Brevet FR2846077A1 — publié le 20040423

La présente invention est relative à l'appareil d'échange de chaleur en amont d'une installation de séparation par distillation cryogénique, une installation de séparation par distillation cryogénique incorporant un tel appareil et un procédé de refroidissement du mélange gazeux destiné à être séparé dans une installation de 5 séparation par distillation cryogénique. En particulier, elle concerne les appareils d'échange utilisant au moins deux corps d'échangeur. L'invention s'applique particulièrement à la séparation de l'air et à la séparation des mélanges composés principalement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de méthane. Un but de la présente invention est d'optimiser les diagrammes d'échange pour un appareil d'échange de chaleur à au moins deux corps et de diminuer la consommation d'énergie d'un appareil de séparation utilisant un tel appareil d'échange de chaleur pour refroidir le gaz destiné à y être séparé. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil d'échange de chaleur en 15 amont d'une installation de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique comprenant au moins deux corps d'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un premier débit du mélange gazeux à un premier des au moins deux corps à une pression P, des moyens pour envoyer un deuxième débit du mélange gazeux à un deuxième des au moins deux corps à une pression P, des moyens pour 20 envoyer les premier et deuxième débits de mélange gazeux refroidis à l'installation de séparation, des moyens pour soutirer au moins deux fluides de l'installation de séparation et des moyens pour envoyer au moins un de ces fluides au premier corps et au moins un de ces fluides au deuxième corps caractérisé en ce qu'il y a des moyens pour sortir le premier débit à un niveau intermédiaire du premier corps et des 25 moyens pour mélanger ce débit avec le deuxième débit qui s'est refroidi dans le deuxième corps. Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend - des moyens pour introduire ledit premier débit de mélange gazeux, soutiré du premier corps, à un niveau intermédiaire du deuxième corps et des moyens pour 30 sortir le débit du mélange gazeux du deuxième corps. - une turbine de détente et des moyens pour y envoyer le deuxième débit soutiré à un niveau intermédiaire du deuxième corps, la différence de température entre le niveau intermédiaire de soutirage du deuxième corps du débit destiné à la turbine et le niveau intermédiaire du premier corps du premier débit soutiré étant au plus 10K, de préférence au plus 5K. - des moyens pour envoyer au moins un débit de mélange gazeux à pression différente de P au premier corps et des moyens pour envoyer au moins un débit de mélange gazeux à pression différente de P au deuxième corps. De préférence, (seul) le premier corps est conçu pour pouvoir supporter de fortes pressions et l'appareil comprend des moyens pour y envoyer au moins un liquide pressurisé à vaporiser. L'appareil peut comprendre des moyens pour soutirer le premier et/ou le 10 deuxième débit à un niveau intermédiaire du premier ou deuxième corps respectivement, des moyens pour envoyer ce(s) débit(s) vers une turbine et des moyens pour envoyer le mélange détendu vers une colonne de l'installation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'un mélange gazeux comprenant un appareil selon l'une des revendications 1 à 6, 15 un système de colonnes de distillation, des moyens pour envoyer un débit du mélange gazeux refroidi dans au moins un corps de l'appareil à une colonne du système et des moyens pour envoyer au moins un fluide provenant d'une colonne du système à au moins deux des corps. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de refroidissement 20 d'un mélange gazeux destiné à être séparé dans une installation de séparation par distillation cryogénique dans un appareil d'échange comprenant au moins deux corps dans lequel un débit du mélange gazeux à séparer est envoyé à chacun des au moins deux corps à une même pression, un débit du mélange gazeux est soutiré à un niveau intermédiaire d'un premier corps et mélangé avec le débit à la même 25 pression qui s'est refroidi dans le deuxième corps. Selon d'autres aspects facultatifs: - le débit soutiré à un niveau intermédiaire du premier corps est envoyé à un niveau intermédiaire d'un deuxième corps o il poursuit son refroidissement. - le débit soutiré à un niveau intermédiaire du premier corps est mélangé avec 30 un débit soutiré à un niveau intermédiaire du deuxième corps. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui sont des schémas d'appareils d'échange selon l'invention. Dans l'installation de la Figure 1, un appareil d'échange comprend un premier corps 1 et un deuxième corps 2. Un débit d'air 3 à la moyenne pression est divisé en deux. Une partie de l'air 5 est envoyée à un surpresseur 13, est ensuite partiellement refroidie dans le deuxième corps 2, soutirée à un niveau intermédiaire de celui-ci et envoyée à une turbine d'insufflationl5. L'air détendu 17 est ensuite envoyé à la colonne basse pression d'une double colonne. Le reste 7 de l'air 3 est divisé en 5 deux. Une partie 9 se refroidit en traversant le deuxième corps 2 jusqu'au bout froid. Le reste de l'air 11 est envoyé au premier corps 1 o il se refroidit jusqu'à un niveau intermédiaire et est envoyé ensuite à un niveau intermédiaire du deuxième corps 2. L'arrivée de l'air 11 se trouve à au plus 20K, ou au plus 10K, de préférence au plus K de la température d'aspiration de la turbine 15. La température de l'aspiration de la turbine peut être plus élevée ou plus faible que la température d'entrée du débit i1. L'air 11 poursuit son refroidissement dans le corps 2, se rejoint au débit 9 au bout froid de ce corps et est envoyé à la colonne moyenne pression de l'appareil de séparation d'air. Un autre débit d'air 19 à pression élevée se refroidit dans le premier corps et est détendu en aval du bout froid dans une vanne. Des débits d'azote liquide NL et l'oxygène liquide OL provenant de l'appareil de séparation d'air, de