Brevet FR3049979A1 — publié le 20171013

« Train de machines pour produire de l'acide nitrique » La présente invention est relative à un train de machines pour produire de l'acide nitrique selon le procédé à deux pressions, dans lequel la combustion de l'ammoniac employé est réalisée à une première pression basse en utilisant de l'air de traitement comprimé et le gaz nitreux formé lors de la combustion est au moins partiellement absorbé par de l'eau à une seconde pression comparativement plus élevée que la première pression, avec comme conséquence que de l'acide nitrique est créé, et le gaz résiduel qui n'est pas absorbé est dilaté dans un dilatateur de gaz résiduel de la seconde pression à la pression ambiante dans le but d'extraire un travail de compresseur. Les substances et les mélanges de substances et les équations de réaction employés pour produire de l'acide nitrique sont décrits 15 dans le document EP 0 945 400 B1. Une étape essentielle du procédé consiste en ce que de l'oxygène de l'air requis pour une réaction chimique est fourni. A cette fin, de l'air de traitement est comprimé et amené à une pression élevée. Pour produire l'acide nitrique il est nécessaire, entre autres choses, que du dioxyde d'azote (NO2) réagisse 20 chimiquement avec de l'eau (H2O) et de l'oxygène (02). Pour que cette réaction chimique soit efficace, le dioxyde d'azote devra être disponible à une pression plus élevée. De préférence, cette pression se situera entre 4 bars et 14 bars. Des usines de production d'acide nitrique à train unique sont 25 connues, et ont une capacité comprise entre 100 t et 1000 t de production quotidienne d'acide nitrique. Les usines de production d'acide nitrique à train unique, qui fonctionnent suivant le procédé à deux pressions, sont conçues selon la manière décrite dans la suite. Un train unique est formé comme un train à rotor unique, dans lequel une 30 turbine à vapeur sur le premier côté entraîne le train et un dilatateur de gaz partiel (dilatateur axial) est agencé de l'autre côté du train, qui est pareillement conçu pour entraîner la totalité du train. 3049979 - 2 - Un compresseur de NO ou compresseur de gaz nitreux (compresseur radial) est connecté d'un côté à la turbine à vapeur, et de l'autre côté à un compresseur d'air (compresseur axial), d'une manière rotativement fixe, et le compresseur d'air (compresseur axial) 5 est connecté à un dilatateur de gaz partiel (dilatateur axial) de l'autre côté d'une manière rotativement fixe. Ces usines de production d'acide nitrique de conception à train unique présentent l'inconvénient que les compresseurs de gaz nitreux et les compresseurs d'air utilisés avec de tels agencements de train 10 dans le passé, présentent des vitesses de rotation différentes pour leur fonctionnement optimal, de sorte qu'un engrenage pourvu de couplages doit être agencé entre le compresseur de gaz nitreux et le compresseur d'air, engendrant une longueur axiale relativement grande. En outre, l'engrenage lui-même engendre des pertes, ce qui diminue encore davantage le rendement global du train. L'agencement d'un engrenage entre la partie du train fonctionnant rapidement (la turbine à vapeur et le compresseur de gaz nitreux) et la partie du train fonctionnant lentement (le compresseur d'air et le dilatateur) est actuellement rendue nécessaire étant donné que pour des raisons de conception, le compresseur d'air (compresseur axial) ne peut pas atteindre les vitesses de rotation élevées qui sont considérées comme étant optimales pour la turbine à vapeur et le compresseur de gaz nitreux (compresseur radial). Une conception d'une usine pour produire de l'acide nitrique qui est fondamentalement distincte du train de machines mentionné ci- dessus, est décrite dans le document EP 0 945 400 B1, dans lequel cette usine de production d'acide nitrique fonctionne également selon le procédé à deux pressions. Une caractéristique substantielle de cette usine de production d'acide nitrique est que le compresseur d'air, le compresseur de gaz nitreux et le dilatateur de gaz partiel sont combinés dans une machine à engrenage et forment donc un turbocompresseur radial à arbres multiples. Les usines conçues suivant ce principe de construction présentent cependant l'inconvénient, d'une 3049979 - 3 - part qu'il existe à nouveau un engrenage affecté par des pertes, et d'autre part que la hauteur structurelle de la machine à engrenage est relativement importante en raison de la grande roue. Il existe par conséquent un besoin de trains de machines pour 5 produire de l'acide nitrique, qui peuvent être exploités plus efficacement et par conséquent avec moins de pertes. Il existe en outre un besoin de réduire l'encombrement d'un tel train de machines, dans le but d'être capable d'installer celui-ci à l'intérieur de bâtiments aux dimensions plus petites avec une longueur et une hauteur 10 réduites. A partir de ce constat, l'invention est basée sur l'objet qui consiste à créer un nouveau type de train de machines pour produire de l'acide nitrique. 