Brevet FR2848650A1 — publié le 20040618

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de détente d'un fluide cryogénique. Les procédés cryogéniques de purification ou de liquéfaction des gaz mettent en oeuvre la détente de liquides ou de fluides supercritiques dispo5 nibles sous haute pression. Cette détente peut générer un fluide composé d'une phase liquide et d'une phase vapeur et peut s'opérer au travers d'une vanne ou d'une turbine hydraulique. Elle s'accompagne d'une production de vapeur (gaz de " flash ") plus ou moins important suivant le refroidissement du fluide disponible sous haute pression. Par 'haute pression' il est entendu une pression au-delà dé 30 bars abs. La vapeur générée au niveau du clapet/siège de la vanne transmet des vibrations à l'ensemble clapet/guide/tige qui est l'élément mobile de la vanne. Ces vibrations endommagent les garnitures d'étanchéité installées le 15 long de la tige de la vanne provoquant une fuite de liquide cryogénique dommageable pour l'environnement. Bien sr, ce phénomène est amplifié par la taille des appareils et/ou le pourcentage de vapeur. Les tiges longues utilisées pour les vannes des appareils cryogéniques sont particulièrement susceptibles à être endommagés. WO-A-9528610 décrit un appareil de séparation d'air dans lequel de l'air est détendu dans une première turbine pour former un débit diphasique et la partie gazeuse uniquement du débit diphasique est détendue dans une turbine. US-A-5106398 décrit la détente d'un débit d'azote liquide par deux 25 étapes de détente successives, dont chacun produit un débit diphasique. Seul le liquide produit par détente dans une première vanne est envoyé à la deuxième vanne. Un but de la présente invention est de permettre la détente d'un fluide cryogénique gazeux pour produire un fluide diphasique sans endommager 30 les dispositifs de détente. Selon un aspect de l'invention, il est prévu un procédé de détente d'un fluide cryogénique dans lequel un fluide sous haute pression P est détendu dans un premier dispositif de détente jusqu'à une première pression Pl en formant un premier débit essentiellement liquide contenant au plus 1 % mol. de gaz et le premier débit essentiellement liquide est ensuite détendu de la première pression PI jusqu'à une deuxième pression P2 dans un deuxième dispositif de détente pour former un deuxième débit qui est diphasique, contenant au moins 1% mol. de gaz. De préférence le deuxième débit contient au moins 5 % mol de gaz ou même au moins 10% mol. de gaz. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, il est prévu que: - le premier dispositif est une turbine ou une vanne et le deuxième 10 dispositif est une vanne ou un dispositif ayant au moins un orifice fixe. - le fluide sous haute pression P est sous pression supercritique ou est sous forme liquide. - il n'y a aucune étape de séparation des phases du fluide détendu dans le premier dispositif en amont du deuxième dispositif. - il n'y a aucune étape de refroidissement ni de réchauffage du fluide détendu dans le premier dispositif en amont du deuxième dispositif. - le fluide cryogénique a pour composant principal de l'air, de l'oxygène, de l'azote, de l'argon, du krypton, du xénon, du monoxyde de carbone, d'hydrogène ou du méthane. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une installation de détente d'un fluide cryogénique comprenant: i) un premier dispositif de détente dont l'entrée est connectée à une conduite adaptée pour contenir un fluide cryogénique sous haute pression et dont la sortie est connectée à une conduite adaptée pour contenir un 25 premier débit essentiellement liquide contenant au plus 1% mol. de gaz;et, ii) un deuxième dispositif de détente dont l'entrée est reliée directement à la sortie du premier dispositif. De préférence: - il n'y a pas de séparateur de phases relié entre les premier et 30 deuxième dispositifs. - il n'y a pas de moyen ni de réchauffage ni de refroidissement entre les premier et deuxième dispositifs. - il n'y a pas de moyen ni de pressurisation ni de détente entre les premier et deuxième dispositifs - le premier dispositif est une turbine ou une vanne et le deuxième dispositif est une vanne ou un dispositif ayant au moins un orifice fixe. De cette manière, la sortie du premier dispositif est directement reliée à l'entrée du deuxième dispositif. Une température cryogénique est une température inférieure à 600C. L'invention sera maintenant décrite en plus de détail en se référant à 10 la Figure qui est un dessin schématique des éléments de l'installation selon l'invention. Un fluide cryogénique 3 à une pression P de 30 bars abs. pouvant avoir pour composant