EP1406052A2 - Procédé intégré de séparation d'air et installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé - Google Patents

Procédé intégré de séparation d'air et installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé Download PDF

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EP1406052A2
EP1406052A2 EP03300172A EP03300172A EP1406052A2 EP 1406052 A2 EP1406052 A2 EP 1406052A2 EP 03300172 A EP03300172 A EP 03300172A EP 03300172 A EP03300172 A EP 03300172A EP 1406052 A2 EP1406052 A2 EP 1406052A2
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air
air separation
compressor
turbine
separator
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Alain l'Air Liquide SA Guillard
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine

Definitions

  • the present invention relates to an integrated process for the separation of air and an installation for implementing such a method.
  • EP-A-568431 describes the use of an integrated system. The difficulties of regulating this kind of system are explained in EP-A-0622595.
  • each separation device is supplied from a compressor gas turbine and sends nitrogen only to that same gas turbine.
  • An object of the invention is to overcome the shortcomings of known systems.
  • an integrated method of separation of air producing a fluid enriched in oxygen and possibly a fluid enriched in nitrogen in an installation comprising at least two air separation, each comprising at least two distillation columns, one first air compressor, a first combustion chamber, and a first expansion turbine, in which compressed air is supplied to the first air separation at least by the first air compressor which also provides compressed air to the first combustion chamber, compressed air is supplied to the second air separation unit at least by an auxiliary compressor which does not supply a combustion chamber but which also supplies the first air separation device.
  • an integrated installation comprising a first air separation device, a second air separation device air separation, a first compressor, a combustion chamber, a turbine expansion valve, an auxiliary compressor, means for sending air from the first compressor to the combustion chamber and to the first air separation device, means for sending air from the auxiliary compressor to the first apparatus for air separation and at the second air separation device, this auxiliary compressor not fueling a combustion chamber.
  • the auxiliary compressor is not connected with a unit compressed air consumer apart from the first and second separation devices air.
  • the degree of integration determines which products can be taken out of each device, generally the purest oxygen and / or argon products from the second device which will operate more stable, thanks to the low degree of integration.
  • a compressor 13 is supplied with air and sends a first air flow to a combustion chamber 17 with fuel, a second flow air to a first air separation device 1 and possibly a third flow air to a second air separation device 101, the third flow being in general lower than the second flow.
  • Means for cooling the air of the outlet temperature of the compressor 13 at a temperature close to the ambient upstream of the air separation device 1 and upstream of the air separation apparatus 101 are not illustrated.
  • Only one of the compressors 21 or 121 supplies the first and the second air separation unit (not shown).
  • the first air separation device typically of the double or triple column, produces at least one nitrogen enriched gas 3 and one high pressure gas enriched in oxygen 5 containing at most 98 mol. % oxygen, possibly at most 95 mol. % oxygen or even at most 93 mol. % oxygen which is sent to a gasifier 31.
  • the nitrogen-enriched gas is sent to the combustion chamber 17 or at another point upstream of the turbine 19.
  • the first device may eventually produce a small amount of liquid.
  • Part of the air sent to the air separation unit 1 can be there sent through an insufflation turbine (feeding the low pressure column of double or triple column).
  • the second air separation unit produces oxygen 105 containing at least 98 mol. % oxygen, argon gas and / or liquid and possibly liquids rich in nitrogen or oxygen as well as a flow of impure nitrogen 103 which can possibly sent to the combustion chamber 17.
  • part of the oxygen 105 can be sent to the gasifier 31.
  • the second device 101 is preferably of the pressurized type, therefore with a low pressure column from which the operating oxygen-enriched fluid is withdrawn at above 1.5 bara, preferably above 3 bara.
  • the second device can comprise a column for purifying a flow enriched with argon.
  • part of the air sent to the second device 101 is slackened in a Claude turbine before being sent to the distillation column of air operating at the highest pressure.
  • the ratio between the air flow rate sent from the compressor 121 to the device 101 and the air flow (if there is one) sent from the compressor 13 to this device 101 is greater than the ratio between the air flow rate sent from compressor 21 to device 1 and the air flow rate sent from compressor 13 to this device 1.
  • the two compressors 21, 121 can be replaced by a single compressor supplying the devices 1, 101.
  • a first air compressor 13 supplies air to the first air separation device 1 and a first combustion chamber 17, the combustion gases feed a first expansion turbine 19 which allows the generation of electricity.
  • a second air compressor 15 supplies air to the separation device air 1 and a second combustion chamber 23, including the combustion gases feed a second expansion turbine 25 which allows the generation of electricity.
  • a third air compressor 21 supplies air to the air separation apparatus.
  • Means for cooling the air of the outlet temperature of the compressors 13, 15 at a temperature close to the ambient upstream of the first apparatus for air separation 1 and upstream of the second air separation device 101 are not not illustrated.
  • the waste gas 3 from the separation device 1 can be sent upstream of the first and / or the second turbine, for example to the first and / or to the second combustion chamber and / or at the entrance to the first and / or second turbine.
  • the oxygen-enriched pressurized gas 5 is preferably sent to one or more several gasifiers 31, 131 where it is used to produce fuel for at least one of the combustion chambers 17, 23.
  • Compressors 13, 15, 21 can supply air at pressures different, for example different by at least 0.5 bar from each other.
  • the flow rates at higher pressures can be expanded at lower pressure so purify all air flows together.
  • debits can be sent to ASU columns operating at different pressures with suitable purification.
  • the apparatus 1 produces the same products as those described above: the apparatus 101 produces at least residual nitrogen 103 and oxygen-enriched gas possibly under several pressures or at least under high pressure.
  • Waste nitrogen 103 can be sent to the first and / or the second combustion chamber or alternatively can be released to the atmosphere, used for the regeneration of the purification of first and / or second devices 1, 101 or used otherwise.
  • the oxygen 105 can be sent to another gasifier 131, the gasifier 31 or another use, particularly if its purity is different from that of oxygen 5.
  • the apparatus 101 can mainly or only pure oxygen above 98 mol% oxygen while the first device can produce only or mainly impure oxygen at below 95 mol. % oxygen.
  • the device 101 is supplied with air from a dedicated compressor 121 and from the dedicated compressor 21 and / or a dedicated compressor which sends air to both air separation devices and possibly very partially from the first compressor 13 or the second compressor 15.

