Brevet FR2789127A1 — publié le 20000804

L'invention concerne un procédé et un dispositif d'enlèvement de sa- lissures déposées dans une partie interne d'une turbomachine et en particu- lier d'un compresseur centrifuge sans arrêter la production du compresseur. L'encrassement des parties internes des turbomachines, et en parti- culier des compresseurs centrifuges, est un phénomène que l'utilisateur peut difficilement maîtriser ou empêcher. Le dépôt et l'agglomération de salissures sur les parties internes aé- rodynamiques des turbomachines peuvent avoir des conséquences tout-à- fait indésirables sur les performances de fonctionnement. D'une part, la conduite du procédé mis en oeuvre dans la turboma- chine peut être modifiée de manière importante. Dans le cas d'un compres- seur centrifuge, les niveaux de pression et de température ou les débits de circulation dans le compresseur peuvent être modifiés du fait de la formation de dépôts dans les canaux aérodynamiques tels que les aubages ou les diffuseurs du compresseur. D'autre part, les éléments mécaniques de la turbomachine peuvent être soumis à des sollicitations entraînant leur détérioration. Il est donc né- cessaire de protéger ces éléments mécaniques. En particulier, les balourds ou les variations de poussée engendrées par les dépôts sur les parties dy- namiques de la turbomachine et les encrassements des garnitures internes peuvent induire des vibrations qui sont préjudiciables à la bonne marche de la turbomachine. Le dépôt et l'agglomération de salissures sur les parties internes des turbomachines et en particulier des compresseurs centrifuges sont dus à deux causes principales. Tout d'abord, les filtres et les séparateurs disposés en amont des turbomachines ne peuvent arrêter des particules ayant une taille de quelques micromètres. En outre, les niveaux de pression et de tem- pérature atteints dans le compresseur, ainsi que la nature des gaz dont on réalise la compression favorisent des réactions du type polymérisation sur les matières déposées ou la corrosion des parties internes du compresseur sous l'effet des matières déposées. De manière générale, I'encrassement des parties internes des turbo- machines et en particulier des compresseurs centrifuges est un phénomène général qui se produit dans tous les cas pendant le fonctionnement normal de la turbomachine. Cet encrassement peut atteindre un niveau tel qu'il de- vienne nécessaire d'arrêter la turbomachine et donc le cycle de production ou de fabrication en cours. Il est donc tout-à-fait souhaitable de disposer de moyens permettant d'enlever les salissures de la partie interne encrassée d'une turbomachine ou de limiter le dépôt de salissures dans cette partie interne. On ne connaît pas jusqu'ici de procédé général permettant de réaliser le nettoyage des parties internes de turbomachines quel que soit le type de turbomachines concerné, la substance en circulation dans ces turbomachi- nes et le type et la nature des salissures susceptibles de se déposer dans leurs parties internes. Chaque exploitant de turbomachines essaie de remédier au problème d'encrassement qu'il rencontre, en fonction du type d'encrassement ou des caractéristiques d'organisation de la production. On connaît des procédés de revêtement anti-encrassement ou des solvants ou additifs chimiques permettant de réduire ou de supprimer les encrassements, dans certains cas spécifiques. De manière générale, dans le but d'optimiser la disponibilité des équipements industriels, les principales méthodes utilisées qui peuvent être combinées entre elles consistent à: - démonter et sabler les parties encrassées des turbomachines, - injecter périodiquement des particules solides ou liquides (en parti- culier sous forme de brouillard) pour éroder ou dissoudre les salissures, - mélanger en continu des additifs avec le fluide circulant dans la tur- bomachine, tels que des retardateurs de polymérisation, - enduire les parties internes de revêtement pour réaliser des surfa- ces anti-adhérentes. Toutes ces méthodes présentent des inconvénients. En particulier, ces méthodes sont coûteuses et leur efficacité est ni totale ni durable. En outre, chacune des méthodes est adaptée à un cas particulier et on ne connaît aucune méthode qui soit