WO2013079856A1 - Procédé et appareil de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption d'une unité de séparation d'air - Google Patents

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David Bednarski
Guillaume CARDON
Benoit Davidian
Fabrice Del Corso
Cyrille PAUFIQUE
Jean-Pierre Tranier
Marc Wagner
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L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for reheating nitrogen for regenerating an adsorption unit of the invention.
  • an air separation unit proposes to value the heat energy of the heat of the last compression stage of an air compressor intended for the air separation unit, via a heat pump, in order to heat the nitrogen. wastewater used for regeneration.
  • the regeneration of the adsorbent bottles is done by heating the flow of residual nitrogen to 120 ° C-150 ° C using a heater (electric, gas , steamed). In addition, heat is available around 85 ° C at the outlet of the last compressor stage of the air compressor for separation. It is known to use a water circuit for transferring the heat of the compressed air to the nitrogen intended for regeneration, for example in the process of US-A-5846295, in "Adsorption Purification for Air Separation Units" from Grenier et al., Cryogenics Processes and Equipment, 1984, ASME Winter Meeting and in a well-known manual "Engineering Techniques, Figure 5, J6020-1997 of the 1991 edition. Thus a method according to the preamble of claim 1 has been known since at least 1984 and is part of the general knowledge of those skilled in the art since 1991.
  • the invention proposes to install a heat pump system that heats the residual nitrogen from the heat of the compressor. Compared to a process using an electric heater, this system divides the power consumption by 4.
  • the invention proposes to install a heat pump between the heat of compression at the outlet of the last stage of the compressor and the residual nitrogen.
  • a working fluid follows the following cycle:
  • the heat is transmitted to the residual nitrogen during the condensation of the working fluid. It is thus possible to reach the temperatures necessary for regeneration (120 ° C. to 150 ° C.).
  • the working fluid can be water, ammonia or any other refrigerant adapted to these temperature levels.
  • Such a device makes it possible to reduce the power consumption in the case of an electric or gas heater.
  • a method of heating the nitrogen for regenerating an adsorption unit in an air separation unit in which:
  • the cooled compressed air is sent to the adsorption unit to be purified with water and carbon dioxide and the purified air is sent to the air separation unit,
  • the heated fluid warms the nitrogen gas from the air separation unit to produce heated nitrogen, and to cool the fluid producing a cooled fluid, e) the cooled fluid is again heated against the compressed air flow according to step b) and the heated nitrogen is sent to the purification unit to regenerate it, characterized in that the fluid of the closed circuit is vaporized by indirect heat exchange with the flow of compressed air, then compressed, condensed by indirect heat exchange with nitrogen and relaxed.
  • the fluid of the closed circuit is water or ammonia
  • the compressed air leaving the last stage of the compressor is not cooled before being cooled by the fluid of the closed circuit.
  • the nitrogen sent to the regeneration is at between 120 ° C. and 150 ° C.
  • the nitrogen sent to the regeneration is heated only by heat from the closed circuit fluid and compressed air in the compressor.
  • the compressed air leaving the last stage of the compressor is at between 80 ° C and 90 ° C.
  • the closed circuit fluid is compressed in at least two stages of a compressor and cooled between these at least two stages by injecting circuit fluid which has been condensed by heat exchange with the nitrogen gas.
  • heat from the compressed circuit fluid is stored before being transferred to the nitrogen to be heated.
  • step b) the heat transferred according to step b) is transferred from the compressed air to the fluid through the cooling water of the compressed air in a cooler downstream of the compressor.
  • a nitrogen heating apparatus for incorporation into an air separation unit for producing the regeneration nitrogen of a separation unit adsorption unit.
  • air comprising an air compressor producing a heated compressed air flow for an air separation unit, a purification unit, a closed fluid circuit, a first heat exchanger, a second heat exchanger, a pipe for sending heated compressed air to the first exchanger, means for sending the fluid from the closed circuit of the second exchanger to the first exchanger, a pipe for sending cooled air from the first exchanger to the purification unit, means for sending the circuit fluid closed from the first heat exchanger to the second heat exchanger, means for allowing a heat exchange between the nitrogen gas of the air separation unit and the second heat exchanger to form heated nitrogen and a pipe for sending the nitrogen heated to the purification unit characterized in that it comprises a cycle compressor and a valve, the means for sending the fluid from the closed circuit of the second exchanger to the first exchanger being connected to the valve and the means for sending the fluid from the closed circuit of the first exchanger
  • the means for allowing heat exchange between the nitrogen gas and the second exchanger may be the means for sending the nitrogen gas into the second exchanger (the case of Figure 1 with second exchanger 17).