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Abstract

Dans un procédé intégré de séparation d'air produisant un fluide enrichi en oxygène et éventuellement un fluide enrichi en azote dans une installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air (1, 101), chaque appareil comprend au moins deux colonnes de distillation, un premier compresseur d'air (13), une première chambre de combustion (17), et une première turbine de détente (19), dans lequel de l'air comprimé est fourni au premier appareil de séparation d'air (1) au moins par le premier compresseur d'air qui fournit également de l'air comprimé à la première chambre de combustion, de l'air comprimé est fourni au deuxième appareil de séparation d'air (101) au moins par un compresseur auxiliaire (21, 121) qui n'alimente pas de chambre de combustion mais qui alimente également le premier appareil de séparation d'air.

Description

La présente invention est relative à un procédé intégré de séparation d'air et une installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.
Il est bien connu d'envoyer un gaz enrichi en azote d'un appareil de séparation d'air en amont d'une turbine de détente de gaz de combustion. La chambre de combustion est alimentée en air comprimé provenant d'un compresseur d'air qui peut fournir tout ou une partie de l'air nécessaire à l'appareil de séparation d'air (ASU) comme illustré dans EP-A-0538118. Alternativement comme dans le cas de GB-A-2067688 tout l'air peut provenir d'un compresseur dédié.
Dans le cas où il serait souhaité produire de l'argon, EP-A-568431 décrit l'usage d'un système intégré.
Les difficultés de régulation de ce genre de système sont expliquées dans EP-A-0622595.
Généralement pour des questions de fiabilité, sur un même site, il y a deux turbines à gaz et deux appareils de séparation d'air sensiblement identiques produisant à la fois l'oxygène impur nécessaire à la gazéification des carburants et l'azote. Chaque appareil de séparation est alimenté à partir d'un compresseur de turbine à gaz et envoie de l'azote uniquement à cette même turbine à gaz.
Un but de l'invention est de pallier les défauts des systèmes connus.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé intégré de séparation d'air produisant un fluide enrichi en oxygène et éventuellement un fluide enrichi en azote dans une installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air, chacun comprenant au moins deux colonnes de distillation, un premier compresseur d'air, une première chambre de combustion, et une première turbine de détente, dans lequel de l'air comprimé est fourni au premier appareil de séparation d'air au moins par le premier compresseur d'air qui fournit également de l'air comprimé à la première chambre de combustion, de l'air comprimé est fourni au deuxième appareil de séparation d'air au moins par un compresseur auxiliaire qui n'alimente pas de chambre de combustion mais qui alimente également le premier appareil de séparation d'air.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une installation intégrée comprenant un premier appareil de séparation d'air, un deuxième appareil de séparation d'air, un premier compresseur, une chambre de combustion, une turbine de détente, un compresseur auxiliaire, des moyens pour envoyer de l'air du premier compresseur à la chambre de combustion et au premier appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur auxiliaire au premier appareil de séparation d'air et au deuxième appareil de séparation d'air, ce compresseur auxiliaire n'alimentant pas de chambre de combustion.
De préférence, le compresseur auxiliaire n'est pas relié avec une unité consommatrice d'air comprimé à part les premier et deuxième appareils de séparation d'air.
Eventuellement :
  • le premier appareil ne comprend pas de moyen de production de liquide comme produit final et/ou le deuxième appareil comprend un moyen de production de liquide comme produit final ;
  • le premier appareil ne comprend pas de colonne de production d'argon et/ou le deuxième appareil comprend une colonne de production d'argon ;
  • le premier appareil comprend une turbine d'insufflation et/ou le deuxième appareil comprend une turbine Claude et éventuellement ne comprend pas de turbine d'insufflation.
Le degré d'intégration détermine quels produits peuvent être sortis de chaque appareil, en général les produits plus purs en oxygène et/ou en argon provenant du deuxième appareil dont le fonctionnement sera plus stable, grâce au faible degré d'intégration.
Des procédés et des installations selon l'invention seront maintenant décrits en se référant aux Figures 1 et 2 qui sont des dessins schématiques d'installations intégrées.
Dans la Figure 1, un compresseur 13 est alimenté en air et envoie un premier débit d'air à une chambre de combustion 17 avec du carburant, un deuxième débit d'air à un premier appareil de séparation d'air 1 et éventuellement un troisième débit d'air à un deuxième appareil de séparation d'air 101, le troisième débit étant en générale inférieur au deuxième débit.
Les moyens pour refroidir l'air de la température de sortie du compresseur 13 à une température voisine de l'ambiante en amont de l'appareil de séparation d'air 1 et en amont de l'appareil de séparation d'air 101 ne sont pas illustrés.
