Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention est relative à un
procédé de liquéfaction d'un gaz au moyen d'un cycle
frigorifique comprenant une turbine de détente dite
"chaude" et une turbine de détente dite "froide" alimen-
tées respectivement à une première température et à une
seconde température inférieure à la première température.
L'invention a pour but de fournir un procédé
de ce type ayant un rendement particulièrement élevé.
A cet effet, l'invention a pour objet un
procédé du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend
au moins deux étages de compression du gaz de cycle, et
en ce qu'on alimente les deux turbines à une même
pression d'admission, on détend le gaz de cycle dans la
turbine chaude jusqu'à une première pression d'échappe-
ment, et on détend le gaz de cycle dans la turbine froide
jusqu'à une seconde pression d'échappement plus basse que
la première pression d'échappement.
Ce procédé peut comporter une ou plusieurs
des caractéristiques suivantes :
- on renvoie une partie au moins du gaz issu
de chaque turbine à l'aspiration d'un étage de compres-
sion;
- une partie du gaz de cycle constitue le gaz
à liquéfier et est liquéfié après avoir subi les deux
étages de compression et éventuellement une compression
supplémentaire;
- le gaz à liquéfier est de l'air ou un gaz
de l'air et est envoyé, après liquéfaction et détente,
dans un appareil de distillation d'air;
- la pression d'échappement de la turbine
froide est une pression de fonctionnement de l'appareil
de distillation, une partie au moins du gaz issu de cette
turbine froide étant envoyé dans la partie correspondante
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de l'appareil de distillation.
L'invention a également pour objet une
installation de liquéfaction d'un gaz destinée à la mise
en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installa-
tion, du type comprenant une ligne d'échange thermique,une turbine de détente dite "chaude", une turbine de
détente dite "froide" et des moyens de compression de
cycle, est caractérisée en ce que les moyens de compres-
sion de cycle comprennent au moins deux étages de
compression de cycle en série, les admissions des deux
turbines sont reliées au refoulement d'un même étage de
compression de cycle, l'échappement de la turbine chaude
est relié à l'aspiration d'un étage de compression de
cycle, et l'échappement de la turbine froide est relié
à l'aspiration d'un étage de compression de cycle
inférieur.
L'installation ainsi définie peut comporter
une ou plusieurs caractéristiques suivantes :
- l'aspiration du premier étage de compres-
sion de cycle est également reliée au refoulement d'uncompresseur principal d'air d'une installation de
distillation d'air, et l'échappement de la turbine froide
est relié également à une partie d'un appareil de
distillation d'air de cette installation qui fonctionne5 sous la pression d'échappement de cette turbine froide;
- l'aspiration du premier étage de compres-
sion de cycle est également reliée à une partie d'un
appareil de distillation d'air qui fonctionne sous sa
pression d'aspiration, et le refoulement du dernier étage
de compression de cycle est relié éventuellement via des
moyens de compression supplémentaires, à travers la ligne
d'échange thermique et un organe de détente, à ladite
partie de l'appareil de distillation d'air;
- les moyens de compression de cycle sont
constitués par un compresseur unique multi-étages,
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l'échappement de la turbine chaude au moins étant relié
à une aspiration inter-étages de ce compresseur;
- l'installation comprend en outre un groupe
frigorifique de prérefroidissement d'au moins un courant
de gaz à turbiner.
Des exemples de réalisation de l'invention
vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé,
sur lequel :
- la Figure 1 représente schématiquement une
installation de liquéfaction d'air conforme à l'inven-
tion; et
- la Figure 2 représente de façon analogue
une installation de liquéfaction d'azote conforme à
l'invention.
Dans chacune des Figures 1 et 2, on a
illustré l'application de l'invention à une installation
de distillation d'air comprenant une double colonne de
distillation d'air 1 et une ligne d'échange thermique 2
du type à échange de chaleur indirect et à contre-
courant. La double colonne 1 comprend elle-même une
colonne moyenne pression 3 surmontée d'une colonne basse
pression 4 et couplée a celle-ci par un vaporisateur-
condenseur 5. Toutefois, on n'a représenté aux Figures
1 et 2 que les parties de l'installation de distillation
d'air concernées par la présente invention, et en
particulier le cycle de liquéfaction, mais on comprend
que l'installation comporte également toutes les condui-
tes et tous les équipements habituels nécessaires pour
la production de gaz de l'air par distillation. Dans le
cas de la Figure 1, le gaz liquéfié est de l'air à
traiter, tandis que dans le cas de la Figure 2, le gaz
liquéfié est de l'azote.
