Brevet FR2546283A1 — publié le 19841123

"PROCEDE ET INSTALLATION DE CONCENTRATION D'HYDROGENIE" Invention de Pierre GAUTHIER, au nom de L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CIAUDE. La présente invention est relative à un procédé de concentration en hydrogène d'un gaz contenant, outre l'hydrogène, un ou plusieurs autres constituants moins volatils,du type dans lequel: on refroidit le gaz à traiter jusqu'à obtenir une fraction vapeur riche en hydrogène et une fraction liquide; on recueille et on détend la fraction liquide, et on la vaporise en échange de chaleur avec ledit gaz; on détend au moins une partie de la fraction vapeur dans une turbine à paliers gaz, puis on la réchauffe en échange de chaleur avec ledit gaz; on prélève un premier débit de la fraction vapeur, après réchauffage, pour alimenter la turbine en gaz auxiliaires; et l'on ajoute à ladite fraction liquide détendue un deuxième débit de ladite fraction vapeur, détendu à la même pression. De façon générale, à partir d'une mixture en phase gazeuse disponible sous pression, notamment d'un gaz de purge d'une installation de synthèse d'ammoniac, il est connu de concentrer l'hydrogène en éliminant par condensation partielle les constituants nettement moins volatils que l'hydrogène, tels que C a 6, CH 4, Ar, 02 et N 2 Dans cette technique, il est fréquent que la simple détente de la fraction liquide ne permette pas d'obtenir un début de vaporisation à une température suffisamment basse pour atteindre la pureté désirée de l'hydrogène dans la fraction vapeur C'est pourquoi l'on ajoute une petite quantité de cette fraction vapeur, après détente, à la fraction liquide détendue, ce qui abaisse le point de bulle du mélange Ceci est le cas lorsque les constituants principaux de la phase vapeur et de la phase liquide ont des volatilités très différentes. Par ailleurs, notamment dans le cas des petites installations, il peut être nécessaire de complémenter la quantité,de frigories produite par la détente libre, et l'on utilise pour cela' une turbine traversée par tout ou partie de la fraction vapeur Une possibilité existe alors de mettre en oeuvre une turbine du genre dit "à paliers gaz" En effet, ces turbines permettent d'atteindre des vitesses de rotation très élevées incompatibles avec des turbines classiques à paliers huile, et d'obtenir ainsi des rendements adiabatiques nettement supérieurs, notamment lorsque le gaz refroidi dans la turbine est un gaz très léger tel que l'hydrogène. Les turbines à paliers gaz font appel à des quantités non négligeables de gaz auxiliaires qui se répartissent de la façon suivante un gaz paliers assure la sustentation des paliers ainsi que la fonction de butée axiale de l'arbre de la turbine en supprimant tout contact métal-métal; un gaz frein maintient une pression suffisante dans le compresseur-frein accouplé à la turbine; et un gaz de barrage empêche d'une part le gaz en cours de détente de migrer vers les paliers et de les refroidir à une température mécaniquement incompatible, et, d'autre part, contrebalance le refroidissement inévitable des paliers par conduction thermique. Pour éviter toute pollution du gaz traité par les gaz auxiliaires, on utilise comme gaz auxiliaires le gaz traité lui-même. Cependant, le débit correspondant sort de la turbine à une pression inférieure à la pression d'échappement de cette turbine et, comme ce débit est trop faible pour justifier l'utilisation d'un compresseur supplémentaire, il est perdu pour l'application principale à laquelle est destiné l'hydrogène et ne peut être utilisé que dans des conditions peu rentables, par exemple pour le chauffage de l'usine. Ceci constitue un obstacle à la mise en oeuvre des turbines à paliers gaz, car cette perte s'ajoute à celle qui résulte de la nécessité, expliquée plus haut, d'ajouter un petit débit de la fraction vapeur à la fraction liquide détendue. La présente invention a pour but de permettre l'utilisation, dans le contexte indiqué plus haut, d'une turbine à paliers gaz avec une perte d'hydrogène fortement réduite. A cet effet, elle a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que l'on utilise les gaz auxiliaires sortant de la turbine pour constituer ledit deuxième débit. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cette installation, du type comprenant: un échangeur de chaleur; un premier conduit qui part d'une source dudit gaz, traverse l'échangeur du bout chaud au bout froid puis débouche dans un séparateur de phases; un second conduit qui part de l'extrémité inférieure de ce séparateur, est muni d'une vanne de détente et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud; un troisième conduit qui part de l'extrémité supérieure du séparateur et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud; un quatrième conduit qui part d'un point du troisième conduit et aboutit à l'admission d'une turbine à paliers gaz; un cinquième conduit qui part de l'échappement de cette turbine et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud, lesdits second, troisième et cinquième conduits traversant l'échangeur en relation d'échange thermique avec ledit premier conduit; au moins un conduit auxiliaire qui part du troisième ou du cinquième conduit, au bout chaud de l'échangeur, et aboutit à une entrée de gaz auxiliaires de la turbine; et un septième conduit d'amenée de gaz riche en hydrogène qui aboutit à un point dudit second conduit situé entre la vanne de détente de ce dernier et le bout froid de l'échangeur, est caractérisée en ce que ledit septième conduit est relié à la sortie de gaz auxiliaires de la turbine. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la figure unique représente schématiquement une installation de concentration d'hydrogène conforme à l'invention. Sur le dessin, on a représenté par un rectangle 1 un échangeur de chaleur qui peut être de n'importe quel type approprié, éventuellement en deux parties respectivement "froide" et "chaude". Cet échangeur réalise un certain nombre de transferts de chaleur à contrecourant entre un bout chaud 2 à la température ambiante et un bout froid 3. Dans ce qui suit, on utilisera pour simplifier le mot "conduit" pour désigner les moyens servant à faire circuler un fluide à travers l'échangeur 1; il est bien entendu que ce terme doit être compris dans son sens le plus large et peut désigner un tube, un faisceau tubulaire, un ou plusieurs passages plats ou même la calandre de l'échangeur. Un premier conduit 4, relié à une source 5 de gaz à traiter, traverse l'échangeur 1 du bout chaud 2 au bout froid 3 La source 5 est, dans cet exemple, une installation de synthèse E d C' ammoniac, le gaz à traiter contenant, outre l'hydrogène, des constituants nettement moins volatils tels que C 2 H 6, CH 4, Ar, 02 et N 2 Au cours de sa traversée de l'échangeur, ce gaz se refroidit et se condense partiellement La température du bout froid est choisie de façon que la pression partielle des constituants autres que l'hydrogène soit descendue à une valeur faible prédéterminée A sa sortie de l'échangeur, le conduit 4 débouche dans un séparateur de phases 6. Un second conduit 7 part du point bas du séparateur 6 et est muni d'une vanne de détente 8 Après cette vanne, le conduit 7 traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud Ainsi, la fraction j C 6 liquide recueillie dans le séparateur est revaporisée à contre-courant du gaz traité. Un troisième conduit 9 part du point haut du séparateur 6 et traverse l'échangeur 1 du bout froid au bout chaud La fraction vapeur contenue dans ce conduit se réchauffe ainsi en cédant des frîgories au gaz traité En fait, la quasi-totalité de la fraction vapeur contenue dans le conduit 9 est sortie de l'échangeur en un point intermédiaire par un quatrième conduit 10, est détendue dans une turbine à paliers gaz 11 puis traverse la totalité de l'échangeur du bout froid au bout chaud par un cinquième conduit 12 relié à l'échappement de la turbine Le taux de détente dans la turbine il est choisi de manière que la puissance frigorifique produite soit suffisante pour la tenue en froid de l'installation Le gaz sortant de la turbine se trouve à une pression moyenne supérieure à la pression basse du conduit 7. Le faible débit D 1 de la fraction vapeur qui n'a pas été envoyée dans la turbine par le conduit 10 est envoyé par un premier conduit auxiliaire 13 A du bout chaud de l'échangeur 1 à l'admission de gaz de barrage 14 de la turbine De plus, un faible débit D 2 est prélevé sur le conduit 12, au bout chaud de l'échangeur, et envoyé par un deuxième conduit auxiliaire 13 B à l'admission 15 de gaz paliers et de gaz frein de la turbine. Après utilisation, l'ensemble des gaz auxiliaires est collecté à une sortie auxiliaire 16 de la turbine 11 et est envoyé par un conduit 17 au bout chaud de l'échangeur, que ce conduit traverse de bout en bout Au bout froid, le conduit 17 est muni d'une vanne de détente 18 qui ramène la pression du gaz véhiculé à la basse pression de l'installation, qui est celle qui règne dans la conduite 7 en aval de la vanne 8 Le conduit 17 aboutit en un point de la conduite 7 situé entre cette vanne 8 et le bout froid de l'échangeur. Ainsi, l'ensemble des gaz auxiliaires, après leur utilisation dans la turbine, est récupéré, refroidi jusqu'au même niveau de température que le gaz traité, et est réinjecté dans la fraction liquide détendue pour en abaisser le point de bulle Ceci est rendu possible par la constatation du fait que, dans ce type d'installation, le débit de gaz épuré, riche en hydrogène, nécessaire pour obtenir cet abaissement du point de bulle est du même ordre que le débit D + D de gaz auxiliaires dont a besoin la turbine à paliers gaz. Par conséquent, la perte de gaz épuré est limitée au débit D 1 + Dz, qui passe dans le gaz résiduaire basse pression par le conduit 7, après réchauffement jusqu'à la température ambiante. L'installation décrite ci-dessus suppose que certaines conditions soient remplies en ce qui concerne la pression des gaz auxiliaires Ainsi: la pression de sortie de ces gaz, au point 16, doit être supérieure à la basse pression de l'installation d'une quantité suffisante pour vaincre les pertes de charge résultant de leur passage le long du