Un seul des compresseurs 21 ou 121 alimente le premier et le deuxième appareil de séparation d'air (non-illustré).
Le premier appareil de séparation d'air, typiquement du type à double ou à triple colonne, produit au moins un gaz enrichi en azote 3 et un gaz haute pression enrichi en oxygène 5 contenant au plus 98 mol. % d'oxygène, éventuellement au plus 95 mol. % d'oxygène ou même au plus 93 mol. % d'oxygène qui est envoyé à un gazéifieur 31. Le gaz enrichi en azote est envoyé à la chambre de combustion 17 ou à un autre point en amont de la turbine 19.
Le premier appareil peut éventuellement produire une petite quantité de liquide.
Dans l'exemple il ne produit pas d'argon.
Une partie de l'air envoyé à l'appareil de séparation d'air 1 peut y être envoyée à travers une turbine d'insufflation (alimentant la colonne basse pression de la double ou triple colonne).
Le deuxième appareil de séparation d'air produit de l'oxygène 105 contenant au moins 98 mol. % d'oxygène, de l'argon gazeux et/ou liquide et éventuellement des liquides riches en azote ou oxygène ainsi qu'un débit d'azote impur 103 qui peut éventuellement être envoyé à la chambre de combustion 17.
Optionnellement une partie de l'oxygène 105 peut être envoyée au gazéifieur 31.
Le deuxième appareil 101 est de préférence du type sous pression, donc avec une colonne basse pression dont est soutiré le fluide enrichi en oxygène opérant à au-dessus de 1,5 bara, de préférence au-dessus de 3 bara.
Le deuxième appareil peut comprendre une colonne d'épuration d'un débit enrichi en argon.
De préférence une partie de l'air envoyée au deuxième appareil 101 est détendue dans une turbine Claude avant d'être envoyée à la colonne de distillation d'air opérant à la pression la plus élevée.
De préférence le rapport entre le débit d'air envoyé du compresseur 121 vers l'appareil 101 et le débit d'air (s'il y en a un) envoyé du compresseur 13 vers cet appareil 101 est supérieur au rapport entre le débit d'air envoyé du compresseur 21 vers l'appareil 1 et le débit d'air envoyé du compresseur 13 vers cet appareil 1.
Eventuellement les deux compresseurs 21, 121 peuvent être remplacés par un seul compresseur alimentant les appareils 1, 101.
Dans la Figure 2 un premier compresseur d'air 13 fournit de l'air au premier appareil de séparation d'air 1 et à une première chambre de combustion 17, dont les gaz de combustion alimentent une première turbine de détente 19 qui permet la génération d'électricité.
Un deuxième compresseur d'air 15 fournit de l'air à l'appareil de séparation d'air 1 et à une deuxième chambre de combustion 23, dont les gaz de combustion alimentent une deuxième turbine de détente 25 qui permet la génération d'électricité. Un troisième compresseur d'air 21 fournit de l'air à l'appareil de séparation d'air.
Les moyens pour refroidir l'air de la température de sortie des compresseurs 13, 15 à une température voisine de l'ambiante en amont du premier appareil de séparation d'air 1 et en amont du deuxième appareil de séparation d'air 101 ne sont pas illustrés.
Le gaz résiduaire 3 de l'appareil de séparation 1 peut être envoyé en amont de la première et/ou la deuxième turbine, par exemple à la première et/ou à la deuxième chambre de combustion et/ou à l'entrée de la première et/ou la deuxième turbine.
Le gaz sous pression enrichi en oxygène 5 est de préférence envoyé à un ou plusieurs gazéifieurs 31, 131 où il sert à produire du carburant pour au moins une des chambres de combustion 17, 23.
Les compresseurs 13, 15, 21 peuvent fournir de l'air à des pressions différentes, par exemple différentes d'au moins 0,5 bar les unes des autres. Les débits aux pressions plus élevées peuvent être détendus à la pression plus basse afin d'épurer tous les débits d'air ensemble.
Sinon, les débits peuvent être envoyés à des colonnes de l'ASU opérant à des pressions différentes avec une épuration adaptée.
Dans l'installation de la Figure 2 il y a deux appareils de séparation d'air 1, 101, chacun ayant au moins deux colonnes de distillation et chacun ayant éventuellement sa propre boite froide.
L'appareil 1 produit les mêmes produits que ceux décrits ci-dessus : l'appareil 101 produit au moins de l'azote résiduaire 103 et du gaz enrichi en oxygène éventuellement sous plusieurs pressions ou au moins sous haute pression.
L'azote résiduaire 103 peut être envoyé à la première et/ou la deuxième chambre de combustion ou alternativement peut être rejeté à l'atmosphère, utilisé pour la régénération des épuration de premier et/ou deuxième appareils 1, 101 ou utilisé autrement.
L'oxygène 105 peut être envoyé à un autre gazéifieur 131, le gazéifier 31 ou un autre emploi, particulièrement si sa pureté est différente de celle de l'oxygène 5. Comme décrit précédemment l'appareil 101 peut fournir principalement ou uniquement de l'oxygène pur à au-dessus de 98 mol % d'oxygène tandis que le premier appareil peut produire uniquement ou principalement de l'oxygène impur à en dessous de 95 mol. % d'oxygène.
L'appareil 101 est alimenté en air à partir d'un compresseur dédié 121 et du compresseur dédié 21 et/ou d'un compresseur dédié qui envoie de l'air aux deux appareils de séparation d'air et éventuellement très partiellement à partir du premier compresseur 13 ou du deuxième compresseur 15.

