Brevet FR2076020A1 — publié le 19711015

La présente invention se rapporte à un procédé pour la .commande automatique d'un dispositif de séparation d'air. Plus particulièrement, elle se rapporte à un procédé pour commander automatiquement les conditions de rectification dans un dispositif de rec 5 tification à une seule colonne et les conditions de production de froid d'un dispositif producteur de froid selon le fonctionnement stabilisé d'un dispositif de séparation d'air. Dans un dispositif de séparation d'air, comprenant un dispositif de rectification à une seule colonne pourvu d'un con-10 denseur-évaporateur et un dispositif de production de froid tel qu'une turbine d'expansion à pression intermédiaire, l'air en tant que matière première est liquéfié par le froid fourni dans le dispositif de production de froid, l'air liquéfié est rectifié dans le dispositif de rectification à une seule colonne et le gaz rési-15 duaire, formé dans le condenseur-évaporateur, est envoyé au dispositif de production de froid pour l'utilisation en tant que source de froid. Parmi divers facteurs pour la production de froid dans le dispositif de production de froid, tels que les pressions à l'entrée et à la sortie, la température et le volume d'écoulement, 20 la pression à l'entrée et le volume d'écoulement sont intimement reliés à la pression du côté évaporation et au volume d'évapora-tion dans le condenseur-évaporateur du dispositif de rectification à une seule colonne. Le taux en excès et le taux insuffisant de froid dans tout le dispositif de séparation d'air se jugent suivant 25 le fait que le niveau de liquide du côté évaporation dans le condenseur-évaporateur est dans une direction montante ou dans une direction descendante. Lorsqu'on n'a plus assez de froid à sa disposi tion et qu'en conséquence, le niveau de liquide commence à présenter une tendance à descendre, on exige que la pression à l'entrée 30 du dispositif de production de froid s'élève ou bien le volume d'écoulement dans le dispositif de production de froid devra être augmenté. Quand le froid est devenu excessif et en conséquence que l'on reconnaît que le niveau du liquide a une tendance à monter, on exige que la pression à l'entrée du dispositif de production de 35 froid s'abaisse ou bien le volume d'écoulement dans le dispositif de production de froid devra être diminué. Cependant, pour réaliser la rectification dans des conditions stabilisées, la pression et le volume d'air de traitement dans le dispositif de rectification à une seule colonne ne doivent pas être modifiés brusquement. Com-40 me on l'a indiqué ci-dessus, le gaz résiduaire, formé dans le con 71 00540 2076020 denseur-évaporateur prévu sur le dispositif de rectification à une seule colonne, est fourni au dispositif de production de froid. En conséquence, la montée ou l'abaissement de la pression à l'entrée du dispositif de production de froid entraîne une montée ou un a-5 baissement de la pression'-du côté évaporation du condenseur-évapo-rateur. Ces variations de pression provoqueraient inévitablement un changement considérable de la pression et du volume d'air de traitement dans le dispositif de rectification à une seule colonne, si bien qu'on ne peut pas assurer les conditions stabilisées pour 10 la rectification. Dans le cas où la variation de la pression du côté évaporation du condenséur-évaporateur est admise, le maintien de la' pression du côté condensation à une valeur constante entraînera le changement de la différence de température entre le c8té condensa-15 tion et le c3té évaporation et, de ce fait, l'échange de chaleur est augmenté ou diminué, c'est-à-dire qu'il en est de même pour le volume d'air de traitement dans le dispositif de rectification à une seule colonne. Dans le cas où le volume d'air de traitement est maintenu constant, la pression du côté condensation sera modi-20 fiée afin de rendre constante la différence de température entre le côté condensation et le côté évaporation. Les aspects mentionnés ci-dessus peuvent être exprimés en fonction de valeurs numériques concrètes au moyen d'un exemple où l'on suppose que le fonctionnement est effectué dans les condi-25 tions suivantes : Volume d'air de traitement : W * 1.000 m^/h (conditions normales) Pression du côté condensation : 6,4 atmosphères absolues (température de condensation de l'azote gazeux : ~173,5°C). 