Brevet FR2927407A1 — publié le 20090814

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation de gaz de l'air, et en particulier à un procédé et un appareil de séparation de gaz de l'air incorporant une étape de compression d'air dans un compresseur thermocinétique. La séparation des gaz de l'air, notamment par voie cryogénique, nécessite de comprimer l'air en amont de la séparation. L'énergie de compression, qui représente la majeure partie de l'énergie de séparation, se retrouve intégralement dans l'eau de refroidissement où elle n'est pas valorisée. io Par ailleurs, on dispose parfois de sources de chaleur externes qui ne sont pas valorisées. La Figure 1 illustré un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique selon l'art antérieur, mais l'invention s'applique aussi à d'autres types de séparation qui nécessitent un air sous pression avant séparation. 15 L'air 1 est comprimé de façon classiquement isotherme dans un compresseur 3 pour produire de l'air comprimé 5. L'air comprimé est refroidi dans un refroidisseur 7 pour produire un débit refroidi 9 qui est ensuite épuré de son eau et de son CO2 dans une unité d'épuration 11 avant envoi vers la boite froide 13 pour distillation cryogénique. 20 L'eau condensée dans les inter-étages du compresseur 3 en sortie de réfrigérants, ainsi que dans l'étape de refroidissement dans le refroidisseur 7 est en général jetée ou renvoyée dans le circuit général de refroidissement des machines. L'étape de refroidissement par le refroidisseur 7 est assurée en général 25 par une tour air-eau (refroidissement direct) ou par un réfrigérant final (refroidissement indirect). La chaleur de compression, transférée à l'eau de refroidissement, n'est pas valorisée. On propose une solution qui permet de valoriser la chaleur issue de la 30 compression, ainsi que celle issue de sources de chaleur, le cas échéant. Un compresseur thermocinétique comprime un gaz en l'accélérant jusqu'à une vitesse élevée, de préférence supérieure à la vitesse du son 2 2927407 (classiquement 330 m/s pour l'air), en le refroidissant, par exemple par contact direct avec des gouttelettes d'eau, et en le ralentissant. Le refroidissement peut avoir lieu avant, pendant ou après l'accélération. 5 L'accélération peut être produite en forçant le gaz à passer dans un col, par exemple un col de Laval. De même pour décélérer le gaz, il est passe dans un deuxième col, par exemple un col de Laval. Un exemple d'un compresseur thermocinétique est décrit dans la demande de brevet FR-A-2805008 .Le principe repose sur le refroidissement io d'un gaz par vaporisation d'eau en fines gouttelettes, puis de sa compression, le tout en utilisant un arrangement de tuyères convergentes et divergentes, selon la Figure 2. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant un premier compresseur, un deuxième compresseur et une unité 15 de séparation, des moyens pour envoyer de l'air au premier compresseur pour former de l'air comprimé, des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air comprimé du premier compresseur au deuxième compresseur pour former de l'air surpressé, des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air surpressé à l'unité de séparation et des moyens pour soutirer au moins un 20 fluide de l'unité de séparation en tant que produit caractérisé en ce que le deuxième compresseur est un compresseur thermocinétique. Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend : • des moyens de refroidissement de l'air surpressé en aval du deuxième compresseur ; 25 • un premier compresseur qui est un compresseur isotherme ; • des moyens pour envoyer de l'eau condensée du premier compresseur au deuxième compresseur ; • un premier compresseur qui est un compresseur adiabatique ; • des moyens pour chauffer l'air comprimé en aval du premier 30 compresseur et en amont du deuxième compresseur ; • des moyens pour envoyer de l'eau condensée des moyens de refroidissement au deuxième compresseur. 3 2927407 Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans lequel de l'air est comprimé dans un premier compresseur pour former de l'air comprimé, de l'air comprimé est surpressé dans un deuxième compresseur pour former de l'air surpressé, de l'air 5 surpressé est envoyé à une unité de séparation et au moins un fluide est soutiré de l'unité de séparation caractérisé en ce que le deuxième compresseur est un compresseur thermocinétique. Selon d'autres aspects facultatifs : • on refroidit de l'air surpressé en aval du deuxième compresseur io dans des moyens de refroidissement ; • le premier compresseur est un compresseur isotherme ; • on envoie de l'eau condensée du premier compresseur au deuxième compresseur ; • le premier compresseur est un compresseur adiabatique ; 15 • on chauffe l'air comprimé en aval du premier compresseur et en amont du deuxième compresseur ; • l'air entre dans le deuxième compresseur à une température d'au moins 250°C ; • on envoie de l'eau condensée des moyens de refroidissement au 20 deuxième compresseur ; • on épure d'air surpressé en amont de l'unité de séparation. L'air est pré-comprimé dans un compresseur de façon isotherme ou de préférence de façon adiabatique. L'air comprimé est ensuite éventuellement réchauffé à l'aide d'une source de chaleur externe non valorisée dans une 25 unité de réchauffement jusqu'à un certain niveau de température. Il entre alors dans un compresseur thermocinétique où il est à la fois refroidi par injection d'eau et comprimé à la pression nécessaire pour la séparation. Eventuellement il subit alors un refroidissement final, où l'eau d'injection est en grande partie, voire totalement, récupérée, avant épuration (selon le procédé de séparation 30 retenu), puis est séparé pour fournir notamment de l'oxygène, de l'azote et/ou de l'argon. Les intérêts de l'invention sont les suivants : 4 2927407 • Réduction de l'énergie de compression, et donc de l'énergie de séparation par valorisation de la chaleur de compression adiabatique • Valorisation éventuelle de chaleur disponible • Simplification du compresseur (moins d'étages de compression, et 5 suppression des réfrigérants) • Insertion facile du compresseur thermocinétique dans le système, avec utilisation du système de refroidissement final existant pour récupérer l'eau d'injection et finir de refroidir l'air avant épuration éventuelle, puis séparation. io L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. La Figure 3 représente un appareil de séparation d'air selon l'invention. L'arrangement de base selon l'invention est donné pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, mais peut être étendu à d'autres types de séparation qui nécessitent un air sous pression avant séparation. Il 15 est le suivant : L'air 1 est pré-comprimé dans un compresseur 3, de préférence adiabatique, pour former de l'air comprimé 5. Si la température de l'air comprimé 5 excède 250°C, on peut l'envoyer directement vers le compresseur thermocinétique 15 pour compression finale. 