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FR2913760A1 - Procede et appareil de production de gaz de l'air sous forme gazeuse et liquide a haute flexibilite par distillation cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de production de gaz de l'air sous forme gazeuse et liquide a haute flexibilite par distillation cryogenique Download PDF

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FR2913760A1
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Xavier Pontone
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dans un procédé de production d'au moins un gaz de l'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes, selon un premier mode de fonctionnement, une turbine auxiliaire (27) aspire une fraction gazeuse d'un débit d'air ayant été préalablement détendue dans une première turbine (21), la pression d'aspiration de la turbine auxiliaire diffère de moins de 2 bar abs de la moyenne pression, la pression de refoulement de la turbine auxiliaire est supérieure ou substantiellement égale à la pression atmosphérique,;au moins une partie du débit d'air détendu dans la turbine auxiliaire est réchauffée dans une ligne d'échange (7) ou renvoyée à un système de colonnes et une partie (32) des constituants de l'air est produite comme produit final sous forme liquide et dans un deuxième mode de fonctionnement, le débit d'air traité dans la turbine auxiliaire est réduit et la production de liquide comme produit final est diminuée.

Description

Les procédés traditionnels de production de gaz de l'air sous forme
liquide ou gazeuse présentaient des architectures de procédés distinctes. Ainsi on trouvait : • un appareil de séparation de l'air produisant les constituants principaux (02, N2 ,Ar), à pression atmosphérique ou légèrement supérieure ; • une étape de compression des produits au moyen de compresseurs ; • un cycle indépendant de liquéfaction d'azote permettant de produire tout ou partie de chacun des constituants sous forme liquide si nécessaire. Cette configuration permettait une grande souplesse d'utilisation car chacune des trois fonctions mises en oeuvre (séparation, compression, liquéfaction) pouvait être opérée ou stoppée de façon indépendante sans affecter le fonctionnement des deux autres. Néanmoins, cette configuration souffre d'un manque de compétitivité important, compte tenu du coût très élevé de cette architecture, qui réclame un appareil par fonction. Les procédés plus récents de production de gaz de l'air, que nous appelons procédés intégrés, présentent l'avantage de pouvoir combiner en un seul équipement ces trois fonctions. Les appareils dits à pompe , incluant des cycles de détente d'air ou éventuellement d'azote, permettent de produire à partir du même équipement les constituants de l'air sous forme gazeuse sous pression et liquide. Parmi ceux-ci, les procédé à paliers de vaporisation décalés pour délivrer des produits sous pression , tels que décrits dans le brevet EP-A-0504029 ou encore FR-A-2688052, sont particulièrement intéressants puisqu'ils permettent la combinaison de ces fonctions à partir d'un unique compresseur d'air, à haute pression. L'efficacité énergétique de l'ensemble est comparable au procédé traditionnel et l'investissement est grandement diminué. Par contre, la souplesse de production est affectée par la combinaison 3 en 1 des fonctions, et on pourra plus difficilement opérer ou arrêter une 30 fonction sans affecter l'ensemble. Le but de cette invention est de pouvoir combiner les avantages économiques des procédés intégrés, tout en conservant la souplesse et la flexibilité offerte par les procédés traditionnels.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'au moins un gaz de l'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne moyenne pression opérant à une moyenne pression et une colonne basse pression opérant à une basse pression, thermiquement reliées entre elles dans lequel : dans un premier et un deuxième mode de fonctionnement a) la totalité d'un débit d'air comprimé est portée à une haute pression, au moins 5 bars au dessus de la pression de la colonne moyenne pression, et épuré à cette haute pression, appelée pression principale ; b) cette pression principale est éventuellement variable en fonction des productions demandées ; c) une première partie du débit d'air à au moins la pression principale est refroidie dans une ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci et est détendue dans au moins une première turbine ; d) éventuellement une seconde partie