Brevet FR2956593A1 — publié le 20110826

La présente invention est relative à une installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air. L'oxycombustion nécessitera de très grosses quantités d'oxygène à basse pression, allant jusqu'à des besoins estimés de 15 000 à 20 000 tonnes métriques par jour et par site. Pour des questions de fiabilité, mais aussi de faisabilité, il y aura plusieurs appareils de séparation d'air, typiquement 4, 6, voire 8 appareils de séparation d'air reliés à une conduite commune de fourniture d'oxygène pour produire ces quantités. Ces unités devront aussi avoir une énergie spécifique très basse pour l'oxygène, afin de ne pas trop pénaliser le coût de production de l'électricité produite dans les centrales électriques fournies par l'oxygène. La disposition d'au moins quatre appareils de séparation d'air est divulguée dans « Turbomachinery considerations for the world's largest nitrogen plant » de Turanskij et al., Exposicion Latinoamericana del Petroleo, Venezuela, 2001, « Zukunftspotential der Synthesegaserzeugung mit Vergasungsprozessen » de Muschelknautz, Nurembourg, 2007 et « Technical Considerations for a Very Large Scale Air Separation Unit for a Goal Fired Power Plant Application » de Fogash, IEAGHG International Oxy-Combustion Network, Yokohama 2008. La Figure 1 illustre une installation selon l'art antérieur avec quatre appareils de séparation d'air dont les éléments, identiques pour chaque appareil, sont désignés chacun par une lettre différente par appareil A, B, C, D. Chaque appareil comprend un compresseur 3, une ligne d'échange 7 et un système de colonnes 11. Pour chaque appareil, une conduite d'air 1 alimente un compresseur 3. Le compresseur 3 produit de l'air comprimé qui est envoyé à une conduite d'air comprimé 5. L'air comprimé est envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit. L'air refroidi est envoyé au système de colonnes 11 où il se sépare pour former au moins un débit enrichi en azote et au moins un débit enrichi en oxygène. Le débit enrichi en oxygène se réchauffe dans la ligne d'échange 7 et passe dans une conduite d'oxygène 9. Les quatre appareils sont disposés tous du même côté d'une conduite commune 13 alimentée par quatre conduites parallèles 9A, 9B, 9C, 9D, chacune rattachée à un point différent de la conduite commune, les points étant équidistants. Dans chaque cas, on observe que les appareils de séparation d'air sont disposés les uns à côté des autres, formant une seule ligne droite. Cela est très pénalisant dans le cas des unités basse énergie et produisant de l'oxygène à très basse pression. En effet les distances mises en jeu, dans le cas d'alignement de plusieurs appareils, jusqu'au point de livraison commun génèrent des pertes de charge non négligeables et représente en final une perte d'énergie conséquente. Comme de plus la pression en sortie du compresseur principal d'air est faible (inférieur à 4 bara généralement), il est aussi pénalisant de mettre ces compresseur en réseau pour les mêmes raisons. La présente invention vise à optimiser la disposition d'une installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air, de sorte à réduire les pertes d'énergie dues à la perte de charge. Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air, comprenant chacun un échangeur de chaleur principal, un système de colonnes, une conduite d'amenée d'air épuré et une conduite de fourniture de gaz sous une pression inférieure à 10 bars, chaque appareil de séparation d'air étant relié par sa conduite de fourniture de gaz à une conduite commune, ayant un axe principal horizontal, au moins un premier appareil étant disposé d'un côté de la conduite commune, avec l'axe d'une première conduite de fourniture de gaz, reliée au premier appareil, perpendiculaire à la conduite commune et au moins un deuxième appareil étant disposé de l'autre côté de la conduite commune avec l'axe d'une deuxième conduite de fourniture de gaz, reliée au deuxième appareil, perpendiculaire à la conduite commune. Selon d'autres aspects facultatifs : - les axes des première et deuxième conduites sont parallèles ; - la première et la deuxième conduites ont des axes colinéaires ; - une installation comprend un nombre pair d'appareils de séparation, le nombre pair étant au moins égal à quatre, dans laquelle un premier groupe d'appareils constituant la moitié des appareils est disposé d'un côté de la conduite commune et un deuxième groupe constituant l'autre moitié de l'autre côté de la conduite commune ; - seuls un appareil du premier groupe et un appareil du deuxième groupe sont reliés à une extrémité de la conduite commune ; - seul un appareil du premier groupe et seul un appareil du deuxième groupe sont reliés à un point commun de la conduite commune ; - il y a un nombre