Brevet FR2484276A1 — publié le 19811218

La présente invention concerne un dispositif de décomposition d'air et elle a trait plus particulièrement à un dispositif de décomposition d'air du type assurant la rectification de l'air et sa décomposition en oxygène et en azote à l'aide d'une tour de fractionnement à double colonne, après refroidissement de l'air comprimé entrant par des é- changeurs de chaleur réversibles, et qui est pourvu d'adsor- beurs pour enlever de l'air d'alimentation, par adsorption, de l'humidité et des hydrocarbures, tels que du gaz carboni- que et de l'acétylène ou d'autres impuretés. Par exemple, on connaît un dispositif de dé- composition d'air tel que celui représenté sur la figure 1, o l'air entrant, qui est comprimé à une pression prédétermi- née par un compresseur 2, est prérefroidi dans une tour 3 puis est introduit dans l'un de plusieurs cylindres d'adsorption lOa et lOb (par exemple dans le cylindre d'adsorption lOa) en vue de l'élimination d'humidité et d'impuretés telles que du gaz carbonique. L'air épuré est refroidi presque jusqu'à son point de rosée à l'aide d'échangeurs de chaleur réver- sibles 15 puis il est introduit dans une colonne inférieure 16a d'une tour de fractionnement à double colonne 16 en vue de l'affinage et de la séparation de l'oxygène et de l'azo- te, tout en évacuant l'excès d'azote d'une partie médiane de la colonne supérieure 16b. L'excès d'azote gazeux est partiellement déchargé dans l'atmosphère sous forme de dé- chets d'azote après avoir été chauffé jusqu'à la températu- re ambiante dans l'échangeur de chaleur 15, en étant encore chauffé et partiellement introduit dans l'autre cylindre d'ad- sorption (par exemple le cylindre d'adsorption lob) de ma- nière à servir comme gaz de purge de régénération. Cepen- dant, le dispositif de décomposition d'air correspondant à de tels agencements est maintenu dans son ensemble dans une condition-fortement pressurisée du fait de la résistance du cylindre d'adsorption qui utilise l'azote résiduaire ga- zeux pour sa régénération, ce qui pose le problème que la pression de l'air entrant doit être augmentée jusqu'à un ni- veau bien supérieur à celui d'un dispositif de décomposi- tion d'air de type classique ne comportant pas de moyens d'adsorption d'impuretés. Plus spécifiquement, l'adsorbeur d'impuretés du type mentionné ci-dessus nécessite d'éta- blir dans le cylindre d'adsorption, pour le gaz de régéné- ration, une différence de pression d'environ 3.10 Pal ce qui se traduit par une augmentation d'environ 7.104 à 8.l04Pa de la pression de l'air entrant, qui est généralement d'en- viron 50.10 Pa dans un dispositif de décomposition d'air ne comportant pas de moyens d'adsorption d'impuretés. Ainsi, lorsque l'air comprimé entrant doit être fourni à une pres- 4 4 sion de 60.10 Pa à 64.10 Pa, cela provoque une augmentation d'environ 8 à 10% de l'énergie de compression de cet air en- trant. Une telle augmentation de pression peut être évitée en prévoyant un ventilateur pour le gaz de régénération. Ce- pendant, en pratique, le dispositif de régénération à ven- tilateur n'est généralement pas accepté en partie à cause de la complexité de conception de l'ensemble et en partie à cause du manque de fiabilité du ventilateur, bien que l'é- nergie nécessaire pour faire fonctionner le ventilateur soit suffisamment faible. Dans un dispositif de décomposition d'air comportant des cylindres d'adsorption d'impuretés comme mentionné ci-dessus, il est d'une pratique courante d'assu- rer le prérefroidissement de l'air entrant jusqu'à environ 51C afin d'éviter l'utilisation d'une unité d'adsorption de grandes dimensions et d'empêcher une augmentation de la tem- pérature de régénération et du coût d'exploitation. Néan- moins, l'air d'alimentation est habituellement prérefroidi par un réfrigérateur (à ammoniac ou à Fréon) qui nécessite une puissance d'environ 400 kW dans une installation d'une capacité de production de 20. 