Brevet FR2652409A1 — publié le 19910329

La présente invention est relative à la pro- duction frigorique. Elle s'applique en particulier à la liquéfaction des gaz de l'air et aux installations de distillation d'air, et elle concerne en premier lieu un procédé de production frigorifique par détente d'un fluide dans une première turbine dite turbine haute pressicon, puis détente d'une partie du fluide issu de cette turbine dans une seconde turbine dite turbine basse pression. Dans les procédés connus de ce type, la tur- bine haute pression est la turbine "chaude", c'est-à- dire que sa température d'admission est supérieure à celle de la turbine basse pression. Un tel agencement présente certains inconvénients: - le fait de limiter à la température d'ad- mission de la turbine chaude le refroidissement de la totalité de l'air entrant est défavorable à l'échange thermique; - la turbine "froide" traite un débit de fluide réduit, alors qu'elle produit moins de froid par unité de débit de fluide et que c'est dans la zone froide que la quantité de froid la plus importante est nécessaire lorsqu'il s'agit de liquéfier un gaz; de plus, c'est également dans cette zone froide que les pertes thermiques sont les plus importantes. L'invention a pour but de fournir un procédé permettant d'améliorer l'échange thermique et de mieux adapter la production frigorifique aux besoins. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que la température d'admission de la turbine haute pression est nettement inférieure à celle de la turbine basse pression- Un autre objet de l'invention est un cycle frigorifique destiné à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ce cycle frigorifique, du type comprenant un circuit de circulation d'un fluide de cycle, un com- presseur de cycle, une première turbine dite turbine haute pression, et une seconde turbine dite turbine basse pression, le circuit comprenant des moyens pour faire passer au moins une partie du fluide de cycle comprimé par le compresseur, après refroidissement jusqu'à une première température dans la turbine haute pression, et des moyens pour faire passer au moins une partie du fluide issu de cette turbine dans la turbine basse pression, est caractérisé en ce que la tempéra- ture d'admission de la turbine haute pression est nettement inférieure à celle de la turbine basse pression. Dans son application à la distillation d'air, l'invention a également pour objet: - un procédé de distillation d'air, du type dans lequel de l'air comprimé est refroidi et détendu à une moyenne pression dans une première turbine dite turbine haute pression, et une partie de l'air ainsi détendu est envoyée dans une double colonne de dis- tillation tandis que le reste de l'air ainsi détendu est de nouveau détendu jusqu'au voisinage de la pres- sion atmosphérique dans une seconde turbine dite tur- bine basse pression, caractérisé en ce que la tempé- rature d'admission de la turbine haute pression est nettement inférieure à celle de la turbine basse pression; et - une installation de distillation d'air, du type comprenant une double colonne de distillation d'air et un cycle frigorifique, caractérisée en ce que le cycle frigorifique est tel que défini ci-dessus,le fluide de cycle étant l'air à séparer, l'installation comprenant des moyens pour refroidir une partie de l'air entrant jusqu'au voisinage de son point de rosée, le détendre dans une vanne de détente et l'en- voyer à la double colonne, et des moyens pour envoyer à cette double colonne une partie de l'air issu de la turbine haute pression. Des exemples de mise en oeuvre de l'inven- tion vont maintenant être décrits en regard des des- sins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est une vue schématique d'une installation de distillation d'air conforme à l'in- vention; - la Fig. 2 est un diagramme d'échange thermique correspondant à cette installation; et - la Fig. 3 est une vue schématique d'un cycle de liquéfaction conforme à l'invention. L'installation de distillation d'air repré- sentée à la Fig. 1 est destinée à produire de l'oxy- gène et de l'azote sous forme liquide. Elle comprend une double colonne de distillation 1 comprenant elle- même une colonne moyenne pression 2 fonctionnant vers 6 bars absolus, surmontée d'une colonne basse pression 