Brevet FR3069915A1 — publié le 20190208

I La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique. Elle concerne en particulier les appareils utilisant un surpresseur d'air d'alimentation alimenté par de l'air provenant d'un niveau intermédiaire d'un échangeur principal de refroidissement d'air d'alimentation, donc à une température inférieure à 0°C. Cet air est ensuite surpressé dans le surpresseur et renvoyé à l'échangeur principal avant d'être envoyé à une colonne de distillation cryogénique. Lorsque la différence de pression entre l'entrée et la sortie d'un compresseur devient trop élevée, des instabilités que l'on appelle décollements apparaissent au niveau des aubes du compresseur. Le décrochage aérodynamique ne permet plus de pousser l'air dans le bon sens, et la partie « haute pression » du compresseur (la sortie) se vide dans sa partie « basse pression » (l'entrée). Dans certains cas extrêmes, une inversion du sens d'écoulement peut même se produire. Ces grandes fluctuations de débit portent le nom de pompage, en raison de la nature de ce phénomène d'instabilité aérodynamique, qui donne naissance à des ondes longitudinales. Si, en augmentant la vitesse de rotation, la différence de pression entre l'entrée et la sortie d'un compresseur augmente, cette augmentation de pression est limitée par ce phénomène de pompage. Lorsque le rapport de compression dépasse une valeur critique, le pompage apparaît et l'augmentation de la vitesse de rotation du compresseur n'influera presque plus sur le rapport de compression. Si ce phénomène nivelle les performances des compresseurs, il est également parfois très destructeur pour les compresseurs. Généralement quand l'approche du pompage est détectée, on renvoie une partie de l'air comprimé dans le compresseur en amont du compresseur après réfrigération suivie de détente dans une vanne. 2 Dans le cas d'un surpresseur froid, dans un but de réduire les coûts, il est souhaitable de supprimer le réfrigérant en aval de la surpression et en amont de l'échangeur de chaleur. On pourrait envisager de renvoyer l'air surpressé dans le surpresseur froid à 5 la propre aspiration en cas de pompage et de refroidir l'air surpressé à renvoyer à l'aspiration dans des passages dédiés de l'échangeur de chaleur, mais cette solution risque de coûter cher en compliquant l'échangeur. La présente invention permet de résoudre le problème en ouvrant une vanne vers une turbine en aval du compresseur, afin d'augmenter le débit dans le 10 compresseur et ainsi sortir de la zone de pompage. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un compresseur d'air pour comprimer tout l'air à distiller, un surpresseur d'air pour comprimer au moins une partie de l'air à distiller, une turbine de détente pour recevoir de l'air comprimé provenant du 15 compresseur et éventuellement du surpresseur d'air, un système de colonnes de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur à l'échangeur de chaleur ayant deux extrémités, des moyens pour prélever de l'air refroidi à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur entre les deux extrémités et pour envoyer 20 au surpresseur, des moyens pour envoyer de l'air surpressé du surpresseur à l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur à la turbine, des moyens pour envoyer de l'air détendu dans la turbine au système de colonnes, des moyens pour soutirer du système de colonnes un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote, ces moyens étant reliés à 25 l'échangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détendre l'air surpressé dans le surpresseur, en ce qu'il ne comprend aucun moyen de refroidissement entre le refoulement du surpresseur et les moyens pour détendre l'air surpressé et en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer de l'air, surpressé dans le surpresseur et détendu par les moyens de détente, en amont ou 30 en aval de la turbine, sans avoir été refroidi dans l'échangeur de chaleur après avoir été surpressé. 