impair d'appareils, un seul appareil étant relié à l'extrémité de la conduite commune et les autres appareils constituant deux groupes d'appareils, un premier groupe d'appareils constituant la moitié des appareils étant disposé d'un côté de la conduite commune et un deuxième groupe, constituant l'autre moitié, étant disposé de l'autre côté de la conduite commune, chaque groupe comprenant au moins un appareil ; - chaque appareil du premier groupe et chaque appareil du deuxième groupe est relié à un point, de préférence un seul point, de la conduite commune auquel est relié un appareil de l'autre groupe ; - l'installation comprend un premier groupe de compresseurs, relié uniquement au premier groupe d'appareils et situé du même côté de la conduite commune que le premier groupe et un deuxième groupe de compresseurs, relié uniquement au deuxième groupe d'appareils et situé du même côté de la conduite commune que le deuxième groupe, chaque groupe de compresseurs comprenant au moins autant de compresseurs que le nombre d'appareils dans le groupe auquel le groupe de compresseurs est relié, chaque compresseur étant relié à un ou deux appareils de séparation ; - l'axe de la conduite commune est l'axe de symétrie de l'installation. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures 2 à 7 qui illustrent des installations selon l'invention. La figure 2 montre une installation comprenant deux appareils de séparation d'air qui se trouvent chacun d'un côté de la conduite commune 13. Chaque appareil comprend un compresseur 3, une ligne d'échange 7 et un système de colonnes 11. Pour chaque appareil, une conduite d'air 1 alimente un compresseur 3. Le compresseur 3 produit de l'air comprimé qui est envoyé à une conduite d'air comprimé 5. L'air comprimé est envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit. L'air refroidi est envoyé au système de colonnes 11 où il se sépare pour former au moins un débit enrichi en azote et au moins un débit enrichi en oxygène. Le débit enrichi en oxygène se réchauffe dans la ligne d'échange 7 et passe dans une conduite d'oxygène 9. Pour chaque appareil, la ligne d'échange est disposée avec un axe parallèle à la conduite commune, plus proche de la conduite commune que le système de colonnes. Chaque appareil forme une image « miroir » de l'autre, les conduites d'oxygène 9A, 9B arrivant au même point de la conduite commune, point qui est éventuellement une extrémité de la conduite 13. La figure 3 montre une installation comprenant quatre appareils de séparation d'air, dont deux se trouvent d'un côté de la conduite commune 13 et deux de l'autre côté. Chaque appareil comprend un compresseur 3, une ligne d'échange 7 et un système de colonnes 11. Pour chaque appareil, une conduite d'air 1 alimente un compresseur 3. Le compresseur 3 produit de l'air comprimé qui est envoyé à une conduite d'air comprimé 5. L'air comprimé est envoyé à la ligne d'échange 7 où il se refroidit. L'air refroidi est envoyé au système de colonnes 11 où il se sépare pour former au moins un débit enrichi en azote et au moins un débit enrichi en oxygène. Le débit enrichi en oxygène se réchauffe dans la ligne d'échange 7 et passe dans une conduite d'oxygène 9. Pour chaque appareil, la ligne d'échange est disposée avec un axe parallèle à la conduite commune, plus proche de la conduite commune que le système de colonnes. Les deux appareils d'un côté forment une image « miroir » de l'autre, les conduites d'oxygène 9A, 9B arrivant au même point de la conduite commune, point qui est éventuellement une extrémité de la conduite 13. Les conduites d'oxygène 9C, 9D arrivent à un autre point de la conduite commune, point qui est éventuellement une extrémité de la conduite 13. Chaque appareil a un compresseur dédié 3, mais il est possible de relier les conduites d'air comprimé 5 par une conduite 15, 17 pour permettre que chaque compresseur alimente l'autre appareil de séparation d'air se trouvant du même côté de la conduite commune 13. La figure 4 représente une installation comprenant trois appareils de séparation d'air. Ici, deux des appareils sont disposés comme dans la Figure 2 mais le troisième est relié à l'extrémité de la conduite commune 13 de sorte que la conduite d'oxygène est même constituée par la conduite commune. Les centres des échangeurs et des systèmes de colonnes, vus de dessus, forment deux triangles isocèles, ayant comme axe de symétrie l'axe de la conduite commune. Si on fait abstraction du compresseur 3C et ses conduites 1C, 5C, l'installation est symétrique par rapport à l'axe de la conduite commune 13. Ici, chaque compresseur 3 alimente un seul appareil de séparation d'air. Dans la figure 5, on voit une installation à cinq appareils de séparation d'air qui utilise des idées déjà présentées dans les figures 3 et 