30 Pression d'air liquéfié contenant 49 % d'oxygène du cô té évaporation : 3,4 atmosphères absolues (température d'évaporation : -175,5°C). Différence de température entre le côté condensation et le côté évaporation du condenseur-évaporateur : AT « 2°C. 35 Taux de transmission de chaleur : Q » 33.200 Kcal/h. Dans les conditions indiquées ci-dessus, un changement de O pression, du côté évaporation, de 0,2 kg/cm correspond à un changement de température d'évaporation de 0,5°C pour l'air liquide du côté évaporation. 40 De ce fait : 71 00540 3 2076020 a) Pression constante du côté condensation : La différence de température du condenseur-évaporateur est AT » 2 - 0,5°C. Dans l'équation Q « UA A T, où U est un coefficient global de transmission de chaleur et A est une surface de 5 transmission de chaleur, A est une constante et U est aussi approximativement constant, et le taux de transmission de chaleur Q est modifié. En conséquence, le volume d'air de traitement deviendra W « 1.000 - 250 m^/h (conditions normales) et ainsi le taux de variation de l'air traité sera de - 25 %. 10 b) Volume constant d'air de traitement (c'est-à-dire échange de chaleur constant) Puisque Q est une constante, la pression du côté condensation est modifiée pour que T puisse devenir constant et également que la température du côté condensation change de - 0,5°C, 15 suivant le changement de température de 0,5°C du côté évaporation. Le changement de pression correspondant à la température mention- p née ci-dessus sera de 0,35 kg/cm et, de ce fait, la valeur de la pression étant 6,4 - 0,35 atmosphères absolues, le taux de variation de pression du côté condensation devient - 5,5 %. 20 Comme on le comprendra d'après l'explication indiquée ci- dessus, la variation de pression du côté condensation du condenseur évaporateur a une grande influence sur les conditions de rectification dans le dispositif de rectification à une seule colonne. Pour réaliser la rectification dans des conditions stabilisées, il est 25 nécessaire d'empêcher autant que possible les variations de la pression et du volume d'air de traitement dans le dispositif de rec tification. D'autre part, il est indispensable de régler la pression du côté évaporation, c'est-à-dire la pression d'entrée du dispositif de production de froid, quand l'équilibre thermique de tout 30 le dispositif est pris en considération. Selon la présente invention, on prévoit un procédé pour contrôler la production de froid dans un dispositif de séparation d'air, comprenant un dispositif de rectification à une seule colonne pourvu d'un condenseur-évaporateur, un dispositif de production 35 de froid et un passage faisant communiquer le condenseur-évaporateur et le dispositif de production de froid, le passage ayav:t u-ne voie de dérivation se reliant au côté sortie du dispositif de production de froid, où l'air en tant que matière de départ est liquéfié avec le froid fourni dans le dispositif de production de 40 froid, l'air liquéfié est rectifié dans le dispositif de rectifica 71 00540 4 2076020 tion à une seule colonne, et le gaz résiduaire formé dans le condenseur-évaporateur est partiellement envoyé au dispositif de production de froid à travers le passage et le restant du gaz résiduaire est envoyé à la voie de dérivation, procédé caractérisé en 5 ce que le volume d'écoulement du gaz résiduaire vers la voie de dérivation est contrôlé suivant la variation de niveau de liquide du côté évaporation du condenseur-évaporateur. La présente invention sera illustrée en détail au moyen d'un exemple se référant aux dessins ei-joints dans lesquels : 0 La figure 1 est un diagramme d'écoulement (flow-sheet) présentant un dispositif de production d'azote en tant qu'exemple de réalisation préféré de la présente invention, et La figure 2 est un diagramme de courbes présentant un exemple du mode de contrôle du niveau de liquide et de la pression 5 du côté évaporation du condenseur-évaporateur en fonction de l'ouverture d'une valve de commande prévue sur la voie de dérivation. On porte en abscisses le temps et en ordonnées, successivement de haut en bas, le niveau de liquide (lignes horizontales