conduit 17; le rapport de la pression d'admission du gaz paliers à la pression de sortie de ce gaz doit être suffisant pour assurer la fonction de sustentation de l'arbre de la turbine; ce rapport peut être par exemple de l'ordre de 2,5; -la pression d'admission du gaz de barrage doit être intermédiaire entre la pression d'admission et la pression d'échappement du gaz traité,pour que la fonction de barrage soit correctement remplie;et la pression d'admission du gaz frein doit être de l'ordre de grandeur de la pression d'échappement de la turbine, dans le cas fréquent o cet échappement ainsi que l'admission du compresseur-frein sont axiaux, pour équilibrer la poussée axiale sur l'arbre de la turbine. Ceci explique pourquoi le gaz de barrage ne peut être pré- levé que sur le conduit haute pression 9, tandis que le gaz frein et le gaz paliers peuvent être prélevés en moyenne pression sur le con- duit 12 Bien entendu, en variante, le gaz frein et le gaz paliers pourraient également être prélevés sur le conduit 9, pour être éventuellement détendus avant leur entrée dans la turbine. Dans l'installation décrite ci-dessuson a supposé que la somme des débits D 1 et D 2 était exactement égale au débit nécessaire pour obtenir au bout froid de l'échangeur le point de bulle désiré du mélange revaporisé Si D 1 + D 2 est légèrement excédentaire, ceci permet d'utiliser un échangeur de chaleur ayant des performances légèrement moins élevées, et donc plus économique Si D 1 + D 2 est légèrement déficitaire, on peut complémenter ce débit par un petit débit prélevé sur le conduit 12 à l'échappement de la turbine. On comprend que l'invention s'applique également aux installations dans lesquelles la ligne d'échange thermique comprend plusieurs échangeurs afin d'effectuer plusieurs condensations partielles du mélange de départ et d'éviter tout problème de solidification des constituants les moins volatils Dans de telles installations, comme dans celle représentée au dessin, l'addition de gaz riche en hydrogène s'effectue au bout froid de la ligne d'échange thermique. REVENDICATIONS 1 Procédé de concentration en hydrogène d'un gaz contenant, outre l'hydrogène, un ou plusieurs autres constituants moins volatils, du type dans lequel on refroidit le gaz à traiter jusqu'à obtenir une fraction vapeur riche en hydrogène et une fraction liquide; on recueille et on détend la fraction liquide, et on la vaporise en échange de chaleur avec ledit gaz; on détend au moins une partie de la fraction vapeur dans une turbine à paliers gaz, puis on la réchauffe en échange de chaleur avec ledit gaz; on prélève un premier débit de la fraction vapeur, après réchauffage, pour alimenter la turbine en gaz auxiliaires; et l'on ajoute à ladite fraction liquide détendue uu deuxième débit de ladite fraction vapeur, détendu à la même pression, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on utilise les gaz auxiliaires sortant de la turbine pour constituer ledit deuxième débit. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on refroidit les gaz auxiliaires sortant de la turbine avant de les ajouter à ladite fraction liquide détendue. 3 Installation de concentration en hydrogène d'un gaz contenant, outre l'hydrogène, un ou plusieurs autres constituants moins volatils, du type comprenant: un échangeur de chaleur ( 1); un premier conduit ( 4) qui part d'une source ( 5) dudit gaz, traverse l'échangeur du bout chaud ( 2) au bout froid ( 3) puis débouche dans un séparateur de phases ( 6); un second conduit ( 7) qui part de l'extrémité inférieure de ce séparateur, - est muni d'une vanne de 2 ' détente ( 8) et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud; un troisëme conduit ( 9) qui part de l'extrémité supérieure du séparateur et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud; un quatrième conduit ( 10) qui part d'un point du troisième conduit et aboutit à l'admission d'une turbine à paliers gaz ( 11); un cinquième conduit 3 C ( 12) qui part de l'échappement de cette turbine et traverse l'échangeur du bout froid au bout chaud, lesdits second, troisème et cinquième conduits ( 7, 9, 12) traversant l'échangeur en relation d'échange thermique avec ledit premier conduit ( 4); au moins un conduit auxiliaire ( 13 A, 13 B) qui part du troisième ou du cinquième conduit ( 9, 12), au bout chaud de l'échangeur, et aboutit a une entrée de gaz auxiliaires ( 14, 15) de la turbine; et un septième conduit ( 17) d'amenée de gaz riche en hydrogène qui aboutit à un point dudit second conduit ( 7) situé entre la vanne de détente( 8) de ce dernier et le bout froid de l'échangeurs, cette installation étant caractérisée en ce que ledit septième conduit ( 17) est relié à la sortie de gaz auxiliaires ( 16) de la turbine ( 11). 4 Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que, entre ladite sortie de gaz auxiliaires ( 16) et ledit second conduit ( 7), ledit septième conduit ( 17) traverse l'échangeur ( 1) du bout chaud ( 2) au bout froid ( 3). 5 Installation suivant l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que ledit septième conduit comporte une vanne de détente ( 18).