Brevet FR2985005A1 — publié le 20130628

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Afin de limiter les coûts d'ingénierie et permettre par de la répétitivité des gains achats, des gammes d'appareils de séparation d'air standardisés ont été crées allant jusqu'à des tonnages de l'ordre de 700 MT/J, voire 1000 MT/J. Ces productions standardisées ne correspondent pas toujours exactement aux besoins du ou des clients en terme de débit et/ou pression mais le coût sur ces petites unités est le facteur principal d'optimisation, et la standardisation répond bien à ce critère clef. Au delà de ces capacités, car l'énergie prend une importance de plus en plus notable, des unités dites modulaires ont été introduites, l'orientation cette fois étant de standardiser certains morceaux clefs, mais de suivre au plus près les besoins des clients et de prendre en compte dans le dimensionnement les contraintes parallèles de l'énergie et l'investissement. EP-A-0504029 décrit un cycle à pompe basé sur la notion de mono 20 machine avec un unique gros compresseur haute pression d'air. Cette approche permet des gains notables en investissement par rapport au cycle à pompe traditionnel, en introduisant toute l'énergie nécessaire avec cette unique machine d'air dont la pression de refoulement peut être entre environ 12 bara à 35 bara, quelles que soient les puretés et pressions des productions 25 demandées. Mais cette unique machine, lorsque nous arrivons à de très grosses puissances, est difficilement réalisable et se démarre avec des artifices de démarrage complexe et couteux au niveau des moteurs, appelés gradateurs. Le nombre de constructeurs de plus est extrêmement réduit, ce qui limite, sans l'annuler cependant, l'intérêt technico-économique de cette approche. Certains de 30 ces problèmes sont décrits dans « Turbomachinery Limitations for Large Air Separation Plants » de Wolentarski , Cryogenic Processes and Equipment Conference, Century 2--Emerging Technology Conferences, San Francisco, California, août 19-21, 1980. Pour des questions de maintenance et de fiabilité, des pièces de rechange sont achetées pour toutes ces machines critiques, aussi bien au niveau des compresseurs que des moteurs. Il est tout à fait acceptable d'avoir un unique jeu de pièces de rechange pour un regroupement de machines identiques installées sur le même site, voire dans le même pays. Suivant les puissances, la technologie des moteurs varie : en effet au-delà de 25 MW, il n'y a pas sur le marché de moteur autre que synchrone, la technologie actuelle des moteurs asynchrones ne permettant pas de franchir ce cap sans prendre un très gros risque industriel. L'article « Oxygen Plants : 10 years of development and operation » dans CEP juillet 1979 décrit l'usage de moteurs synchrones et explique que trois tailles de moteurs synchrones sont stockées pour remplacer les compresseurs européens du groupe Air Liquide, en cas de panne. D'une façon générale, le coût de matériel d'une unité de séparation d'air 15 avec les cycles à compresseur d'air unique haute pression (hors stockages et vaporisation et utilités haute tension) se décomposent en quatre parties principales : i) Fonction compression (compression, moteur, équipement de démarrage et électrique associé) : 45% à 50%. 20 ii) Fonction boîte froide et associés : 30% à 35%. iii) Fonction épuration partie chaude de l'air avant entrée dans la boîte froide :10% à 15%. iv) Divers : 5% à 10%. Il est donc clair que la réduction des coûts et l'augmentation de la fiabilité 25 des compresseurs, des moteurs et l'équipement de démarrage est une priorité. Avec les procédés utilisant un surpresseur froid entraîné par une turbine, tel que décrit dans US-A-5475870, ou les procédés tels que décrit dans EP-A-0504029, toute la puissance est introduite par le compresseur d'air haute pression. Un surpresseur est un compresseur qui comprime un gaz à partir d'une 30 pression supérieure à la pression atmosphérique (en anglais « booster »). Il est également possible de comprimer tout l'air à la haute pression et de ne pas utiliser de surpresseur ou d'utiliser uniquement des surpresseurs couplés à une turbine d'air et d'azote, comme dans EP-A-0504029, de sorte que toute la puissance est introduite par un seul compresseur