3 Selon d'autres aspects facultatifs : - l'appareil comprend des moyens pour détecter la perte de charge ou le débit entre deux points du surpresseur ainsi que des moyens pour ouvrir les moyens de détente, par exemple une vanne, pour envoyer l'air surpressé en 5 amont ou en aval de la turbine sans passer par l'échangeur de chaleur en fonction de la perte de charge ou du débit du surpresseur. - le surpresseur est relié à l'entrée de la turbine de sorte que l'air surpressé puisse se détendre au moins en partie dans la turbine. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation 10 d'air par distillation cryogénique dans lequel on comprime tout l'air à distiller dans un compresseur d'air, on surpresse au moins une partie de l'air à distiller comprimé dans le compresseur d'air dans un surpresseur d'air, on détend dans au moins une turbine de détente de l'air comprimé provenant du compresseur et éventuellement du surpresseur d'air, on sépare de l'air comprimé refroidi dans un 15 échangeur de chaleur dans un système de colonnes de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne, on prélève de l'air refroidi à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur entre ses deux extrémités pour envoyer au surpresseur, on envoie de l'air surpressé du surpresseur à l'échangeur de chaleur, on envoie de l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur à la turbine, on envoie de 20 l'air détendu dans la turbine au système de colonnes, on soutire du système de colonnes un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote et on réchauffe ces débits dans l'échangeur de chaleur caractérisé en ce que si la perte de charge entre deux points du surpresseur passe en dessous d'un seuil et/ou un débit du surpresseur passe en dessous d'un débit minimal du surpresseur, on détend une 25 partie de l'air surpressé dans le surpresseur sans l'avoir refroidi entre le surpresseur et la détente et on envoie l'air surpressé détendu en amont ou en aval de l'au moins une turbine, sans avoir été refroidi dans l'échangeur de chaleur après avoir été surpressé. Selon d'autres aspects facultatifs : 30 - si, de préférence uniquement si, la perte de charge entre les deux points est au dessus du seuil et/ou un débit du surpresseur passe (au dessus du débit 4 minimal du surpresseur, on envoie tout l'air du surpresseur à l'échangeur de chaleur pour se refroidir. - si la perte de charge entre les deux points du surpresseur passe en-dessous du seuil et/ou un débit du surpresseur passe en dessous du débit minimal 5 du surpresseur), on n'envoie aucune partie de l'air surpressé en amont du surpresseur. - de l'air surpressé et détendu est détendu dans la turbine si la perte de charge entre les deux points du surpresseur passe en dessous du seuil (et/ou un débit du surpresseur passe en dessous du débit minimal du surpresseur et de 10 préférence aucun débit d'air provenant du surpresseur n'est détendu dans la turbine si la perte de charge entre les deux points du surpresseur est au-dessus du seuil et/ou un débit du surpresseur passe au-dessus du débit minimal. - si la perte de charge entre les deux points du surpresseur passe en dessous du seuil (et/ou un débit du surpresseur passe en dessous du débit 15 minimal), l'air surpressé est détendu jusqu'à la pression d'une colonne du système de colonnes, est mélangé avec l'air provenant de la turbine et est envoyé à la colonne. - le procédé de séparation s'effectue dans un appareil de séparation par distillation cryogénique. 20 - si la perte de charge entre les deux points du surpresseur est au-dessus du seuil ou débit du surpresseur est au-dessus du débit minimal, on envoie tout l'air surpressé se refroidir dans l'échangeur de chaleur. - l'air surpressé détendu envoyé à la turbine est envoyé à une turbine couplée au surpresseur dont provient l'air. 25 - l'air surpressé détendu envoyé à la turbine est envoyé à une turbine recevant de l'air, voire tout l'air qu'elle détend, du surpresseur. - la turbine reçoit de l'air du surpresseur uniquement dans le cas où la perte de charge entre les deux points du surpresseur est en dessous du seuil. - si la perte de charge entre deux points du surpresseur passe