  • the means for allowing heat exchange between the nitrogen gas and the second heat exchanger are constituted by a second closed circuit comprising heat storage means (in the case of FIG. 2 where the second heat exchanger is the heat exchanger 35 and the heat exchangers).
  • means for enabling the exchange of heat include exchanger 17).
  • the heat storage means may consist of a liquid storage downstream of the second exchanger and upstream of the third exchanger and a liquid storage downstream of the third exchanger and upstream of the second exchanger.
  • the second closed circuit preferably comprises two pumps, each downstream of a storage, to ensure the transfer of liquid.
  • the apparatus may include a water cooler downstream of the compressor and means for heat exchange between the cooling water of the cooler and the first and / or second closed circuit.
  • the apparatus may include means for storing the energy produced by the closed circuit or the closed circuits.
  • an air separation plant for example by cryogenic distillation, comprises an air compressor C1, C2, C3 with three stages, an adsorption unit 13 for purifying the compressed air with water and carbon dioxide and an air separation apparatus 11 comprising, for example, an exchange line for cooling the purified air and a cooling system; columns producing oxygen and nitrogen gas.
  • Nitrogen gas serves to regenerate the adsorption unit which comprises at least two adsorbent bottles, each operating in a cycle to adsorb impurities and be regenerated in turn. Nitrogen gas should be heated to between 1 ° C and 150 ° C to effect regeneration.
  • the air 1 for the separation apparatus 1 1 is compressed in the first stage C1 of the compressor, cooled by the cooler R1, compressed in the second stage C2, then cooled by the cooler R2 and finally compressed in the third stage C3 without being cooled afterwards in a cooler.
  • the air leaves the last stage C3 at a temperature between 80 ° C and 90 ° C.
  • the number of stages of the compressor can obviously be chosen according to the desired pressure.
  • the compressed air 3 at a temperature between 80 ° C and 90 ° C is fed to a first heat exchanger 5 where it cools to form the cooled air 7 at about 60 ° C.
  • the cooled air 7 is cooled in the cooler R3 and / or in a pre-cooling unit 8, for example by direct contact with water or by a refrigeration unit.
  • the cooled air 7 is then purified in a bottle of the purification unit 13 and the purified air 9 is sent to a separation apparatus 11 to form a product rich in oxygen and / or nitrogen.
  • a nitrogen-rich gas stream from the apparatus 11 and at a temperature between 10 ° C and 30 ° C is reheated in the second exchanger 17 to a temperature between 120 ° C and 150 ° C.
  • the heated nitrogen 16 is sent to regenerate the other bottle of the purification unit 13.
  • the heat transfer between the first exchanger 5 and the second exchanger 17 is provided by a closed circuit.
  • a fluid which may be water, ammonia or other suitable refrigerant.
  • Fluid 19 is vaporized and reheated in the first exchanger 5 by indirect heat exchange with air only, thereby being heated to 60 ° C at a pressure slightly above ambient.
  • the fluid is compressed in a two-stage compressor C4, C5 to form the compressed fluid 21 at a pressure between the phase change pressures at 125 ° C and 160 ° C, for example 8 bar.
  • the compressed fluid 21 is at an elevated temperature, for example 340 ° C, and is condensed and cooled in the second exchanger 17 by indirect heat exchange with the nitrogen at between 10 ° C and 30 ° C.
  • the liquid formed is expanded in a valve 23 to a pressure between the phase change pressures at 40 ° C and 70 ° C and returns to the first heat exchanger 5.
  • the two exchangers can be brazed aluminum plate heat exchangers.
  • the closed circuit no longer operates, the compressor C is stopped and the nitrogen 15 goes directly to the purification 13 without having been reheated.
  • a liquid flow 20 is taken just downstream of the second exchanger 17 and upstream of the valve 23 to be sent between the two compression stages C4, C5 in liquid form and thus cool the fluid upstream of the stage C5.
  • the regeneration does not require continuous heating, one can imagine include in the device described in Figure 1 a system for temporarily storing thermal energy.
  • Figure 2 illustrates this variant. Here the transfer of heat between the first and second exchangers 5, 17 is provided by two closed circuits.
