Brevet FR2983086A1 — publié le 20130531

La présente invention concerne un procédé et appareil de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption d'une unité de séparation d'air. L'invention propose de valoriser l'énergie thermique de la chaleur du dernier étage de compression d'un compresseur d'air destiné à l'unité de séparation d'air, via une pompe à chaleur, afin de chauffer l'azote résiduaire servant à la régénération. Durant le procédé de séparation des gaz de l'air, la régénération des bouteilles d'adsorbants se fait en chauffant le flux d'azote résiduaire à 120°C-150°C à l'aide d'un réchauffeur (électrique, à gaz, à vapeur...). Par ailleurs, de la chaleur est disponible autour de 85°C à la sortie du dernier étage de compression du compresseur d'air destiné à la séparation. Il est connu d'utiliser un circuit d'eau pour transférer la chaleur de l'air comprimé vers l'azote destiné à la régénération, par exemple dans le procédé de US-A-5846295. L'invention propose d'installer un système de pompe à chaleur qui réchauffe l'azote résiduaire à partir de la chaleur du compresseur. Par rapport à un procédé utilisant un réchauffeur électrique, ce système permet de diviser la consommation électrique par 4. L'invention propose d'installer une pompe à chaleur entre la chaleur de compression à la sortie du dernier étage du compresseur et l'azote résiduaire. Un fluide de travail suit le cycle suivant : - vaporisation contre le débit d'air chaud, - compression, - condensation contre le débit d'azote résiduaire, - détente à travers une vanne. La chaleur est transmise à l'azote résiduaire lors de la condensation du fluide de travail. On peut ainsi atteindre les températures nécessaires à la régénération (120°C - 150°C). Le fluide de travail peut être de l'eau, de l'ammoniac ou tout autre réfrigérant adapté à ces niveaux de température. Un tel dispositif permet de réduire la consommation d'énergie dans le cas d'un réchauffeur électrique ou à gaz. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption dans une unité de séparation d'air dans lequel : a) de l'air destiné à une unité de séparation d'air est comprimé dans un compresseur produisant un débit d'air comprimé réchauffé, b) le débit d'air comprimé réchauffé chauffe un fluide dans un circuit fermé pour produire un fluide réchauffé et de l'air comprimé refroidi, c) l'air comprimé refroidi est envoyé à l'unité d'adsorption pour être épuré en eau et en dioxyde de carbone et l'air épuré est envoyé à l'unité de séparation d'air, d) le fluide réchauffé réchauffe l'azote gazeux provenant de l'unité de séparation d'air pour produire de l'azote réchauffé, et pour refroidir le fluide produisant un fluide refroidi, e) le fluide refroidi étant de nouveau réchauffé contre le débit d'air comprimé selon l'étape b) et l'azote réchauffé est envoyé à l'unité d'épuration pour la régénérer, caractérisé en ce que le fluide du circuit fermé est vaporisé par échange de chaleur indirect avec le débit d'air comprimé, ensuite comprimé, condensé par échange de chaleur indirect avec l'azote et détendu . Selon d'autres caractéristiques facultatives : - le fluide du circuit fermé est de l'eau ou de l'ammoniac. - l'air comprimé sortant du dernier étage du compresseur n'est pas refroidi avant d'être refroidi par le fluide du circuit fermé. l'azote envoyé à la régénération est à entre 120°C et 150°C. - l'azote envoyé à la régénération est chauffé uniquement par de la chaleur provenant du fluide du circuit fermé. - l'air comprimé sortant du dernier étage du compresseur est à entre 80°C et 90°C. le fluide du circuit fermé est comprimé dans au moins deux étages d'un compresseur et refroidi entre ces au moins deux étages par injection de fluide de circuit qui a été condensé par échange de chaleur avec l'azote gazeux. de la chaleur provenant du fluide de circuit comprimé est stockée avant d'être transférée à l'azote à réchauffer. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption d'une unité de séparation d'air comprenant un compresseur d'air produisant un débit d'air comprimé réchauffé destiné à une unité de séparation d'air, une unité d'épuration, un circuit fermé de fluide, un premier échangeur de chaleur, un deuxième échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer de l'air comprimé réchauffé au premier échangeur, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur, une conduite pour envoyer de l'air refroidi du premier échangeur vers l'unité d'épuration, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur, des moyens pour permettre un échange de chaleur entre l'azote gazeux de l'unité de séparation d'air et le deuxième échangeur pour former de l'azote réchauffé et une conduite pour envoyer l'azote réchauffé vers l'unité d'épuration caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur de cycle et une vanne, les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur étant reliés à la vanne et les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur étant reliés au compresseur de cycle. Les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur peuvent être les moyens permettant envoyer l'azote gazeux dans le deuxième échangeur (cas de la Figure 1 avec deuxième échangeur 17). Eventuellement les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur sont constitués par un deuxième circuit 25 fermé comprenant des moyens de stockage de chaleur (cas de la Figure 2 où le deuxième échangeur est l'échangeur 35 et les moyens pour permettre l'échange de chaleur comprennent l'échangeur 17). Les moyens de stockage de chaleur peuvent être constitués par un stockage de liquide en aval du deuxième échangeur et en amont du troisième 30 échangeur et un stockage de liquide en aval du troisième échangeur et en amont du deuxième échangeur. Le deuxième circuit fermé comprend de préférence deux pompes, chacune en aval d'un stockage, pour assurer le transfert de liquide. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 1 et 2. Dans la Figure 1, une installation de séparation d'air, par exemple par distillation cryogénique, comprend un compresseur d'air C1, C2, C3 à trois étages, une unité d'adsorption 13 pour épurer l'air comprimé en eau et en dioxyde de carbone et un appareil de séparation d'air 11, comprenant par exemple une ligne d'échange pour refroidir l'air épuré et un système de colonnes produisant de l'oxygène et de l'azote gazeux. L'azote gazeux 15 sert à régénérer l'unité d'adsorption qui comprend au moins deux bouteilles d'adsorbant, chacune opérant selon un cycle pour adsorber les impuretés et être régénérée à tour de rôle. L'azote gazeux 15 doit être chauffé à une température entre 120°C et 150°C pour effectuer la régénération. L'air 1 destiné à l'appareil de séparation 11 est comprimé dans le premier étage Cl du compresseur, refroidi par le refroidisseur R1, comprimé dans le deuxième étage C2, ensuite refroidi par le refroidisseur R2 et enfin comprimé dans le troisième étage C3 sans être refroidi par la suite dans un refroidisseur. L'air sort du dernier étage C3 à une température entre 80°C et 90°C. Le nombre d'étages du compresseur peut évidemment être choisi selon la pression voulue. L'air comprimé 3 à entre 80 et 90°C est envoyé à un premier échangeur de chaleur 5 où il se refroidit pour former l'air refroidi 7 à environ 60°C. L'air refroidi 7 est refroidi dans le refroidisseur R3 et/ou dans une unité de pré-refroidissement 8, par exemple par contact direct avec de l'eau ou par un groupe frigorifique. L'air refroidi 7 est ensuite épuré dans une bouteille de l'unité d'épuration 13 et l'air épuré 9 est envoyé à un appareil de séparation 11 pour former un produit riche en oxygène et/ou en azote. Un débit de gaz riche en azote 15 provenant de l'appareil 11 et à une température entre 10°C et 30°C est réchauffé dans le deuxième échangeur 17 jusqu'à une température entre 120°C et 150°C. L'azote réchauffé 16 est envoyé pour régénérer l'autre bouteille de l'unité d'épuration 13. Le transfert de chaleur entre le premier échangeur 5 et le deuxième échangeur 17 est assuré par un circuit fermé. Dans ce circuit circule un fluide, pouvant être de l'eau, de l'ammoniac ou un autre réfrigérant adapté. Le fluide 19 est vaporisé et réchauffé dans le premier échangeur 5 par échange de chaleur indirect avec l'air 3 uniquement, se trouvant ainsi chauffé à 60°C à une pression légèrement au-dessus de l'ambiante. Ensuite le fluide est comprimé dans un compresseur à deux étages C4, C5 pour former le fluide comprimé 21 à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 125°C et 160°C, par exemple 8 bar. Le fluide comprimé 21 est à une température élevée, par exemple 340°C, et est condensé et refroidi dans le deuxième échangeur 17 par échange de