d'application générale. On connaît également des procédés de nettoyage qui sont appliqués en dehors du secteur de l'exploitation des turbomachines et qui utilisent un solvant constitué par un fluide dense sous pression tel que dioxyde de car- bone, à l'état liquide ou encore à l'état supercritique. Dans de tels procédés, le dioxyde de carbone peut être utilisé en remplacement de solvants organiques. Le dioxyde de carbone C02 présente un point critique à une pression de 73 bars (7,3 MPa) et à une température de 31 C. Ces procédés de nettoyage utilisent du dioxyde de carbone à une pression supérieure à la pression critique et à une température qui peut être inférieure à la température critique, le dioxyde de carbone étant alors liquide, ou encore à une température supérieure à la température critique, le dioxyde de carbone étant alors dans un état supercritique intermédiaire entre les états liquide et gazeux. A l'état supercritique, les propriétés du C02 telles que sa densité, sa viscosité qui est faible, et son coefficient de diffusion qui est élevé, ainsi qu'un très bon pouvoir solvant vis-à-vis de nombreuses matières, en font un produit solvant intéressant pour le nettoyage, la purification et le traitement des matériaux. Les valeurs de pression et de température critique du CO2, qui ne sont pas très difficiles à atteindre, permettent des applications industrielles assez aisées. A l'état supercritique, le C02 dissout en particulier la plupart des com- posés organiques. D'autres substances peuvent présenter à l'état supercritique des pro- priétés analogues, comme certains alcanes. Dans le cas de turbocompresseurs, qui comportent une entrée dans laquelle on introduit un gaz intervenant dans un procédé dans lequel le gaz subit une transformation physique ou chimique, il est généralement souhai- table d'effectuer en continu l'enlèvement des salissures à l'intérieur du tur- bocompresseur, pendant le fonctionnement de ce turbocompresseur. Il est possible d'introduire, dans le courant de gaz de procédé, à l'entrée du turbo- compresseur, une substance susceptible de dissoudre les salissures dépo- sées à l'intérieur du turbocompresseur. A la sortie du turbocompresseur, on récupère un fluide constitué par le gaz de procédé et la substance à l'état supercritique renfermant les salis- sures à l'état dissout. On doit alors effectuer une séparation du gaz de pro- cédé et du fluide constitué par la substance renfermant les salissures à l'état dissout. Pour mettre en oeuvre le procédé de nettoyage du compresseur de manière tout à fait continue etdans des conditions économiques, il est sou- haitable d'effectuer en continu le recyclage de la substance de dissolution des salissures dans le gaz de procédé à l'entrée du turbocompresseur. Si l'on utilise une substance à l'état supercritique, telle que le CO2 supercritique, pour assurer la dissolution des salissures dans la turboma- chine, la régénération de la substance ne peut être effectuée qu'en abais- sant la pression de la substance en-dessous de la pression critique, de ma- nière à obtenir la substance à l'état gazeux, et en effectuant la séparation des impuretés de la substance à l'état gazeux. Il est ensuite nécessaire de recomprimer la substance et d'ajuster sa température avant de la réinjecter dans le gaz de procédé à l'entrée du tur- bocompresseur. Un tel procédé, qui nécessite l'utilisation d'un dispositif tel qu'une pompe à grand débit et à haute pression pour faire circuler et remettre en pression la substance de dissolution des salissures, ne peut être mis en oeuvre de manière réaliste, dans le cadre d'un procédé industriel. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé d'enlèvement de salissures dans une partie interne d'une turbomachine pendant le fonc- tionnement de la turbomachine qui comporte une entrée et une sortie pour un gaz de procédé, dans lequel on introduit, à l'entrée de la turbomachine, dans le gaz de procédé, une substance à l'état dense, notamment supercri- tique, on récupère, à la sortie de la turbomachine, un fluide constitué par le gaz de procédé et la substance renfermant des impuretés constituées par des salissures à l'état dissout, on réalise une séparation en continu sur le fluide pour obtenir un courant de gaz de procédé et un courant de la subs- tance renfermant les impuretés et on recycle la substance à l'état dense à l'entrée de la turbomachine, ce procédé pouvant être mis en oeuvre de ma- nière industrielle, dans des conditions économiques. Dans ce but: - on prélève en continu une fraction du courant de la substance ren- fermant les impuretés séparé du gaz de procédé, et on réintroduit le courant résiduel dans le gaz de procédé à l'entrée de la turbomachine, on abaisse la pression de la substance dans la fraction du courant prélevée, - on sépare les impuretés de la substance à l'état gazeux dans la fraction du courant à l'état gazeux, on élève la pression de la substance de la fraction du courant séparée des impuretés et on réintroduit la substance de la fraction de courant, à l'état dense, dans le courant résiduel de la substance renfermant les impuretés avant son introduction dans le gaz de procédé à l'entrée de la turbomachine. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention dans le cas d'un turbocompresseur utilisé pour comprimer un gaz de procédé, en se ré- férant aux figures jointes en annexe. La figure 1 est une vue schématique des circuits de nettoyage et de recyclage du turbocompresseur. La figure 2 est un diagramme température-entropie montrant les va- riations de température et d'entropie des fluides dans les circuits représen- tés sur la figure 1. La figure 3 est un diagramme pression-température montrant les va- riations de pression et de température des fluides dans les circuits de l'installation représentée sur la figurer. Sur la figure 1, on voit le turbocompresseur 1 utilisé pour mettre en pression un gaz de procédé qui peut être un gaz produit ou utilisé dans une installation industrielle, telle qu'une installation chimique ou pétrochimique. Le compresseur 1 comporte une entrée basse pression 11 reliée à une conduite 2 d'arrivée d'un gaz de procédé et une sortie haute pression 12 reliée à une conduite d'utilisation 3 par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 5 et d'un séparateur 6. Le séparateur 6 comporte une conduite d'entrée 13 recevant le gaz provenant de la sortie 12 du compresseur par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 5, une première sortie constituée par la conduite d'utilisation 3 et une seconde sortie constituée par une conduire 7 reliée par l'intermédiaire d'une vanne de réglage 8, d'une conduite intermédiaire 14, d'un échangeur de chaleur 9, d'une conduite de recyclage 7' et d'un clapet anti-retour 10 à la conduite 2 d'arrivée du gaz de procédé à l'entrée 11 du turbocompresseur. Le fluide introduit dans la conduite 2 en aval du clapet anti-retour 10 est un fluide dans un état dense, tel qu'un fluide à l'état supercritique et de préférence du gaz carbonique C02 à l'état supercritique. Le C02 à l'état supercritique, mélangé au gaz de procédé, est intro- duit dans l'entrée 11 du turbocompresseur et circule à l'intérieur du turbo- compresseur, en contact avec les éléments internes mobiles ou fixes du tur- bocompresseur, tels que les ailettes et diffuseurs du turbocompresseur. La mise en pression du gaz de procédé à l'intérieur du turbocompresseur 1 permet de maintenir le C02 à l'état supercritique. Dans cet état, le C02 dis- sout de manière très rapide les salissures déposées sur les éléments inter- nes du turbocompresseur. Les impuretés dissoutes dans le C02 à l'état su- percritique, qui sont généralement à l'état liquide, constituent, avec le C02 à I'état supercritique et le gaz de procédé à haute pression, un mélange de fluides dont la température est ajustée dans l'échangeur de chaleur 5 en fonction de l'utilisation du gaz de procédé et pour liquéfier le C02 renfermant les impuretés. Le mélange de fluide, ajusté en température, est envoyé par la conduite 13 à l'intérieur du séparateur 6 qui réalise la séparation du gaz de procédé qui est évacué par la conduite 3 et du C02 liquide renfermant les impuretés dissoutes qui est évacué par la conduite 7, à un débit Q. Dans le cas o l'on effectuerait uniquement le recyclage de la subs- tance de dissolution, c'est-à-dire le CO2, dans la conduite d'entrée 2 du tur- bocompresseur par l'intermédiaire du circuit de nettoyage 13, 7, 16, 7' cons- tituant un premier circuit du