3 fonctionnant un peu au-dessus de la pression atmos- phérique. Le gaz de tête (azote) de la colonne 2 est en relation d'échange thermique indirect avec le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 3 au moyen d'un vaporiseur-condenseur 4. L'installation comprend également une ligne d'échange thermique 5 à circulation à contre-courant des fluides mis en relation d'échange thermique, et deux ensembles turbine-booster 6 et 7. L'ensemble 6 comprend un booster ou surpresseur 8 et une turbine basse pression "chaude" 9 montée sur le même arbre 10, et l'ensemble 7 comprend un booster ou surpresseur 11 et une turbine haute pression froide 12 montée sur le même arbre 13. Les deux boosters 8 et 11 sont montés en serie. L'air à séparer, comprimé vers 20 bars et epure en eau et en C02, est surpressé vers 30 bars par l'ensemble du premier booster 8 et du deuxième booster 11, pui s est refroidi jusqu' à une température T1, par exemple de l'ordre de - 125 C, dans des pas- sages 14 de la ligne d'échange 5. Une partie, par exemple environ le quart, de cet air poursuit son refroi dissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, dans I.es mêmes passages 14, d'o il ressort liquéfié, puis, via une conduite 15, est détendul à 6 bars dans une vanne de détente 16 et est injecté dans le bas de la colonne 2. En variante, tout ou partie de ce liquide peut être détendu à la basse pression et injecté dans la colonne 3. Le reste de l'air à 30 bars est sorti de la ligne d'échange 5 par une conduite 17 et détendu à 6 bars dans la turbine 12, d'o il res- sort au voisinage de son point de rosée. Une partie de l'air issu de la turbine 12, correspondant par exemple à la moitié environ du débit d'air initial, est envoyé en cuve de la colonne 2, via une conduite 18, et le reste est réchauffé dans des passages 19 de la ligne d'échange, du bout froid de celle-ci à une température T2 nettement supérieure à T1 Cette température T2 peut par exemple être com- prise entre la température ambiante et - 30 C environ. L'air ainsi réchauffé est sorti. de la ligne d'échange via une condui.te 20 et détendu jusqu'au voi- sinage de la pression atmosphériqJue dans la turbine 9, d'o il sort à une température voisine de Ti. El est alors réintroduit dans la ligne d'échange via une con- duite 21, réchauffé jusqu'à la température ambiante dans des passages 22 et évacué de l'installation, après avoir éventuellement servi à la régénération de l'adsorbant utilisé pour l'épuration de l'air entrant et/ou à refroidir l'air sortant du compresseur princi- pal Cnon représenté) de l'installation. En variante, comme représenté en trait mixte à la Fig. 1, tout ou partie de l'air issu de La tur- bine 9 peut être refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange dans des passages 23 puis insufflé dans la colonne basse pression 3, ou encore être mélangé à l'azote impur, constituant le résiduaire de la double colonne, en cours de réchauffement dans des passages 24 de la ligne d'échange. Le reste de l'installation est classique: le liquide riche LR (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 2 est envoyé dans la colonne 3, après sous-refroidissement dans un sous-refroidisseur par vaporisation d'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 3, filtré en 25A et renvoyé dans la colonne 3, puis détendu dans une vanne de détente 26, et du liquide pauvre LP constitué essentiellement d'azote, soutiré à la partie supérieure de la colonne 2, est également envoyé dans La colonne 3 après sous-refroidissement dans un sous-refroidisseur 27 puis détendu dans une vanne de détente 28. L'instal- lation produit d'une part de l'azote liquide, prélevé en tête de la colonne 2 via une conduite 29, sous- refroidi dans le sous-refroidisseur 27, détendu au voisinage de la pression atmosphérique dans une vanne de détente 30 et stocké dans un réservoir 31, et d'autre part de l'oxygène liquide, prélevé en cuve de la colonne 3 via une conduite 32 et sous-refroidi dans le sous-refroidisseur 27. Ce dernier est refroidi par l'azote impur soutiré en tête de la colonne 3 via une conduite 33 et envoyé ensuite dans les passages 24 de la ligne d'échange. L'azote gazeux formé dans le réservoir 31 est renvoyé dans la conduite 33 via une conduite 34. Grâce à la disposition des deux