en dessous 30 d'un seuil et/ou un débit du surpresseur passe en dessous d'un débit minimal du 5 surpresseur, on détend une partie de l'air surpressé dans le surpresseur dans des moyens de détente autre qu'une turbine. - si la perte de charge entre deux points du surpresseur passe en dessous d'un seuil et/ou un débit du surpresseur passe en dessous d'un débit minimal du 5 surpresseur, on détend une partie de l'air surpressé dans le surpresseur dans une vanne. - si la perte de charge entre deux points du surpresseur passe en dessous d'un seuil et/ou un débit du surpresseur passe en dessous d'un débit minimal du surpresseur, on détend une partie de l'air surpressé dans le surpresseur jusqu'à 10 une pression d'entrée ou de sortie d'une turbine de l'appareil, voire jusqu'à la pression d'une colonne de l'appareil. - le surpresseur d'air a une température d'entrée entre 0°C et -180°C, voire entre -60°C et -180°C. L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui 15 illustre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique selon l'invention. L'appareil comprenant un système de colonnes comprenant une colonne opérant à une première pression KI et une colonne opérant à une deuxième pression K2 inférieure à la deuxième pression. Les colonnes sont reliées thermiquement à travers un rebouilleur de cuve de la deuxième colonne chauffé 20 par de l'azote de tête de la première colonne. Des débits de reflux non-illustrés enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la colonne K1 à la colonne K2. De l'oxygène liquide 31 est soutiré en cuve de la deuxième colonne K2 et de l'azote gazeux 33 est soutiré en tête de la deuxième colonne. De l'azote liquide LIN est envoyé en tête de la deuxième colonne par certaines phases pour aider à 25 tenir le procédé en froid. Un fluide riche en oxygène est envoyé se réchauffer à l'échangeur E, par exemple 'oxygène liquide 31 peut se vaporiser dans l'échangeur de chaleur E. Un fluide riche en azote est envoyé se réchauffer à l'échangeur E. L'appareil comprend une première turbine de détente d'air TI , une deuxième 30 turbine de détente d'air T2, un premier surpresseur d'air Cl couplé à la première turbine et un deuxième surpresseur d'air 02 couplé à la deuxième turbine. 6 L'air comprimé 1 à une pression P provenant d'un autre compresseur (non-illustré) est divisé en deux fractions, dont une première fraction 3 est envoyée à l'échangeur de chaleur E sans avoir été comprimé à une pression au-delà de la pression P. Une deuxième fraction 5 est envoyée au premier surpresseur Cl où 5 elle est comprimée à une pression supérieure à celle (P) de la première fraction 3. La sortie du premier surpresseur Cl est reliée à l'entrée de ce surpresseur par une conduite 25 à travers une vanne V8. Selon une première variante, la première fraction 3 est refroidie dans l'échangeur de chaleur E jusqu' à une température intermédiaire de celui-ci et 10 n'ayant pas été comprimée dans le premier surpresseur est envoyée vers la première et la deuxième turbines à travers le clapet ouvert CL3 et les vannes ouvertes V5, V13, V4, V19. La deuxième fraction 5 se refroidit dans l'échangeur de chaleur E jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci après avoir été comprimée dans le premier 15 surpresseur Cl. Ensuite elle est envoyée vers le deuxième surpresseur 02. En marche normale, l'air détendu provenant des première et deuxième turbines est envoyé à la première colonne K1 pour être séparé à travers les vannes V6, V15, V11 et la conduite 13. La deuxième fraction 5 est comprimée dans le deuxième surpresseur 02, passe par le clapet ouvert CL1 et ensuite se 20 refroidit dans l'échangeur de chaleur avant d'être envoyé sous forme liquide à la première colonne K1 à travers la vanne V9. Les vannes V2 et V3 sont fermées. Si le surpresseur Cl s'approche de son point de pompage, une partie de l'air surpressé est prise après refroidissement dans un refroidisseur en aval du surpresseur, détendue par la vanne V8 et renvoyée à l'aspiration du 25 surpresseur Cl . Si le surpresseur C2, alimenté par de l'air 19 provenant