L^, LQS LT }„ la pression (lignes horizontales P^, PQ, P^) et le degré d'ouverture 0 de la valve (lignes horizontales VH, VQ»et V^). Sur la figure 1, l'air en tant que matière première est envoyé à partir d'un tube 1 et comprimé dans un compresseur 2. Lorsqu'on prévoit la production d'azote gazeux seul, par exemple, la com-pression peut être réalisée jusqu'à environ 6 à T kg/cm . Lorsqu'on 5 désire la production simultanée d'azote liquide, on peut effectuer p une compression jusqu'à environ 8 à 9 kg/cm . L'air comprimé traverse une conduite vers la partie 4 à température supérieure et la partie 5 à. température inférieure d'un échangeur de chaleur réversible, où l'échange de chaleur avec le gaz en retour est réali-0 sé. L'air ainsi refroidi presque jusqu'à la température de liquéfaction est envoyé à travers une valve de contrôle 6 et un tube de conduite 7 et pénètre dans la partie inférieure d'un dispositif ds rectification 8 à une seule colonne, où l'air est liquéfié et séparé en air liquéfié contenant abondamment de l'oxygène et en air ge.-5 zeux contenant de l'azote à une concentration élevée. L'air gazeux retiré à travers un tube de conduite 10 est soumis à un échange de chaleur avec le gaz en retour, dans un dispositif de liquéfaction d'air 9» et l'air liquéfié résultant est ramené par l'intermédiaire d'un tube de conduite 11 vers la partie inférieure du disposiez tif de rectification 8, Jl- 00540 5 2076020 " - L'air liquide à la partie inférieure du dispositif de rectification 8 est envoyé à travers un tube de conduite 12 vers -un filtré 13 où des impuretés, telles que C02 et des hydrocarbures, sont adsorbées et éliminées. Alors, le liquide filtré continue à '-5 travers une va'l-vé de commande- d'écoulement 14, où la pression est O 'réduite jusqu'à environ 3 à 4 kg/cm , et pénètre du côté évaporation 15 d'un condenseur-évaporateur 16. Dans le coridenseur-évapo-rateur 16, l'air liquide est soumis à un échange de chaleur avec - l 'azote gazeux à pureté élevée, venant de .la partie supérieure du 10 dispositif de rectification "8 à travers un tube de conduite 17, et,'de ce fait, l'azote gazeux est liquéfié. L'azote liquéfié traverse un tube de côiiduite 18 en allant vers la partie supérieure du dispôsitif de rectification 8. D'autre par.t, l'air liquide est vaporisé par suite de l'échange de chaleur et continue à travers 15 un tube de conduite 19 pour l'utilisation comme gaz en retour. - Une partie principale de l'air vaporisé indiqué ci-dessus, à travers le tube de conduite 19, est envoyée à travers un tube de conduite 20 vers le dispositif de liquéfaction 9 et s'écoule à travers un tube de conduite 21 où il est séparé en deux parties,l'une 20 de ces parties traversant une valve de commande 22 et un tube de •conduite 23 vers la partie à température inférieure 5, en vue de l'échange de chaleur avec l'air en tant que matière de départ venant du compresseur 2 pour liquéfier CO,, et puis traversant un tube de conduite 24 et une valve de commande 25 jusqu'à une turbine 25 à expansion 26. L'autre partie séparée dans le tube de conduite 21 est envoyée à travers une valve de commande 27 et combinée avec le gaz de retour indiqué ci-dessus. Le gaz combiné est soumis à une expansion dans la turbine à expansion 26 presque jusqu'à la pression atmosphérique et, de ce fait, tout travail extérieur thermody-30 namiquè est réalisé et la température est remarquablement abaissée pour produire du froid en quantité suffisante pour satisfaire aux exigences'du dispositif. Le gaz expansé traverse des tubes de conduite 28 et 29 vers, le dispositif de liquéfaction 9 et puis traverse un tube de conduite 30 et la valve de contrôle 6 vers l'échangeur '35 de chaleur réversible. Le gaz est échauffé jusqu'à la température ambiante par suite de l'échange de chaleur avec l'air en tant que matière première et puis évacué à travers un tube de conduite 31. Une partie résiduaire peu importante de l'air vaporisé à travers le tub'e de conduite 19 traverse une voie de dérivation 33 40 et une valve de commande 32 et, après s'être combinée avec le gaz / s OU J "s -, . ,'r., • - - ' 2076020 * ' * provenant du tuba de conduite 28, elle continue à travers le tube de conduite 29. La valve de "commande ^S'ï'ègle lis- voïmné' d'écoulement „et la pression à l'entrée dè Ta 'turbine à expansion 26 et . ainsi .'aonaande la production^de'froid. Quand'le riivîsaû-de l'air li- 5 quide du côté évaporation IB'dû. condénséùr-é'-'/aporatéur'' lé est in-, .férieur.