Brevet FR2863348A1 — publié le 20050610

La présente invention est relative à un compresseur de gaz et à un appareil de séparation d'un mélange gazeux incorporant un tel compresseur. Dans un compresseur classique à plusieurs étages, le gaz comprimé dans un étage est refroidi dans un réfrigérant inter-étages avant d'être envoyé à l'étage suivant, de sorte que le gaz reste à une température acceptable pour l'étage de compression suivant. Le gaz comprimé dans le dernier étage est également refroidi en aval de cet étage. Les réfrigérants selon l'art antérieur ont les mêmes pertes de charge pour le gaz qu'ils compriment, quelle que soit la pression du gaz comprimé qu'ils refroidissent. Le terme compresseur comprend les soufflantes et les surpresseurs et les compresseurs suivis de surpresseurs formant une seule machine. Les compresseurs concernés peuvent être centrifuges, axiaux, radiaux, alternatifs ou des combinaisons de ces types de compresseurs. Les compresseurs peuvent avoir des entrées et/ou sorties intermédiaires. L'air passe dans le compresseur d'amont en aval. Un étage d'un compresseur est en amont d'un autre étage si l'air passe dans cet étage avant de passer dans l'autre étage. Toutes les pressions sont des pressions absolues. Dans la mesure que les mêmes pertes de charge ne coûtent que peu d'énergie en haute pression par rapport à la moyenne ou basse pression, au lieu d'avoir un compresseur ayant des réfrigérants intermédiaires avec les mêmes pertes de charge à chacun des étages, en utilisant des pertes de charge de gaz plus fortes sur les étages comprimant le gaz à pression plus élevée, il est possible de gagner sur l'investissement du compresseur. Selon un objet de l'invention, il est prévu un compresseur de gaz ayant n étages connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d'un réfrigérant caractérisé en ce qu'au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - le réfrigérant du dernier étage du compresseur a une perte de charge plus élevée que celui du premier; - le compresseur comprend au moins quatre étages dans lequel les derniers étages du compresseur ont une perte de charge plus élevée que les premiers; - au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 30%, voire d'au moins 50% ou même d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée; au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont 10 de celui ayant la perte de charge plus élevée. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de compression d'un gaz dans un compresseur ayant n étages connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d'un réfrigérant caractérisé en ce qu'au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un mélange gazeux comprenant au moins un compresseur tel que défini précédemment et des moyens pour envoyer un gaz provenant de et/ou destiné à l'appareil à ce compresseur. De préférence, il est prévu un appareil de séparation d'air tel que défini précédemment comprenant un appareil de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, des moyens pour envoyer de l'air comprimé à une colonne de l'appareil, des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne de l'appareil, des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec un gaz comprimé, le gaz comprimé ayant été comprimé par au moins un des derniers étages (par le dernier étage) du compresseur et/ou l'air comprimé ayant été comprimé dans le compresseur. Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend des moyens pour 30 vaporiser le liquide par échange de chaleur avec de l'air provenant d'un des derniers étages (du dernier étage) du compresseur. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans un système de colonnes dans lequel on comprime un gaz destiné au système de colonnes ou un gaz provenant du système de colonnes, dans un compresseur tel que défini précédemment, le gaz sortant du dernier étage du compresseur étant à une pression supérieure à 5 bars, de préférence supérieure à 10 bars. Selon un autre aspect facultatif, il est prévu un procédé dans lequel i) on comprime un débit d'air à une première pression ii) on surpresse une partie de l'air à la première pression jusqu'à une deuxième pression supérieure à 10 bars iii) on envoie une partie de l'air à la première pression à la distillation dans une colonne du système de colonnes iv) on soutire un débit liquide d'une colonne du système v) on vaporise le débit liquide par échange de chaleur avec de l'air à la deuxième pression caractérisé en ce que vi) on comprime le débit d'air à la première pression et/ou on surpresse la partie de l'air jusqu'à la deuxième pression dans au moins un compresseur 15 tel que défini précédemment. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures. Les Figures représentent des appareils de séparation très simplifiés incorporant au moins un compresseur selon l'invention. Dans la Figure 1, un débit d'air 3 à la pression atmosphérique est envoyé 20 à un compresseur 1. Le compresseur est constitué des étages Cl, C2, C3, C4 et C5 et de leurs réfrigérants respectifs. Il est: comprimé dans le premier étage C1, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R1, comprimé dans le deuxième étage C2, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R2, comprimé dans le troisième étage C3, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R3, comprimé dans le quatrième étage C4, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R4, comprimé dans le cinquième étage C5 et refroidi par le réfrigérant final R5 pour sortir à une pression d'entre 20 et 40 bars. Les pertes de charge de l'air comprimé pour les réfrigérant intermédiaires R1, R2 et R3 sont substantiellement identiques. Or la perte de charge pour le réfrigérant intermédiaire R4 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle des réfrigérants précédents R1, R2 et R3. La perte de charge pour le réfrigérant final R5 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle du réfrigérant R4. En variante, le réfrigérant R4 peut avoir la même perte de charge que les réfrigérants RI, R2 et R3. Encore en variante, la perte de charge pour le réfrigérant R3 peut être supérieure à celle des réfrigérants RI et R2 d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire 100% et la perte de charge pour le réfrigérant R4 peut être substantiellement égale à celle de R3 ou supérieure à celle-ci d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moinsl00%. L'air refroidi dans le réfrigérant R5 est envoyé à une étape d'épuration 5 et ensuite à un appareil de séparation d'air 7 opérant par distillation 15 cryogénique ou une autre technique, pour produire un produit 9 qui peut être de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon. Dans la Figure 2, un débit d'air 3 à la pression atmosphérique est envoyé à un compresseur 1. Le compresseur est constitué des étages Cl, C2, C3, C4 et C5 et de 20 leurs réfrigérants respectifs. Il est: comprimé dans le premier étage Cl, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R1, comprimé dans le deuxième étage C2, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R2, comprimé dans le troisième étage C3, refroidi par le réfrigérant intermédiaire R3 et ensuite envoyé à une étape d'épuration. Un débit épuré 6 sort de l'étape d'épuration pour être envoyé à l'appareil de séparation d'air 7 ou ailleurs. Le reste de l'air épuré 8 est comprimé dans le quatrième étage C4, refroidi par le réfrigérant 30 intermédiaire R4, comprimé dans le cinquième étage C5 et refroidi par le réfrigérant final R5 pour sortir à une pression d'entre 20 et 40 bars. Ce gaz peut ensuite servir à vaporiser un liquide pompé sous pression dans un échangeur de l'appareil de séparation d'air 7. Les pertes de charge sur l'air pour les réfrigérant intermédiaires R1, R2 et R3 sont substantiellement identiques. Or la perte de charge pour le réfrigérant intermédiaire R4 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire 100% à celle des réfrigérants précédents R1, R2 et R3. La perte de charge pour le réfrigérant final R5 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle du réfrigérant R4. En variante, le réfrigérant R4 peut avoir la même perte de charge que les réfrigérants R1, R2 et R3. Encore en variante, la perte de charge pour le réfrigérant R3 peut être supérieure à celle des réfrigérants RI et R2 d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire 100% et la perte de charge pour le réfrigérant R4 peut être substantiellement égale à celle de R3 ou supérieure à celle-ci d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins100%. Dans cet exemple, les étages Cl, C2 et C3 compriment tout l'air à une pression intermédiaire et seule une partie de l'air est comprimée à la pression maximale dans les étages C4, C5 qui forment un surpresseur. Tous les étages Cl, C2, C3, C4 et C5 sont sur le même axe et forment partie du compresseur 1. L'air 8 refroidi dans le réfrigérant final R5 est envoyé à l'appareil de séparation d'air. Dans la Figure 3, de l'air 3 est comprimé dans une compresseur 1 qui peut être celui décrit