d'un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur E, s'approche de son point de pompage, aucune partie de l'air surpressé dans le surpresseur C2 n'est envoyée à l'aspiration du surpresseur C2. Le surpresseur C2 n'a pas de réfrigérant en aval du 30 surpresseur. Si le débit surpressé en C2 passe en dessous d'un seuil indiquant que le point de pompage est proche, une partie de l'air surpressé est envoyée par 7 la conduite 23, détendue dans la vanne V3 et arrive à l'aspiration de la turbine T2 pour y être détendue et envoyée à la distillation. Le seuil de détection de l'approche du point de pompage est défini en définissant un seuil de perte de charge entre deux points du surpresseur à ne pas 5 dépasser. Tant que la perte de charge reste en dessous du seuil, on envoie tout l'air surpressé à l'échangeur de chaleur pour y liquéfier. Une fois que la perte de charge a atteint le seuil, on ouvre la vanne permettant à l'air de passer vers la turbine. Le reste de l'air surpressé est renvoyé à l'échangeur de chaleur E à travers le 10 clapet CL1 et se liquéfie au moins partiellement dans l'échangeur avant d'être détendu dans la vanne V9 et envoyé à la colonne K1. Alternativement, la partie de l'air envoyée à l'entrée de la turbine T2 peut être envoyée à la sortie de celle-ci arrivant dans la conduite 17. Dans ce cas, la vanne de détente de l'air détendra cette partie de l'air jusqu' à une pression légèrement 15 au-dessus de la pression de la colonne Kl. Il est également possible d'envoyer la partie de l'air non pas vers la turbine T2 mais vers l'entrée ou la sortie de la turbine T1. L'air peut même être envoyé aux deux turbines T1, T2, aux entrées des deux, aux sorties des deux ou à l'entrée d'une et à la sortie de l'autre. 20 Selon une deuxième variante, la première fraction 3 est sortie d'un échangeur de chaleur à une température intermédiaire de celui-ci et n'ayant pas été comprimée dans le premier surpresseur est envoyée vers le deuxième surpresseur C2. La deuxième fraction 5 se refroidit dans l'échangeur de chaleur jusqu'à une 25 température intermédiaire de celui-ci après avoir été comprimée dans le premier surpresseur C1. Ensuite elle est envoyée vers la première et la deuxième turbines. Dans ce cas aussi si le surpresseur C2, alimenté par de l'air 19 provenant d'un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur E, s'approche de son point de pompage, aucune partie de l'air surpressé dans le surpresseur C2 n'est envoyée à 30 l'aspiration du surpresseur C2. Le surpresseur C2 n'a pas de réfrigérant en aval du surpresseur. 8 Si le débit surpressé en 02 passe en dessous d'un seuil indiquant que le point de pompage est proche, une partie de l'air surpressé est envoyée par la conduite 23, détendue dans la vanne V3 et arrive à l'aspiration de la turbine T2, sans passer par l'échangeur E, pour être détendue dans la turbine T2 et envoyée à 5 la distillation. Le seuil de détection de l'approche du point de pompage est défini en définissant un seuil de perte de charge entre deux points du surpresseur à ne pas dépasser. Cette différence de pression est équivalente au débit minimal d'air dans le surpresseur sous lequel il ne faut pas passer. Tant que la perte de charge reste 10 au-dessus du seuil, on envoie tout l'air surpressé à l'échangeur de chaleur pour y liquéfier. Une fois que la perte de charge passe sous le seuil, on ouvre la vanne permettant à l'air de passer vers la turbine. Il est aussi possible de déclencher l'ouverture de la vanne si le débit d'air 15 dans le surpresseur passe en dessous d'un seuil. Le reste de l'air surpressé est renvoyé à l'échangeur de chaleur E à travers le clapet CL1 et se liquéfie au moins partiellement dans l'échangeur avant d'être détendu dans la vanne V9 et envoyé à la colonne K1. Alternativement, la partie de l'air envoyée à l'entrée de la turbine T2 peut être 20 envoyée à la sortie de celle-ci arrivant dans la conduite 17. Dans ce cas, la vanne de détente de l'air détendra cette partie de l'air jusqu' à une pression légèrement au-dessus de la pression de la colonne K1. Il est également