  • the air 1 for the separation apparatus 1 1 is compressed in the first stage C1 of the compressor, cooled by the cooler R1, compressed in the second stage C2, then cooled by the cooler R2 and finally compressed in the third stage C3 without being cooled afterwards in a cooler.
  • the air leaves the last stage C3 at a temperature between 80 ° C and 90 ° C.
  • the number of stages of the compressor can obviously be chosen according to the desired pressure.
  • the compressed air 3 at a temperature between 80 ° C and 90 ° C is sent to a first heat exchanger 5 where it cools to form the cooled air 7.
  • the cooled air 7 is cooled in the cooler R3 and / or in a pre-cooling unit, for example by direct contact with water or a refrigeration unit.
  • the cooled air 7 is then purified in a bottle of the purification unit 13 and the purified air is sent to a separation apparatus to form a product rich in oxygen and / or nitrogen.
  • a nitrogen-rich gas flow from the apparatus and at a temperature between 10 ° C and 30 ° C is warmed in the second heat exchanger 17 to a temperature between 120 ° C and 150 ° C to reach a temperature. allowing regeneration.
  • the heated nitrogen 16 is sent to regenerate the other bottle of the purification unit 13.
  • the heat transfer between the first exchanger 5 and the second exchanger 17 is provided by two closed circuits.
  • a first circuit circulates a fluid, which may be water, ammonia or other suitable refrigerant.
  • the fluid 19 is vaporized in the first exchanger 5 by indirect heat exchange with the air 3 only.
  • the fluid is compressed in a compressor C4, C5 to form the compressed fluid 21 at a pressure between the phase change pressures at 125 ° C and 160 ° C.
  • the compressed fluid 21 is condensed in a third exchanger 35 by indirect heat exchange with the liquid of the second closed circuit.
  • the formed liquid is expanded in a valve 23 to a pressure between the phase change pressures at a temperature between 40 ° C and 70 ° C, and returns to the first exchanger 5.
  • the first and the second exchanger can be brazed aluminum plate heat exchangers.
  • the liquid 27 flowing in the second closed circuit is heated in the third exchanger 35 by heat exchange with the compressed fluid 21 and the heated liquid is stored in a first storage SC, then pumped into a pump 29 to be sent to the second exchanger 1 7 where the pumped liquid warms the nitrogen.
  • the liquid thus cooled 31 is returned to a second storage SF, and then pumped by the pump 37 to be sent to the third exchanger 35 again.
  • the pump 37 runs continuously and serves to empty the second storage SF when the pump 29 is not working.
  • the first SC storage which is a storage of liquid, stores heat from the air when cold regenerated and restores the energy when regenerating hot. Thus the pump 29 does not work permanently. During the cold regeneration the nitrogen is not reheated.
  • Figure 2 shows the case where the energy is stored in the form of sensible heat of a fluid, for example water.
  • the pump 29 circulates the coolant 27 only during hot regeneration.
  • the liquid accumulates in the first SC storage outside the hot regeneration.
  • the air 7 heats the water of the cooler R3, the heated water heats and vaporizes the expanded liquid from the valve 23 of Figure 1 or 2 in the exchanger 5 which is no longer heated directly by the air compressed.
  • This configuration adds a transfer fluid (the cooling water of the cooler R3 and / or R2 and / or R1) and thus a pinch in the exchange diagram.
  • the water circuit smooths the temperature variations at the outlet of the compressor and thus leads to a more stable operation of the heat pump.
  • the energy produced by the heat pump can be stored for example in the form of sensible heat of a fluid flowing between two tanks or using a material to change phase. In this way, the heat pump operates continuously.

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Abstract

Dans un procédé de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption (13) d'une unité de séparation d'air,de l'air destiné à une unité de séparation d'air (11) est comprimé dans un compresseur (C1,C2,C3) produisant un débit d'air comprimé réchauffé,le débit d'air comprimé réchauffé chauffe un fluide dans un circuit fermé pour produire un fluide réchauffé et de l'air comprimé refroidi,l'air comprimé refroidi est envoyé à l'unité d'adsorption pour être épuré en eau et en dioxyde de carbone et l'air épuré est envoyé à l'unité de séparation d'air,le fluide réchauffé réchauffe de l'azote gazeux (15) provenant de l'unité de séparation d'air pour produire de l'azote réchauffé (16), et pour refroidir le fluide (21) produisant un fluide refroidi,le fluide refroidi étant de nouveau réchauffé contre le débit d'air comprimé et l'azote réchauffé est envoyé à l'unité d'épuration pour la régénérer, le fluide du circuit fermé est vaporisé par échange de chaleur indirect avec le débit d'air comprimé, ensuite comprimé, condensé par échange de chaleur indirect avec l'azote et détendu.