dans les Figures 1 ou 2, l'air comprimé est épuré et envoyé à l'appareil de séparation d'air 7. De l'azote gazeux 9 est soutiré de l'appareil 7 et envoyé à un compresseur 11, constitué par trois étages CA1, CA2 et CA3. La pression de l'azote est au-dessus de la pression atmosphérique, de préférence entre 1,5 et 10 bars. L'azote est: comprimé dans le premier étage CA1, refroidi par le réfrigérant intermédiaire RAI, comprimé dans le deuxième étage CA2, refroidi par le réfrigérant 30 intermédiaire RA2, comprimé dans le troisième étage CA3 et refroidi par le réfrigérant final RA3. La perte de charge sur l'azote du réfrigérant final RA3 est supérieure d'au moins 30%, de préférence d'au moins 50%, voire d'au moins 100% à celle du réfrigérant RA2 et du réfrigérant RAI. L'invention s'applique en particulier à la séparation par distillation cryogénique mais peut être utilisée dans des séparations à températures plus élevées. Le mélange gazeux à séparer décrit dans les exemples est de l'air mais peut être par exemple constitué de monoxyde de carbone et/ou d'hydrogène et/ou de méthane et/ou d'azote et/ou de l'hélium comme principaux composants. Le compresseur peut être un compresseur d'air, d'azote, d'oxygène, d'argon, d'un gaz de synthèse, d'hydrogène, de monoxyde de carbone, d'hélium, de méthane ou de tout autre gaz. REVENDICATIONS 1 Compresseur de gaz (1, 11) ayant n étages (Cl, C2, C3, C4, C5, CA1, CA2, CA3) connectés en série où n est égal à au moins 3, chaque étage étant suivi d'un réfrigérant (RI, R2, R3, R4, R5, RAI, RA2, RA3) caractérisé en ce qu'au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes pour le gaz comprimé, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. 2. Compresseur selon la revendication 1 dans lequel le réfrigérant 10 (R5, RA3) du dernier étage du compresseur a une perte de charge plus élevée que celui du premier. 3. Compresseur selon la revendication 2 ayant au moins quatre étages dans lequel les derniers étages du compresseur ont une perte de charge plus élevée que les premiers. 4. Compresseur selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 30%, voire d'au moins 50% ou même d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. 5. Compresseur selon la revendication 4 dans lequel au moins deux réfrigérants ont des pertes de charge différentes d'au moins 100%, le réfrigérant ayant la perte de charge plus basse étant en amont de celui ayant la perte de charge plus élevée. 6. Appareil de séparation d'un mélange gazeux comprenant au moins un compresseur (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 5 et des moyens pour envoyer un gaz (3, 9) provenant de et/ou destiné à l'appareil à ce compresseur. 7. Appareil de séparation d'air selon la revendication 6 comprenant un appareil de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, des moyens pour envoyer de l'air comprimé à une colonne de l'appareil, des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne de l'appareil, des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec un gaz comprimé, le gaz comprimé ayant été comprimé par au moins un des derniers étages (par le dernier étage) (R4, R5) du compresseur et/ou l'air comprimé ayant été comprimé dans le compresseur (1). 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant des moyens pour vaporiser le liquide par échange de chaleur avec de l'air provenant d'un des 5 derniers étages (du dernier étage) (R4, R5) du compresseur. 9. Procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans un système de colonnes dans lequel on comprime un gaz destiné au système de colonnes ou un gaz provenant du système de colonnes, dans un compresseur (1, 11) selon l'une des revendications 1 à 5, le gaz sortant du dernier étage du compresseur (R5) étant à une pression supérieure à 5 bars, de préférence supérieure à 10 bars. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel i) on comprime un débit d'air à une première pression ii) on surpresse une partie de l'air à la première pression jusqu'à une 15 deuxième pression supérieure à 10 bars iii) on envoie une partie de l'air à la première pression à la distillation dans une colonne du système de colonnes iv) on soutire un débit liquide d'une colonne du système v) on vaporise le débit liquide par échange de chaleur avec de l'air à la 20 deuxième pression caractérisé en ce que vi) on comprime le débit d'air à la première pression et/ou on surpresse la partie de l'air jusqu'à la deuxième pression dans au moins un compresseur selon l'une des revendications 1 à 5.