20 Si l'on dispose d'une source de chaleur externe non valorisée, on peut continuer à le chauffer avant envoi dans une unité de réchauffement 17, pour augmenter le taux de compression du compresseur thermocinétique 15, et diminuer d'autant la dépense d'énergie dans le compresseur 1. L'air comprimé 5 à une température d'au moins 250°C est envoyé au compresseur 25 thermocinétique 15. L'air comprimé 21 provenant du compresseur 15 est refroidi dans un dispositif de refroidissement classique 7 de type tour air-eau ou réfrigérant final. L'air comprimé et refroidi 9 est ensuite épuré de son eau et de son CO2 dans une unité d'épuration 11 avant envoi vers la boite froide 13 pour distillation cryogénique. Des débits d'oxygène et d'azote sont produits par 30 la boîte froide 13. L'eau condensée dans le dispositif de refroidissement 7 peut être utilisée toute ou partie pour l'injection dans le compresseur thermocinétique 15. Dans le cas où le compresseur 3 est un compresseur isotherme, l'eau 5 2927407 condensée dans les moyens de réfrigération intermédiaire et/ou final du compresseur peut également être envoyée au compresseur thermocinétique 15. • Pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique 5 utilisant une double colonne avec une colonne haute pression opérant à 11 bara, un compresseur adiabatique 3 pré-comprime l'air jusqu'à 8.3 bara et 290°C, suivi d'un compresseur thermocinétique 15 permet d'obtenir 11 bara : le gain en énergie est de 4% par rapport à une compression isotherme d'air non suivi par un compresseur thermocinétique. io • Pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant une double colonne avec une colonne haute pression opérant à 5.5 bara, avec une valorisation d'une source de chaleur (par exemple, sur un four à verre) qui permet de chauffer de l'air jusqu'à 800°C, on peut sauver jusqu'à 80 % de l'énergie de compression. En fonction de la source utilisée et du 15 niveau de température en entrée de récupération souhaité, on pourra utiliser soit un compresseur adiabatique ou isotherme. L'appareil de séparation d'air peut être un appareil de séparation par distillation cryogénique, par perméation ou par adsorption. Dans ces deux derniers cas, il n'y a pas de moyens de refroidissement en aval du 20 compresseur thermocinétique. 15 25 6 REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation d'air comprenant un premier compresseur (3), un deuxième compresseur (15) et une unité de séparation (13), des moyens pour envoyer de l'air au premier compresseur pour former de l'air comprimé, des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air comprimé du premier compresseur au deuxième compresseur pour former de l'air surpressé, des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air surpressé à l'unité de séparation et des moyens pour soutirer au moins un fluide de l'unité de séparation en tant que produit caractérisé en ce que le deuxième compresseur est un compresseur thermocinétique. 2. Appareil selon la revendication 1 comprenant des moyens de refroidissement (7) de l'air surpressé en aval du deuxième compresseur. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le premier compresseur (3) est un compresseur isotherme. 4. Appareil selon la revendication 3 comprenant des moyens pour 20 envoyer de l'eau condensée du premier compresseur (3) au deuxième compresseur (15). 5. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le premier compresseur (3) est un compresseur adiabatique. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens (17) pour chauffer l'air comprimé en aval du premier compresseur (3) et en amont du deuxième compresseur (15). 30 7. Appareil selon la revendication 2 ou l'une des revendications précédentes dépendante de la revendication 2 comprenant des moyens pour envoyer de l'eau condensée des moyens de refroidissement (7) au deuxième compresseur (15). 25 7 2927407 8. Procédé de séparation d'air dans lequel de l'air est comprimé dans un premier compresseur (3) pour former de l'air comprimé, de l'air comprimé est surpressé dans un deuxième compresseur (15) pour former de l'air s surpressé, de l'air surpressé est envoyé à une unité de séparation (13) et au moins un fluide est soutiré de l'unité de séparation caractérisé en ce que le deuxième compresseur est un compresseur thermocinétique. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on refroidit de l'air 10 surpressé en aval du deuxième compresseur (15) dans des moyens de refroidissement (7). 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 dans lequel le premier compresseur (3) est un compresseur isotherme. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on envoie de l'eau condensée du premier compresseur (3) au deuxième compresseur (15). 12. Procédé selon la revendication 8 ou 9 dans lequel le premier 20 compresseur est un compresseur adiabatique (3). 13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12 dans lequel on chauffe l'air comprimé en aval du premier compresseur (3) et en amont du deuxième compresseur (15). 14. Procédé selon l'une des revendications 8 à 13 dans lequel l'air entre dans le deuxième compresseur (15) à une température d'au moins 250°C. 15. Procédé selon l'une des revendications 8 ou l'une des revendication 30 9 à 14 quand dépendant de la revendication 8 dans lequel on envoie de l'eau condensée des moyens de refroidissement (7) au deuxième compresseur (15).