Description

Procédé et appareil de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption d'une unité de séparation d'air La présente invention concerne un procédé et appareil de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption d'une unité de séparation d'air. L'invention propose de valoriser l'énergie thermique de la chaleur du dernier étage de compression d'un compresseur d'air destiné à l'unité de séparation d'air, via une pom pe à chaleu r, afin de chauffer l'azote résiduaire servant à la régénération.
Durant le procédé de séparation des gaz de l'air, la régénération des bouteilles d'adsorbants se fait en chauffant le flux d'azote résiduaire à 120°C-150°C à l'aide d'un réchauffeur (électrique, à gaz, à vapeur...). Par ailleurs, de la chaleur est disponible autour de 85°C à la sortie du dernier étage de compression du compresseur d'air destiné à la séparation. Il est connu d'utiliser un circuit d'eau pour transférer la chaleur de l'air comprimé vers l'azote destiné à la régénération, par exemple dans le procédé de US-A-5846295, dans « Adsorption Purification for Air Séparation Units » de Grenier et al, Cryogénie Processes and Equipment, 1984, ASME Winter Meeting et dans un manuel connu « Techniques de l'Ingénieur, Figure 5, J6020-1997 de l'édition de 1991 . Ainsi un procédé selon le préambule de la revendication 1 est connu depuis au moins 1984 et fait partie des connaissances générales de l'homme de l'art depuis 1991 .
L'invention propose d'installer un système de pompe à chaleur qui réchauffe l'azote résiduaire à partir de la chaleur du compresseur. Par rapport à un procédé utilisant un réchauffeur électrique, ce système permet de diviser la consommation électrique par 4.
L'usage d'une pompe à chaleur pour transférer de la chaleur fait partie des connaissances basiques du thermodynamicien. Cependant il semblerait qu'une pompe à chaleur n'ait pas jusqu'alors été proposé pour refroidir l'air provenant d'un compresseur d'un appareil de séparation d'air. US-A-5759236 propose l'usage d'une pompe de chaleur dans un domaine autre que la séparation de l'air pour transférer de la chaleur d'un gaz de régénération ayant servi à régénérer au même gaz de régénération en amont de la régénération, cet usage étant mentionné dans la section concernant l'art antérieur qui remonte à 1986.
La coexistence de cet art antérieur « Staub Reinhaltung der Luft » mentionné dans US-A-5759236 avec la conférence de Grenier et al mentionné ci- dessus pendant 25 ans, sans que l'homme de l'art ait pensé combiner les deux enseignements démontre que le procédé proposé est inventif.
L'invention propose d'installer une pompe à chaleur entre la chaleur de compression à la sortie du dernier étage du compresseur et l'azote résiduaire. Un fluide de travail suit le cycle suivant :
· vaporisation contre le débit d'air chaud,
• compression,
• condensation contre le débit d'azote résiduaire,
• détente à travers une vanne.
La chaleur est transmise à l'azote résiduaire lors de la condensation du fluide de travail . On peut ainsi atteindre les températures nécessaires à la régénération (120°C - 1 50°C). Le flu ide de travail peut être de l'eau, de l'ammoniac ou tout autre réfrigérant adapté à ces niveaux de température.
Un tel dispositif permet de réduire la consommation d'énergie dans le cas d'un réchauffeur électrique ou à gaz.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption dans une unité de séparation d'air dans lequel :
a) de l'air destiné à une unité de séparation d'air est comprimé dans un compresseur produisant un débit d'air comprimé réchauffé,
b) le débit d'air comprimé réchauffé chauffe un fluide dans un circuit fermé pour produire un fluide réchauffé et de l'air comprimé refroidi,
c) l'air comprimé refroidi est envoyé à l'unité d'adsorption pour être épuré en eau et en dioxyde de carbone et l'air épuré est envoyé à l'unité de séparation d'air,
d) le fluide réchauffé réchauffe l'azote gazeux provenant de l'unité de séparation d'air pour produire de l'azote réchauffé, et pour refroidir le fluide produisant un fluide refroidi, e) le fluide refroidi étant de nouveau réchauffé contre le débit d'air comprimé selon l'étape b) et l'azote réchauffé est envoyé à l'unité d'épuration pour la régénérer, caractérisé en ce que le fluide du circuit fermé est vaporisé par échange de chaleur indirect avec le débit d'air comprimé, ensuite comprimé, condensé par échange de chaleur indirect avec l'azote et détendu .