000 Nm3/h (02>O L'invention a pour objet de résoudre les problèmes définis ci-dessus qui résultent de l'utilisation de cylindres d'adsorption d'impuretés dans un dispositif de décomposition d'air, comme mentionné ci-dessus. L'invention a plus particulièrement pour objet de fournir un dispositif 3 2484276 de décomposition d'air à l'aide duquel on réduit les frais d'entretien des cylindres d'adsorption d'impuretés ainsi que le coût d'exploitation de l'ensemble de l'installation. Conformément à la présente invention, les objectifs pré cités sont atteints à l'aide d'un dispositif de décomposition d'air, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins trois adsorbeurs d'impuretés qui sont reliés l'un à l'autre à l'aide d'un certain nombre de vannes marche-arrêt et de vannes d'asservissement et qui sont branchés dans des conduits d'alimentation en air par- tant d'une tour de refroidissement d'air pour refroidir par eau l'air entrant fourni à des échangeurs de chaleur réver- sibles du dispositif de façon à éliminer les impuretés dudit air d'alimentation; - une turbine de détente servant à produi- re le froid nécessaire au dispositif; - des conduits de sortie de gaz servant à canaliser une partie du gaz sortant de la turbine de détente vers un des adsorbeurs d'impuretés par l'intermédiaire des é- changeurs de chaleur; - des conduits de gaz de régénération pour faire arriver à un autre adsorbeur-le courant de gaz sortant-- de la turbine et provenant du premier adsorbeur après échauf- fement; et - un circuit d'eau de refroidissement pour faire circuler de l'eau de refroidissement dans une tour de refroidissement d'eau utilisée pour refroidir l'eau à l'ai- de de l'azote gazeux résiduaire qui est déchargé du disposi- tif par l'intermédiaire des échangeurs de chaleur et de la tour de refroidissement d'air; - l'air d'alimentation provenant de la tour de refroidissement d'air étant transféré vers les é- changeurs de chaleur en service par l'intermédiaire d'au moins un des adsorbeurs d'impuretés, tandis qu'une partie du gaz de sortie de turbine est déchargée par l'intermé- diaire des adsorbeurs restants qui.sont reliés en série à l'aide des vannes de marche-arrêt et d'asservissement et 4 2484276 des conduits de gaz de régénération. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la des- cription, donnée à titre d'exemple non. limitatif, en référen- ce aux dessins annexés dans lesquels: Fig. 1 est un schéma synoptique d'un dis- positif de décomposition d'air classique, et Fig. 2 est un schéma synoptique d'un dis- positif de décomposition d'air conforme à la présente in- vention. Sur la figure 2, on a représenté un exemple de réalisation du dispositif de décomposition d'air confor- me à la présente invention, qui sert à produire de l'oxygène et de l'azote. Ce système de décomposition d'air, désigné dans son ensemble par 100, est pourvu de moyens d'adsorption d'impuretés se composant de quatre cylindres d'adsorption 23 à 26 qui sont reliés respectivement par des conduits d'air d'alimentation 21 et 22 à des échangeurs de chaleur réversi- bles 15 et à une tour de refroidissement d'air 3 qui assure le refroidissement de l'air d'alimentation par épuration à l'eau. Les adsorbeurs respectifs 23 à 26 sont branchés en parallèle à l'aide de vannes marche-arrêt 27 à 38 et de van- nes d'asservissement 27' à 38', qui sont ouvertes et fermées en réponse aux vannes marche-arrêt 27 à 38, et à l'aide de conduits de dérivation 39 à 44, en pouvant communiquer avec le conduit d'air d'alimentation brut 21 par l'intermédiaire d'un conduit de dérivation 41 qui est lui-même relié à des vannes marche-arrêt d'entrée 28, 31, 34 et 37, ainsi qu'avec un conduit 45 débouchant dans l'atmosphère par l'intermé- diaire d'un conduit de dérivation 39 qui est relié aux van- nes marche-arrêt 27, 30, 33 et 36. Un conduit de dérivation relié aux vannes marche-arrêt 29, 32, 35 et 38, est rac- cordé par l'intermédiaire.d'un conduit de gaz de régénération 46 à un conduit de dérivation 44 qui est lui-même relié aux vannes d'asservissement 27', 30', 33' et 36' qui sont à leur tour reliées à des sorties d'air d'alimentation 23b à 26b 2484276 des adsorbeurs respectifs. Un conduit de dérivation 43 qui est relié aux vannes d'asservissement 28', 31', 34' et 37' est raccordé à un conduit d'air d'alimentation 22 qui est lui-même relié aux échangeurs de chaleur 15, tandis qu'un conduit de dérivation 42, qui est raccordé aux vannes d'as- servissement 29', 32', 35' et 38', est relié à un conduit de gaz de sortie 47 d'une turbine de détente, qui est lui-même relié aux échangeurs de chaleur 15. D'autre part, la tour de refroidissement d'air 3 est divisée en une section inférieure 3a et une section supérieure 3b. L'eau de