du débit d'air est détendue dans au moins une seconde turbine dont les conditions d'admission et de refoulement diffèrent d'au plus 5 bars et d'au plus 15 C ou sont identiques en termes de pression et de température à celles de la première turbine e) éventuellement le travail fourni par la première ou une troisième turbine sert au moins partiellement au travail requis par un surpresseur ; f) la pression d'admission de la première turbine est très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale ; g) la pression de refoulement de la première turbine est supérieure 25 ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression ; h) un/le surpresseur comprime au moins une fraction du débit d'air à une haute pression, supérieure ou égale à la pression d'air principale , refroidie dans la ligne d'échange jusqu'à une température cryogénique (<-100 C), et 30 renvoie le débit surpressé dans la ligne d'échange, où au moins une partie se liquéfie au bout froid puis est envoyée dans le système de colonnes après détente ; i) un produit liquide sous pression du système de colonnes se vaporise dans la ligne d'échange et dans le premier mode de fonctionnement, j) une turbine auxiliaire aspire une fraction gazeuse du débit d'air ayant été préalablement détendue dans la première et/ou la seconde turbine, préférablement après avoir été réchauffée dans la ligne d'échange principale ; k) la pression d'aspiration de la turbine auxiliaire diffère de moins de 2 bar abs de la moyenne pression, étant préférablement substantiellement égale à la moyenne pression ; I) la pression de refoulement de la turbine auxiliaire est supérieure ou substantiellement égale à la pression atmosphérique, préférablement 10 substantiellement égale à la basse pression ; m) au moins une partie du débit d'air détendu dans la turbine auxiliaire est réchauffée dans la ligne d'échange ou renvoyée au système de colonnes ; n) une partie des constituants de l'air est produite comme produit 15 final sous forme liquide, et dans le deuxième mode de fonctionnement ; o) le débit d'air traité dans la turbine auxiliaire est réduit par rapport au débit traité dans la turbine auxiliaire dans le premier mode, éventuellement à zéro ; 20 et p) la production de liquide comme produit final est diminuée par rapport à la production de liquide comme produit final dans le premier mode, éventuellement à zéro. Selon d'autres aspects facultatifs : 25 - toutes les turbines sont freinées par un surpresseur d'air ; - au moins un surpresseur couplé à une des turbines aspire à température ambiante ; - de tous les surpresseurs, seul le surpresseur relié mécaniquement à la première turbine a une température d'aspiration en dessous de -100 C ; 30 - la température d'aspiration de la première turbine diffère d'au plus 15 C de la température de pseudo vaporisation de l'oxygène ; - le débit d'air principal entrant est réduit pendant le deuxième mode, de préférence d'un débit au moins égal à la réduction du débit d'air envoyé à la turbine auxiliaire pendant le deuxième mode ; - la variation du débit d'air principal est assurée par les aubages variables d'un compresseur ; - la variation de débit d'air principal est assurée par la mise en route et/ou l'arrêt d'un compresseur d'air auxiliaire ; - la pression d'air principale varie entre le premier mode et le deuxième mode ; la première partie de l'air est surpressée à une pression supérieure à la pression principale en amont de la première turbine de sorte qu'elle rentre dans la première turbine substantiellement à une pression supérieure à la pression principale. On se propose ici d'améliorer la flexibilité de production des procédés de type mono-machines tels que décrits précédemment : • soit en offrant la possibilité de réduire voire annuler la production de liquide des unités utilisant un procédé tel que décrit dans EP-A-0504029 ; • soit en offrant la possibilité de produire de façon efficace des liquides avec des procédés tels que décrits dans FR-A-2688052 ; • et en offrant la possibilité de faire l'un ou l'autre de façon réversible, et énergétiquement efficace dans les deux cas. Ce procédé utilise un système de distillation connu (colonnes moyenne pression et basse pression thermiquement reliées, éventuellement une colonne à pression intermédiaire et/ou une colonne de mélange et/ou une colonne de mixture argon, etc..) et met en jeu au moins deux turbines de détente. Deux débits sont à pression substantiellement égale si leurs pressions ne diffèrent que par les pertes de charge.