Selon d'autres caractéristiques facultatives :
le fluide du circuit fermé est de l'eau ou de l'ammoniac, l'air comprimé sortant du dernier étage du compresseur n'est pas refroidi avant d'être refroidi par le fluide du circuit fermé.
- l'azote envoyé à la régénération est à entre 120°C et 150°C.
l'azote envoyé à la régénération est chauffé uniquement par de la chaleur provenant du flu ide du circu it fermé et de l'air comprimé dans le compresseur.
l'air comprimé sortant du dernier étage du compresseur est à entre 80°C et 90°C.
le fluide du circuit fermé est comprimé dans au moins deux étages d'un compresseur et refroidi entre ces au moins deux étages par injection de fluide de circuit qui a été condensé par échange de chaleur avec l'azote gazeux.
de la chaleur provenant du fluide de circuit comprimé est stockée avant d'être transférée à l'azote à réchauffer.
la chaleur transférée selon l'étape b) est transférée à partir de l'air comprimé au fluide à travers de l'eau de refroidissement de l'air comprimé dans un refroidisseur en aval du compresseur.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de réchauffage de l'azote destiné être incorporé dans une unité de séparation d'air pour produire l'azote de régénération d'une unité d'adsorption de unité de séparation d'air comprenant un compresseur d'air produisant un débit d'air comprimé réchauffé destiné à une unité de séparation d'air, une unité d'épuration, un circuit fermé de fluide, un premier échangeur de chaleur, un deuxième échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer de l'air comprimé réchauffé au premier échangeur, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur, une conduite pour envoyer de l'air refroidi du premier échangeur vers l'unité d'épuration, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur, des moyens pour permettre un échange de chaleur entre l'azote gazeux de l'unité de séparation d'air et le deuxième échangeur pour former de l'azote réchauffé et une conduite pour envoyer l'azote réchauffé vers l'unité d'épuration caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur de cycle et une vanne, les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur étant reliés à la vanne et les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur étant reliés au compresseur de cycle.
Les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur peuvent être les moyens permettant envoyer l'azote gazeux dans le deuxième échangeur (cas de la Figure 1 avec deuxième échangeur 17).
Eventuellement les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur sont constitués par un deuxième circuit fermé comprenant des moyens de stockage de chaleur (cas de la Figure 2 où le deuxième échangeur est l'échangeur 35 et les moyens pour permettre l'échange de chaleur comprennent l'échangeur 17).
Les moyens de stockage de chaleur peuvent être constitués par un stockage de liquide en aval du deuxième échangeur et en amont du troisième échangeur et un stockage de liquide en aval du troisième échangeur et en amont du deuxième échangeur.
Le deuxième circuit fermé comprend de préférence deux pompes, chacune en aval d'un stockage, pour assurer le transfert de liquide.
L'appareil peut comprendre un refroidisseur à l'eau en aval du compresseur et des moyens permettant un échange de chaleur entre l'eau de refroidissement du refroidisseur et le premier et/ou le deuxième circuit fermé.
L'appareil peut comprendre des moyens pour stocker l'énergie produite par le circuit fermé ou les circuits fermés.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 1 et 2. Dans la Figure 1 , une installation de séparation d'air, par exemple par distillation cryogénique, comprend un compresseur d'air C1 , C2, C3 à trois étages, une unité d'adsorption 13 pour épurer l'air comprimé en eau et en dioxyde de carbone et un appareil de séparation d'air 1 1 , comprenant par exemple une ligne d'échange pour refroidir l'air épuré et un système de colonnes produisant de l'oxygène et de l'azote gazeux. L'azote gazeux 15 sert à régénérer l'unité d'adsorption qui comprend au moins deux bouteilles d'adsorbant, chacune opérant selon un cycle pour adsorber les impuretés et être régénérée à tour de rôle. L'azote gazeux 15 doit être chauffé à une température entre 1 20°C et 150°C pour effectuer la régénération.
