Brevet FR2946099A1 — publié le 20101203

La présente invention est relative à un procédé de compression d'air humide. En s'appuyant sur le fait que les compresseurs sont plus efficaces à basse température, l'invention propose de diminuer la puissance de compression de l'air (particulièrement sur les appareils de séparation d'air) en rendant la compression plus isotherme. L'invention propose d'injecter des gouttelettes d'eau en amont du compresseur. Cette eau est vaporisée dans le compresseur pendant la compression. Cela permet de limiter l'échauffement de l'air et donc d'améliorer io l'efficacité du compresseur. L'eau est ensuite récupérée par condensation lors du refroidissement de l'air. Elle est alors relativement propre et peut être réutilisée. La compression de l'air s'effectue à travers un ou plusieurs étages de compression, généralement de type centrifuges ou axiaux. Entre ces étages de 15 compression, l'air peut être refroidi proche de la température ambiante, de façon à limiter l'échauffement de l'air. On parle alors de compression isotherme. S'il n'y a pas de refroidissement intermédiaire, on parle de compression adiabatique. Du fait de l'humidité de l'air, de l'eau se condense lors des étapes de refroidissement et doit être enlevée. L'air comprimé est 20 ensuite séché lors de la phase d'épuration. L'injection d'eau en amont des compresseurs est déjà réalisée sur certaines turbines à gaz pour améliorer les performances. L'injection se fait à travers des buses à trous micrométriques et à très forte pression (200 bars). Généralement, entre 1 et 3 % du débit molaire d'air est ainsi injecté. Cette eau 25 est ensuite intégralement perdue ce qui induit une consommation d'eau importante. EP-A-0524435 décrit un système dans lequel de l'eau condensée séparée d'un débit d'air comprimé est renvoyée en amont du compresseur et vaporisée dans le débit d'air avant de rentrer dans le compresseur. 30 Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de compression d'un débit d'air contenant de l'eau utilisant un compresseur comprenant au moins un étage de compression dans lequel : i) un débit d'air est comprimé, éventuellement à partir de la pression atmosphérique, dans un étage de compression du compresseur pour produire un débit d'air comprimé ii) le débit d'air comprimé est refroidi et envoyé à un séparateur de 5 phases iii) dans le séparateur de phases, le débit d'air refroidi est séparé pour former un débit d'eau condensée et un débit d'air comprimé et appauvri en eau iv) le débit d'air comprimé et appauvri en eau est prélevé du séparateur de phases io v) au moins une partie de l'eau condensée est envoyée du séparateur de phases en amont d'un étage de compression du compresseur mélangé avec de l'air destiné à cet étage de compression caractérisé en ce que l'eau condensée de l'étape v) rentre dans l'étage de compression au moins partiellement à l'état liquide et se vaporise au moins 15 partiellement dans cet étage de compression. De préférence, le système comprend au moins un premier et un deuxième étages de compression et au moins un premier et un deuxième séparateurs de phases, le débit d'air comprimé et appauvri en eau de l'étape iii) est envoyé au deuxième étage de compression, est refroidi et est envoyé au 20 deuxième séparateur de phases pour former un deuxième débit appauvri en eau et un deuxième débit d'eau et au moins une partie du deuxième débit d'eau est envoyée à l'entrée du premier étage de compression et/ou à l'entrée du deuxième étage de compression, l'eau rentrant dans le ou les étages de compression sous forme liquide. 25 Eventuellement on mélange de l'eau provenant des premier et deuxième séparateurs pour former un débit mélangé, on pressurise le débit mélangé et on en envoie au moins une partie à l'entrée du premier étage de compression et/ou à l'entrée du deuxième étage de compression. L'eau condensée de l'étape v) mélangée à l'air destiné au compresseur 30 peut représenter entre 0.3 et 10 % de ce débit d'air. Le mélange d'eau condensée et d'air peut constituer un débit d'air saturé en eau (c'est à dire à son point de rosée) à la sortie de l'étage de compression. Eventuellement en aval du dernier étage de compression du compresseur, on épure le débit d'air et on le refroidit. Le compresseur est un compresseur adiabatique ou isotherme. Le compresseur adiabatique comprend au moins deux étages de compression et dans lequel l'air passe de la sortie du premier étage à l'entrée du deuxième étage sans refroidissement. Le compresseur peut être un compresseur isotherme, éventuellement de type à roue centrifuge. Un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique peut io comprendre une étape de compression d'air telle que décrite ci-dessus. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures dont la figure 1 montre un compresseur dit isotherme opérant selon le procédé de l'invention et la figure 2 montre un compresseur dit adiabatique opérant selon le procédé de l'invention. 15 Dans la figure 1, un débit d'air humide 1 est mélangé avec un débit d'eau 61 sous forme de fines gouttelettes liquides et constituant entre 0.3 et 5 % mol. du débit molaire 1, selon la pression de compression. L'eau 61 ne se vaporise que partiellement avant de rentrer dans le premier étage de compression 7 où l'air est comprimé et l'eau poursuit sa vaporisation afin 20 d'atteindre son point de saturation dans l'air à la sortie du premier étage de compression 7. La quantité d'eau 61 permet d'aller bien au-delà du point de saturation de l'air 1 en eau. L'idéal est d'injecter suffisamment d'eau pour atteindre le point de saturation en sortie du l'étage de compression. 25 L'eau est ensuite condensée lors du refroidissement de l'air à température proche de l'ambiante dans un refroidisseur 11. L'air refroidi 9 est renvoyé dans un séparateur de phases 13. L'eau 53 est alors relativement propre et est réutilisée. Un traitement de l'eau intermédiaire peut être envisagé avant de la réinjecter. L'air refroidi 15 provenant du séparateur de phases 13 30 est mélangé au point de mélange 17 avec de l'eau 63 sous forme de fines gouttelettes liquides pour former un débit mélangé 19 comprenant entre 0.3 et 5 % mol. du débit molaire de l'air 15. Le mélange 19 est envoyé dans un deuxième étage de compression 21. L'eau 63 ne se vaporise que partiellement en se mélangeant et achève sa vaporisation dans le deuxième étage de compression 21 pour atteindre le point de saturation en sortie de l'étage de compression. L'air 23 est récupéré en sortie du deuxième étage de compression 21 et est refroidi au moyen d'un refroidisseur 25 pour former de l'air refroidi 27. L'air refroidi 27 est envoyé à un séparateur de phases 29 d'où on prélève l'eau 51. L'air gazeux 31 sortant du séparateur 29 est envoyé à un mélangeur 33 où il est mélangé avec un débit d'eau 65 sous forme de fines gouttelettes liquides représentant entre 0.3 et 5 % mol. du débit 31. Ainsi, le mélange formé 35 est envoyé vers un troisième étage de compression 37 dans io lequel l'eau du mélange 35 se vaporise pour former un débit saturé en eau 39 sous pression à la sortie de l'étage de compression 37. Après refroidissement par le refroidisseur 41, le mélange 43 est envoyé à un séparateur de phases 45. Un débit d'eau 49 sous forme liquide est soutiré du séparateur 45 et de l'air gazeux 47 sort du séparateur 45 pour être envoyé vers une unité d'épuration, 15 un échangeur et les colonnes d'un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Les débits d'eau 49, 51 et 53 sont réunis pour former un seul débit 55 qui est pressurisé par une pompe 57. L'eau pompée 59 est divisée en trois et les trois débits 61, 63, 65 sont envoyés respectivement en amont des premier, 20 deuxième et troisième étages de compression 7, 21, 37. Dans la figure 2, un débit d'air humide 201 est mélangé avec un débit d'eau 261 sous forme de fines gouttelettes liquides et constituant entre 0.6 et 10 % mol. du débit molaire 201, selon la pression de compression. L'eau 261 ne se vaporise que partiellement avant de rentrer dans le premier étage de 25 compression 207 où l'air est comprimé et l'eau poursuit sa vaporisation afin éventuellement d'atteindre son point de saturation dans l'air à la sortie du premier étage de compression 207 formant un débit d'air comprimé et saturé en eau 209. La quantité d'eau 261 permet d'aller bien au-delà du point de saturation 30 de l'air 201 en eau. Le débit d'air 209 est envoyé dans le deuxième étage de compression 221, sans être enrichi en eau ou refroidi entre les deux étages. L'idéal est d'injecter suffisamment d'eau pour atteindre le point de saturation en sortie du deuxième étage de compression 221. L'air 223 récupéré en sortie du deuxième étage de compression 221 est refroidi au moyen d'un refroidisseur 225 pour former de l'air refroidi 227. L'air refroidi 227 est envoyé à un séparateur de phases 229 d'où on prélève l'eau 251. L'air gazeux 231 sortant du séparateur 229 est envoyé à un consommateur d'air comprimé, par exemple un appareil de séparation d'air. Un débit d'eau 251 sous forme liquide est soutiré du séparateur 229. Le débit d'eau 251 est pressurisé par une pompe 257. L'eau pompée io 261 est envoyée en amont du premier étage de compression 207. Il peut être envisagé d'envoyer de l'eau en amont du deuxième étage 221 aussi. Evidemment, l'invention s'applique à un compresseur ayant n'importe quel nombre d'étages de compression et l'eau n'est pas forcément envoyée en amont de chaque étage de compression. 