Brevet FR2860576A1 — publié le 20050408

La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique. Depuis très longtemps, comme décrit dans Tieftemperaturtechnik de Hausen Linde, pp.457-461, les unités de séparation des gaz de l'air utilisent des turbines à paliers lubrifiés, ces paliers étant axiaux ou radiaux. Pour produire du froid, les turbines détendent de l'air ou de l'azote avec production de travail extérieur, la détente étant de type isentropique aux irréversibilités près. Néanmoins, les turbines à paliers lubrifiés, par exemple avec de l'huile, io ont deux inconvénients majeurs: Premièrement, il y a un risque de pollution du gaz procédé par de l'huile en cas de défaillance du système d'étanchéité le long de l'arbre. Une telle pollution engendre la migration d'huile dans les différents équipements de l'appareil (échangeurs, tuyauteries, colonnes à distiller, vaporiseur), l'huile pouvant avoir tendance à se concentrer au niveau du vaporiseur principal en présence d'oxygène relativement pur. Cela pourrait être la cause d'une explosion majeure dans un appareil de séparation des gaz de l'air. Deuxièmement, il est pour ainsi dire obligatoire pour des raisons économiques d'installer la turbine près du sol pour minimiser les distances vis- à-vis de la bâche à huile; cette contrainte n'est pas spécifique aux usines de séparation des gaz de l'air mais peut aussi s'appliquer à des liquéfacteurs de gaz (H2, He, CH4, ...) ou à d'autres unités de séparation des gaz (H2/CO, ...). L'objet de l'invention est de s'affranchir des paliers lubrifiés pour les turbines de détente des unités de séparation de mélange gazeux par distillation cryogénique en proposant différentes solutions alternatives: - détente du mélange gazeux à séparer dans une turbine à paliers gaz (statiques ou dynamiques) ; - détente du mélange gazeux à séparer dans une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques), ces roulements pouvant avoir à être graissés périodiquement mais n'étant pas huilés; - détente du mélange gazeux à séparer dans une turbine à paliers magnétiques. 2 2860576 Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation de gaz par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, des moyens pour envoyer un gaz à séparer à une colonne du système de colonnes, des moyens pour soutirer au moins un produit du système de colonnes, des moyens pour envoyer un gaz de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, dans une turbine à paliers et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz détendu dans la turbine à une colonne du système de colonnes dans le cas où le gaz détendu constitue au moins une partie du mélange gazeux à séparer caractérisé en ce que les io paliers de la turbine sont des paliers gaz ou des paliers à roulements ou des paliers magnétiques. Optionnellement: - La turbine a des paliers non huilés. - La turbine a des paliers non lubrifiés. - Le gaz à séparer contient comme composants principaux de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'hydrogène et/ou du méthane et/ou du monoxyde de carbone. - Le gaz détendu est de l'air, de l'azote ou de l'hydrogène. - La turbine est installée au moins 1 mètre au-dessus du sol, au moins 2 mètres au-dessus du sol ou même au moins 5 mètres au-dessus du sol. - La turbine est freinée par un surpresseur frein, éventuellement de type centrifuge, placé sur le même arbre que la turbine, tous les paliers de cet arbre commun étant non lubrifiés. - Tous les paliers de l'arbre commun sont de type gaz. - Tous les paliers de l'arbre commun sont de type à roulements. - La turbine est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non lubrifiés. - Les paliers de la génératrice frein sont de type magnétique. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel un mélange gazeux à séparer est envoyé à une colonne d'un système de colonnes, au moins un produit est soutiré du système de colonnes, au moins une partie d'un gaz de l'appareil, éventuellement au moins une partie du 3 2860576 mélange gazeux à séparer, est envoyé dans une turbine à paliers caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers gaz ou des paliers à roulements ou des paliers magnétiques. De préférence la turbine est freinée par une génératrice frein dont les 5 paliers sont non lubrifiés et la génératrice frein est entraînée à la même vitesse que la turbine. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures, qui montrent des appareils de séparation d'air selon l'invention. La figure 1 montre un appareil de séparation d'air par distillation io cryogénique. - Un débit d'air 1 est comprimé à la moyenne pression dans un compresseur 3 et est ensuite épuré dans une unité d'épuration 5 pouvant être de tout type connu. L'air est ensuite divisé en deux fractions 21, 23. La fraction 21 se refroidit en traversant la ligne d'échange 7 et est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 13 sous forme gazeuse. - Le reste de l'air 23 est surpressé dans un surpresseur 9, refroidi dans un refroidisseur 19 et envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit partiellement avant d'être envoyé à la turbine d'insufflation 11. Cette turbine peut être une turbine à paliers gaz (statiques ou dynamiques), une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques) ou une turbine à paliers magnétiques. - La turbine 11 est montée à au moins 1 mètre du sol, de préférence à au moins 2 mètres du sol ou même à au moins 5 mètres du sol. - La turbine 11 se trouve sur le même arbre que le surpresseur 9. Le surpresseur 9 est de préférence de type centrifuge, ayant des paliers nonlubrifiés. De préférence tous les paliers de l'arbre sont des paliers gaz, des paliers à roulements ou des paliers magnétiques. - Alternativement le surpresseur peut être remplacé par une génératrice, également à paliers non-lubrifiés. - L'air détendu dans la turbine 11 est envoyé dans une colonne basse pression à minaret 15. - Des débits de liquide riche 25, de liquide pauvre inférieur 27 et de liquide pauvre supérieur 29 sont envoyés de la colonne moyenne pression 13 à 4 2860576 la colonne basse pression 15. Un débit de purge est soutiré du vaporiseurcondenseur 17 reliant les deux colonnes. - De l'azote pur 31 est soutiré en tête du minaret, de l'azote résiduaire 33 d'en dessous du minaret et de l'oxygène gazeux 35 de la cuve de la colonne basse pression. Ces trois débits de réchauffent dans la ligne d'échange 7. Une partie de l'azote résiduaire sert à la régénération suite à une étape de réchauffage. La figure 2 montre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique avec un cycle d'air. - Un débit d'air 1 est comprimé à la moyenne pression dans un compresseur 3 et est ensuite épuré dans une unité d'épuration 5 pouvant être de tout type connu. L'air est surpressé dans un surpresseur 9, refroidi dans un refroidisseur (non-illustré) et envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit partiellement avant d'être envoyé en partie à une turbine Claude 11. Cette turbine peut être une turbine à paliers gaz (statiques ou dynamiques), une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques) ou une turbine à paliers magnétiques. - La turbine 11 est montée à au moins 1 mètre du sol, de préférence à au moins 2 mètres du sol ou même à au moins 5 mètres du sol. - La turbine 11 peut être est couplée au surpresseur 9. - L'air détendu dans la turbine 11 est envoyé en partie à la colonne moyenne pression 13 et en partie recyclé (débit 43) vers le surpresseur 9. Dans la variante sans cycle tout l'air détendu dans la turbine 11 est envoyé à la colonne moyenne pression. - Des débits de liquide riche 25, de liquide pauvre inférieur 27 et de liquide pauvre supérieur 29 sont envoyés de la colonne moyenne pression 13 à la colonne basse pression 15. Un débit de purge est soutiré du vaporiseurcondenseur 17 reliant les deux colonnes. - De l'azote pur 31 est soutiré en tête du minaret, de l'azote résiduaire 33 d'en dessous du minaret et de l'oxygène gazeux 35 de la cuve de la colonne basse pression. Ces trois débits de réchauffent dans la ligne d'échange 7. Une partie de l'azote résiduaire sert à la régénération suite à une étape de réchauffage. 2860576 - L'appareil produit de l'azote liquide 39 en tête de la colonne moyenne pression et de l'oxygène liquide 41 en cuve de la colonne basse pression. La figure 3 montre un appareil de séparation d'air par distillation 5 cryogénique. - Un débit d'air 1 est comprimé à la moyenne pression dans un compresseur 3 et est ensuite épuré dans une unité d'épuration 5 pouvant être de tout type connu. L'air se refroidit en traversant la ligne d'échange 7 et est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 13 sous forme gazeuse. lo - Des débits de liquide riche 25, de liquide pauvre inférieur 27 et de liquide pauvre supérieur 29 sont envoyés de la colonne moyenne pression 13 à la colonne basse pression 15. Un débit de purge est soutiré du vaporiseurcondenseur 17 reliant les deux colonnes. - De l'azote pur 31 est soutiré en tête du minaret, de