L'air 1 destiné à l'appareil de séparation 1 1 est comprimé dans le premier étage C1 du compresseur, refroidi par le refroidisseur R1 , comprimé dans le deuxième étage C2, ensuite refroidi par le refroidisseur R2 et enfin comprimé dans le troisième étage C3 sans être refroidi par la suite dans un refroidisseur. L'air sort du dernier étage C3 à une température entre 80°C et 90°C. Le nombre d'étages du compresseur peut évidemment être choisi selon la pression voulue. L'air comprimé 3 à une température comprise entre 80°C et 90°C est envoyé à un premier échangeur de chaleur 5 où il se refroidit pour former l'air refroidi 7 à environ 60°C. L'air refroidi 7 est refroidi dans le refroidisseur R3 et/ou dans une unité de pré-refroidissement 8, par exemple par contact direct avec de l'eau ou par un groupe frigorifique. L'air refroidi 7 est ensuite épuré dans une bouteille de l'unité d'épuration 13 et l'air épuré 9 est envoyé à un appareil de séparation 1 1 pour former un produit riche en oxygène et/ou en azote.
Un débit de gaz riche en azote 15 provenant de l'appareil 1 1 et à une température entre 10°C et 30°C est réchauffé dans le deuxième échangeur 17 jusqu'à une température entre 120°C et 150°C. L'azote réchauffé 16 est envoyé pour régénérer l'autre bouteille de l'unité d'épuration 13.
Le transfert de chaleur entre le premier échangeur 5 et le deuxième échangeur 17 est assuré par un circuit fermé. Dans ce circuit circule un fluide, pouvant être de l'eau, de l'ammoniac ou un autre réfrigérant adapté. Le fluide 19 est vaporisé et réchauffé dans le premier échangeur 5 par échange de chaleur indirect avec l'air 3 uniquement, se trouvant ainsi chauffé à 60°C à une pression légèrement au-dessus de l'ambiante. Ensuite le fluide est comprimé dans un compresseur à deux étages C4, C5 pour former le fluide comprimé 21 à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 125°C et 160°C, par exemple 8 bar. Le fluide comprimé 21 est à une température élevée, par exemple 340°C, et est condensé et refroidi dans le deuxième échangeur 17 par échange de chaleur indirect avec l'azote 15 entre 1 0°C et 30°C. Le liquide formé est détendu dans une vanne 23 jusqu'à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 40°C et 70°C et revient dans le premier échangeur 5. Les deux échangeurs peuvent être des échangeurs à plaques en aluminium brasés.
Si l'épuration requiert une étape de régénération à plus basse température, le circuit fermé ne fonctionne plus, le compresseur C étant arrêté et l'azote 15 passe directement à l'épuration 13 sans avoir été réchauffé.
Eventuellement un débit de liquide 20 est pris juste en aval du deuxième échangeur 17 et en amont de la vanne 23 pour être envoyé entre les deux étages de compression C4, C5 sous forme liquide et ainsi refroidir le fluide en amont de l'étage C5.
Ceci permet de désurchauffer le fluide entre les deux étages.
La régénération ne nécessitant pas de chauffer de manière continue, on peut imaginer inclure au dispositif décrit dans la Figure 1 un système permettant de stocker temporairement l'énergie thermique. La Figure 2 illustre cette variante. Ici le transfert de chaleur entre le premier et deuxième échangeurs 5, 17 est assuré par deux circuits fermés.
L'air 1 destiné à l'appareil de séparation 1 1 est comprimé dans le premier étage C1 du compresseur, refroidi par le refroidisseur R1 , comprimé dans le deuxième étage C2, ensuite refroidi par le refroidisseur R2 et enfin comprimé dans le troisième étage C3 sans être refroidi par la suite dans un refroidisseur. L'air sort du dernier étage C3 à une température entre 80°C et 90°C. Le nombre d'étages du compresseur peut évidemment être choisi selon la pression voulue. L'air comprimé 3 à une température comprise entre 80°C et 90°C est envoyé à un premier échangeur de chaleur 5 où il se refroidit pour former l'air refroidi 7. L'air refroid i 7 est refroid i dans le refroid isseur R3 et/ou dans une unité de prérefroidissement, par exemple par contact direct avec de l'eau ou par un groupe frigorifique. L'air refroidi 7 est ensuite épuré dans une bouteille de l'unité d'épuration 13 et l'air épuré est envoyé à un appareil de séparation pour former un produit riche en oxygène et/ou en azote.