15 Afin de déconcentrer en impuretés, une purge est nécessaire. Or, du fait de l'humidité de l'air ambiant, on récupère plus d'eau qu'on en injecte lorsque l'on condense. Aucun appoint n'est donc nécessaire. La consommation d'eau est nulle sauf au démarrage. L'invention propose d'injecter de l'eau en amont d'au moins un étage de 20 compression, de préférence en amont de chaque étage de compression d'un compresseur, et de la récupérer par condensation lors du refroidissement de l'air, afin de la réutiliser. Cela peut être réalisé aussi bien sur la compression isotherme qu'adiabatique. L'injection d'eau améliore l'efficacité des compresseurs. Par exemple, 25 pour une compression d'air jusqu'à 5;5 bara, le gain en puissance de compression est de l'ordre de 3 % pour la compression isotherme, de 15 0/0 pour la compression adiabatique. REVENDICATIONS1. Procédé de compression d'un débit d'air contenant de l'eau utilisant un compresseur comprenant au moins un étage de compression (7, 21, 37, 207, 221) dans lequel i) un débit d'air est comprimé, éventuellement à partir de la pression atmosphérique, dans un étage de compression (7, 21, 37, 207, 221) du compresseur pour produire un débit d'air comprimé ii) le débit d'air comprimé est refroidi et envoyé à un séparateur de io phases (45, 245) iii) dans le séparateur de phases, le débit d'air refroidi est séparé pour former un débit d'eau condensée et un débit d'air comprimé et appauvri en eau iv) le débit d'air comprimé et appauvri en eau est prélevé du séparateur de phases 15 v) au moins une partie de l'eau condensée est envoyée du séparateur de phases en amont d'un étage de compression du compresseur mélangé avec de l'air destiné à cet étage de compression caractérisé en ce que l'eau condensée de l'étape v) rentre dans l'étage de compression au moins partiellement à l'état liquide et se vaporise au moins 20 partiellement dans cet étage de compression. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le système comprend au moins un premier et un deuxième étages de compression (7, 21, 37) et au moins un premier et un deuxième séparateurs de phases (13, 29, 45), le débit 25 d'air comprimé et appauvri en eau de l'étape iii) est envoyé au deuxième étage de compression (21, 37), est refroidi et est envoyé au deuxième séparateur de phases (29, 45) pour former un deuxième débit appauvri en eau et un deuxième débit d'eau et au moins une partie du deuxième débit d'eau est envoyée à l'entrée du premier étage de compression (7, 21) et/ou à l'entrée du 30 deuxième étage de compression (21, 37), l'eau rentrant dans le ou les étages de compression sous forme liquide. i0 30 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on mélange de l'eau provenant des premier et deuxième séparateurs pour former un débit mélangé, on pressurise le débit mélangé et on en envoie au moins une partie à l'entrée du premier étage de compression (7, 21) et/ou à l'entrée du deuxième étage de compression (21, 37). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'eau condensée de l'étape v) mélangée à l'air destiné au compresseur représente entre 0.3 et 10 % de ce débit d'air. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange d'eau condensée et d'air constitue un débit d'air saturé en eau à la sortie de l'étage de compression (7, 21, 37, 221). 15 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel en aval du dernier étage de compression (37, 221) du compresseur, on épure le débit d'air et on le refroidit. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 20 compresseur est un compresseur adiabatique. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le compresseur comprend au moins deux étages de compression (207, 221) et dans lequel l'air passe de la sortie du premier étage à l'entrée du deuxième étage sans 25 refroidissement. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le compresseur est un compresseur isotherme, éventuellement de type à roue centrifuge. 10. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une étape de compression d'air selon l'une des revendications précédentes.