d'air haute pression. Les dispositions au niveau de la ligne d'échange, le nombre et le type de turbines couplées à un surpresseur et les colonnes de distillation permettent rendre les productions compatibles avec les puretés, pressions et débits demandés par le client. La présente invention résulte du fait que pour un client demandant la 5 fourniture de produit ou produits à un débit donné, une pureté donné et une pression donnée, cette fourniture correspond nécessairement à une puissance qui se traduit par un débit d'air donné et une pression d'air élevée donnée. Afin de conserver l'intérêt d'être au plus proche des besoins des clients, mais en standardisant la partie clef pour permettre des gains de répétitivité sur 10 cette partie et des gains par effet de volume auprès des fournisseurs, mais aussi et surtout en se mettant juste en deçà de seuils technologiques, techniques voire économiques (où il y a un nombre conséquents de fournisseurs potentiels), le nombre N de compresseurs haute pression est entre 3 et 10, pour fournir l'air à la boîte froide de l'appareil de séparation répondant aux besoins du client. Par 15 exemple 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 compresseurs en parallèle peuvent être utilisés. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie N débits d'air à environ la pression ambiante chacun à un des N compresseurs d'air, 20 ii) chacun des N compresseurs comprime l'air à une première pression supérieure à 12 bars abs et inférieure à 30 bars absolus, N étant égal ou supérieure à 3 et la puissance totale des N compresseurs étant supérieure à 10MW, iii) on envoie l'air à la première pression des N compresseurs à une unité 25 d'épuration pour éliminer l'eau et le dioxyde de carbone et on refroidit l'air épuré avant de l'envoyer à un système de colonnes où l'air est séparé par distillation cryogénique, iv) on extrait un débit enrichi en oxygène et/ou un débit enrichi en azote du système de colonnes, et 30 y) on envoie de l'air de chacun des N compresseurs au système de colonnes, sans envoyer de l'air à la première pression à un surpresseur d'air entraîné par un moteur ou une turbine à vapeur, et vi) les N compresseurs étant chacun entraîné par un seul moteur, ces N moteurs étant asynchrones. Selon d'autres aspects facultatifs : - tout l'air envoyé au système de colonnes provient des N compresseurs. - N est égale à 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10. - les N compresseurs d'air envoient chacun au plus 100%/N de l'air qu'ils compriment au système de colonnes. - chacun des compresseurs envoie au moins 90% de son air au système de colonnes, voire à la même colonne du système de colonnes. - chacune des compresseurs produit de l'air à la même pression - chacun des compresseurs comprime le même débit - au moins deux des compresseurs compriment le même débit - seuls deux compresseurs compriment le même débit - chaque compresseur comprime un débit différent - au moins un compresseur comprime un débit différent de celui comprimé par un autre compresseur - au moins une partie du débit d'air de chaque compresseur est détendue avant d'être envoyée au système de colonnes. - chacun des moteurs est relié à un démarreur d'un type donné, le type de démarreur pour chaque moteur étant soit direct soit par réactance soit autotransformeur. - la puissance totale des N compresseurs est inférieure à 150MW. La compression des N débits d'air jusqu'à une première pression couvre le cas où la première pression est celle des débits comprimés mélangés, et au moins un compresseur comprime jusqu'à une pression finale qui diffère d'au plus 20%, voire d'au plus 10% de cette première pression. Ainsi le manque de pression d'un compresseur peut être compensé par une pression de sortie supérieure à la première pression d'un autre des N compresseurs. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, N compresseurs d'air reliés pour recevoir de l'air à la pression d'ambiante et conçus pour produire de l'air à une première pression supérieure à 12 bars abs, N étant au moins égal à 3, chacun des compresseurs étant entraîné par un seul moteur asynchrone, la puissance totale des compresseurs étant au moins égale à 10MW, une unité d'épuration pour épurer de l'air à la première pression provenant des N compresseurs, des conduites pour envoyer de l'air épuré de l'unité d'épuration au système de colonnes, une conduite pour soutirer un débit enrichi en azote du système de colonnes, une conduite pour soutirer un débit enrichi en oxygène du système de colonnes, l'appareil ne comprenant pas de moteur ou de turbine à vapeur entraînant un surpresseur d'air. Chacun des compresseurs peut comprendre au moins 4 étages. Chacun des compresseurs peut comprendre le même nombre d'étages. Eventuellement un des N compresseurs peut fournir une partie de son air ailleurs qu'au système de colonnes. De même le système de colonnes peut aussi recevoir de l'air d'un compresseur autre que les N compresseurs. Dans une variante, le système de colonne reçoit uniquement de l'air des N compresseurs et/ou les N compresseurs envoient tout leur air au système de colonnes. Un compresseur haute pression comprime de l'air à partir de la pression atmosphérique jusqu'à entre 12 et 35 bars absolus. Les N compresseurs peuvent être tous du même modèle, ce modèle étant de préférence prédéfini par le fabricant. Sinon au moins un des compresseurs peut être d'un modèle et au moins un autre peut être d'un autre modèle, le nombre total de modèles utilisés pour comprimer l'air de l'appareil ne dépassant pas 2 ou 3 ou 4 ou 5. Par combinaison de ces 3 à 10 compresseurs entre eux, sachant que pour chaque modèle, il y a une souplesse potentielle de l'ordre de 20% en débit et 30% en pression de sortie, l'ensemble de toutes les puissances nécessaires à n'importe quel besoin en terme de produit, débit, pression, pureté correspondant à une puissance entre environ 10 MW peut être couvert, en choisissant les éléments utilisés en aval des compresseurs, par exemple les turbines, les surpresseurs, les échangeurs, les pompes et les colonnes de distillation et en choisissant la façon de les connecter entre eux, de manière connue à l'homme de l'art. Par exemple un appareil peut être utilisé dans lequel tout l'air est comprimé à une seule haute pression, une partie de l'air à la haute pression est refroidi dans la ligne d'échange et le reste est comprimé dans un surpresseur et ensuite détendu dans une turbine entraînant le surpresseur, avant d'être envoyé à la distillation. D'autres variantes possibles comprennent l'usage d'une turbine d'air supplémentaire qui envoie l'air à l'atmosphère ou d'un surpresseur froid couplé à une turbine d'air destiné à la distillation. Pour la plupart des appareils de séparation d'air à construire dans le monde ou dans un pays donné, un même type de compresseur pourrait être utilisé, en termes de pression de sortie et débit d'air à comprimer. Selon l'appareil, un nombre plus ou moins grand d'un même compresseur pourraient être utilisé. Ceci permettrait de réduire les stocks de pièces de rechange, puisque les pièces pour u n compresseur d'un appareil serviront non seulement pour les autres compresseurs du même appareil mais aussi pour les compresseurs d'autres appareils. En positionnant juste devant les seuils technologiques de ces machines, juste en dessous de 25 MW par exemple, seulement des moteurs asynchrones peuvent être installés, ainsi permettant de gagner en fiabilité, ces machines étaient plus robustes que les moteurs synchrones. La puissance étant relativement moins importante, des démarrages directs, voire par réactance ou autotransformateur, des moteurs de ces machines peuvent être effectués au lieu de passer par des gradateurs ou démarreurs progressifs (en anglais « soft starter ») fort coûteux pour les moteurs de très grosses capacités. Les compresseurs peuvent être des compresseurs centrifuges ou axiaux. Des appareils selon l'invention vont être décrits en plus de détail en se référant aux figures qui montrent des dessins schématiques. Dans la Figure 1, une boîte froide BF d'appareil de séparation d'air contient un système de colonnes et un échangeur permettant de refroidir l'air à la température de distillation. L'air à distiller 7 a précédemment été épuré dans une unité d'épuration E pour enlever l'eau et le dioxyde de carbone. L'appareil produit au moins un produit 9 pouvant être de l'oxygène gazeux et/ou de l'azote gazeux et/ou de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon gazeux et/ou de l'argon