à.un niveau réglé,,, là talve Se ' commande 32' 'entre an action pour sa- fermeture et, de' ce fait^ ïei'vdluîae drécoulement dans la _ ..turbine à expansion 26 est "augmenté et on retrouve"le-'niveau ré-glé de l'air^ liquide. Quand le nivéàu: de liquide- va'vers un niveau 10 supérieur, la valve de commande 32 est mise en fonctionnement pour réaliser son ouverture et, de ce fait; ié"toiurne d'écoulement dans la turbine à expansion est diminué et on retrouve le niveau réglé de 1'airliquide.. " ' ' De ce fait, on doit noter que, quand la valve de comman-15 de 32 est mise en fonctionnement vers son ouverture de manière telle que la. pression du coté évaporation 15 du condênseur-évaporateur 16 soit augmentée brusquement, il y aurait un risque de perturbation des conditions de rectification stabilisées du dispositif de rectification à une seule colonne et, en outre, il se produirait 20 un retard de temps considérable dans la période allant de 1'action de la valve de commande 32 jusqu'au retour réel du niveau de liqui-. de réglé. Pour empêcher l'excès de travail de la valve d® commande 32, il est ainsi recommandé de la pourvoir d'un" mécanisme tel que 25 la pression du coté évaporation 15 du condenseur-évaporateur 16 ne pourra pas s'écarter au-dessus ou en dessous de certaines limites supérieure et inférieure par rapport au niveau de pression avant que la valve de commande 32 n'ait commencé son action. Sur la figure 2 présentée à titre d'illustration d'un 30 tel mécanisme, on indique les variations relatives du niveau de liquide "L" de l'air liquide"du côté évaporation 15 du condenseur-évaporateur 16, la pression "P" du côté évaporation 15 et le degré d ' ouverture "V" de la valve de ccmniande de dérivation- 32 en fonction du temps "t". Dans le cas où le niveau de liquide varie, en 35 partant du temps t^, pour devenir inférieur à la valeur de limite réglée Lo, la pression du côté évaporation 15 du condenseur-évaporateur 16 est élevée à partir de Po de la valve réglée d'une valeur Q' qui correspond au degré "de déplacement de niveau 6 ; en même ... temps, la. valve de commande 32 est actionnée pour fonctionner vers 40 la fermeture afin d'augmenter lé volume d'écoulement dans la tur- i ' , : - f' f: ;'î\ *. 71 00540 t 2076020 bine à expansion 26. Alors que 9* / 6 est réglable de manière facultative, l'agencement de commande doit être réalisé de manière telle qu'une variation brusque de pression ne se produise pas par rapport au niveau du liquide. Quand la valve de commande 32 est 5 serrée vers sa fermeture, si le niveau de liquide se rétablit juste comme on l'indique par "e* sur le diagramme et de manière concomitante que la pression P ainsi que le degré d'ouverture de valve V augmentent également respectivement vers les valeurs initiales Po et Vo, ces modifications telles qu'indiquées ci-dessus peu-10 vent être jugées satisfaisantes. Cependant, dans le cas où l'abais sement de niveau de liquide continue encore et ne cesserait pas et que la pression arriverait à Pjj, on doit prendre une mesure de con trôle pour maintenir le degré d'ouverture de valve à qui est le degré d'ouverture à ce moment. Une valeur appropriée pour Pjj 15 peut être Po + 0,05 - 0,1 kg/cm2. En établissant ceci, on obtient avec succès un équilibre de froid, sans permettre à la pression du côté évaporation 15 de subir une grande variation à partir du retard de temps dans la période partant du commencement d'action de la valve de commande 32 jusqu'au retour réel du niveau de liqui 20 de ; en d'autres termes, l'équilibre du froid peut être maintenu sans dégrader ou perturber les conditions de rectification. Dans l'état où le degré d'ouverture de valve est maintenu à V^, si le niveau de liquide présente une tendance à se rétablir, tel qu'indi qué par "d" sur le diagramme, la pression maintenue à PH jusqu'au 25 retour du niveau de liquide à Lo commencera à faire fonctionner l'ouverture de la valve. Si le niveau de liquide continue encore à s'abaisser, on prend une mesure de contrôle pour commander la valve de