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WO 2013/093305 PCT/FR2012/052921
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Procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique
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
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
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 coûteux 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
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.
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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
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%.
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
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
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
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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
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
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
exemple 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 compresseurs en parallèle peuvent être
utilisés.
Pour une seule boîte froide (par exemple utilisant 25MW de compression
minimum) ayant une seule unité d'épuration associée, traditionnellement un
seul
grand compresseur est utilisé de type synchrone. La présente invention prévoit
d'utiliser au moins trois compresseurs suffisamment petits pour pouvoir être
entraînés par des moteurs asynchrones pour alimenter l'unique boîte froide.
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,
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 seule
unité d'épuration pour éliminer l'eau et le dioxyde de carbone et on refroidit
l'air
épuré dans l'unité d'épuration avant de l'envoyer à un seul système de
colonnes
dans une seule boîte froide 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
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y) les N compresseurs étant chacun entraîné par un seul moteur,
ces
N moteurs étant asynchrones et ayant une puissance maximale en dessous de
25MW.
Il est à noter que l'air de chacun des N compresseurs est envoyé au système de
colonnes à travers l'unité d'épuration, sans envoyer de l'air à la première
pression à un
surpresseur d'air entraîné par un moteur ou une turbine à vapeur.
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.
- tout l'air des N compresseurs d'air est envoyé à l'unique unité
d'épuration et à
l'unique boîte pour y être séparé
- 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 25XN MW,
soit
150MW pour N compresseurs.
- la puissance totale des N compresseurs est supérieure à 25MW,
voire
supérieure à 40MW.
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
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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.
5 Selon un
autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation
d'air par distillation cryogénique comprenant un seul système de colonnes dans
une seule boîte froide, 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 seule 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%
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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
un 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.
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Dans la Figure 1, une unique boîte froide BF d'appareil de séparation d'air
contient un unique 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 unique 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
Cl, 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 Cl, C2, C3 sont réunis en
un
seul débit 6 et épurés ensemble dans l'unité E.
Tout l'air envoyé à l'unique boîte froide provient des compresseurs Cl, C2,
C3 et les compresseurs Cl, C2, C3 envoient tout leur air 6 à la boîte froide
BF.
Chaque compresseur Cl, C2, C3 est entraîné par un seul moteur
asynchrone Ml, M2, M3. Chaque moteur Ml, M2, M3 a un démarreur Dl, 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 Cl, 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 ou
supérieure à 25MW, voire supérieure à 40MW mais inférieure à 75MW.
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
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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
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
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
Cl, 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 Cl, C2, C3,
C4, C5 et les compresseurs Cl, C2, C3, C4, C5 envoient tout leur air à la
boîte
froide BF.
Chacun des compresseurs Cl, C2, C3, C4, C5 comprend au moins 4
étages.
Chaque compresseur Cl, C2, C3, C4, C5 est entraîné par un seul moteur
asynchrone Ml, M2, M3, M4, M5. Chaque moteur Ml, M2, M3, M4, M5 a un
démarreur Dl, 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 ou
supérieure à 25MVV, voire supérieure à 40MW mais inférieure à 125MW.
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L'unique 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 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
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.
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