Brevet FR2803221A1 — publié le 20010706

La présente invention est relative à un procédé et une installation de séparation d'air. En particulier, elle concerne un procédé qui produit un débit enrichi en azote à une pression d'au moins 2 bars qui est détendu dans une turbine. En particulier elle concerne un procédé et installation de séparation d'air intégrés avec chambre à combustion. Les appareils de séparation d'air par voie cryogénique fonctionnent traditionnellement avec deux colonnes de distillation une dite moyenne pression fonctionnant à environ 4 à 10 bars et une dite basse pression fonctionnant à 1 à 3 bars. Une augmentation de ces pressions, bien que rendant la distillation plus difficile, serait intéressante car elle permettrait de réduire le volume des équipements donc leur coûts) et permettrait de réduire les irréversibilités énergétiques dues aux pertes de charges dans les différents circuits. Cependant, il est assez rare de pouvoir augmenter pressions car il est nécessaire valoriser l'énergie contenue dans les fluides résiduaires "non commercialisables" traditionnellement du fait de leurs puretés. Les solutions classiques sont par exemple de # réinjecter ce résiduaire dans des turbines à gaz (cas particulier des iGCC), # turbiner à froid ce fluide de manière à produire du liquide # turbiner à température élevée (tel que décrit dans demande de brevet EP-A-0402045). DE 2553700 décrit un appareil de séparation d'air qui produit un débit gazeux enrichi azote. Après une étape de compression, le débit gazeux est chauffé échange de chaleur indirect à l'intérieur d'une chambre de combustion avant d'être détendu dans une turbine. Le gaz détendu dans la turbine sert à préchauffer le gaz comprimé à envoyer à la chambre de combustion. US-A-3950957 divulgue un appareil de séparation d'air dont l'azote produit est détendu après s'être réchauffée dans une chaudière. Les calories restantes dans l'azote détendu sont transmises à la chaudière par échange de chaleur indirecte. Dans US-A-5459994, un débit d'azote est détendu dans une turbine, mélangé avec de l'air, comprimé et envoyé à une chambre de combustion. Dans US-A-4729217 après avoir été mélangé avec le carburant, l'azote est détendu dans une turbine et envoyé à une chambre de combustion. US-A-4557735 décrit le cas dans lequel l'azote est détendu à une température cryogénique, comprimé, mélangé avec l'air et envoyé à une chambre de combustion. Le schéma proposé correspond à turbiner l'azote résiduaire à température élevée de manière innovante et efficace. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans lequel un débit d'air comprimé et épuré est séparé dans un appareil de séparation d'air pour produire un débit gazeux enrichi en azote à entre 2 7 bars, le débit gazeux enrichi en azote est détendu dans une turbine et le débit gazeux détendu envoyé à une chambre de combustion caractérisé en ce le débit gazeux détendu sans avoir été mélangé avec un débit de carburant il n'est pas mélangé avec un débit d'air après sa détente. Optionnellement - le débit gazeux enrichi en azote est préchauffé par échange de chaleur indirect avec les gaz à l'intérieur de la chambre de combustion avant d'être détendu. - la température d'entrée de l'azote dans la turbine est au moins 700 C. - le débit enrichi en azote est préchauffé par échange indirect dans la chambre de combustion en une étape jusqu'à une température intermédiaire et ensuite en une deuxième étape jusqu'à là température d'entrée de la turbine le gaz détendu envoyé dans la chambre de combustion cède des calories au débit gazeux à détendre lors de la première étape de préchauffage. - le débit gazeux enrichi en azote est comprimé à une pression entre 5 et 20 bars avant d'être détendu. - l'air est refroidi après sa compression au moyen groupe frigorifique à absorption et de l'eau pressurisée destinée au groupe frigorifique est chauffée par les de la chambre de combustion additionnés du débit gazeux enrichi en azote. l'air est épuré dans un moyen d'épuration avant d'être envoyé à l'appareil de séparation, le moyen d'épuration est régénéré un débit gazeux enrichi en azote et au moins une partie du débit ayant servi à la régénération est envoyé ` la turbine de détente. le débit enrichi en azote est soutiré d'une simple colonne ou de la colonne moyenne pression et/ou de la colonne basse pression d'une double colonne ou de la colonne haute pression et/ou de la colonne à pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression d'une triple colonne. - débit enrichi en azote contient entre 0.5 et 10% molaires d'oxygène. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant i) un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique une chambre de combustion iii) une turbine de détente iv) des moyens pour envoyer de l'air à l'appareil de séparation d'air par distillation cryogénique v) des moyens pour soutirer un gaz enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air par distillation cryogénique vi) des moyens pour envoyer le gaz enrichi en azote à la turbine de détente et vii) des moyens pour envoyer le gaz enrichi en azote de la turbine de détente à la chambre de combustion caractérisée en ce qu'elle ne comprend ni moyens pour mélanger de l'air au gaz enrichi en azote en aval de la turbine et en amont de la chambre de combustion ni moyens pour mélanger du carburant avec le gaz enrichi en azote avant sa détente. Optionnellement l'installation peut comprendre - des moyens pour préchauffer le débit gazeux enrichi en azote par échange chaleur indirect avec les gaz à l'intérieur de la chambre de combustion amont de la turbine de détente. - des moyens pour préchauffer le débit enrichi en azote par échange indirect dans la chambre de combustion en une étape jusqu'à une température intermédiaire et ensuite en une deuxième étape jusqu'à la température d'entrée de la turbine. - un groupe frigorifique dans lequel l'air est refroidi après sa compression, un circuit d'eau pressurisée destinée au groupe frigorifique des moyens pour chauffer le circuit d'eau pressurisée par les gaz de la chambre de combustion additionnés du débit gazeux enrichi en azote. - un moyen d'épuration dans lequel l'air est épuré avant d'être envoyé à l'appareil séparation, le moyen d'épuration étant régénéré un débit gazeux enrichi azote et des moyens pour envoyer au moins une partie du débit ayant servi à la régénération à la turbine de détente. - des moyens pour soutirer le débit enrichi en azote d'une simple colonne ou de la colonne moyenne pression et/ou de la colonne basse pression d'une double colonne ou de la colonne haute pression et/ou de la colonne à pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression d'une triple colonne. L'invention sera maintenant décrit en se référant à la Figure qui est un schéma d'une installation selon l'invention. Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur 3, refroidi au moyen d'un groupe frigorifique 5 et épuré dans des lits d'adsorbants 7. Ensuite l'air est refroidi dans l'échangeur principal 9 avant d'être envoyé à la colonne moyenne pression d'une double colonne. L'azote impur gazeux 11 contenant de moins de un à plusieurs pour cent molaires d'oxygène, disponible à température ambiante et pression modérée (2 à 7 bars) en tête de la colonne basse pression de la double colonne est comprimé dans un compresseur 13 à une pression de l'ordre de 10 à 20 bars. fluide, alors à une température de l'ordre de 90 à 1 (car il n'y a pas de refrigérant final en aval du compresseur 13) est réchauffé, en deux étapes, dans une chambre de combustion 15 jusqu'à une température de l'ordre de 700 à 800 C. ensuite détendu jusqu'à une pression voisine la pression atmosphérique dans une turbine de détente 17accouplée à un générateur électrique et/ou des moyens de compression de l'appareil de séparation d'air. fluide détendu 19, d'une température de 350 à 450 C est alors mélangé fumées de la chaudière à un niveau sensiblement identique, intermédiaire entre les deux étapes de réchauffage précédemment citées de manière minimiser les irréversibilités.. chaleur résiduelle des fumées additionnées d'azote résiduaire est utilisée pour réchauffer de l'eau pressurisée 21 (à environ 1 - 130 C) nécessaire au fonctionnement du groupe frigorifique à absorption (bromure de lithium ou équivalent) destiné à refroidir l'air entrant dans l'appareil séparation d'air. bilan énergétique global est particulièrement intéressant permet de valoriser l'énergie peu noble. II y a adéquation entre les besoins du groupe frigorifique l'appareil de séparation d'air et les calories disponibles dans les fumées de chambre de combustion au niveau de température indiqué. schéma permet de valoriser l'énergie contenue dans l'azote résiduaire sans avoir les circuits coûteux nécessaires à la production d'eau de chaudière. fait de l'injection d'azote résiduaire, la teneur en vapeur d'eau dans les fumées relativement faible et permettrait de récupérer de l'énergie à des niveaux température bas, sans risque de condensation (et donc corrosion) dans la cheminée. moins une partie de l'azoté résiduaire, de même la chaleur disponible dans le système (compression ou chaleur résiduelle fumées) peut être utilisée pour régénérer les lits d'adsorbants de l'appareil de séparation d'air avant d'être comprimée, chauffée dans la chambre de combustion et envoyée à la turbine. Evidemment la double colonne de la Figure peut être remplacée par une triple colonne telle que celle de EP-A-0538118. L'azote à détendre peut être extrait de la colonne opérant à pression la plus basse et/ou de 1a colonne opérant à la pression la plus élevée et/ou de la colonne opérant à pression intermédiaire (dans le cas où l'appareil séparation d'air serait une triple colonne). chambre de combustion peut être surdimensionnée manière à pouvoir produire aussi de 1a vapeur, fonctionnant comme une chaudière. partie de l'azote résiduaire peut être prélevé en différents points de manière servir de gaz de palier et/ou de refroidissement des aubes ou du rotor de la turbine de détente de l'azote ou d'une autre turbine. partie de l'azote résiduaire peut être injecté au niveau des brûleurs de la chambre de combustion pour contrôler le niveau en NOx. schéma peut être conçu sans compresseur d'azote. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air dans lequel un débit d'air comprimé et épuré est séparé dans un appareil de séparation d'air pour produire débit gazeux enrichi en azote à entre 2 et 7 bars, le débit gazeux enrichi en azote est détendu dans une turbine et le débit gazeux détendu est envoyé à une chambre de combustion caractérisé en ce que le débit gazeux est détendu sans avoir été mélangé avec un débit de carburant et il n'est pas mélangé avec debit d'air après sa détente. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit gazeux enrichi en azote est préchauffé par échange de chaleur indirect avec les gaz à l'intérieur de la chambre de combustion avant d'être détendu. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la température d'entrée de l'azote dans la turbine est au moins 700 C. 4. Procédé selon une des revendications 2 ou 3 dans lequel le débit enrichi en azote est préchauffé par échange indirect dans la chambre combustion en une étape jusqu'à une température intermédiaire et ensuite en deuxième étape jusqu'à la température d'entrée de la turbine et le gaz détendu envoyé dans la chambre de combustion cède des calories au débit gazeux à détendre lors de la première étape de préchauffage. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le débit gazeux enrichi en azote est comprimé à une pression entre 5 et 20 bars avant d'être détendu. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel l'air est refroidi après sa compression au moyen d'un groupe frigorifique et de l'eau pressurisée destinée au groupe frigorifique est chauffée par les gaz de la chambre de combustion additionnés du débit gazeux enrichi en azote. 7. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel l'air est épuré dans un moyen d'épuration avant d'être envoyé à l'appareil de séparation, le moyen d'épuration est régénéré par un débit gazeux enrichi en azote et au moins une partie du débit ayant servi à la régénération est envoyé à la turbine de détente. 8. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le débit enrichi en azote est soutiré d'une simple colonne ou de colonne moyenne pression etlou de la colonne basse pression d'une double colonne ou de la colonne haute pression etlou de la colonne à pression intermédiaire etlou de la colonne basse pression d'une triple colonne. 9. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel l'azote contient entre 0.5 et 10% molaires d'oxygène. 10. Installation de séparation d'air comprenant i) un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique ii) une chambre de combustion iii) une turbine de détente iv) des moyens pour envoyer de l'air à l'appareil séparation d'air par distillation cryogénique v) des moyens pour soutirer un gaz enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air par distillation cryogénique vi) des moyens pour envoyer 1e gaz enrichi en azote à la turbine de détente et vii) des moyens pour envoyer le gaz enrichi en azote de 1a turbine de détente à la chambre de combustion caractérisée en ce qu'elle ne comprend ni moyens pour mélanger de l'air au gaz enrichi en azote en aval de la turbine et en amont la chambre de combustion ni moyens pour mélanger du carburant avec le gaz enrichi en azote avant sa détente. 11. Installation selon la revendication 10 comprenant des moyens pour préchauffer le débit gazeux enrichi en azote par échange de chaleur indirect avec les gaz à l'intérieur de la chambre de combustion en amont de la turbine de détente. 12. Installation selon la revendication 11 comprenant des moyens pour préchauffer le débit enrichi en azote par échange indirect dans la chambre de combustion en une étape jusqu'à une température intermédiaire et ensuite en une deuxième etape jusqu'à la température d'entrée de la turbine. 13. Installation selon une des revendications 10 à 12 comprenant un groupe frigorifique dans lequel l'air est refroidi après sa compression, un circuit d'eau pressurisée destinée au groupe frigorifique et des moyens pour chauffer le circuit d'eau pressurisée par les gaz de la chambre de combustion additionnés du débit gazeux enrichi en azote. 14. Installation selon une des revendications 10 à 13 comprenant un moyen d'épuration dans lequel l'air est épuré avant d'être envoyé à l'appareil séparation, le moyen d'épuration étant régénéré par un débit gazeux enrichi azote et moyens pour envoyer au moins une partie du débit ayant servi à la régénération à la turbine de détente. 15. Installation selon une des revendications 10 à 14 comprenant des moyens pour soutirer le débit enrichi en azote d'une simple colonne ou de la colonne moyenne pression et/ou de la colonne basse pression d'une double colonne ou de la colonne haute pression et/ou de la colonne à pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression d'une triple colonne ou d'une colonne de mélange.