15 Le train de machines pour produire de l'acide nitrique selon l'invention comprend une turbine à vapeur pourvue d'un rotor de turbine à vapeur, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n10, un premier compresseur pourvu d'un premier rotor de compresseur, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n20, 20 un deuxième compresseur pourvu d'un deuxième rotor de compresseur, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n30 et un dilatateur pourvu d'un rotor de dilatateur, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n40. La turbine à vapeur est conçue comme une unité d'entraînement 25 pour le premier compresseur et son rotor est connecté de façon opérationnelle au rotor du premier compresseur par l'intermédiaire d'un premier couplage. Le rotor du premier compresseur est connecté de façon opérationnelle au rotor du deuxième compresseur par l'intermédiaire 30 d'un deuxième couplage et entraîne le deuxième compresseur. Le dilatateur est conçu comme une unité d'entraînement pour le deuxième compresseur et son rotor est connecté de façon 3049979 - 4 - opérationnelle au rotor du deuxième compresseur par l'intermédiaire d'un troisième couplage. Pendant le fonctionnement du dispositif, les vitesses de rotation n10 de la turbine à vapeur, les vitesses de rotation n20 du premier 5 compresseur, les vitesses de rotation n30 du deuxième compresseur et les vitesses de rotation n40 du dilatateur sont toujours identiques étant donné qu'aucun engrenage pour ralentir ou accélérer la transmission des vitesses de rotation respective n'est agencé entre aucune des machines mentionnées ci-dessus du train de machines. 10 Le premier compresseur peut être conçu comme un compresseur radial (à étage unique ou multi-étage) et le deuxième compresseur peut être conçu comme un compresseur axial multiétage. Les composants de machines du train de machines selon 15 l'invention ont une seule vitesse de rotation commune du train, aucun engrenage et aussi moins de couplages que les agencements connus de la technique antérieure, dans lesquels en particulier le compresseur d'air (deuxième compresseur) utilisé pour réaliser la présente invention a une influence essentielle pour obtenir la vitesse de rotation 20 commune du train. La conception du compresseur d'air permet d'augmenter la vitesse de rotation de 30 % à 40 % comparativement aux compresseurs d'air de la technique antérieure, avec comme conséquence que la conception du dilatateur utilisé avec l'invention est aussi influencée positivement dans la mesure où, en raison de la 25 vitesse de rotation plus élevée, même des types de dilatateur plus petits sont suffisants pour générer la puissance d'entraînement souhaitée par le dilatateur. Au cours des considérations pour imaginer un nouveau concept de train de machines pour produire de l'acide nitrique, on a maintenant 30 constaté que selon les principes d'agencement antérieurs, la conception optimale pour la totalité du train de machines et pour ses composants de machines individuels n'est pas atteinte, en particulier 3049979 - 5 - sur le plan de leurs rendements, de l'ensemble de l'espace d'installation et des coûts. En analysant en particulier les composants de machine individuels, on a constaté que par l'omission d'un engrenage entre le 5 premier et le deuxième compresseurs (agencement selon la technique antérieure), d'une part les coûts des engrenages sont éliminés, et d'autre part l'espace d'installation peut être grandement réduit et donc le train de machines peut être configuré d'une manière sensiblement plus efficace. 10 Au cours de cette analyse, on a constaté que l'omission des engrenages ne peut pas être réalisée sans prendre des mesures supplémentaires par rapport à la configuration des composants de machine individuels du train de machines, pour les composants de machine du train de machines utilisé dans le passé qui ne présentent 15 pas de plages de vitesse de rotation optimale uniformes, qui est nécessaire pour supprimer les engrenages. Selon l'invention, le deuxième compresseur qui est de préférence conçu comme un compresseur d'air est maintenant conçu par rapport à sa vitesse de rotation optimisée de telle sorte que 20 pendant le fonctionnement du train de machines, les vitesses de rotation n10 de la turbine à vapeur, les vitesses de rotation n20 du premier compresseur, les vitesses de rotation n30 du deuxième compresseur et les vitesses de rotation n40 du dilatateur soient égales. 