refroidissement à utiliser dans la section inférieure 3a est aspirée à partir de l'ex- térieur à l'aide d'une pompe 4 par l'intermédiaire du conduit 48 et elle est déchargée par l'intermédiaire du conduit 49. L'eau de refroidissement pour la section supérieure 3b est canalisée dans une tour de refroidissement d'eau 50 par l'intermédiaire d'un passage 54 et elle est refroidie dans cette tour 50 par contact direct, à contrecourant, avec l'azote résiduaire gazeux qui est déchargé de l'échangeur de chaleur réversible 15 par l'intermédiaire du conduit 51. L'eau refroidie est recyclée dans la section supérieure de la tour de refroidissement d'air 3 par l'intermédiaire d'un cir- cuit de recyclage comprenant des conduits 52 et 53 et une pompe 7. Dans l'opération de fractionnement se dé- roulant dans le dispositif décrit ci-dessus, l'air d'alimen- tation qui est aspiré par l'intermédiaire du filtre à air 1 est comprimé jusqu'à une pression prédéterminée (environ 50.104Pa) par le compresseur 2 et il est principalement re- froidi dans la colonne inférieure 3a de la tour de refroi- dissement d'air avant un refroidissement secondaire jusqu'à 3 à 4%C dans la colonne supérieure 3b. L'air d'alimentation refroidi parvient par l'intermédiaire de vannes marche-ar- rêt 28, 31 dans des cylindres d'adsorption 23 et 24 en vue de l'élimination de l'humidité et d'impuretés telles que du gaz carbonique. L'air d'alimentation épuré est canalisé vers 6 2484276 le conduit d'alimentation en air 22 par l'intermédiaire de vannes d'asservissement 28' et 31' et il est refroidi appro- ximativement jusqu'à son point de rosée dans l'échangeur de chaleur réversible 15 avant d'être introduit dans la co- lonne inférieure 16a de la tour de fractionnement à double colonne. Leair d'alimentation qui monte dans la colonne in- férieure 16a est fractionné par contact avec le liquide de reflux et il est séparé en une fraction supérieure d'azote de haute pureté et une fraction inférieure d'air liquéfié ri- che en oxygène. L'air liquéfié arrivant en bas de la colon- ne inférieure est évacué par l'intermédiaire du conduit 56 et, après échange de chaleur dans le refroidisseur 75 avec le courant d'azote résiduaire gazeux passant dans le conduit 67 par l'intermédiaire d'une soupape de détente 57, il est introduit dans une partie médiane de la colonne supérieure 16b de la tour de fractionnement o il est rectifié en une frac- tion supérieure d'azote gazeux et une fraction inférieure d'- oxygène liquéfié. L'azote sortant en tête de la colonne in- férieure de la tour de fractionnement est canalisé par l'in- termédiaire d'un conduit 58 jusqu'à un vaporisateur 59 de manière à échanger de la chaleur avec l'oxygène liquéfié ob- tenu à la base de la colonne supérieure 16b, l'azote gazeux étant soumis à une condensation et à une liquéfaction tout en produisant une vaporisation et une gazéification de l'o- - xygène liquéfié. L'azote liquéfié est canalisé par l'in- termédiaire d'un conduit 60 jusqu'à ltextrémité supérieure de la colonne inférieure 16a sous la forme de liquide de reflux, dont une partie est canalisée jusqu'en haut de la colonne supérieure par l'intermédiaire d'un conduit 61 et d'une soupape de détente 62, après échange de chaleur, dans le refroidisseur d'azote liquéfié 80, à contre-courant a- vec l'azote gazeux produit et sortant du haut de la colon- ne supérieure. L'azote et l'oxygène gazeux produits respec- tivement en haut et en bas de la colonne supérieure 16b de la tour de fractionnement sont respectivement évacués de celle-ci parl'intermédiaire des conduits 63 et 64, et après échange de chaleur dans les échangeurs 15 avec l'air d'ali- mentation, ils sont comprimés par des compresseurs 65 et 66 de manière à être déchargés comme produits finals. L'azote gazeux impur (azote résiduaire gazeux) est évacué à partir de la partie médiane de la colonne supérieure 16b par l'in- termédiaire d'un conduit 67 etaprès échange de chaleur avec l'air d'alimentation fourni à un dispositif de liqué- faction 74 à partir du conduit 73e il est échauffé approxi- mativement à la température ambiante dans les échangeurs de chaleur 15 avant son transfert dans la tour de refroidisse- ment d'eau 50 par l'intermédiaire du conduit 51. L'azote ré- siduaire gazeux, qui constitue un gaz parfaitement séché se trouvant à une température de 1 à 30Cy est