Un débit de gaz riche en azote 15 provenant de l'appareil et à une température entre 10°C et 30°C est réchauffé dans le deuxième échangeur 17 jusqu'à une température entre 120°C et 150°C pour atteindre une température permettant la régénération. L'azote réchauffé 16 est envoyé régénérer l'autre bouteille de l'unité d'épuration 13.
Le transfert de chaleur entre le premier échangeur 5 et le deuxième échangeur 17 est assuré par deux circuits fermés. Dans un premier circuit circule un fluide, pouvant être de l'eau, de l'ammoniac ou un autre réfrigérant adapté. Le fluide 19 est vaporisé dans le premier échangeur 5 par échange de chaleur indirect avec l'air 3 uniquement. Ensuite le fluide est comprimé dans un compresseur C4, C5 pour former le fluide comprimé 21 à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 125°C et 160°C. Le fluide comprimé 21 est condensé dans un troisième échangeur 35 par échange de chaleur indirect avec le liquide du deuxième circuit fermé. Le liquide formé est détendu dans une vanne 23 jusqu'à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à une température comprise entre 40°C et 70°C, et revient dans le premier échangeur 5. Le premier et le deuxième échangeur peuvent être des échangeurs à plaques en aluminium brasées.
Le liquide 27 circulant dans le deuxième circuit fermé est chauffé dans le troisième échangeur 35 par échange de chaleur avec le fluide comprimé 21 et le liquide réchauffé est stocké dans un premier stockage SC, puis pompé dans une pompe 29 pour être envoyé au deuxième échangeur 1 7 où le liquide pompé réchauffe l'azote. Le liquide ainsi refroidi 31 est renvoyé à un deuxième stockage SF, puis ensuite pompé par la pompe 37 pour être envoyé vers le troisième échangeur 35 de nouveau. La pompe 37 fonctionne en permanence et sert à vider le deuxième stockage SF quand la pompe 29 ne fonctionne pas.
Le premier stockage SC qui est un stockage de liquide, stocke la chaleur provenant de l'air lorsqu'on régénère à froid et restitue l'énergie quand on régénère à chaud. Ainsi la pompe 29 ne fonctionne pas en permanence. Pendant la régénération à froid l'azote 15 n'est pas réchauffé.
Cela présente l'avantage de ne pas avoir à faire subir des cycles de démarrages/arrêts à la pompe à chaleur.
La figure 2 présente le cas où l'énergie est stockée sous forme de chaleur sensible d'un fluide, par exemple de l'eau. La pompe 29 ne fait circuler le fluide caloporteur 27 que lors de la régénération à chaud . Ainsi le liquide s'accumule dans le premier stockage SC en dehors de la régénération à chaud. On peut également stocker la chaleur provenant du compresseur sous forme de chaleur latente d'un matériau, dans un lit d'adsorbant ou par d'autres manières.
Selon une variante des deux figures, il peut être intéressant de transférer la chaleur de l'air comprimé vers le circuit de pompe à chaleur à travers l'eau de refroidissement du refroidisseur R3. Ainsi l'air 7 chauffe l'eau du refroidisseur R3, l'eau réchauffée chauffe et vaporise le liquide détendu provenant de la vanne 23 de la Figure 1 ou 2 dans l'échangeur 5 qui n'est plus chauffé directement par l'air comprimé. Cette configuration rajoute un fluide de transfert (l'eau de refroidissement du refroidisseur R3 et/ou R2 et/ou R1 ) et donc un pincement dans le diagramme d'échange. Or elle permet d'éviter d'impacter le fonctionnement et la conception du compresseur C1 , C2, C3 et élimine notamment des pertes de charge supplémentaires sur le circuit d'air à séparer. De plus, le circuit d'eau permet de lisser les variations de température en sortie du compresseur et donc conduit à un fonctionnement plus stable de la pompe à chaleur.
Le procédé de régénération étant discontinu pour toutes les variantes, l'énergie produite par la pompe à chaleur peut être stockée par exemple sous forme de chaleur sensible d'un fluide circulant entre deux réservoirs ou encore à l'aide d'un matériau à changement de phase. De cette façon, la pompe à chaleur fonctionne en continu.