25 Des modes de réalisation illustratifs de l'invention sont décrits au moyen de la description et des figures. Des composants désignés par les mêmes repères numériques remplissent la même fonction. La Figure 1 est une représentation schématique d'un train de machines pour produire de l'acide nitrique selon l'état de la technique. 30 La Figure 2 est une représentation schématique d'un train de machines selon l'invention pour produire de l'acide nitrique. Le document EP 0 945 400 B1 décrit le procédé pour produire de l'acide nitrique. En outre, une usine pour produire de l'oxyde nitrique 3049979 - 6 - est décrite dans cette publication de brevet et, en plus de cela, des équations de réactions chimiques substantielles qui sont appliquées pendant la production d'acide nitrique sont montrées. La description des figures est relative en particulier aux unités 5 de compresseur requises. Par rapport à des séquences de procédé individuelles, il est fait référence au document EP 0 945 400 B1. Le train de machines selon l'invention pour produire de l'acide nitrique est montré de façon schématique dans la Figure 1. Le train de machines 1 pour produire de l'acide nitrique comprend une turbine à 10 vapeur 10 pourvue d'un rotor de turbine à vapeur 11, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n10, un premier compresseur 20 pourvu d'un premier rotor de compresseur 21, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n20, un deuxième compresseur 30 pourvu d'un deuxième rotor de compresseur 31, qui est conçu pour 15 tourner à une vitesse de rotation n30, un dilatateur 40 pourvu d'un rotor de dilatateur 41, qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n40. La turbine à vapeur 10 est conçue comme une unité d'entraînement pour le premier compresseur 20 et son rotor 11 est 20 connecté de façon opérationnelle au rotor 21 du premier compresseur 20 par l'intermédiaire d'un premier couplage K1. Le rotor 21 du premier compresseur 20 est connecté de façon opérationnelle au rotor 31 du deuxième compresseur 30 par l'intermédiaire d'un deuxième couplage K2 et entraîne le deuxième 25 compresseur 30. Le dilatateur 40 est conçu comme une unité d'entraînement pour le deuxième compresseur 30 et son rotor 41 est connecté de façon opérationnelle au rotor 31 du deuxième compresseur par l'intermédiaire d'un troisième couplage K3. 30 Le deuxième compresseur 30 est conçu par rapport à sa vitesse de rotation optimisée en rendement n30 de telle manière que pendant le fonctionnement du train de machines 1, les vitesses de rotation n10 de la turbine à vapeur 10, les vitesses de rotation n20 du premier 3049979 - 7 - compresseur 20, les vitesses de rotation n30 du deuxième compresseur 30 et les vitesses de rotation n40 du dilatateur 40 soient égales. Dans un développement supplémentaire préféré de l'invention, 5 le premier compresseur est conçu comme un compresseur radial et le deuxième compresseur comme un compresseur axial. REVENDICATIONS1. Train de machines (1) pour produire de l'acide nitrique, comprenant : une turbine à vapeur (10) pourvue d'un rotor de turbine à vapeur (11), qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n10, un premier compresseur (20) pourvu d'un premier rotor de compresseur (21), qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n20, un deuxième compresseur (30) pourvu d'un deuxième rotor de compresseur (31), qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n30, un dilatateur (40) pourvu d'un rotor de dilatateur (41), qui est conçu pour tourner à une vitesse de rotation n40, dans lequel la turbine à vapeur (10) est conçue comme une unité d'entraînement pour le premier compresseur (20) et le rotor (11) de celle-ci est connecté de façon opérationnelle au rotor (21) du premier compresseur (20) par l'intermédiaire d'un premier couplage (K1), dans lequel le rotor (21) du premier compresseur (20) est connecté de façon opérationnelle au rotor (31) du deuxième compresseur (30) par l'intermédiaire d'un deuxième couplage (K2) et entraîne le deuxième compresseur (30), dans lequel le dilatateur (40) est conçu comme une unité d'entraînement pour le deuxième compresseur (30) et le rotor (41) de celui-ci est connecté de façon opérationnelle au rotor (31) du deuxième compresseur par l'intermédiaire d'un troisième couplage (K3), caractérisé en ce que: grâce à la vitesse de rotation optimisée en rendement n30 du deuxième compresseur,pendant le fonctionnement du train de machines (1), les vitesses de rotation n10 de la turbine à vapeur (10), les vitesses de rotation n20 du premier compresseur (20), les vitesses 3049979 - 10 - de rotation n30 du deuxième compresseur (30) et les vitesses de rotation n40 du dilatateur (40) soient égales. 2. Train de machines selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier compresseur (20) est un compresseur radial. 5 3. Train de machines selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième compresseur (30) est un compresseur axial.