utilisé pour re- froidir l'eau de refroidissement jusqu'à 3 ou 40C par con- tact direct avec celle-ci dans la tour de refroidissement d'eau 50, puis il est déchargé dans l'atmosphère à partir du haut de la tour 50. D'autre part, une partie de l'air d'alimen- tation qui a été extraite'de la zone médiane de la colonne inférieure 16a de la tour de fractionnement par l'intermé- diaire du conduit 68, sous la forme d'un gaz de circulation du système de circulation, est introduite dans les sections à basses températures des échangeurs de chaleur 15 pour re- froidir l'air d' alimentation brut avant son introduction dans une turbine de détente 71 par l'intermédiaire du con- duit 69 et de la purge 70, l'air étant soumis dans cette turbine de façon réversible à une détente avec isolation thermique pour produire le froid qui est nécessaire au sys- tème et étant divisé en deux moitiés. Une moitié du cou- rant d'air froid est introduite dans la partie médiane de la colonne supérieure 16b de la tour de fractionnement par l'intermédiaire du conduit 72 tandis que l'autre moitié est canalisée par l'intermédiaire du conduit 90 jusque dans les échangeurs de chaleur réversibles 15 de façon à être é-é chauffée presque jusqu'à la température ambiante avant d'être introduite dans l'adsorbeur par l'intermédiaire du conduit 47 et de la vanne d'asservissement 35' en vue du re- 8 2484276 froidissement de l'adsorbeur, l'air parvenant ensuite dans un réchauffeur 89 par l'intermédiaire d'une vanne marche- arrêt 35. L'air chauffé est introduit dans le cylindre d'ad- sorption 26 par l'intermédiaire d'une vanne d'asservisse- ment 36' en vue de l'échauffement et dé la purge du cylin- drepuis il est déchargé dans l'atmosphère, en même temps que les impuretés de purge, par, l'intermédiaire de la vanne marche-arrêt 36 et du conduit 45. L'oxygène liquéfié qui est extrait de la base de la colonne supérieure 16b de la tour de fractionnement par l'intermédiaire du conduit 76 et de la pompe 77, est renvoyé en bas de la colonne supérieure 16b après élimination des hydrocarbures dans un adsorbeur 78. Les adsorbeurs 23 à 26 sont alternative- ment enclenchés de façon à établir trois phases cycliques d'adsorption d'impuretés contenues dans l'air d'alimenta- tiony avec purge des impuretés contenues dans le cylindre respectif en même temps qu'un chauffage et un refroidissement (pré-refroidissement) jusqu'à la température d'adsorption, ce qui permet ainsi un fonctionnement continu du système de décomposition d'air. Dans un cas o le gaz sortant de la turbine de détente est utilisé comme gaz de régénération pour les adsorbeurs, comme mentionné ci-dessus, il est né- cessaire d'augmenter la pression du gaz sortant de la tur- bine de façon à garantir l'établissement d'une différence de pression de gaz suffisante pour la régénération des ad- sorbeurs, ce qui se traduit par une réduction de la produc- tion de froid. La réduction de la production de froid due à l'augmentation de la pression à la sortie de turbine peut être compensée par une augmentation du débit de la tur- bine. Par exemple, si la différence de pression des gaz nécessaires pour la régénération des adsorbeurs est de 4.10 Pa, on doit augmenter la pression du gaz sortant de la turbine jusqu'à 65.10L3Pa (par rapport au niveau classique de 25.103Pa). Cependant, conformément à des calculs effectués, on peut compenser la diminution de la production de froid par augmentation du débit de turbine d'environ 15%. A cet égard, le débit de turbine qui est approximativement de 10 à 11% du débit d'air d'alimentation dans une installation ayant une capacité de production d'environ 20 000 Nm3/h (02) est augmenté d'environ 11,5 à 13% par augmentation d'envi- ron 0,5 à 3% de la quantité d'air d'alimentation. En consé- quence, les adsorbeurs peuvent être régénérés simplement par une augmentation de la pression de l'air d'alimentation, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie des com- presseurs d'air d'alimentation par comparaison à des ins- tallations classiques. En outre, le gaz sortant de la turbine, qui a été utilisé pour le prérefroidissement d'un adsorbeur et qui a juste été soumis à la purge des impuretés adsorbées par échauffement, est échauffé pour le chauffage d'un autre adsorbeur, de sorte que l'énergie thermique nécessaire pour chauffer le gaz jusqu'à une température