turbines décrite plus haut, la totaLité de l'air surpressé est refroidie jusqu'à la température d'admission de la turbine froide, soit jusqu'à - 125 C dans cet exempLe. Par rapport à la disposition inverse classique des deux turbines, ceci accroît l'apport frigorifique de l'air sous pression par effet Joule Thompson dans la zone de température qui s'étend de l'admission de la turbine chaude à celle de la turbine froide. Par ailleurs, en considérant la Fig. 2, o on a porté en abscisses la température en degrés C et en ordonnées l'enthalpie H, la courbe inférieure C1 représente la variation d'enthalpie de l'air en cours de refroidissement et de liquéfaction, et la courbe supérieure C2 représente la variation d'enthalpie des gaz en cours de réchauffement. On voit que: la turbine froide 12 traite un fort débit d'air avec des températures d'admission et d'échappe- ment qui encadrent la zone de liquéfaction de l'air , c'est-à-dire qu'elle produit beaucoup de froid malgré son fonctionnement à basse température, et de plus elle produit ce froid dans la zone de température o, précisément, beaucoup de froid est nécessaire pour liquéfier l'air et o, par ailleurs, les pertes ther- miques sont maximales; et - la turbine chaude 9 traite un faible dé- bit d'air et peut recouvrir, en assurant une détente de 6 bars à 1 bar, l'essentiel de la zone de tempéra- ture située au-dessus de la précédente et dans laquel- le le refroidissement est assuré par les turbines; ainsi, la turbine 9 produit peu de froid dans une zone de température étendue o, précisément, peu de froid est nécessaire, les produits en relation d'échange thermique étant gazeux, et o, par ailleurs, les pertes thermiques sont faibles. Il résulte des considérations ci-dessus que l'installation de la Fi.g 1 conduit à une énergie spé- cifique de liquéfaction réduite. On remarque égale- ment que l'air àa moyenne pression véhiculé par la conduite 18 peut sans inconvénient se trouver au voisinage de son point de rosée, ce qui est favorable à la distillation dans la double colonne. L 'avantage concernant l'énergie spécifique de liquéfaction se retrouve dans le cycle de liqué- faction d'azote représenté à la Fig. 3. Sur cette figure, les éléments correspondant à la Fig. 1 portent les mêmes références, affectées du suffixe A. On retrouve ainsi une ligne d'échange thermique SA, un premier surpresseur 8A couplé à une turbine chaude basse pression 9A, et un second surpresseur 11A couplé à une turbine froide haute pression 12A, et le cycle comprend en outre deux compresseurs de cycle 36 (1 bar à 6 bars) et 37 (6 bars à 30 bars) disposés en série. L'azote de cycle refoulé par le compresseur 37 est surpressé à 50 bars par l'ensemble des surpres- seurs 8A et 11A et introduit dans des passages 14A de la ligne d'échange. Une partie de cet azote poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, est détendue à la moyenne pression (6 bars) dans une vanne de détente 16A et séparée en deux phla- ses liquide et vapeur dans un pot séparateur 38. La phase vapeur est réchauffEe jusqu'à la température ambiante dans des passages 19A de la ligne d'échange, et la phase liquide est sous-refroidie dans un sous- refroidisseur 39. Une partie de ce li.quide sous- refroidi est détendue à 1 bar environ dans une vanne de détente 40, vaporisée dans Le sous-refroidisseur 39 à contre-courant du liquide, puis réchauffée jusqu'à la température ambiante dans des passages 24A de La ligne d'échange. Le reste du liquide sous-refroidi constitue la production d'azote liquide, soutiree via une conduite 41. La partie non liquéfiée de l'azote haute pression est sortie de la ligne d'échange à une tem- pérature T1, via une conduite 17A, détendue à la moyenne pression dans la turbine 12A et injectée dans le séparateur 38. Une partie du débit véhiculé par les passages 19A est sortie de la ligne d'échange, via une conduite 20A, à une température T2 nettement supé- rieure à Ti, détendue à I bar environ dans la turbine 9A et injectée dans les passages 24A, via une conduite 21At à une température voisine de T1. Des conduites 42 et 43 relient respectivement la sortie des passages 19A et 24A à l'aspiration des compresseurs 37 et 36. Une conduite 44 amène à l'aspiration du compresseur 36 un débit d'azote gazeux égal au débit d'azote liquide