La fraction gazeuse du débit d'air aspiré par la turbine auxiliaire est préalablement détendue dans la première et/ou la seconde turbine, éventuellement envoyé à la colonne moyenne pression et soutiré de la colonne moyenne pression avant être envoyé à la turbine auxiliaire, après avoir été réchauffée dans la ligne d'échange principale .
En premier mode de fonctionnement, la production de produit liquide, tous produits finaux confondus, constitue 1%, ou 2% ou 5% du débit d'air envoyé aux colonnes (ou à la colonne si seule la colonne moyenne pression est alimentée en air).
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui montrent des installations de séparation d'air capables de fonctionner selon le procédé de l'invention. Dans la Figure 1, un débit d'air comprimé 1 provenant d'un compresseur principal est surpressé dans un surpresseur 3 à une haute pression au moins 5 bar abs au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression, cette haute pression étant appelée pression principale. Cette pression principale peut par exemple être entre 10 et 25 bars abs. A cette pression principale le débit 5 est ensuite épuré en eau et dioxyde de carbone (non-illustré). Le débit total d'air surpressé et épuré 5 est envoyé à une ligne d'échange 7 où il se refroidit jusqu'à une température T1. A cette température, le débit 5 est divisé en deux pour former un débit 9 qui se liquéfie et est envoyé au système de colonnes et un débit 11. Le débit 11 quitte la ligne d'échange 7 à la température T1 et est envoyé à un surpresseur froid 13 pour produire un débit 15 à une pression très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale. Le débit 15 à une température T2 de sortie de surpresseur froid se refroidit dans la ligne d'échange 7 jusqu'à une température T3 plus élevée que T1. A cette température T3, le débit 15 est divisé en deux débits 17, 19. Le débit 17 est détendu dans une turbine 21 à partir de la température T3 proche de la température de pseudo vaporisation de l'oxygène pressurisé 33. La pression d'aspiration de la turbine 21 est égale à la pression de refoulement du surpresseur 13 donc très sensiblement supérieure à la moyenne pression (supérieure d'au moins 5 bars) et éventuellement supérieure à la pression principale et la pression de refoulement est supérieure ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression. Le débit détendu jusqu'à une pression supérieure ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression est divisé en deux fractions 23, 25. Le débit 19 poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange et est envoyé sous forme gazeuse au système de colonnes. Le surpresseur froid 13 est entraîné par la turbine 21. Un débit d'azote résiduaire se réchauffe dans la ligne d'échange.
Un débit d'oxygène liquide 35 pressurisé dans une pompe 33 se vaporise dans la ligne d'échange 7. Optionnellement un liquide du système de colonnes, autre que l'oxygène liquide, est pressurisé, vaporisé dans la ligne d'échange 7 et sert ensuite de produit sous pression. Selon un premier mode de fonctionnement, la fraction 23 est envoyée à la colonne moyenne pression du système sous forme gazeuse alors que la fraction 25 est renvoyée au bout froid de la ligne d'échange 7. A une température T4 inférieure à -100 C et supérieure à T2, la fraction 25 est envoyée à une turbine 27 où elle se détend jusqu'à une température T5 formant un débit d'air 29. Ce débit d'air peut ensuite se réchauffer dans la ligne d'échange comme illustré ou sinon être renvoyé au système de colonnes. Un produit liquide est soutiré du système de colonnes comme produit final 32. Dans