l'azote résiduaire 33 d'en dessous du minaret et de l'oxygène gazeux 35 de la cuve de la colonne basse pression. Ces trois débits de réchauffent dans la ligne d'échange 7. Une partie de l'azote résiduaire sert à la régénération suite à une étape de réchauffage. - De l'azote moyenne pression 45 se réchauffe partiellement dans la ligne d'échange avant d'être détendu dans la turbine 11. Cette turbine peut être une turbine à paliers gaz (statiques ou dynamiques), une turbine sur roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques) ou une turbine à paliers magnétiques. La turbine 11 est montée à au moins 1 mètre du sol, de préférence à au moins 2 mètres du sol ou même à au moins 5 mètres du sol. L'azote détendu est mélangé avec l'azote résiduaire 33. - Alternativement si la colonne basse pression 15 opère sous une pression suffisamment élevée, il est possible de détendre un débit d'azote basse pression dans la turbine. II sera aisément compris que les appareils concernés peuvent comprendre toute combinaison possible de turbines Claude, turbines d'insufflation et turbines d'azote, à condition qu'au moins une de ces turbines soit une turbine à paliers gaz (statiques ou dynamiques), une turbine sur 6 2860576 roulements (à billes ou rouleaux en acier ou en céramiques) ou une turbine à paliers magnétiques. L'invention n'est évidemment pas limitée aux procédés utilisant une colonne à minaret. Elle s'applique à tout type de procédé de séparation d'air 5 utilisant une turbine de détente, y compris les procédés dits à pompe. 7 2860576 REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation de gaz par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes (13, 15), des moyens pour envoyer un gaz à séparer (11) à une colonne du système de colonnes, des moyens pour soutirer au moins un produit (33, 35, 39, 41) du système de colonnes, des moyens pour envoyer un gaz (23, 45) de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, dans une turbine à paliers (11) et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz détendu dans la turbine à io une colonne du système de colonnes (13, 15) dans le cas où le gaz détendu constitue au moins une partie du mélange gazeux à séparer caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers gaz ou des paliers à roulements ou des paliers magnétiques. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la turbine (11) a des paliers non huilés. 3. Appareil selon la revendication 2 dans lequel la turbine (11) a des paliers non lubrifiés. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz à séparer (1) contient comme composants principaux de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'hydrogène et/ou du méthane et/ou du monoxyde de carbone. 5. Appareil selon la revendication 4 dans lequel le gaz détendu (23) est de l'air, de l'azote ou de l'hydrogène. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel la turbine (11) est installée au moins 1 mètre au-dessus du sol, de préférence au moins 2 mètres au-dessus du sol ou même au moins 5 mètres au-dessus du sol. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel la turbine (11) est freinée par un surpresseur frein (9), éventuellement de type centrifuge, placé sur le même arbre que la turbine, tous les paliers de cet arbre commun étant non lubrifiés. 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel tous les paliers de l'arbre commun sont de type gaz. 8 2860576 9. Appareil selon la revendication 7 dans lequel tous les paliers de l'arbre commun sont de type à roulements. 10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6 selon 1 dans lequel la turbine est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non 5 lubrifiés. 11. Appareil selon la revendication 10 dans lequel les paliers de la génératrice frein sont de type magnétique. 12. Procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel un mélange gazeux à séparer (1) est envoyé à une lo colonne (13) d'un système de colonnes (13;15), au moins un produit est soutiré du système de colonnes, au moins une partie d'un gaz (23, 45) de l'appareil, éventuellement au moins une partie du mélange gazeux à séparer, est envoyé dans une turbine à paliers (11) caractérisé en ce que les paliers de la turbine sont des paliers gaz ou des paliers à roulements ou des paliers magnétiques. 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel la turbine (11) est freinée par une génératrice frein dont les paliers sont non lubrifiés et la génératrice frein est entraînée à la même vitesse que la turbine.