chaleur indirect avec l'azote 15 entre 10°C et 30°C. Le liquide formé est détendu dans une vanne 23 jusqu'à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 40°C et 70°C et revient dans le premier échangeur 5. Les deux échangeurs peuvent être des échangeurs à plaques en aluminium brasées. Si l'épuration requiert une étape de régénération à plus basse température, le circuit fermé ne fonctionne plus, le compresseur étant arrêté C et l'azote 15 passe directement à l'épuration 13 sans avoir été réchauffé. Eventuellement un débit de liquide 20 est pris juste en aval du deuxième 15 échangeur 17 et en amont de la vanne 23 pour être envoyé entre les deux étages de compression C4, C5 sous forme liquide et ainsi refroidir le fluide en amont de l'étage C5. Ceci permet de désurchauffer le fluide entre les deux étages. La régénération ne nécessitant pas de chauffer de manière continue, on 20 peut imaginer inclure au dispositif décrit dans la Figure 1 un système permettant de stocker temporairement l'énergie thermique. La Figure 2 illustre cette variante. Ici le transfert de chaleur entre le premier et deuxième échangeurs 5, 17 est assuré par deux circuits fermés. L'air 1 destiné à l'appareil de séparation 11 est comprimé dans le premier 25 étage Cl du compresseur, refroidi par le refroidisseur R1, comprimé dans le deuxième étage C2, ensuite refroidi par le refroidisseur R2 et enfin comprimé dans le troisième étage C3 sans être refroidi par la suite dans un refroidisseur. L'air sort du dernier étage C3 à une température entre 80°C et 90°C. Le nombre d'étages du compresseur peut évidemment être choisi selon la pression voulue. 30 L'air comprimé 3 entre 80°C et 90°C est envoyé à un premier échangeur de chaleur 5 où il se refroidit pour former l'air refroidi 7. L'air refroidi 7 est refroidi dans le refroidisseur R3 et/ou dans une unité de pré-refroidissement, par exemple par contact direct avec de l'eau ou par un groupe frigorifique. L'air refroidi 7 est ensuite épuré dans une bouteille de l'unité d'épuration 13 et l'air épuré est envoyé à un appareil de séparation pour former un produit riche en oxygène et/ou en azote. Un débit de gaz riche en azote 15 provenant de l'appareil et à une 5 température entre 10°C et 30°C est réchauffé dans le deuxième échangeur 17 jusqu'à une température entre 120°C et 150°C. L'azote réchauffé 16 est envoyé régénérer l'autre bouteille de l'unité d'épuration 13. Le transfert de chaleur entre le premier échangeur 5 et le deuxième échangeur 17 est assuré par deux circuits fermés. Dans un premier circuit circule 10 un fluide, pouvant être de l'eau, de l'ammoniac ou un autre réfrigérant adapté. Le fluide 19 est vaporisé dans le premier échangeur 5 par échange de chaleur indirect avec l'air 3 uniquement. Ensuite le fluide est comprimé dans un compresseur C4, C5 pour former le fluide comprimé 21 à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 125°C et 160°C. Le fluide 15 comprimé 21 est condensé dans un troisième échangeur 35 par échange de chaleur indirect avec le liquide du deuxième circuit fermé. Le liquide formé est détendu dans une vanne 23 jusqu'à une pression comprise entre les pressions de changement de phase à 40°C et 70°C, et revient dans le premier échangeur 5. Le premier et le deuxième échangeur peuvent être des échangeurs à plaques en 20 aluminium brasées. Le liquide 27 circulant dans le deuxième circuit fermé est chauffé dans le troisième échangeur 35 par échange de chaleur avec le fluide comprimé 21 et le liquide réchauffé est stocké dans un premier stockage SC, puis pompé dans une pompe 29 pour être envoyé au deuxième échangeur 17 où le liquide pompé 25 réchauffe l'azote. Le liquide ainsi refroidi 31 est renvoyé à un deuxième stockage SF, puis ensuite pompé par la pompe 37 pour être envoyé vers le troisième échangeur 35 de nouveau. La pompe 37 fonctionne en permanence et sert à vider le deuxième stockage SF quand la pompe 29 ne fonctionne pas. Le premier stockage SC qui est un stockage de liquide, stocke la chaleur 30 provenant de l'air lorsqu'on régénère à froid et restitue l'énergie quand on régénère à chaud. Ainsi la pompe 29 ne fonctionne pas en permanence. Pendant la régénération à froid l'azote 15 n'est pas réchauffé. Cela présente l'avantage de ne pas avoir à faire subir des cycles de démarrages/arrêts à la pompe à chaleur. La figure 2 présente le cas