l'exemple le seul produit liquide de l'appareil est de l'oxygène liquide mais d'autres produits peuvent évidemment être produits. Selon un deuxième mode de fonctionnement le débit d'air 25 traité dans la turbine auxiliaire 27 est réduit éventuellement à zéro, le débit d'air principal entrant 1 est réduit d'un débit au moins égal à la réduction du débit d'air envoyée à la turbine auxiliaire 27 et la production de liquide 32 est diminuée éventuellement à zéro. De préférence, la turbine 21 est entraînée par le surpresseur 13 et le surpresseur 3 entraîne la turbine auxiliaire 27. Dans la Figure 2, un débit d'air comprimé 1 provenant d'un compresseur principal est surpressé dans deux surpresseurs identiques en parallèle 3A, 3B à une haute pression au moins 5 bar abs au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression, cette haute pression étant appelée pression principale. Cette pression principale peut par exemple être entre 10 et 25 bars abs. Le débit réuni provenant des deux surpresseurs est ensuite épuré en eau et dioxyde de carbone (non-illustré). Le débit total d'air surpressé et épuré 5 provenant des deux surpresseurs est envoyé à une ligne d'échange 7 où il se refroidit jusqu'à une température Ti. A cette température, le débit 5 est divisé en deux pour former un débit 9 qui se liquéfie et est envoyé au système de colonnes et un débit 11. Le débit 11 quitte la ligne d'échange 7 à la température Ti différente d'au plus 5 C de la température de vaporisation de l'oxygène pressurisé 33) et est envoyé à un surpresseur froid 13 pour produire un débit 15 à une pression très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale. Le débit 15 à une température T2 de sortie de surpresseur froid se refroidit dans la ligne d'échange 7 jusqu'à une température T3 plus élevée que Ti. A cette température T3, le débit 15 est divisé en deux débits 17, 19. Le débit 17 est de nouveau divisé en deux, chaque débit étant détendu à partir de la pression de refoulement du surpresseur froid 13 dans une de deux turbines 21A, 21B connectés en parallèle avec une température d'entrée T3 proche de la température de pseudo vaporisation de l'oxygène pressurisé 33.. Le débit 19 poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange et est envoyé sous forme gazeuse au système de colonnes. Un débit d'azote résiduaire se réchauffe dans la ligne d'échange. Un débit d'oxygène liquide 35 pressurisé dans une pompe 33 se 15 vaporise dans la ligne d'échange 7. Selon un premier mode de fonctionnement, les débits détendus des deux turbines sont réunis et puis ensuite divisés en deux fractions 23, 25. La fraction 23 est envoyée à la colonne moyenne pression du système sous forme gazeuse alors que la fraction 25 est renvoyée au bout froid de la ligne 20 d'échange 7. A une température T4 inférieure à -100 C et supérieure à T2, la fraction 25 est envoyée à une turbine 27 où elle se détend jusqu'à une température T5 formant un débit d'air 29. Ce débit d'air peut ensuite se réchauffer dans la ligne d'échange comme illustré ou sinon être renvoyé au système de colonnes. 25 Un produit liquide est soutiré du système de colonnes comme produit final 32. Dans l'exemple le seul produit liquide de l'appareil est de l'oxygène liquide mais d'autres produits peuvent évidemment être produits. Selon un deuxième mode de fonctionnement, le débit d'air 25 traité dans la turbine auxiliaire 27 est réduit éventuellement à zéro, le débit d'air principal 30 entrant 1 est réduit d'un débit au moins égal à la réduction du débit d'air envoyée à la turbine auxiliaire 27 et la production de liquide 32 est diminuée éventuellement à zéro.
