Brevet FR2071994A1 — publié le 19710924

La présente invention se rapporte à un procédé de séparation de gaz et concerne plus particulièrement, un procédé cryogénique pour séparer les composants de l'air. Les procédés cryogéniques pour séparer les composants de l'air comprennent généralement des étapes consistant à faire passer l'air sous pression à travers des zones d'échange de chaleur, en relation d'échange de chaleur avec des gaz perdus froids afin d'abaisser la température de l'air pratiquement à son point de rosée, puis à fractionner, dans une ou plusieurs zones de fractionnement, en présence de reflux auto-engendré, le gaz en ses composants, après quoi, les composants séparés sont récupérés après un échange de chaleur avec le courant d'alimentation. Comme exemple d'une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé, on peut se référer au brevet américain n" 3 340 697. L'énergie nécessaire à une telle installation est fournie par la différence d'énergie du courant d'alimentation, lequel est initialement comprimé à une pression égale ou supérieure à5 atm., et du courant de sortie des produits désirés, qui est approximativement à la pression atmosphérique, ou bien en utilisant un compresseur initial quand on désire un produit à haute pression ou un liquide additionnel. La pression initiale à laquelle l'air d'entrée doit être comprimé est généralement qualifiée de "pression de tête" et est la pression nécessaire pour maintenir l'équilibre de fonctionnement correct de l'installation. Elle est déterminée par la chute de pression inhérente à la trajectoire de circulation de l'air d'entrée quand celui-ci se rend du compresseur à la base de la tour à haute pression. Cette pression de tête est un facteur important dans l'étude d'une installation et représente un facteur économique primordial, non seulement du point de vue du coût initial de l'installation, mais aussi en ce qui concerne les exigences de fonctionnement de celle-ci. Il est avantageux que la pression de tête soit aussi basse que possible, à condition qu'elle soit compatible avec les autres facteurs de fonctionnement de I'installation. Dans ces installations, il est également classique de soutirer un courant de vapeur de la tour à haute pression pour assurer ou pour contribuer à la réfrigération nécessaire pour maintenir un équilibre de réfrigération convenable. Une partie de ce courant est utilisée, avant l'étape de détente, comme courant de déséquilibre en le faisant passer à travers une partie de ltéchangeur de chaleur. Dans une installation de séparation d'air, le but principal du courant de déséquilibre est d'augmenter la réfrigération de l'air d'entrée afin que la température du dépôt du C02 approche celle du courant de gaz perdu pour éliminer le C02 solide dans le cycle inverse.La quantité de réfrigération disponi ble dans cette étape de détente, à une pression et à une température de sortie données, est fonction de la pression d'entrée qui, de son côté, est dépendante de la pression régnantdans la-tour à haute pression, laquelle, comme il a été montré ci-dessus est, de son côté, fonction de la différence de tempéra tué entre les tours à haute et à basse pressions. Bien qu'il soit souhaitable de diminuer la différence de températures afin d'obtenir- une diminution de la pression dans la tour à haute pression, ce qui de son coté, réduit la pression de tête nécessaire, avec tous les avan tages economiques qui en résultent, cette diminution de la pression a une influence nuisible sur l'étape de détente car elle diminue la pression à l'en trée du détendeur et, par conséquent, diminue la quantité de réfrigération four nie par l'étape de détente. Bien que des procédés grâce auxquels des différences de pressions plus faibles peuvent être obtenues entre les tours de fractionnement à haute et à basse pressions soient connus depuis un certain temps, par exemple en utili sant un débit plus grand dans le détendeur, les avantages qui pourraient résulter de ces procédés sont annulés par la diminution de réfrigération par unité de débit résultant de la détente du courant de déséquilibre. Dans un procédé perfectionné selon l'invention, pour augmenter l'effica- cité de la réfrigération obtenue-par la détente d'un courant de vapeur à haute pression, une partie de celui-ci est utilisée comme courant de déséqui libre, puis est-comprimée après détente à la pression de décharge, de telle sorte que la différence d'enthalpie est sensiblement augmentée afin d'augmen ter la quantité de réfrigération obtenue par ladite détente. La quantité de réfrigération obtenue par kilogramme de gaz