possible d'envoyer la partie de l'air non pas vers la turbine T2 mais vers l'entrée ou la sortie de la turbine T1. L'air peut même être envoyé aux 25 deux turbines T1, T2, aux entrées des deux, aux sorties des deux ou à l'entrée d'une et à la sortie de l'autre. Un fluide riche en oxygène est envoyé se réchauffer à l'échangeur E, par exemple l'oxygène liquide 31 peut se vaporiser dans l'échangeur de chaleur E. Un fluide riche en azote est envoyé se réchauffer à l'échangeur E. 30 L'invention s'applique également au cas dans lequel l'appareil ne comprend qu'une seule turbine d'air couplée à un surpresseur froid. 9 Dans ce cas, l'air est envoyé en service normal du surpresseur froid vers l'échangeur de chaleur. L'air peut ensuite passer directement dans le système de colonne après détente ou sinon peut être envoyé au moins en partie à la seule turbine. 5 Dans le cas où une partie de l'air surpressé se liquéfie dans l'échangeur de chaleur et est détendu dans une vanne V9 en amont du système de colonnes, quand le débit d'air surpressé dans le surpresseur Cl passe en dessous d'un seuil indiquant l'approche du pompage, on peut augmenter le débit de liquide passant dans la vanne V9. Cette vanne sera alors dimensionnée sur ce cas de 10 fonctionnement. Il sera compris que l'appareil peut comprendre un seul surpresseur froid et une seule turbine, recevant ou non de l'air du surpresseur froid en dehors de période de risque de pompage. Cette invention s'applique à tout procédé utilisant un surpresseur froid d'air 15 dans un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Elle s'applique par 20 Le surpresseur d'air a une température d'entrée de préférence entre 0°C et -180°C, voire entre -60°C et -180°C. 25 exemple aux procédés de FR2943408, W005064252, EP2831525, J P2005221199, JP2015114083, JP54162678, EP1055894, EP2600090, EP2963370, EP2963369, FR2913670, FR3033397, EP2458311, EP1782011, EP1711765, FR2895068, EP2489968, DE102011121314, EP1014020, FR2985305, DE102006027650, FR2861841, FR3010778, REVENDICATIONS1. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un compresseur d'air pour comprimer tout l'air à distiller, un surpresseur d'air (02) pour comprimer au moins une partie de l'air à distiller, une turbine de détente (T1, T2) pour recevoir de l'air comprimé provenant du compresseur et éventuellement du surpresseur d'air, un système de colonnes de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne (K1, K2), un échangeur de chaleur (E), des moyens pour envoyer de l'air du compresseur à l'échangeur de chaleur ayant deux extrémités, des moyens (19) pour prélever de l'air refroidi à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur entre les deux extrémités et pour envoyer au surpresseur, des moyens (CL1, 21) pour envoyer de l'air surpressé du surpresseur à l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air refroidi (9, 11) dans l'échangeur de chaleur à la turbine, des moyens (17, 13) pour envoyer de l'air détendu dans la turbine au système de colonnes, des moyens pour soutirer du système de colonnes un débit enrichi en oxygène (31) et un débit enrichi en azote (33), ces moyens étant reliés à l'échangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (V3) pour détendre l'air surpressé dans le surpresseur, en ce qu'il ne comprend aucun moyen de refroidissement entre le refoulement du surpresseur et les moyens pour détendre l'air surpressé et en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer de l'air, surpressé dans le surpresseur et détendu par les moyens de détente, en amont ou en aval de la turbine, sans avoir été refroidi dans l'échangeur de chaleur après avoir été surpressé. 2. Appareil selon la revendication 1 comprenant des moyens pour détecter la perte de charge ou le débit entre deux points du surpresseur (02) ainsi que des moyens pour ouvrir les moyens de détente (V3) pour envoyer l'air surpressé en amont ou en aval de la turbine sans passer par l'échangeur de chaleur en fonction de la perte de charge ou du débit du surpresseur. 