dispositif de la figure 1, même en restaurant l'état supercritique de la substance, on ne pourrait faire fonctionner en conti- nu le turbocompresseur avec enlèvement des salissures, du fait que la substance à l'état supercritique serait très rapidement saturée en impuretés dissoutes. Le fait d'avoir un fluide supercritique en mélange dans le gaz de procédé impose d'avoir un assez grand débit de fluide de nettoyage dans le compresseur, qu'il est impossible de régénérer en continu. Selon le procédé de l'invention, on utilise un second circuit 17 pour diminuer la teneur en impuretés dissoutes de la substance de dissolution, c'est-à-dire le C02 séparé du gaz de procédé dans le séparateur 6. Le second circuit, ou circuit de séparation d'impuretés, 17 comporte une vanne de décompression 18, un séparateur 19 de gaz et de liquide et un compresseur 20 placés en série les uns par rapport aux autres et en dé- rivation sur la conduite 7, de part et d'autre de la vanne de réglage 8. Le réglage de la vanne 8 permet de faire passer une fraction prédé- terminée q du débit Q de C02 liquide circulant dans la conduite 7, dans le circuit de séparation d'impuretés 17, le courant résiduel Q-q étant reçu dans la partie 14 de la conduite 7, en aval de la vanne de réglage 8. Le C02 renfermant des impuretés, prélevé sous la forme du débit q dans la conduite 7, traverse la vanne de détente 18, de manière que, dans la partie 15 du circuit 17, en aval de la vanne 18, on abaisse la pression du C02 à un niveau assurant sa vaporisation. Le C02 de la fraction de débit q prélevée dans le circuit 17 se trouve donc à l'état gazeux dans la partie 15 du circuit 17, en amont de la vanne 18. Le mélange de gaz et d'impuretés constitué par les salissures à l'état liquide pénètre dans le séparateur 19 qui réalise la séparation du C02 gazeux et des salissures à l'état liquide qui sont évacuées du séparateur 19, comme représenté par la flèche 21. Le C02 gazeux épuré est comprimé par le compresseur 20, qui peut être constitué par un compresseur de type volumétrique rotatif ou par une pompe à haute pression, de manière que sa pression devienne supérieure à la pression critique du C02, soit 7,3 MPa. Le C02 supercritique épuré est réintroduit dans la conduite intermédiaire 14, dans le courant résiduel Q-q constitué de C02 renfermant des impuretés liquides. En première approximation, on peut supposer qu'il n'y a pas de dé- perdition dans les circuits de recyclage et de séparation d'impuretés, de sorte qu'on réalise, à l'intérieur de la conduite de recyclage, le mélange d'un débit Q-q du C02 renfermant des impuretés et d'un débit q de C02 supercri- tique ne renfermant plus d'impuretés. Le débit Q résultant traverse un échangeur de chaleur 9 pour être remis en température et à l'état supercriti- que avant d'être recyclé par la conduite de recyclage 7' dans la conduite 2 reliée à l'entrée du turbocompresseur 1. Le turbocompresseur peut fonctionner de manière continue avec en- lèvement des salissures se déposant dans sa partie interne, si le débit q prélevé sur la conduite 7 est suffisant pour maintenir un état de non satura- tion en impuretés du C02 supercritique introduit dans l'entrée du turbocom- presseur. Bien entendu, un débit q important nécessite l'utilisation d'un com- presseur ou d'une pompe à haute pression 20 à grand débit. D'autre part, l'intérêt du procédé de l'invention est de limiter la taille et la puissance du compresseur ou pompe 20. Il est donc nécessaire de choisir un compromis permettant un fonctionnement continu du turbocompresseur sans encras- sement excessif avec un coût modéré d'installation et de fonctionnement du circuit de séparation d'impuretés. Sur la figure 2, représentant un diagramme température T-entropie S relatif au circuit représenté sur la figure 1, on a représenté la courbe de changement d'état 22 du gaz carbonique et les isobares 23 et 24 corres- pondant à la pression d'aspiration et à la pression de refoulement du turbo- compresseur 1, respectivement. Le sommet de la courbe 22 correspond au point critique du gaz car- bonique, la partie de gauche de la courbe 22 en partant du point critique cor- respondant à la courbe d'ébullition du C02 et la partie située à droite du point critique de la courbe 22 