détendu est ainsi augmentée sans augmenter la pression de tête de l'installation. Dans une installation classique, la pression de tête est la seule source d'énergie, tandis que la pression atmosphérique ou la pression de sortie du produit est la seule dissipation d'énergie. L'invention prévoit un échappement entraîné par le détendeur qui abaisse la pression de sortie et, ainsi, augmente l'effi cacité de fonctionnement du détendeur sans modifier pour autant la pression de tête ou la pression de sortie. D'autres caratéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limi tatif, en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est un organigramme d'une installation de séparation d'air selon l'invention; et, - la figure 2 est une courbe montrantl'influence sur lrenthalpîe du rapport des pressions et des pressions de sortie. Sur la figure l, l'air qui arrive par la conduite 10 est comprimé dans un 2 compresseur 12 à environ 6,3 kg/cm . Cet air est ensuite dirigé, par une con- duite 14, dans des échangeurs de chaleur 16 et 18 dans lesquels il est re froidi à environ -170 C. L'air ainsi refroidi est ensuite introduit,par une conduite 20,dans une tour de fractionnement à haute pression 22 où règne une 2 pression d'environ 6 kg/cm . Les vapeurs sont condensées par un rebouilleur 24 et de l'air liquide comprenant environ 38 % d'oxygène est recueilli à la base de la tour.Cet air liquide est évacué de la tour par une conduite 26 et est dirigé de façon à échanger de la chaleur avec les gaz perdus de la tour à basse pression 32 dans un échangeur de chaleur 28. L'air liquide passe ensuite à travers une conduite 35 et une soupape de compression 30 pour gagner la tour à basse pression 32. Un reflux d'azote liquide est évacué au moyen d'un conduit 34 de la tour à haute pression 22 et est aussi envoyé dans l'échangeur de chaleur 28 avant de gagner, par le conduit 36, à travers une soupape de décompression 38, la tour à basse pression 32. Dans la tour à basse pression 32 règne une pres 2 sion d'environ 1,30 kgjcm . L'effluent gazeux froid-, sortant de la tour à basse pression 32 par le conduit 40, est dirigé en relation d'échange de chaleur avec l'air liquide et avec le reflux d'azote liquide dans l'échangeur de chaleur 28, puis est envoyé dans les échangeurs 18 et 16, avant d'être libéré, en tant que gaz perdu, par le conduit 42.Un courant de vapeur d'oxygène évacué par un conduit 29 de la tour à basse pression 32 est aussi envoyé dans les échangeurs de chaleur 18 et 16 avant d'être évacué par le conduit d'oxygène 31. Un courant de tête, composé en grande partie de vapeur d'azote,est évacué par un conduit 44 de la tour à haute pression 22. La température de ce courant est d'environ -176 C. Une partie de ce courant est utilisée comme courant de déséquilibre dans l'échangeur de chaleur 18 puis, par le conduit 66 et la soupape 68, il passe par un conduit 70 vers le détendeur 60. Une fraction du courant 44 peut être prélevée par une soupape 74 insérée dans le conduit 70, et être recombinée avec le reste du courant 44 pour rétablir une température d'alimentation optimale du détendeur 60 et, ainsi, une température optimale dans le conduit 62 aboutissant à l'échangeur de chaleur 18. La température du courant 70 est d'environ -114 C. Ce courant subit un nouveau refroidissement considérable en se détendant dans le détendeur 60, puis est envoyé par un conduit 62 dans les échangeurs de chaleur 18 et 16 pour assurer un supplément de refroidissement du courant d'alimentation. Le courant 62 est ensuite comprimé dans un compresseur 54. La pression du courant 62, avant d'entrer dans le compresseur 54, est inférieure à la pression atmosphérique, par suite de l'aspiration du compresseur qui décharge ensuite le courant en tant que gaz de production dans le conduit 80. La compression s'effectue à une pression donnée qui peut être légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Le détendeur 60 est, de préférence, utilisé pour entraîner le compresseur 54, lequel comporte ainsi un niveau de pression permettant d'obtenir une plus grande détente qu'il n'aurait été possible autrement, à moins d'augmenter la pression d'entrée en 14 et dans l'installation. Dans une installation utilisant un échangeur de chaleur séparé, comme sur la figure 1, le mode de fonctionnement normal devrait consister à avoir un courant de gaz de tête 44 représentant environ 12 % du courant total d'alimentation introduit par la conduite 10, puis à utiliser environ 10 % du courant de déséquilibre de l'échangeur 18 et à shunter environ 2 % dans un courant de by-pass à travers la soupape 