11 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le surpresseur (02) est relié à l'entrée de la turbine (T2) de sorte que l'air surpressé puisse se détendre au moins en partie dans la turbine. 5 4. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on comprime tout l'air à distiller dans un compresseur d'air, on surpresse au moins une partie de l'air à distiller comprimé dans le compresseur d'air dans un surpresseur d'air (02), on détend dans au moins une turbine de détente (T2, T1) de l'air comprimé provenant du compresseur et éventuellement du surpresseur 10 d'air, on sépare de l'air comprimé refroidi dans un échangeur de chaleur (E) dans un système de colonnes de distillation cryogénique comprenant au moins une colonne (K1, K2), on prélève de l'air refroidi à un point intermédiaire de l'échangeur de chaleur entre ses deux extrémités pour envoyer au surpresseur, on envoie de l'air surpressé du surpresseur à l'échangeur de chaleur, on envoie de l'air refroidi 15 dans l'échangeur de chaleur à la turbine, on envoie de l'air détendu dans la turbine au système de colonnes, on soutire du système de colonnes un débit enrichi en oxygène (31) et un débit enrichi en azote (33) et on réchauffe ces débits dans l'échangeur de chaleur caractérisé en ce que si la perte de charge entre deux points du surpresseur passe en dessous d'un seuil et/ou un débit du surpresseur 20 passe en dessous d'un débit minimal du surpresseur, on détend une partie de l'air surpressé dans le surpresseur sans l'avoir refroidi entre le surpresseur et la détente et on envoie l'air surpressé détendu en amont ou en aval de l'au moins une turbine, sans avoir été refroidi dans l'échangeur de chaleur après avoir été surpressé. 25 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel si, de préférence uniquement si, la perte de charge entre les deux points est au dessus du seuil et/ou un débit du surpresseur (02) est au dessus du débit minimal du surpresseur, on envoie tout l'air du surpresseur à l'échangeur de chaleur (E) pour se refroidir 30 12 6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel que si la perte de charge entre les deux points du surpresseur passe en-dessous du seuil et/ou un débit du surpresseur passe en dessous du débit minimal du surpresseur, on n'envoie aucune partie de l'air surpressé en amont du surpresseur. 5 7. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel de l'air surpressé et détendu est détendu dans la turbine (T2) si la perte de charge entre les deux points du surpresseur (02) passe en dessous du seuil (et/ou un débit du surpresseur passe en dessous du débit minimal du surpresseur et de préférence 10 aucun débit d'air provenant du surpresseur n'est détendu dans la turbine si la perte de charge entre les deux points du surpresseur est au-dessus du seuil et/ou un débit du surpresseur passe au-dessus du débit minimal. 8. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel si la perte de charge 15 entre les deux points du surpresseur (02) passe en dessous du seuil (et/ou un débit du surpresseur passe en dessous du débit minimal), l'air surpressé est détendu jusqu'à la pression d'une colonne (K1, K2) du système de colonnes, est mélangé avec l'air provenant de la turbine (T2) et est envoyé à la colonne. 20 9. Procédé selon la revendication 4, 5, 6 ou 7 dans lequel si la perte de charge entre les deux points du surpresseur est au-dessus du seuil (au-dessus du débit minimal, on envoie tout l'air surpressé se refroidir dans l'échangeur de chaleur (E). 25 10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8 dans lequel l'air surpressé détendu envoyé à la turbine (T2) est envoyé à une turbine couplée au surpresseur dont provient l'air. 11. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8 dans lequel l'air surpressé 30 détendu envoyé à la turbine est envoyé à une turbine (T2) recevant de l'air, voire tout l'air qu'elle détend, du surpresseur (02). 13 12. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9 dans lequel la turbine (T2) reçoit de l'air du surpresseur uniquement dans le cas où la perte de charge entre les deux points du surpresseur est en dessous du seuil. 5