Dans l'exemple de la Figure 1, l'installation
comprend un compresseur principal 6 d'air atmosphérique,
un appareil 7 d'épuration d'air en eau et en anhydride
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carbonique par adsorption, un compresseur de cycle 8 à
deux étages 9 et 10 en série, une turbine chaude 11
freinée par un alternateur 12, et une turbine froide 13
freinée par un alternateur 14.
En fonctionnement, l'air atmosphérique à
traiter est comprimé en 6 jusqu'à la moyenne pression P1,
qui est la pression de fonctionnement de la colonne 3 et
qui est typiquement comprise entre 5 et 6 bars absolus,
puis est épuré en 7 et comprimé de nouveau en 9 à une
pression intermédiaire P2 puis en 10 jusqu'à une haute
pression de cycle P3, typiquement de l'ordre de 30 à 100
bars absolus.
Une première fraction de l'air à cette haute
pression de cycle P3 est refroidie jusqu'à une tempéra-
ture intermédiaire T1 dans la partie chaude de la ligne
d'échange thermique 2, puis sortie de celle-ci et
introduite dans la turbine chaude 11. Elle ressort de
cette dernière à la pression d'inter-étages P2 du
compresseur 8, est réchauffée jusqu'à la température
ambiante dans la partie chaude de la ligne d'échange
thermique, et est renvoyée à l'admission du second étage
10 du meme compresseur 8.
Le reste de l'air à la haute pression de
cycle P3 est refroidi en 2 jusqu'à une seconde tempéra-
ture intermédiaire T2 inférieure à T1. A cette températu-
re, une partie de l'air est sortie de la ligne d'échange
thermique et introduite dans la turbine froide 13, d'où
elle ressort à la moyenne pression P1 et à la température
du bout froid de la ligne d'échange thermique. Cet air
turbiné est pour partie réchauffé en 15 du bout froid au
bout chaud de la ligne d'échange thermique et renvoyé à
l'aspiration du premier étage 9 du compresseur 8, et pour
partie envoyé en cuve de la colonne 3. Le reste de l'air
haute pression refroidi jusqu'à la température T2
poursuit son refroidissement en 16 jusqu'au bout froid
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de la ligne d'échange thermique 2, ce qui provoque sa
liquéfaction, puis est détendu à la moyenne pression Pl
dans une vanne de détente 17 et est envoyé en cuve de la
colonne 3.
Comme représenté en traits intelL~",~us sur la
Figure 1, on peut utiliser un groupe frigorifique 18 pour
prérefroidir l'un au moins des deux courants d'air haute
pression issus du compresseur 8.
L'énergie électrique produite par les deux
turbines dans les alternateurs 12 et 14 peut être
utilisée pour l'entraînement du compresseur de cycle 8.
Dans le mode de réalisation de la Figure 2,
le cycle frigorifique sert à liqu~fier de l'azote soutiré
en tête de la colonne moyenne pression 3. Le compresseur
de cycle 8 est un compresseur d'azote à trois étages,
dont les premiers étages 9 et 10 correspondent aux deux
étages 9 et 10 de la Figure 1 et sont suivis d'un étage
supplémentaire 19 en série délivrant l'azote à liquéfier
sous une haute pression de liquéfaction P4 supérieure à
la plus haute pression P3 du cycle.
Comme précédemment, la turbine chaude 11 et
la turbine froide 13 sont toutes deux alimentées par le
gaz issu du deuxième étage 10, et le gaz issu de la
turbine 11 est renvoyé à l'aspiration de ce deuxième
étage 10. Toutefois, dans ce cas, la totalité du gaz issu
de la turbine froide 13 est réuni à l'azote soutiré de
la tête de la colonne 3 via une conduite 20, réchauffé
en 2 jusqu'à la température ambiante et renvoyé à
l'aspiration du premier étage 9. De plus, l'azote issu
de l'étage 10 qui n'est pas envoyé aux turbines est
comprimé de nouveau en 19, puis refroidi du bout chaud
au bout froid de la ligne d'échange thermique, ce qui
provoque sa liquéfaction. Ensuite, cet azote liquide
haute pression est détendu à la moyenne pression dans une
vanne de détente 21 et introduit en reflux en tête de la
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colonne 3.
Dans chacun des modes de réalisation ci-
dessus, l'alimentation des deux turbines a des tempéra-
tures décalées T1 et T2 mais à la même pression, et leur
échappement à deux pressions différentes P1 et P2, dont
une pression plus basse pour la turbine froide, condui-
sent à un rendement élevé du cycle de liquéfaction. De
plus, l'utilisation d'un compresseur de cycle multi-
étages 8 apporte une simplification de l'installation et
un avantage substantiel du point de vue de l'investisse-
ment.
