exchanger. This avoids additional energy consumption.
  • a method of air separation by cryogenic distillation using a column system wherein: a) compressed air is supercharged in a booster and cooled in a main exchanger; b) the cooled air is divided in two, a first fraction is sent to a turbine and then to a column of the column system and a second fraction continues cooling in the exchanger before being sent to the column system; c) at least occasionally air is taken upstream of the turbine and sent upstream of the booster, after a step of expansion in a valve.
  • the air taken upstream of the turbine is optionally sent upstream of the booster if the suction and / or outlet temperature of the turbine falls below a threshold (thresholds) given (s).
  • a cryogenic distillation air separation apparatus using a) a column system; b) an air compressor, a booster, a main heat exchanger, a pipe for sending compressed air from the compressor to the booster and a pipe for sending air from the booster to the main heat exchanger; c) a turbine, a pipe to remove from the cooled air of the main exchanger and to send it to the turbine, pipes to send air from the turbine and the booster without passing through the turbine to a or more columns of the column system; d) a pipe connecting upstream of the turbine upstream of the booster through a valve without passing through the main exchanger.
  • the apparatus comprises means for withdrawing the air upstream of the turbine and sending it upstream of the booster if the suction and / or outlet temperature of the turbine falls below a given threshold (thresholds given).
  • Air 1 already compressed in a main compressor (not shown) is supercharged in a booster 3 to form a flow rate 5 at the pressure required to vaporize a flow of liquid oxygen under pressure 21.
  • Flow 5 cools to at an intermediate temperature in the main exchanger 7 and is then divided into two.
  • a flow 19 continues cooling to the cold end and is sent to at least the medium pressure column of a double air separation column (not shown).
  • the remainder of the air 9 expands in a turbine 15 to form a gas flow 7 which is sent to the medium pressure column.
  • the valve 17 opens and an air flow 11 upstream of the turbine 15 expands in the valve before being sent upstream of the booster 3.
  • a control system triggers the sending of air taken upstream of the turbine to the booster if the suction or outlet temperature of the turbine falls below a threshold. It will be appreciated that the figure does not show the lines residual nitrogen reheating, necessarily present but unrelated to the invention.
  • oxygen flow rates at different pressures may vaporize in the main exchanger or the oxygen may be replaced by a pressurized nitrogen flow or argon flow rate.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes, de l'air comprimé est surpressé dans un surpresseur 3 et refroidi dans un échangeur principal 7. L'air refroidi est divisé en deux, une première fraction 13 est envoyée à une turbine 15 et ensuite à une colonne 23 du système de colonnes et une deuxième fraction 19 poursuit son refroidissement dans l' échangeur avant d'être envoyé au système de colonnes et au moins occasionnellement de l'air 11 est prélevé en amont de la turbine et envoyé en amont du surpresseur, après une étape de détente dans une vanne 17.

Description

Procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. De l'air, venant d'un soutirage intermédiaire d'un échangeur principal d'un appareil de séparation d'air, entre pendant certaines marches à température trop basse dans la turbine. Par conséquent, il y a un risque d'apparition de liquide dans la turbine qui pourrait entraîner la destruction de la roue.
Il existe plusieurs solutions au niveau des conditions de marche : o Augmenter la pression de l'air qui entre dans l'échangeur principal pour que le liquide apparaisse plus tard mais ceci n'est pas possible sans augmenter les besoin en énergie. o Diminuer les productions liquides de l'appareil pour diminuer la puissance frigorifique mais il faut pouvoir respecter les productions contractuelles. o Augmenter le débit d'air pour que l'air se refroidisse moins mais ceci n'est pas possible sans augmenter les besoins en énergie. o Diminuer le débit turbiné pour diminuer la puissance frigorifique mais il faut pouvoir respecter les productions contractuelles. II existe aussi des alternatives au niveau de la conception d'échangeur : o Diminuer la longueur pour moins refroidir l'air mais parfois la longueur est déterminée par une autre marche contractuelle. o Changer le type de l'onde d'échange mais le type d'onde peut déjà être optimisé. o Diminuer le nombre de passages de l'air pour réduire l'échange thermique. Dans ce cas, la perte de charge de l'air augmentera, donc le taux de détente de la turbine diminuera et la puissance frigorifique diminuera. Eventuellement les productions peuvent devenir inférieures aux productions contractuelles. II existe par ailleurs d'autres solutions : o Court-circuiter la turbine : une partie du débit entrant dans la turbine est détendue à travers une vanne et envoyée directement vers la sortie de la turbine or il y a un risque de perte de puissance frigorifique. o Une fraction de l'azote résiduaire traversant normalement l'intégralité de l'échangeur court-circuite :
- soit la section froide de l'échangeur et est mélangé au résiduaire restant dans une section intermédiaire de l'échangeur. Eventuellement, le fait que moins de frigories traversent le bout froid de l'échangeur risque d'entraîner un croisement de température dans cette section ;
- soit la section chaude de l'échangeur et est mélangé au résiduaire restant à la sortie de l'échangeur. Eventuellement, le fait que moins de frigories traversent le bout chaud de l'échangeur risque d'entraîner un croisement de température dans cette section. o De l'air entrant normalement dans l'échangeur principal court-circuite la section chaude de l'échangeur et est envoyé directement vers l'air qui va vers la turbine pour le réchauffer
- à débit d'air boite froide constant. Si on augmente le débit court- circuitant la section chaude, le ΔT au bout chaud diminue et le KS de l'échangeur augmente
- à débit d'air dans l'échangeur constant. Si on augmente le débit court-circuitant la section chaude, plus d'air sera envoyé vers la boite froide, donc il sortira plus de fluide frigorigène pour un même débit de fluide calorigène entrant dans l'échangeur. On risque donc de refroidir encore plus la température de l'air en sortie de l'échangeur principal. On obtient ainsi le cercle vicieux :
Q bypass î => Q frigorigène dans E01 T =>7~ air sortie E01 vers turbine i La solution selon l'invention consiste à réchauffer l'air à l'entrée de la turbine en augmentant le débit d'air traversant l'échangeur principal et allant vers la turbine puis à soutirer une partie de ce débit d'air à l'entrée de la turbine et le recycler en le détendant vers l'entrée d'un surpresseur (lié à une turbine) sur une ligne d'air allant vers l'échangeur principal. On évite ainsi une consommation d'énergie supplémentaire. Selon la présente invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes dans lequel : a) de l'air comprimé est surpressé dans un surpresseur et refroidi dans un échangeur principal ; b) l'air refroidi est divisé en deux, une première fraction est envoyée à une turbine et ensuite à une colonne du système de colonnes et une deuxième fraction poursuit son refroidissement dans l'échangeur avant d'être envoyé au système de colonnes ; c) au moins occasionnellement de l'air est prélevé en amont de la turbine et envoyé en amont du surpresseur, après une étape de détente dans une vanne.