produit par la conduite 41. De préférence, dans un cycle frigorifique conforme à l'invention, l'ordre de grandeur de l'écart T2 - T1 est au moins égal à la moitié de la chute de température fournie par une turbine. Il est à noter que la partie chaude de la ligne d'échange 5 ou 5A peut éventuellement être refroidier jusqu'a environ - 40 C, par un groupe fri- gorifique auxiliaire à ammoniac ou à "Fréon". REVEND ECATIONS 1. Procédé de production frigorifique par détente d'un fluide dans une première turbine (12; 12A) dite turbine haute pression, puis détente d'une partie du fluide issu de cette turbine dans une se- conde turbine (9; 9A) dite turbine basse pression, caractérisé en ce que la température (TI) d'admission de la turbine haute pression est nettement inférieure à celle (T2) de la turbine basse pression. 2. Procédé suivant la revendication 1, des- tiné à la liquéfaction d'un gaz, caractérisé en ce que les températures d'admission et d'échappement de la turbine haute pression (12; 12A) encadrent la zone de température (35) dans laquelle le gaz se liquéfie. 3. Procédé suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les températures d'admission (T2) et d'échappement de la turbine basse pression (9; 9A) encadrent l'essentiel de la zone de température située entre la température du début du refroidissement assuré par les turbines et la température d'admission (T1) de la turbine haute pression (12; 12A). 4. Procédé de distillation d'air, du type dans lequel de l'air comprimé est refroidi et détendu à une moyenne pression dans une première turbine (12) dite turbine haute pression, et une partie de l'air ainsi détendu est envoyée dans une double colonne de distillation, tandis que le reste de l'air ainsi dé- tendu est de nouveau détendu jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique dans une seconde turbine (9) dite turbine basse pression, caractérisé en ce que la température (T1) d'admission de la turbine haute pression est nettement intérieure à celle (T2) de la turbine basse pression. 5. Procédé suivant la revendication 4, ca- ractérisé en ce que l'air issu de la turbine basse pression (9) est réchauffé puis évacué, éventuellement après avoir servi à refroidir l'air comprimé à séparer et/ou à régénérer un adsorbant d'épuration de cet air. 6. Procédé suivant la revendication 4, ca- ractérisé en ce que l'air issu de la turbine basse pression (9) est au moins en partie refroidi puis insufflé dans la colonne basse pression (3) de la double colonne (1). 7. Cycle frigorifique, du type comprenant un circuit de circulation d'un fluide de cycle, un compresseur de cycle (35, 36), une première turbine (12; 12A) dite turbine haute pression, et une seconde turbine (9; 9A) dite turbine basse pression, le cir- cuit comprenant des moyens pour faire passer au moins une partie du fluide de cycle comprimé par le com- presseur, après refroidissement jusqu'à une première température (T1), dans la turbine haute pression, et des moyens pour faire passer au moins une partie du fluide issu de cette turbine dans la turbine basse pression, caractérisé en ce que la température (T1) d'admission de la turbine haute pression est nettement inférieure à celle (T2) de la turbine basse pression. 8. Installation de distillation d'air, du type comprenant une double colonne de distillation d'air (1) et un cycle frigorifique, caractérisée en ce que le cycle frigorifique est conforme à la revendica- tion 7, le fluide de cycle étant l'air à séparer, l'installation comprenant des moyens (5) pour refroi- dir une partie de l'air entrant jusqu'au voisinage de son point de rosée, le détendre dans une vanne de dé- tente (16) et l'envoyer à la double colonne, et des moyens (18) pour envoyer à cette double colonne une partie de l'air issu de la turbine haute pression (12). 9. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour réchauffer l'air issu de la turbine basse pression (9) puis évacuer cet air de l'installation, éventuellement après passage dans un refroidisseur de l'air comprimé entrant et/ou dans un appareil d'épuration par adsorp- tion de cet air 10. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (23) pour refroidir l'air issu de la turbine basse pression (9) puis l'insuffler dans la colonne basse pression (3) de la double colonne.