liquide. L'air à la pression atmosphérique est comprimé dans trois compresseurs C1; C2; C3. Chacun de ces compresseurs a de préférence la même capacité. Chaque compresseur comprime l'air à la pression d'épuration, de préférence égale à au moins 12 bars abs, de préférence inférieure à 35 bars abs. Les trois débits d'air 1, 2,3 comprimé dans les compresseurs C1, C2, C3 sont réunis en un seul débit 6 et épurés ensemble dans l'unité E. Tout l'air envoyé à la boîte froide provient des compresseurs C1, C2, C3 et les compresseurs C1, C2, C3 envoient tout leur air 6 à la boîte froide BF. Chaque compresseur C 1 , C2, C3 est entraîné par un seul moteur asynchrone Ml, M2, M3. Chaque moteur Ml, M2, M3 a un démarreur D1, D2, D3 respectif, ces démarreurs étant du type direct (en anglais « direct online), réactance (en anglais « self ») ou autotransformeur. Aucun des moteurs n'est démarré par un démarreur progressif ou un gradateur, ce qui simplifie énormément l'installation. Chacun des compresseurs C1, C2, C3 comprend au moins 4 étages. La boîte froide, et donc les trois compresseurs, traitent de l'air pour produire au moins 4000 tonnes par jour d'oxygène. Ainsi chaque compresseur traite au moins 6666 tonnes par jour d'air. Les trois compresseurs sont entraînés par des moteurs de préférence à vitesse constante. La puissance totale des trois compresseurs est supérieure à 10MW. Les trois compresseurs peuvent traiter chacun le même débit, tous un débit différent, ou deux le même débit et le troisième un débit différent. Ici chaque compresseur comprime l'air à partir de la pression atmosphérique jusqu'à une même première pression ; or une certaine variation de pression peut être tolérée. Par exemple, un compresseur peut avoir une pression qui diffère au plus de 20% (voire au plus de 10%) de la pression du débit 6 formé en mélangeant les débit comprimés. Il sera facilement compris que l'invention peut s'étendre aux appareils ayant 25 quatre compresseurs, cinq compresseurs ou six compresseurs en parallèle. Le cas précis des cinq compresseurs est illustré dans la Figure 2. Dans la Figure 2, une boîte froide BF d'appareil de séparation d'air contient un système de colonnes et un échangeur permettant de refroidir l'air à la température de distillation. L'air à distiller 7 a précédemment été épuré dans une 30 unité d'épuration E pour enlever l'eau et le dioxyde de carbone. L'appareil produit au moins un produit 9 pouvant être de l'oxygène gazeux et/ou de l'azote gazeux et/ou de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon gazeux et/ou de l'argon liquide. L'air à la pression atmosphérique est comprimé dans cinq compresseurs Cl ; C2; C3, C4, C5, connectés en parallèle. Chacun de ces compresseurs a de préférence la même capacité. Chaque compresseur comprime l'air à la pression d'épuration, de préférence égale à au moins 12 bars abs, de préférence inférieure à 35 bars abs. Les cinq débits d'air 1, 2, 3, 4, 5 comprimé dans les compresseurs C1, C2, C3, C4, C5 sont réunis en un seul débit 6 et épurés ensemble dans l'unité E. Tout l'air envoyé à la boîte froide provient des compresseurs C1, C2, C3, C4, C5 et les compresseurs C1, C2, C3, C4, C5 envoient tout leur air à la boîte froide BF. Chacun des compresseurs C1, C2, C3, C4, C5 comprend au moins 4 étages. Chaque compresseur C1, C2, C3, C4, C5 est entraîné par un seul moteur asynchrone M1, M2, M3, M4, M5. Chaque moteur M1, M2, M3, M4, M5 a un démarreur D1, D2, D3, D4, D5 respectif, ces démarreurs étant du type direct (en anglais « direct online), réactance (en anglais « self ») ou autotransformeur. Aucun des moteurs n'est démarré par un démarreur progressif ou un gradateur, ce qui simplifie énormément l'installation. Les cinq compresseurs peuvent traiter chacun le même débit, chacun un débit différent ou il peut y avoir des paires de compresseurs ayant le même débit. La puissance totale des cinq compresseurs est supérieure à 10MW. La boîte froide, et donc les cinq compresseurs, traite de l'air pour produire au moins 4000 tonnes par jour d'oxygène. Ainsi chaque compresseur traite au moins 4000 tonnes par jour d'air. Les cinq compresseurs sont entraînés par des 25 moteurs de préférence à vitesse sensiblement constante. Ici chaque compresseur comprime l'air à partir de la pression