L'air prélevé en amont de la turbine est éventuellement envoyé en amont du surpresseur si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil (de seuils) donné(s).
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant a) un système de colonnes ; b) un compresseur d'air, un surpresseur, un échangeur principal, une conduite pour envoyer de l'air comprimé du compresseur au surpresseur et une conduite pour envoyé de l'air du surpresseur à l'échangeur principal ; c) une turbine, une conduite pour sortir de l'air refroidi de l'échangeur principal et pour l'envoyer à la turbine, des conduites pour envoyer de l'air provenant de la turbine et du surpresseur sans passer par la turbine à une ou plusieurs colonnes du système de colonnes ; d) une conduite reliant l'amont de la turbine à l'amont du surpresseur à travers une vanne sans passer par l'échangeur principal.
Eventuellement l'appareil comprend des moyens pour prélever l'air en amont de la turbine et l'envoyer en amont du surpresseur si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil donné (de seuils donnés).
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. La figure montre une partie d'un appareil de séparation d'air selon l'invention. De l'air 1 déjà comprimé dans un compresseur principal (non-illustré) est surpressé dans un surpresseur 3 pour former un débit 5 à la pression requise pour vaporiser un débit d'oxygène liquide sous pression 21. Le débit 5 se refroidit jusqu'à une température intermédiaire dans l'échangeur principal 7 puis est divisé en deux. Un débit 19 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid et est envoyé à au moins la colonne moyenne pression d'une double colonne de séparation d'air (non-illustrée). Le reste de l'air 9 se détend dans une turbine 15 pour former un débit gazeux 7 qui est envoyé à la colonne moyenne pression. Sous au moins certaines marches, pour éviter la formation de liquide dans la turbine 15, la vanne 17 s'ouvre et un débit 11 d'air en amont de la turbine 15 se détend dans la vanne avant d'être envoyé en amont du surpresseur 3.
Un système de régulation déclenche l'envoi d'air pris en amont de la turbine vers le surpresseur si la température d'aspiration ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil II sera apprécié que la figure ne montre pas les lignes de réchauffage d'azote résiduaire, nécessairement présentes mais n'ayant aucun rapport avec l'invention.
Plusieurs débits d'oxygène à des pressions différentes peuvent se vaporiser dans l'échangeur principal ou l'oxygène peut être remplacé par un débit d'azote sous pression ou un débit d'argon sous pression.
Cependant la vaporisation d'un liquide provenant de la colonne n'est pas une caractéristique essentielle de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes dans lequel a) de l'air comprimé est surpressé dans un surpresseur (3) et refroidi dans un échangeur principal (7) b) l'air refroidi est divisé en deux, une première fraction (9) est envoyée à une turbine (15) et ensuite à une colonne du système de colonnes et une deuxième fraction (19) poursuit son refroidissement dans l'échangeur avant d'être envoyé au système de colonnes c) au moins occasionnellement de l'air (1 1 ) est prélevé en amont de la turbine et envoyé en amont du surpresseur, après une étape de détente dans une vanne (17).
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'air prélevé en amont de la turbine (15) est envoyé en amont du surpresseur (3) si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un (de) seuil(s) donné(s).
3. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant a) un système de colonnes b) un compresseur d'air, un surpresseur (3) , un échangeur principal (7) , une conduite (1) pour envoyer de l'air comprimé du compresseur au surpresseur et une conduite (5) pour envoyé de l'air du surpresseur à l'échangeur principal c) une turbine (15), une conduite (13) pour sortir de l'air refroidi de l'échangeur principal et pour l'envoyer à la turbine, des conduites (17, 19) pour envoyer de l'air provenant de la turbine et du surpresseur sans passer par la turbine à une ou plusieurs colonnes du système de colonnes d) une conduite (11 ) reliant l'amont de la turbine à l'amont du surpresseur à travers une vanne (17) sans passer par l'échangeur principal.
4. Appareil selon la revendication 3 comprenant des moyens pour prélever l'air en amont de la turbine et l'envoyer en amont du surpresseur si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil donné (de seuils donnés).
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