correspondant à la courbe de rosée. La partie du diagramme située à droite de la courbe 22 correspond à l'état gazeux et la partie située à gauche à l'état liquide du C02. Les différents points représentés sur la figure 2 et portant les référen- ces 11, 12, 13, 14, 15 et 16 correspondent aux éléments des circuits de la figure 1 ayant les mêmes références. En partant de l'aspiration du compresseur (point 11 sur la courbe 23), la compression à l'intérieur du turbocompresseur est représentée par le segment 11, 12, le point de référence 12 se trouvant sur la courbe 24. Le refroidissement du fluide refoulé par le compresseur 1, à travers l'échangeur 5, se traduit par le segment de courbe 12, 13 suivant la courbe 24. L'évolution thermodynamique du courant principal de fluide, depuis l'entrée du séparateur 6 jusqu'à l'entrée du turbocompresseur 11, se traduit par le segment 13, 14 entre les courbes 24 et 23 et le segment 14, 11 sur la courbe 23 correspondant à la pression d'aspiration. Il apparaît que le courant principal de C02 est à l'état supercritique dans le turbocompresseur 1 et à l'état liquide à la sortie de l'échangeur de chaleur 5. La détente de la fraction de débit q prélevée dans le circuit 17 se tra- duit par le segment de droite13, 15 qui traverse la courbe 22 pour passer de la zone correspondant au C02 liquide à la zone correspondant au C02 ga- zeux. Le passage de la fraction de fluide prélevée dans le séparateur 19 et sa compression dans le compresseur 20 se traduit par la partie de courbe , 16, le point 16 se trouvant sur la courbe 23 correspondant à la pression d'aspiration du compresseur. Le réchauffage du C02 dans l'échangeur 9 se traduit par la partie de courbe 14, 11 sur la figure 2. La portion de débit q prélevée par le circuit de séparation d'impuretés 17 passe de l'état liquide à l'état gazeux par détente, puis de l'état gazeux à l'état supercritique par compression. Le cycle thermodynamique correspondant au circuit de la figure 1 a également été représenté dans le diagramme pression-température de la figure 3. Sur la courbe de changement d'état 25 représentée dans ce dia- gramme, on a porté le point critique 26 et le point triple 27 ainsi que la limite des domaines 28 et 29 correspondant au C02 liquide et au C02 supercri- tique. Les points 11, 12, 13, 14, 15 et 16 portés sur le diagramme de la fi- gure 3 correspondent aux points du circuit 1 o sont situés des éléments ayant les mêmes références. On voit que le C02 utilisé dans le turbocompresseur (segment 11, 12) est à l'état supercritique et qu'il passe à l'état liquide par refroidissement dans l'échangeur 5 (segment 12, 13). Le débit résiduel Q-q de C02 renfer- mant des impuretés passe de l'état liquide à l'état supercritique par ré- chauffage dans l'échangeur 9 (segment 14,1 1). La fraction de débit prélevé q passe de l'état liquide à l'état gazeux, comme représenté par le segment 13,15, le point 15 se trouvant dans le domaine 31 en-dessous de la courbe 25, correspondant au C02 gazeux. Le C02 gazeux est ensuite comprimé pour passer à l'état supercritique avant d'être réintroduit dans le débit résiduel Q-q (segment 15,16). Il apparaît donc que le procédé suivant l'invention permet de réaliser I'enlèvement d'impuretés dans le turbocompresseur, en continu, pendant le fonctionnement du turbocompresseur, dans la mesure o le débit prélevé q est suffisant pour éviter une saturation du C02 en impuretés provenant des salissures dissoutes dans la partie interne du turbocompresseur. Comme indiqué plus haut, il est nécessaire de faire un compromis entre l'encrassement acceptable du turbocompresseur lors d'un fonctionne- ment de longue durée et le débit acceptable par le circuit de séparation d'impuretés 17. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. En particulier, il est possible d'utiliser, pour la dissolution des salissu- res, d'autres substances que le C02 à l'état dense, en particulier supercriti- que. De telles substances peuvent être par exemple l'eau (H20) dans cer- tains cas, si elle ne renferme pas de composés acides, ou les alcanes légers comme le propane (C3H8) ou le pentane (C5H12). Il est possible également d'envisager d'utiliser le procédé suivant I'invention pour réaliser le nettoyage de turbomachines différentes de turbo- compresseurs centrifuges. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'enlèvement de salissures dans une partie interne d'une turbomachine (1), pendant le fonctionnement de la turbomachine qui com- porte une entrée (11) et une sortie (12) pour un gaz de procédé, dans lequel on introduit, à l'entrée (11) de la turbomachine (1), dans le gaz de procédé, une substance à l'état dense, en particulier supercritique, on récupère, à la sortie (12) de la turbomachine, un fluide constitué par le gaz de procédé et la substance renfermant des impuretés constituées par des salissures à l'état dissout, on réalise une séparation en continu sur le fluide pour obtenir un courant de gaz de procédé et un courant de la substance renfermant les im- puretés et on recycle la substance, à l'état dense, à l'entrée de la turboma- chine (1), caractérisé par le fait qu'on prélève en continu une fraction du cou- rant de la substance renfermant les impuretés séparé du gaz de procédé et qu'on réintroduit le courant résiduel dans le gaz de procédé à l'entrée de la turbomachine (1), qu'on abaisse la pression de la substance dans la fraction du courant et qu'on vaporise ainsi la substance de la portion du courant prélevée, on sépare les impuretés de la substance à l'état gazeux dans la fraction du courant prélevée, on élève la pression de la substance de la frac- tion du courant prélevée, séparée des impuretés et on réintroduit la subs- tance de la fraction de courant prélevée, à l'état supercritique, dans le cou- rant résiduel de la substance renfermant les impuretés, avant son introduc- tion dans le gaz de procédé à l'entrée (11) de la turbomachine (1). 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la substance dissolvant les impuretés est à l'état supercritique et constituée par du dioxyde de carbone C02. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la substance dissolvant les salissures est à l'état supercritique et constituée par l'une au moins des substances suivantes: eau (H20), propane (C3H8), pentane (C5Ha2). 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caracté- risé par le fait qu'on abaisse la température du fluide constitué par le mé- lange du gaz de procédé et de la substance renfermant les impuretés en aval de la sortie (12) de la turbomachine, afin de mettre la substance ren- fermant les impuretés à l'état liquide avant de réaliser la séparation du gaz de procédé et du courant de la substance renfermant les impuretés. 5.- Dispositif d'enlèvement en continu de salissures dans une partie interne d'une turbomachine (1) comportant une entrée (11) et une sortie (12) pour un gaz de procédé, caractérisé par le fait qu'il comporte un premier cir- cuit (11, 12, 13, 7, 14, 7') permettant de mettre en circulation, à l'intérieur de la turbomachine (1), un fluide constitué par le gaz de procédé renfermant une substance susceptible de dissoudre les salissures à l'état dense et comprenant un séparateur (6) du gaz de procédé et de la substance renfer- mant des impuretés constituées par les salissures dissoutes et un second circuit (17, 15, 16) de séparation des impuretés sur une fraction (q) d'un débit total de fluide (Q) circulant dans le premier circuit (11, 12, 13, 7, 14, 7'). 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le premier circuit (11, 12, 13, 7, 14, 7') comporte une vanne de réglage (8) de la fraction de débit prélevée (q) par le circuit (17). 7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, ca- ractérisé par le fait que le second circuit de séparation d'impuretés (15, 16, 17) comporte, en série, une vanne de détente (18), un séparateur de gaz et de liquide (19) et un compresseur ou une pompe haute pression (20). 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, ca- ractérisé par le fait que le premier circuit (11, 12, 13, 14) comporte de plus, entre la turbomachine (1) et le séparateur (6), un premier échangeur de chaleur (5) pour abaisser la température d'un fluide constitué du gaz de pro- cédé et de la substance renfermant les impuretés et, entre le circuit de net- toyage (17) et l'entrée (11) de la turbomachine (1), un second échangeur de chaleur (9) pour élever la température de la substance avant son introduc- tion dans le gaz de procédé.