atmosphérique jusqu'à une même première pression ; or une certaine variation de pression peut être tolérée. Par exemple, un compresseur peut avoir une pression qui diffère au plus de 20% (voire au plus de 10%) de la pression du débit 6 formé 30 en mélangeant les débits comprimés. Les appareils de séparation d'air selon l'invention peuvent comprendre un surpresseur d'air entraîné par une turbine d'air, par exemple envoyant l'air détendu à une colonne de la boîte froide, ou par une turbine d'azote. Par contre, les appareils ne comprennent pas de surpresseur d'air entraîné par une turbine à vapeur ou un moteur, car cela sous-entendrait une entrée d'énergie dans le système autrement que par envoi d'air comprimé des N compresseurs. Des compresseurs de produits, pour l'oxygène ou l'azote, peuvent par contre être utilisés, ceux-ci étant entraînés par exemple par des moteurs. De manière générale, l'invention s'applique à des procédés où la puissance totale des compresseurs est inférieure à 150MW.10 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie N débits d'air à environ la pression ambiante chacun à un des N compresseurs d'air (C1, C2, C3, C4, C5), ii) chacun des N compresseurs comprime l'air à une première pression supérieure à 12 bars abs et inférieure à 35 bars absolus, N étant égal ou 10 supérieure à 3 et la puissance totale des N compresseurs étant supérieure à 10MW, iii) on envoie l'air à la première pression des N compresseurs à une unité d'épuration pour éliminer l'eau et le dioxyde de carbone et on refroidit l'air épuré avant de l'envoyer à un système de colonnes où l'air est séparé par distillation 15 cryogénique, iv) on extrait un débit enrichi en oxygène et/ou un débit enrichi en azote du système de colonnes, et y) on envoie de l'air de chacun des N compresseurs au système de colonnes, sans envoyer de l'air à la première pression à un surpresseur d'air 20 entraîné par un moteur ou une turbine à vapeur, et vi) les N compresseurs étant chacun entraîné par un seul moteur, ces N moteurs (M1, M2, M3, M4, M5) étant asynchrones. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout l'air envoyé au 25 système de colonnes provient des N compresseurs (C1, C2, C3, C4, C5), 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel N est égale à 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10. 30 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel N compresseurs d'air (C1, C2, C3, C4, C5) envoient chacun au plus 100`)/0/N de l'air qu'ils compriment au système de colonnes. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel chacun des compresseurs (C1, C2, C3, C4, C5) envoie au moins 90% de son air au système de colonnes, voire à la même colonne du système de colonnes. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du débit d'air de chaque compresseur (C1, C2, C3, C4, C5), est détendue avant d'être envoyée au système de colonnes. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel chacun des moteurs (M1, M2, M3, M4, M5) est relié à un démarreur (D1, D2, D3, D4, D5) d'un type donné, le type de démarreur pour chaque moteur étant soit direct soit par réactance soit autotransformeur. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la puissance totale des N compresseurs (C1, C2, C3, C4, C5), est inférieure à 150MW. 9. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, N compresseurs d'air (C1, C2, C3, C4, C5), reliés pour recevoir de l'air à la pression d'ambiante et conçus pour produire de l'air à une première pression supérieure à 12 bars abs, N étant au moins égal à 3, chacun des compresseurs étant entraîné par un seul moteur asynchrone (M1, M2, M3, M4, M5), la puissance totale des N compresseurs étant au moins égale à 10MW, une unité d'épuration pour épurer de l'air à la première pression provenant des N compresseurs, des conduites pour envoyer de l'air épuré de l'unité d'épuration au système de colonnes, une conduite pour soutirer un débit enrichi en azote du système de colonnes, une conduite pour soutirer un débit enrichi en oxygène du système de colonnes, l'appareil ne comprenant pas de moteur ou de turbine à vapeur entraînant un surpresseur d'air. 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel chacun des compresseurs (C1, C2, C3, C4, C5), comprend au moins 4 étages.