Brevet FR2906605A1 — publié le 20080404

La présente invention est relative à un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. De l'air, venant d'un soutirage intermédiaire d'un échangeur principal d'un appareil de séparation d'air, entre pendant certaines marches à température trop basse dans la turbine. Par conséquent, il y a un risque d'apparition de liquide dans la turbine qui pourrait entraîner la destruction de la roue. Il existe plusieurs solutions au niveau des conditions de marche : o Augmenter la pression de l'air qui entre dans l'échangeur principal pour que le liquide apparaisse plus tard mais ceci n'est pas possible sans augmenter les besoin en énergie. o Diminuer les productions liquides de l'appareil pour diminuer la puissance frigorifique mais il faut pouvoir respecter les productions contractuelles. o Augmenter le débit d'air pour que l'air se refroidisse moins mais ceci n'est pas possible sans augmenter les besoins en énergie. o Diminuer le débit turbiné pour diminuer la puissance frigorifique mais il faut pouvoir respecter les productions contractuelles. Il existe aussi des alternatives au niveau de la conception d'échangeur : o Diminuer la longueur pour moins refroidir l'air mais parfois la longueur est déterminée par une autre marche contractuelle. o Changer le type de l'onde d'échange mais le type d'onde peut déjà être optimisé. o Diminuer le nombre de passages de l'air pour réduire l'échange thermique. Dans ce cas, la perte de charge de l'air augmentera, donc le taux de détente de la turbine diminuera et la puissance frigorifique diminuera. Eventuellement les productions peuvent devenir inférieures aux productions contractuelles. o ... Il existe par ailleurs d'autres solutions : o Court-circuiter la turbine : une partie du débit entrant dans la turbine est détendue à travers une vanne et envoyée directement vers la sortie de la turbine or il y a un risque de perte de puissance frigorifique. o Une fraction de l'azote résiduaire traversant normalement l'intégralité de l'échangeur court-circuite : 2906605 2 - soit la section froide de l'échangeur et est mélangé au résiduaire restant dans une section intermédiaire de l'échangeur. Eventuellement, le fait que moins de frigories traversent le bout froid de l'échangeur risque d'entraîner un croisement de température dans cette section ; 5 - soit la section chaude de l'échangeur et est mélangé au résiduaire restant à la sortie de l'échangeur. Eventuellement, le fait que moins de frigories traversent le bout chaud de l'échangeur risque d'entraîner un croisement de température dans cette section. o De l'air entrant normalement dans l'échangeur principal court-circuite 10 la section chaude de l'échangeur et est envoyé directement vers l'air qui va vers la turbine pour le réchauffer - à débit d'air boite froide constant. Si on augmente le débit court-circuitant la section chaude, le AT au bout chaud diminue et le KS de l'échangeur augmente 15 - à débit d'air dans l'échangeur constant. Si on augmente le débit court-circuitant la section chaude, plus d'air sera envoyé vers la boite froide, donc il sortira plus de fluide frigorigène pour un même débit de fluide calorigène entrant dans l'échangeur. On risque donc de refroidir encore plus la température de l'air en sortie de l'échangeur principal. On obtient ainsi le cercle 20 vicieux : Q bypass T Q frigorigène dans E01 T T air sortie E01 vers turbine .L La solution selon l'invention consiste à réchauffer l'air à l'entrée de la turbine en augmentant le débit d'air traversant l'échangeur principal et allant vers la turbine puis à soutirer une partie de ce débit d'air à l'entrée de la turbine 25 et le recycler en le détendant vers l'entrée d'un surpresseur (lié à une turbine) sur une ligne d'air allant vers l'échangeur principal. On évite ainsi une consommation d'énergie supplémentaire. Selon la présente invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes dans lequel : 30 a) de l'air comprimé est surpressé dans un surpresseur et refroidi dans un échangeur principal ; b) l'air refroidi est divisé en deux, une première fraction est envoyée à une turbine et ensuite à une colonne du système de colonnes et une 2906605 3 deuxième fraction poursuit son refroidissement dans l'échangeur avant d'être envoyé au système de colonnes ; c) au moins occasionnellement de l'air est prélevé en amont de la turbine et envoyé en amont du surpresseur, après une étape de 5 détente dans une vanne. L'air prélevé en amont de la turbine est éventuellement envoyé en amont du surpresseur si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil (de seuils) donné(s). Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de 10 séparation d'air par distillation cryogénique utilisant a) un système de colonnes ; b) un compresseur d'air, un surpresseur, un échangeur principal, une conduite pour envoyer de l'air comprimé du compresseur au surpresseur et une conduite pour envoyé de l'air du surpresseur à 15 l'échangeur principal ; c) une turbine, une conduite pour sortir de l'air refroidi de l'échangeur principal et pour l'envoyer à la turbine, des conduites pour envoyer de l'air provenant de la turbine et du surpresseur sans passer par la turbine à une ou plusieurs colonnes du système de colonnes ; 20 d) une conduite reliant l'amont de la turbine à l'amont du surpresseur à travers une vanne sans passer par l'échangeur principal. Eventuellement l'appareil comprend des moyens pour prélever l'air en amont de la turbine et l'envoyer en amont du surpresseur si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil donné (de 25 seuils donnés). L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. La figure montre une partie d'un appareil de séparation d'air selon l'invention. De l'air 1 déjà comprimé dans un compresseur principal (non-illustré) est surpressé dans un surpresseur 3 pour former un débit 5 à la pression requise 30 pour vaporiser un débit d'oxygène liquide sous pression 21. Le débit 5 se refroidit jusqu'à une température intermédiaire dans l'échangeur principal 7 puis est divisé en deux. Un débit 19 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid et est envoyé à au moins la colonne moyenne pression d'une double colonne de séparation d'air (non-illustrée). Le reste de l'air 9 se détend dans une turbine 2906605 4 15 pour former un débit gazeux 7 qui est envoyé à la colonne moyenne pression. Sous au moins certaines marches, pour éviter la formation de liquide dans la turbine 15, la vanne 17 s'ouvre et un débit 11 d'air en amont de la 5 turbine 15 se détend dans la vanne avant d'être envoyé en amont du surpresseur 3. Un système de régulation déclenche l'envoi d'air pris en amont de la turbine vers le surpresseur si la température d'aspiration ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil Il sera apprécié que la figure ne montre 10 pas les lignes de réchauffage d'azote résiduaire, nécessairement présentes mais n'ayant aucun rapport avec l'invention. Plusieurs débits d'oxygène à des pressions différentes peuvent se vaporiser dans l'échangeur principal ou l'oxygène peut être remplacé par un débit d'azote sous pression ou un débit d'argon sous pression. 15 Cependant la vaporisation d'un liquide provenant de la colonne n'est pas une caractéristique essentielle de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes dans lequel a) de l'air comprimé est surpressé dans un surpresseur (3) et refroidi dans un échangeur principal (7) b) l'air refroidi est divisé en deux, une première fraction (9) est envoyée à une turbine (15) et ensuite à une colonne du système de colonnes et une deuxième fraction (19) poursuit son refroidissement dans l'échangeur avant d'être envoyé au système de colonnes c) au moins occasionnellement de l'air (11) est prélevé en amont de la turbine et envoyé en amont du surpresseur, après une étape de détente dans une vanne (17). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'air prélevé en amont de la turbine (15) est envoyé en amont du surpresseur (3) si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un (de) seuil(s) donné(s). 3. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant a) un système de colonnes b) un compresseur d'air, un surpresseur (3) , un échangeur principal (7) , une conduite (1) pour envoyer de l'air comprimé du compresseur au surpresseur et une conduite (5) pour envoyé de l'air du surpresseur à l'échangeur principal c) une turbine (15) , une conduite (13) pour sortir de l'air refroidi de l'échangeur principal et pour l'envoyer à la turbine, des conduites (17, 19) pour envoyer de l'air provenant de la turbine et du surpresseur sans passer par la turbine à une ou plusieurs colonnes du système de colonnes d) une conduite (11) reliant l'amont de la turbine à l'amont du surpresseur à travers une vanne (17) sans passer par l'échangeur principal. 2906605 6 4. Appareil selon la revendication 3 comprenant des moyens pour prélever l'air en amont de la turbine et l'envoyer en amont du surpresseur si la température d'aspiration et/ou de sortie de la turbine passe en dessous d'un seuil donné (de seuils donnés). 5