préférence pompés à des pressions élevées, se vaporisent dans le premier corps 1. Un débit d'azote gazeux basse pression NG provenant de 20 l'appareil de séparation d'air s'y réchauffe. Dans le deuxième corps, un débit d'oxygène gazeux basse pression OG, une autre partie de l'azote gazeux basse pression NG et un débit résiduaire basse pression R provenant tous de l'appareil de séparation d'air se réchauffent. Il sera compris que tous les débits dans le premier corps 1, à part le débit d'air 25 11 et le débit NG, sont à pression élevée alors que tous les débits dans le deuxième corps sont à au plus la moyenne pression. Dans la Figure 2, l'installation comprend également un appareil d'échange à deux corps 1,2. Un débit d'air 3 à une pression supérieure à la moyenne pression est divisé en 30 deux. Une partie de l'air 5 est surpressée dans un surpresseur 13. Une partie de l'air surpressée est envoyée au premier corps 1 o elle se refroidit partiellement avant d'être détendue dans une turbine Claude 15. Le reste de l'air surpressé 107 est envoyé au bout chaud du deuxième corps 2 o il se refroidit partiellement avant d'être envoyé à la turbine Claude 15. L'air détendu 17 est envoyé à la colonne moyenne pression d'un appareil de séparation d'air. Un débit d'air 109 formant partie du débit 3 se refroidit en traversant le premier corps, de même qu'un autre débit d'air haute pression 111. Les deux débits sont liquéfiés et envoyés à la séparation. Deux débits d'oxygène liquide à deux pressions élevées OL MP et OL HP se vaporisent dans le premier corps 1. Dans le deuxième corps, un débit d'air 113 à la moyenne pression se refroidit et est envoyé à la colonne moyenne pression. Les débits NG et NG MP d'azote 10 gazeux provenant respectivement des colonnes basse pression et moyenne pression se réchauffent dans le deuxième corps 2. Les corps 1 et 2 des deux Figures peuvent évidemment être composés de plusieurs éléments identiques d'échange thermique. Par exemple le corps 1 de la Figure 1 peut être composé d'une pluralité d'éléments identiques, chacun ayant une 15 entrée d'air moyenne pression, une entrée d'air haute pression, une entrée d'azote gazeux basse pression, une entrée d'oxygène liquide et une entrée d'azote liquide et des sorties respectives. REVENDICATIONS 1. Appareil d'échange de chaleur en amont d'une installation de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique comprenant au moins 5 deux corps d'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un premier débit (11, 211) du mélange gazeux à un premier des au moins deux corps (1) à une pression P, des moyens pour envoyer un deuxième débit (5, 107) du mélange gazeux à un deuxième (2) des au moins deux corps à une pression P, des moyens pour envoyer les premier et deuxième débits de mélange gazeux refroidis à l'installation de 10 séparation, des moyens pour soutirer au moins deux fluides de l'installation de séparation et des moyens pour envoyer au moins un de ces fluides au premier corps et au moins un de ces fluides au deuxième corps caractérisé en ce qu'il y a des moyens pour sortir le premier débit à un niveau intermédiaire du premier corps et des moyens pour mélanger ce débit avec le deuxième débit qui s'est refroidi dans le 15 deuxième corps. 2. Appareil selon la revendication 1 comprenant des moyens pour introduire ledit premier débit (11, 211) de mélange gazeux, soutiré du premier corps (1), à un niveau intermédiaire du deuxième corps (2) et des moyens pour sortir le débit du mélange gazeux du deuxième corps. 3. Appareil selon la revendication 1 comprenant une turbine de détente (15) et des moyens pour y envoyer le deuxième débit (107) soutiré à un niveau intermédiaire du deuxième corps, la différence de température entre le niveau intermédiaire de soutirage du deuxième corps du débit destiné à la turbine et le niveau intermédiaire du premier corps du premier débit soutiré étant au plus 10K, de 25 préférence au plus 5K. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour envoyer au moins un débit (19, 111) de mélange gazeux à pression différente de P au premier corps (1) et des moyens pour envoyer au moins un débit (9, 113) de mélange gazeux à pression différente de P au deuxième corps (2). 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier corps (1) est conçu pour pouvoir supporter de fortes pressions et comprenant des moyens pour y envoyer au moins un liquide pressurisé à vaporiser. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour soutirer le premier et/ou le deuxième débit (107, 211) à un niveau intermédiaire du premier ou deuxième corps respectivement (1, 2), des moyens pour envoyer ce(s) débit(s) vers une turbine (15) et des moyens (17) pour envoyer le mélange détendu vers une colonne de l'installation. 7. Installation de séparation d'un mélange gazeux comprenant un 5 appareil selon l'une des revendications 1 à 6, un système de colonnes de distillation, des moyens pour envoyer un débit du mélange gazeux refroidi dans au moins un corps de l'appareil à une colonne du système et des moyens pour envoyer au moins un fluide provenant d'une colonne du système à au moins deux des corps. 8. Procédé de refroidissement d'un mélange gazeux destiné à être 10 séparé dans une installation de séparation par distillation cryogénique dans un appareil d'échange comprenant au moins deux corps (1, 2) dans lequel un débit du mélange gazeux (9, 11, 107, 211) à séparer est envoyé à chacun des au moins deux corps à une même pression, un débit du mélange gazeux (11, 211) est soutiré à un niveau intermédiaire d'un premier corps et mélangé avec le débit à la même pression 15 qui s'est refroidi dans le deuxième corps. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le débit soutiré (11) à un niveau intermédiaire du premier corps (1) est envoyé à un niveau intermédiaire d'un deuxième corps (2) o il poursuit son refroidissement. 10. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le débit (211) soutiré à 20 un niveau intermédiaire du premier corps (1) est mélangé avec un débit (107) soutiré à un niveau intermédiaire du deuxième corps (2).