principal de l'air, de l'oxygène, de l'azote, de l'argon, du krypton, du xénon, du monoxyde de carbone, d'hydrogène ou du mé15 thane est détendu jusqu'à une pression PI dans un premier dispositif A pouvant être une turbine ou une vanne. Le débit détendu 5 contient au plus 1% de gaz et de préférence est entièrement liquide. Le liquide détendu 5 est envoyé dans un deuxième dispositif de détente B o il est détendu jusqu'à une pression finale P2. Le deuxième dispositif B peut être une vanne ou un 20 dispositif ayant au moins un orifice fixe. A la sortie du deuxième dispositif B, on retrouve un débit diphasique 7 contenant un pourcentage de gaz supérieur à 1 % (selon la pression finale) qui est ensuite envoyé dans un séparateur de phases C ou dans un autre équipement, par exemple une colonne de distillation. La partie liquide 9 et la partie gazeuse 11 peuvent être préle25 vées dans le séparateur de phases C. L'invention s'applique en particulier à la séparation de l'air dans lequel une partie de l'air est comprimée à une haute pression, refroidi dans la ligne d'échange et liquéfié puis détendu dans une vanne pour produire un fluide biphasique. Le liquide ou fluide supercritique 3 envoyé au premier dispositif A peut provenir d'une pompe ou d'une ligne d'échange de chaleur d'un appareil de séparation d'air. Par exemple, le débit 3 peut être un débit d'air à pression supercritique qui a servi à vaporiser un débit de liquide pompé dans la ligne d'échange principale d'un appareil de séparation d'air. Après détente dans les deux dispositifs A, B, le fluide biphasique formé par la double détente de 5 l'air peut être envoyé à un appareil de séparation d'air, avec éventuellement une étape de séparation des phases en aval du deuxième dispositif. Dans un cas particulier, le premier dispositif A est une vanne et le deuxième dispositif est un dispositif à orifice fixe soudé à la vanne. REVENDICATIONS 1. Procédé de détente d'un fluide cryogénique dans lequel un fluide (3) sous haute pression P est détendu dans un premier dispositif de détente (A) jusqu'à une première pression Pl en formant un premier débit essentiellement liquide (5) contenant au plus 1 % mol. de gaz et le premier débit essentiellement liquide est ensuite détendu de la première pression PI jusqu'à une deuxième pression P2 dans un deuxième dispositif de détente (B) pour former un deuxième débit (7) qui est diphasique, contenant au moins 1% 10 mol. de gaz. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier dispositif (A) est une turbine ou une vanne et le deuxième dispositif (B) est une vanne ou un dispositif ayant au moins un orifice fixe. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel le fluide (3) 15 sous haute pression P est sous pression supercritique ou est sous forme liquide. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel il n'y a aucune étape de séparation des phases du fluide détendu dans le premier dispositif (A) en amont du deuxième dispositif (B). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel il n'y a aucune étape de refroidissement ni de réchauffage du fluide détendu dans le premier dispositif (A) en amont du deuxième dispositif (B). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide cryogénique (3) a pour composant principal de l'air, de l'oxygène, de 25 l'azote, de l'argon, du krypton, du xénon, du monoxyde de carbone, d'hydrogène ou du méthane. 7. Installation de détente d'un fluide cryogénique comprenant: i) un premier dispositif de détente (A) dont l'entrée est connectée à une conduite adaptée pour contenir un fluide cryogénique sous haute pres30 sion et dont la sortie est connectée à une conduite adaptée pour contenir un premier débit essentiellement liquide contenant au plus 1 % mol. de gaz; et, ii) un deuxième dispositif (B) de détente dont l'entrée est reliée directement à la sortie du premier dispositif. 8. Installation selon la revendication 7 dans laquelle il n'y a pas de séparateur de phases relié entre les premier et deuxième dispositifs (A, B). 9. Installation selon la revendication 7 ou 8 dans laquelle il n'y a pas de moyen ni de réchauffage ni de refroidissement entre les premier et dl0 10. Installation selon l'une des revendications 7,8 ou 9 dans laquelle le premier dispositif (A) est une turbine ou une vanne et le deuxième dispositif (B) est une vanne ou un dispositif ayant au moins un orifice fixe. 11. Appareil de séparation d'un mélange gazeux, en particulier de l'air, par distillation cryogénique comprenant des moyens pour envoyer un liquide 10 cryogénique ou un fluide supercritique cryogénique à une installation de détente selon l'une des revendications 7 à 10.