Claims

Revendications
1 . Procédé de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption (13) d'une unité de séparation d'air dans lequel :
a) de l'air destiné à une unité de séparation d'air (1 1 ) est comprimé dans un compresseur (C1 , C2, C3) produisant un débit d'air comprimé réchauffé, b) le débit d'air comprimé réchauffé chauffe un fluide dans un circuit fermé pour produire un fluide réchauffé et de l'air comprimé refroidi,
c) l'air comprimé refroidi est envoyé à l'unité d'adsorption pour être épuré en eau et en dioxyde de carbone et l'air épuré est envoyé à l'unité de séparation d'air,
d) le fluide réchauffé réchauffe de l'azote gazeux (15) provenant de l'unité de séparation d'air pour produire de l'azote réchauffé (16), et pour refroidir le fluide (21 ) produisant un fluide refroidi,
e) le fluide refroidi étant de nouveau réchauffé contre le débit d'air comprimé selon l'étape b) et l'azote réchauffé est envoyé à l'unité d'épuration pour la régénérer, caractérisé en ce que le fluide du circuit fermé est vaporisé par échange de chaleur indirect avec le débit d'air comprimé, ensuite comprimé, condensé par échange de chaleur indirect avec l'azote et détendu .
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide du circuit fermé est de l'eau ou de l'ammoniac.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'air comprimé sortant du dernier étage du compresseur (C3) n'est pas refroidi avant d'être refroidi par le fluide du circuit fermé.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote (16) envoyé à la régénération est à une température comprise entre 120°C et 150°C.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote (16) envoyé à la régénération est chauffé uniquement par de la chaleur provenant du fluide du circuit fermé et de l'air comprimé dans le compresseur.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air comprimé (3) sortant du dernier étage du compresseur est à une température comprise entre 80°C et 90°C.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fl u ide d u circu it fermé est com primé dans au moins deux étages d'un compresseur (C4, C5) et refroidi entre ces au moins deux étages par injection de fluide de circuit (20) qui a été condensé par échange de chaleur avec l'azote gazeux.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur provenant du fluide de circuit comprimé est stockée avant d'être transférée à l'azote à réchauffer.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chaleur transférée selon l'étape b) est transférée à partir de l'air comprimé au fluide à travers d e l 'ea u de refroidissement de l'air comprimé dans un refroidisseur en aval du compresseur.
10. Appareil de réchauffage de l'azote destiné à être incorporé dans une unité de séparation d'air pour produire l'azote de régénération d'une unité d'adsorption de l 'unité de séparation d'air comprenant un compresseur d'air (C1 , C2, C3) produisant un débit d'air comprimé réchauffé destiné à une unité de séparation d'air (1 1 ), une unité d'épuration (13), un circuit fermé de fluide, un premier échangeur de chaleur (5), un deuxième échangeur de chaleur (17, 35), une conduite pour envoyer de l'air comprimé réchauffé au premier échangeur, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur, une conduite pour envoyer de l'air refroidi du premier échangeur vers l'unité d'épuration, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur, des moyens (17) pour permettre un échange de chaleur entre l'azote gazeux de l'unité de séparation d'air et le deuxième échangeur pour former de l'azote réchauffé (16) et une conduite pour envoyer l'azote réchauffé vers l'unité d'épuration, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur de cycle (C4, C5) et une vanne (23), les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur étant reliés à la vanne et les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur étant reliés au compresseur de cycle.
1 1 . Appareil selon la revendication 10 dans lequel les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur (35) sont constitués par un deuxième circuit fermé (27, 29, 37) comprenant des moyens de stockage de chaleur (SF, SC).
12. Appare i l se l o n l a reve n d i cat io n 1 0 o u 1 1 co m pre n a n t u n refroidisseur à l'eau (R3) en aval du compresseur et des moyens permettant un échange de chaleur entre l'eau de refroidissement du refroidisseur et le premier et/ou le deuxième circuit fermé.
13. Appareil selon l'une des revendications 10 à 12 comprenant des moyens pour stocker l'énergie produite par le circuit fermé ou les circuits fermés.
14. Appareil selon l'une des revendications 10, 12 ou 13 dans lequel les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur (1 7) sont les moyens permettant envoyer l'azote gazeux dans le deuxième échangeur.
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