74. Ensuite, on combinerait tout le courant de 12 % et on le ferait passer par le conduit 70 dans le détendeur 60. La figure 2 représente une courbe indiquant le taux de variation de ltenthalpie en fonction du rapport des pressions ou des pressions de sortie. On voit qu'en se basant sur une efficacité adiabatique de 80 %, l'enthalpie augmente rapidement avec le rapport des pressions. Comme représenté, avec un rapport de pression de 9,5 (6,65 divisé par 0,7) on peut s'attendre à ce que l'enthalpie soit d'environ 195 kcal/mole. Par contre, si le rapport n'est que de 6 par exemple, l'enthalpie serait de 164 kcal/mole. L'augmentation est donc d'environ 19 7. L'exemple qui suit, qui nta bien entendu aucun caractère limitatif, fera mieux comprendre les particularités de l'invention. EXEMPLE Comparaison entre un cycle de détente classique et un cycle assisté selon l'invention. Cycle de détente Cycle classique assisté Conditions d'entrée du détendeur Pression, kg/cm2 6,65 6,65 Température OC -106 -106 Conditions de sortie du détendeur: Pression, kg/cm2 1,10 0,7 Température C -162 -171 Réfrigération kcal/mole 164 195 Rendement du détendeur % 80 80 Augmentation de la réfrigération % - 119 % Travail du compresseur kcal/mole néant 192 Rendement du compresseur % - 70 Cet exemple met en évidence une augmentation de 19 % de la réfrigération dans le cas du cycle à échappement assisté comparativement au cycle classique. En conséquence, le courant du détendeur peut être réduit de façon correspondante, ce dont résulte une augmentation considérable du reflux disponible. La dégradation de l'énergie, c'est-à-dire l'augmentation de l'entropie, est réduite à un minimum du fait que la nécessité de tempérer l'entrée du détendeur qui est un courant beaucoup plus froid est considérablement réduite ou même supprimée. Enfin, le compresseur entraîné par le détendeur ne nécessite aucune source motrice externe. Cet exemple démontre qu'il en est bien ainsi, puisque le travail exigé du compresseur, qui représente 192 kcal/mole est inférieur au travail de détente disponible (à la réfrigération) qui est de 195 kcallmole. Une telle amélioration de l'efficacité de réfrigération se traduit par une diminution d'au moins 6 % de la quantité d'air nécessaire à l'entrée de l'installation pour produire une quantitée donnée de vapeur et de liquide. La consommation d'énergie de l'installation est ainsi réduite en rapport. La réalisation de ce cycle pourrait, évidemment, être effectuée au moyen d'un compresseur indépendant 54 pour obtenir la même variation d'enthalpie ou une variation plus grande dans le détendeur,et des rapports compris entre environ 5 et environ 15 sont considérés comme économiques. Une augmentation de la production de liquide peut être le résultat direct d'un tel équipement. REVENDICATIONS 1.- Procédé cryogénique de décomposition de l'air en ses composants dans lequel les variations d'enthalpie sont élevées à un maximum pour une pression de tête donnée, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer l'air sous une pression~supra,atmosphérique d'au moins 5 atm. à travers une zone d'échange de chaleur en relation d'échange de chaleur avec un gaz d'échappement froid afin d'abaisser la température de l'air pratiquement à son point de rosée, à introduire cet air comprimé à basse température dans une zone de fractionnement à haute température en présence d'un reflux pour établir une fraction de tête de vapeur d'azote, à faire passer- une partie de cette vapaur à travers la zone d'échange de chaleur afin de fournir du froid à cette zone, à détendre ladite vapeur dans un détendeur effectuant un travail, à faire passer ladite vapeur d'azote détendue en échange de chaleur indirect avec l'air de ladite zone d'échange de chaleur, à comprimer ladite vapeur d'azote détendue et à décharger le courant de vapeur d'azote comprimé de ladite zone d'échange de chaleur sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. 2.- Procédé cryogénique selon la revendication l, caractérisé en ce que l'énergie de compression est fournie par le détendeur. 3.- Procédé cryogénique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rapport de détente est supérieur à 5 mais ne dépasse pas 15. 4.- Procédé cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de la vapeur de sortie du détendeur se rendant à la zone d'échange de chaleur est tempérée en la mélangeant avec une partie du courant d'azote provenant de la zone de fractionnement à haute pression. 5.- Procédé cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant de vapeur d'azote est l'effluent d'un procédé à effluents multiples.