où l'énergie est stockée sous forme de chaleur sensible d'un fluide, par exemple de l'eau. La pompe 29 ne fait circuler le fluide caloporteur 27 que lors de la régénération à chaud. Ainsi le liquide s'accumule dans le premier stockage SC en dehors de la régénération à chaud. On peut également stocker la chaleur provenant du compresseur sous forme de chaleur latente d'un matériau, dans un lit d'adsorbant ou par d'autres manières.10 REVENDICATIONS1. Procédé de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption (13) d'une unité de séparation d'air dans lequel : a) de l'air destiné à une unité de séparation d'air (11) est comprimé dans un compresseur (C1, C2, C3) produisant un débit d'air comprimé réchauffé, b) le débit d'air comprimé réchauffé chauffe un fluide dans un circuit fermé pour produire un fluide réchauffé et de l'air comprimé refroidi, c) l'air comprimé refroidi est envoyé à l'unité d'adsorption pour être épuré en eau et en dioxyde de carbone et l'air épuré est envoyé à l'unité de séparation d'air, d) le fluide réchauffé réchauffe de l'azote gazeux (15) provenant de l'unité de séparation d'air pour produire de l'azote réchauffé (16), et pour refroidir le fluide (21) produisant un fluide refroidi, e) le fluide refroidi étant de nouveau réchauffé contre le débit d'air comprimé selon l'étape b) et l'azote réchauffé est envoyé à l'unité d'épuration pour la régénérer, caractérisé en ce que le fluide du circuit fermé est vaporisé par échange de chaleur indirect avec le débit d'air comprimé, ensuite comprimé, condensé par échange de chaleur indirect avec l'azote et détendu . 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide du circuit fermé est de l'eau ou de l'ammoniac. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'air comprimé sortant du dernier étage du compresseur (C3) n'est pas refroidi avant d'être refroidi par le fluide du circuit fermé. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote (16) envoyé à la régénération est à une température comprise entre 120°C et 150°C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote (16) envoyé à la régénération est chauffé uniquement par de la chaleur provenant du fluide du circuit fermé. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air comprimé (3) sortant du dernier étage du compresseur est à une température comprise entre 80°C et 90°C. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide du circuit fermé est comprimé dans au moins deux étages d'un compresseur (C4, C5) et refroidi entre ces au moins deux étages par injection de fluide de circuit (20) qui a été condensé par échange de chaleur avec l'azote gazeux. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de la chaleur provenant du fluide de circuit comprimé est stockée avant d'être transférée à l'azote à réchauffer. 9. Appareil de réchauffage de l'azote destiné à régénérer une unité d'adsorption d'une unité de séparation d'air comprenant un compresseur d'air (C1, C2, C3) produisant un débit d'air comprimé réchauffé destiné à une unité de séparation d'air (11), une unité d'épuration (13), un circuit fermé de fluide, un premier échangeur de chaleur (5), un deuxième échangeur de chaleur (17, 35), une conduite pour envoyer de l'air comprimé réchauffé au premier échangeur, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premier échangeur, une conduite pour envoyer de l'air refroidi du premier échangeur vers l'unité d'épuration, des moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur, des moyens (17) pour permettre un échange de chaleur entre l'azote gazeux de l'unité de séparation d'air et le deuxième échangeur pour former de l'azote réchauffé (16) et une conduite pour envoyer l'azote réchauffé vers l'unité d'épuration caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur de cycle (C4, C5) et une vanne (23), les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du deuxième échangeur au premieréchangeur étant reliés à la vanne et les moyens pour envoyer le fluide du circuit fermé du premier échangeur vers le deuxième échangeur étant reliés au compresseur de cycle. 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel les moyens pour permettre l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et le deuxième échangeur sont constitués par un deuxième circuit fermé (27, 29, 37) comprenant des moyens de stockage de chaleur (SF, SC).10