Claims (6)

  1. Procédé intégré de séparation d'air produisant un fluide enrichi en oxygène et éventuellement un fluide enrichi en azote dans une installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air (1, 101), chacun comprenant au moins deux colonnes de distillation, un premier compresseur d'air (13), une première chambre de combustion (17), et une première turbine de détente (19), dans lequel de l'air comprimé est fourni au premier appareil de séparation d'air (1) au moins par le premier compresseur d'air qui fournit également de l'air comprimé à la première chambre de combustion, de l'air comprimé est fourni au deuxième appareil de séparation d'air (101) au moins par un compresseur auxiliaire (21, 121) qui n'alimente pas de chambre de combustion mais qui alimente également le premier appareil de séparation d'air.
  2. Installation intégrée comprenant un premier appareil de séparation d'air (1), un deuxième appareil de séparation d'air (101), un premier compresseur (1), une chambre de combustion (17), une turbine de détente (19), un compresseur auxiliaire (21, 121), des moyens pour envoyer de l'air du premier compresseur à la chambre de combustion et au premier appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur auxiliaire au premier appareil de séparation d'air et au deuxième appareil de séparation d'air, ce compresseur auxiliaire n'alimentant pas de chambre de combustion.
  3. Installation selon la revendication 2 dans laquelle le compresseur auxiliaire n'est pas relié avec une unité consommatrice d'air comprimé à part les premier et deuxième appareils de séparation d'air.
  4. Installation selon la revendication 2 dans laquelle le premier appareil ne comprend pas de moyen de production de liquide comme produit final et/ou le deuxième appareil comprend un moyen de production de liquide comme produit final.
  5. Installation selon la revendication 2 ou 4 dans laquelle le premier appareil ne comprend pas de colonne de production d'argon et/ou le deuxième appareil comprend une colonne de production d'argon.
  6. Installation selon l'une des revendications 2, 4 ou 5 dans laquelle le premier appareil comprend une turbine d'insufflation et/ou le deuxième appareil comprend une turbine Claude et éventuellement ne comprend pas de turbine d'insufflation.
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27W Patent revoked

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GBPR Gb: patent revoked under art. 102 of the ep convention designating the uk as contracting state

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