Brevet FR3058785A1 — publié le 20180518

La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique mettant en oeuvre la détente d'un gaz. La détente d'un gaz dans une turbine cryogénique est parfois le point qui limite en efficacité énergétique le procédé de séparation d'air mis en oeuvre. Par exemple, les performances de certains procédés peuvent être améliorées si la température d'aspiration de la turbine est refroidie. La limitation est liée au processus de détente du gaz dans la turbine : Il est connu et décrit que la génération du travail, égale à la chute enthalpique du fluide entre l'entrée et la sortie de la turbine, et liée à la détente quasi isentropique du gaz se fait en deux phases : - Une phase de mise en vitesse quasi isentropique lors du passage au travers des 15 aubages, - Une phase de passage au travers de la roue de détente centripète Il est communément admis que la répartition de la chute enthalpique est - 50% dans la première phase - 50% dans la deuxième phase : cette valeur est définie comme étant le taux de 20 réaction RR de la turbine Après son passage au travers les diffuseurs, le gaz entrant aura, par rapport à ses conditions d'entrée : - Une enthalpie plus basse - Une pression statique plus basse 25 - Une température plus basse Et se rapproche donc de sa température de rosée sous sa pression statique, c'est-à-dire celle à laquelle a lieu l'apparition de la première goutte de liquide. L'état de l'art communément décrit est d'éviter l'apparition de gouttelettes de liquide en entrée de la roue de détente, pour éviter la détérioration mécanique de la roue de détente. 30 A cette fin, l'état de l'art recommande donc de limiter en température basse le gaz entrant dans la turbine. De façon conservative, il est recommandé d'évaluer l'état du gaz en entrée de roue, et d'éviter qu'il s'y trouve dans le domaine diphasique. Le conservatisme 3058785 2 réside dans le fait que la mise à l'équilibre thermodynamique est retardée par les fortes vitesses du gaz à l'interface aubages/ roue. On peut donc avantageusement tirer parti de ce retard à l'équilibre pour abaisser encore plus la température de gaz en entrée de la turbine sans que cela ne conduise à une 5 formation de gouttelettes, ce qui favorisera certains procédés de séparation d'air. Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes , de l'air comprimé, épuré en dioxyde de carbone et en eau et refroidi destiné à la distillation dans le système de colonnes est détendu à partir d'une pression d'entrée Pin (bar a) supérieure à 2 bars abs, d'une température d'entrée Tin (°C) inférieure à 0°C, d'une enthalpie 10 résultante d'entrée HIN (kcal/h/Nm3), dans une turbine de détente centripète avec génération de travail extérieur, pour obtenir de l'air détendu à la pression de sortie Pout, à la température de sortie Tout, et à l'enthalpie de sortie HOUT La détente isentropique du gaz aux conditions Pin, Tin, HIN , jusqu'à la pression Pout génère une chute d'enthalpie isentropique 3,His. Les conditions sont choisies de sorte qu'une détente isentropique du gaz entrant aux conditions Pin, Tin, HIN, jusqu'à une pression supérieure à Pout et générant une chute d'enthalpie égale à 3,His * RR où 0.5 Dans la Figure 1, un débit d'air représentant tout ou partie du débit d'air total à distiller, est comprimé dans un compresseur 1 pour former un débit comprimé 10 qui est séparé en trois. Le compresseur 1 peut être de type multi-étagé, avec ou sans réfrigérant intermédiaire, et comporte généralement un réfrigérant final (non montré) pour amener le gaz comprimé à une température généralement comprise entre 15 et 50°C Une partie 16 est surpressée par un surpresseur 2, éventuellement refroidie dans un réfrigérant final à eau (non montré) puis refroidie dans l'échangeur de chaleur 9 jusqu'au bout froid, d'où elle sort (pseudo) liquéfiée et est ensuite éventuellement envoyée à une turbine 6. Une autre partie 14 est refroidie dans l'échangeur de chaleur 9 sans avoir été surpressée, détendue dans une turbine 3 à une température intermédiaire de l'échangeur et envoyée à la colonne moyenne pression 8 d'une double colonne de séparation d'air. La troisième partie 12 se refroidit dans l'échangeur jusqu'à une température intermédiaire, est surpressée dans un surpresseur 4 et renvoyée à un point intermédiaire de l'échangeur jusqu'au bout froid où elle se (pseudo) liquéfie. Elle est ensuite éventuellement détendue dans une turbine 5 et envoyée à la colonne moyenne pression 8. 3058785 4 Un débit d'oxygène liquide est soutiré de la colonne basse pression de la double colonne, pressurisé dans une pompe P et vaporisé pour former un débit 34 dans l'échangeur 9. De l'azote gazeux de la colonne basse pression se réchauffe dans l'échangeur 9 pour former un débit 32. 5 La turbine3 a une pression d'entrée Pin, une température d'entrée Tin et une enthalpie d'entrée Hin, et une pression de sortie Pout. Les conditions sont choisies de sorte qu'une détente isentropique du gaz entrant aux conditions Pin, Tin, Hin, jusqu'à la pression Pout génère une chute d'enthalpie AHis ,et qu'une détente isentropique à partir du gaz entrant aux conditions Pin, Tin, Hin jusqu'à une pression supérieure à Pout générant une chute 10 d'enthalpie égale à AHis * RR où 0.5 REVENDICATIONS1) Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes (8,18) , mettant en oeuvre la détente d'un gaz de composition connue (14,32), le gaz provenant de ou étant destiné au système de colonnes, le gaz étant détendu à partir d'une pression d'entrée Pin supérieure à 2 bars abs, d'une température d'entrée Tin inférieure à 0°C, d'une enthalpie résultante d'entrée Eln, , dans une turbine de détente centripète (3,28) avec génération de travail extérieur, pour obtenir un gaz détendu à la pression de sortie Pout, à la température de sortie Tout, et à l'enthalpie de sortie Hour caractérisé en ce que i) La détente isentropique du gaz aux conditions P., Til, , Hm, jusqu'à la pression Pout génère une chute d' enthalpie isentropique 3,His et ii) Une détente isentropique du gaz entrant aux conditions P., Tin, H., jusqu'à une pression supérieure à Pout et générant une chute d'enthalpie égale à 3,His * RR où 0.5 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fraction molaire liquide générée dans la turbine (3,28) est comprise entre 1 et 20%. 3) Procédé selon la revendication 2 dans lequel la fraction molaire liquide générée dans la turbine (3,28) est comprise entre 8 et 15%. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz de composition connue (14) est de l'air comprimé, épuré en dioxyde de carbone et en eau et refroidi et le gaz détendu dans la turbine est envoyé à au moins une colonne (8) du système de colonnes. 5) Procédé selon la revendication 4 dans lequel la turbine de détente (3,28) détend de l'air destiné à la colonne opérant à la plus haute pression (8) du système de colonnes. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le gaz de composition connue est de l'azote gazeux (32) provenant d'une colonne (8,18) du système de colonnes. 3058785 7 7) Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'azote gazeux (32) provient de la colonne (8) opérant à la pression la plus haute du système de colonnes. 5 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit enrichi en oxygène provenant du système de colonnes (8,18) est pressurisé et se vaporise dans un échangeur de chaleur (9) où se refroidit le gaz (14,32) destiné à la turbine de détente (3,28).