Optionnellement, un liquide' du système de colonnes, par exemple l'oxygène liquide, est pressurisé, vaporisé dans la ligne d'échange 7 et sert ensuite de produit sous pression. Dans les deux cas, il peut y avoir une étape de compression entre la surpression chaude qui amène l'air à la pression principale et la surpression froide, de sorte que la surpression froide s'effectue à partir d'une pression au-dessus de la pression principale. Cette variation du débit d'air 1 entre les deux modes de fonctionnement est assurée par les aubages variables d'un compresseur et/ou par la mise en route et/ou l'arrêt d'un compresseur d'air auxiliaire. Ces deux modes de fonctionnement peuvent constituer les seuls modes de fonctionnement de l'appareil ou bien il peut y avoir d'autres modes de fonctionnement. De préférence, la turbine 21A est entraînée par le surpresseur 13. Le surpresseur 3A entraîne la turbine auxiliaire 27 et le surpresseur 3B la turbine 21 B. Toute autre combinaison peut également être envisagée.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'au moins un gaz de l'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne moyenne pression opérant à une moyenne pression et une colonne basse pression opérant à une basse pression, thermiquement reliées entre elles dans lequel : dans un premier et un deuxième mode de fonctionnement a) la totalité d'un débit d'air (1) comprimé est portée à une haute pression, au moins 5 bars au dessus de la pression de la colonne moyenne pression, et épuré à cette haute pression, appelée pression principale ; b) cette pression principale est éventuellement variable en fonction des productions demandées ; c) une première partie du débit d'air à au moins la pression principale est refroidie dans une ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci et est détendue dans au moins une première turbine (21) ; d) éventuellement une seconde partie du débit d'air est détendue dans au moins une seconde turbine (21B) dont les conditions d'admission et de refoulement diffèrent d'au plus 5 bars et d'au plus 15 C ou sont identiques en termes de pression et de température à celles de la première turbine e) éventuellement le travail fourni par la première ou une troisième turbine sert au moins partiellement au travail requis par un surpresseur (13) ; f) la pression d'admission de la première turbine (21) est très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale ; g) la pression de refoulement de la première turbine est supérieure ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression ; h) un/le surpresseur comprime au moins une fraction du débit d'air à une haute pression, supérieure ou égale à la pression d'air principale , refroidie dans la ligne d'échange (7) jusqu'à une température cryogénique (<-100 C), et renvoie le débit surpressé dans la ligne d'échange, où au moins une partie se liquéfie au bout froid puis est envoyée dans le système de colonnes après détente ;i) un produit liquide soùs pression du système de colonnes se vaporise dans la ligne d'échange et dans le premier mode de fonctionnement, j) une turbine auxiliaire (27) aspire une fraction gazeuse du débit d'air ayant été préalablement détendue dans la première et/ou la seconde turbine, préférablement après avoir été réchauffée dans la ligne d'échange principale ; k) la pression d'aspiration de la turbine auxiliaire diffère de moins de 2 bar abs de la moyenne pression, étant préférablement substantiellement 10 égale à la moyenne pression ; I) la pression de refoulement de la turbine auxiliaire est supérieure ou substantiellement égale à la pression atmosphérique, préférablement substantiellement égale à la basse pression ; m) au moins une partie du débit d'air détendu dans la turbine 15 auxiliaire est réchauffée dans la ligne d'échange ou renvoyée au système de colonnes ; n) une partie des constituants de l'air est produite comme produit final (32) sous forme liquide, et dans le deuxième mode de fonctionnement ; 20 o) le débit d'air traité dans la turbine auxiliaire est réduit par rapport au débit traité dans la turbine auxiliaire dans le premier mode, éventuellement à zéro ; et p) la production de liquide comme produit final est diminuée par 25 rapport à la production de liquide comme produit final dans le premier mode, éventuellement à zéro.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel toutes les turbines sont freinées par un surpresseur d'air (3, 13).
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un surpresseur (3) couplé à une des turbines aspire à température ambiante. 30
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de tous les surpresseurs, seul le surpresseur (13) relié mécaniquement à la première turbine a une température d'aspiration en dessous de -100 C.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'aspiration de la première turbine (21) diffère d'au plus 15 C de la température de pseudo vaporisation de l'oxygène.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit d'air principal entrant est réduit pendant le deuxième mode, de préférence d'un débit au moins égal à la réduction du débit d'air envoyé à la turbine auxiliaire (27) pendant le deuxième mode.
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la variation du débit d'air principal (1) est assurée par les aubages variables d'un compresseur.
8. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la variation de débit d'air principal (1) est assurée par la mise en route et/ou l'arrêt d'un compresseur d'air auxiliaire.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression d'air principale varie entre le premier mode et le deuxième mode.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la 25 première partie de l'air est surpressée à une pression supérieure à la pression principale en amont de la première turbine (21) de sorte qu'elle rentre dans la première turbine substantiellement à une pression supérieure à la pression principale.20
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