manière telle que la pression augmente au moment où le niveau de liquide se sera abaissé jusqu'à L^. Si le niveau de li-30 quide continue encore à s'abaisser et que la pression continue également à augmenter en atteignant presque la limite réglée, malgré la commande de la valve indiquée ci-dessus, cette tendance est détectée au moyen d'un dispositif d'alarme ou analogues, de manière telle que la valeur réglée initiale de la pression ou la 35 valeur 0' / 9 peut être modifiée de manière appropriée pour réaliser le retour du niveau de liquide. Dans le cas où le niveau de liquide est allé au-delà de la valeur de limite réglée et puis revient à cette valeur, le degré d'ouverture de valve doit être modifié à une valeur 40 constante, afin de maintenir la pression au degré qui sera prolon- 71 00540 a 207&020 gé au moment oit le niveau de liquide aura atteint ; ensuite, quand le niveau de liquide atteint la valeur réglée initiale LQ ou qu'une certaine période de temps s'écoule, le degré d'ouverture de valve est supprimé pour être libéré et la régulation est con 5 tinuée selon la variation du niveau de liquide à ce moment. Les dé veloppements indiqués ci-dessus sont présentés au moyen des symboles "a", "b" et "c" sur le diagramme. Quand le dispositif passe au stade statiormaire de fonctionnement, le niveau de liquide se rétablit généralement de lui-10 même au temps "t^" ou "t^" et tout contrôle supplémentaire est à peine nécessaire» à moins que l'équilibre thermique ne soit perturbé par un facteur extérieur. Cependant, la valeur réglée peut être modifiée de manière appropriée selon le changement de température avec la saison après le temps "t^". 15 L'illustration indiquée ci-dessus a été faite pour le cas où le niveau de liquide descend, mais elle peut être appliquée au cas où le niveau de liquide s'élève. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire 20 susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. : 71f00540 i- REVENDICATIONS " ' \ - f r*r\~1 ' ~ ^ n /ouaU 1 - Procédé de contrôle de la production de froid dans un dispositif de séparation d'air, qui comprend un échangeur de chaleur réversible, un dispositif de liquéfaction d'air, un dispo-5 sitif de rectification à une seule colonne pourvu d'un condenseur-évaporateur et un dispositif de production de froid, et dans lequel l'air est refroidi dans l'échangeur de chaleur réversible et li- . quéfié dans le dispositif de liquéfaction d'air, l'air liquéfié est rectifié dans le dispositif de rectification à une seule colon-10 ne pour se séparer en air liquide contenant de l'oxygène en quantité abondante et en azote gazeux très pur, l'air liquide étant soumis à un échange de chaleur dans le condenseur-évaporateur, l'air gazéifié résultant étant soumis à un échange de chaleur dans le dispositif de liquéfaction d'air et envoyé à travers 1'échangeur 15 de chaleur réversible vers le dispositif de production de froid et l'air liquéfié résultant étant envoyé à travers le dispositif de liquéfaction d'air et 1'échangeur de chaleur réversible pour sa libération, caractérisé en ce qu'on prévoit une voie de dérivation pour faire communiquer une position sur un passage entre le con-20 denseur-évaporateur et le dispositif de liquéfaction d'air et une position sur un passage entre le dispositif de production de froid et le dispositif de liquéfaction d'air, une valve de commande est prévue sur la voie de dérivation et le degré d'ouverture de cette valve est automatiquement contrôlé afin de régler de manière appro-25 priée le volume d'écoulement de l'air gazeux passant à travers la voie de dérivation ; de ce fait, le niveau de l'air liquide dans le condenseur-évaporateur est maintenu constant et la rectification de l'air liquéfié dans le dispositif de rectification à une seule colonne est réalisée dans des conditions stables. 30 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture de la valve de commande prévue sur la voie de dérivation est fixée dans l'état où elle se trouve au moment où la pression du côté évaporation du condenseur-évaporateur est modi-riée jusqu'à un certain point â partir d'une valeur réglée, afin 35 de commander le retard de temps pour le retoux* au niveau de liquide. . 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