4. Quatre des appareils sont disposés selon la figure 3 et le cinquième est rattaché à l'extrémité de la conduite commune 13. La figure 6 présente une installation avec six appareils de séparation d'air, dont quatre disposés comme dans la Figure 3 et deux comme dans la Figure 2 et reliés à l'extrémité de la conduite commune 13. On constate que chaque compresseur alimente au plus deux appareils de séparation d'air, de sorte que les compresseurs 3E et 3F n'alimentent que l'échangeur 7E et l'échangeur 7F respectivement, alors que le compresseur 3A alimente les échangeurs 7A et 7C, tout comme le compresseur 3C et le compresseur 3B alimentent les échangeurs 7B et 7D, tout comme le compresseur 3D. La figure 7 montre une installation ayant également six appareils de séparation comme dans la figure 6 mais avec une disposition adaptée. Ici, en plus des quatre appareils disposés comme dans la figure 3, un appareil est rattaché à chaque extrémité de la conduite commune 13. Une conduite collectrice 23, dont l'axe est perpendiculaire à celui de la conduite commune, est rattachée au milieu de la conduite commune et prélève de l'oxygène venant des trois appareils se trouvant à gauche (vu de dessus) et des trois appareils se trouvant à droite (vu de dessus). La figure 8 illustre une disposition alternative avec deux appareils de séparation d'air, chacun ayant un compresseur 3A, 3X, un appareil rattaché au bout de la conduite commune et un appareil rattaché à un point intermédiaire de la conduite commune 13.30 REVENDICATIONS1. Installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air, comprenant chacun un échangeur de chaleur principal (7A, 7B, 7C, 7D), un système de colonnes (11A, 11B, 11C, 11 D), une conduite d'amenée d'air épuré (5A, 5B, 5C, 5D) et une conduite de fourniture de gaz sous une pression inférieure à 10 bars (9A, 9B, 9C, 9D), chaque appareil de séparation d'air étant relié par sa conduite de fourniture de gaz à une conduite commune (13), ayant un axe principal horizontal, au moins un premier appareil étant disposé d'un côté de la conduite commune, avec l'axe d'une première conduite de fourniture de gaz (9A, 9C), reliée au premier appareil, perpendiculaire à la conduite commune et au moins un deuxième appareil étant disposé de l'autre côté de la conduite commune avec l'axe d'une deuxième conduite de fourniture de gaz (9B, 9D), reliée au deuxième appareil, perpendiculaire à la conduite commune. 2. Installation selon la revendication 1 dans laquelle les axes des première et deuxième conduites sont parallèles. 3. Installation selon la revendication 1 dans laquelle la première et la deuxième conduites ont des axes colinéaires. 4. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant un nombre pair d'appareils de séparation, le nombre pair étant au moins égal à quatre, dans laquelle un premier groupe d'appareils constituant la moitié des appareils est disposé d'un côté de la conduite commune (13) et un deuxième groupe constituant l'autre moitié de l'autre côté de la conduite commune. 5. Installation selon la revendication 4 dans laquelle seuls un appareil du premier groupe et un appareil du deuxième groupe sont reliés à une extrémité 30 de la conduite commune (13). 6. Installation selon la revendication 4 ou 5 dans laquelle seul un appareil du premier groupe et seul un appareil du deuxième groupe sont reliés à un point commun de la conduite commune (13). 7. Installation selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel il y a un nombre impair d'appareils, un seul appareil étant relié à l'extrémité de la conduite commune (13) et les autres appareils constituant deux groupes d'appareils, un premier groupe d'appareils constituant la moitié des appareils étant disposé d'un côté de la conduite commune et un deuxième groupe, constituant l'autre moitié, étant disposé de l'autre côté de la conduite commune, chaque groupe comprenant au moins un appareil. 8. Installation selon l'une des revendications 4 à 7 dans lequel chaque appareil du premier groupe et chaque appareil du deuxième groupe est relié à un point, de préférence un seul point, de la conduite commune (13) auquel est relié un appareil de l'autre groupe. 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant un premier groupe de compresseurs (3A, 3C) ,relié uniquement au premier groupe d'appareils et situé du même côté de la conduite commune (13) que le premier groupe et un deuxième groupe de compresseurs (3B, 3D), relié uniquement au deuxième groupe d'appareils et situé du même côté de la conduite commune que le deuxième groupe, chaque groupe de compresseurs comprenant au moins autant de compresseurs que le nombre d'appareils dans le groupe auquel le groupe de compresseurs est relié, chaque compresseur étant relié à un ou deux appareils de séparation.25