imposée peut être ré- duite d'environ 40%. En outre, bien que le gaz de régénéra- tion soit généralement utilisé en quantité correspondant à environ 20% de la quantité d'air d'alimentation, pour la ré- génération d'un adsorbeur, il est possible de réduire l'é- chauffement et le pré-refroidissement du gaz d'environ 50% dans le dispositif selon l'invention, en utilisant au moins trois adsorbeurs qui sont mis en service dans des cycles successifs correspondant chacun à l'enlèvement par adsorption des impure- tés contenues dans le gaz entrant, la purge des impuretés con- tenues dans l'adsorbeur par échauffement, et le refroidisse- ment jusqu'à la température d'adsorption. En outre, puisque l'azote résiduaire qui a été déchargé de l'installation de décomposition d'air selon l'invention entre directement en contact avec l'eau de re- froidissement à utiliser pour le refroidissement de l'air d'alimentation>on peut éviter la prévision d'un réfrigéra- teur de refroidissement de l'air d'alimentation, qui était auparavant nécessaire dans un cas o l'azote et l'oxygène pro- duits étaient collectés en quantités équivalentes, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie en correspon- produit dance. Même dans un cas o l'azote/est collecté en plus gran- de quantité, il est possible de réduire la capacité du réfri- gérateur.- REVENDICATIONS 1. Dispositif de décomposition d'air, ca- ractérisé en ce qu'il comprend: - au moins trois adsorbeurs d'impuretés (23,24,25,26) qui sont reliés l'un à l'autre à l'aide d'un certain nombre de vannes marche-arrêt (27 à 38) et de van- nes d'asservissement (27' à 38')etqui sont branchés dans des conduits d'alimentation en air partant d'une tour de re- froidissement d'air (3) pour refroidir par eau l'air d'ali- mentation fourni à des échangeurs de chaleur réversibles (15) du dispositif de façon à éliminer les impuretés dudit air d'alimentation; - une turbine de détente-servant à produi- re le froid nécessaire au système; - des conduits de sortie de gaz (47) ser- vant à canaliser une partie du gaz sortant de la turbine de détente vers un des adsorbeurs d'impuretés par l'intermé- - diaire des échangeurs de chaleur; - des conduits de gaz de régénération (46) pour faire arriver à un autre adsorbeur le courant de gaz sortant de la turbine et provenant du premier adsorbeur après échauffement; et - un circuit d'eau de refroidissement pour faire circuler de l'eau de refroidissement dans une tour de refroidissement d'eau (50) utilisée pour refroidir l'eau à l'aide de l'azote résiduaire gazeux qui est déchargé du dispositif par l'intermédiaire des échangeurs de chaleur et de la tour derefroidissement d'air (3); - l'air provenant de la tour de refroidis- sement d'air (3) étant transféré vers les échangeurs de chaleur en service (15) par l'intermédiaire d'au moins un des adsorbeurs d'impuretés, tandis qu'une partie du gaz de sortie de turbine est déchargée par l'intermédiaire des adsorbeurs restants qui sont reliés en série à l'aide des vannes de marche-arr6t et d'asservissement et des conduits de gaz de régénération. 2. Dispositif de décomposition d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits adsorbeurs (23,24, 25) comportent une entrée et une sortie d'air d'a- limentation qui sont reliées à trois conduits de dérivation par l'intermédiaire de trois vannes marche-arrêt (27, 28, 29) et de trois vannes d'asservissement (27',28', 29'), en ce que les conduits de dérivation placés sur le côté d'entrée d'air sont reliés à un conduit d'air d'alimentation partant de ladite tour de refroidissement d'air (3), à un conduit de dérivation placé du c6té de sortie d'air et à un-conduit d'é- chappement de gaz débouchant dans l'atmosphère, tandis que les conduits de dérivation restants placés du côté de sortie d'air desdits adsorbeurs sont reliés à un conduit d'air d'a- limentation aboutissant aux échangeurs de chaleur (15) et au conduit de sortie de gaz de turbine (47). 3. Dispositif de décomposition d'air se- lon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits adsorbeurs d'impuretés se composent de trois cylin- dres d'adsorption (23, 24, 25) à garnissage. 4. Dispositif de décomposition d'air se- lon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits adsorbeurs d'impuretés se composent de quatre cy- lindres d'adsorption (23, 24, 25, 26) à garnissage et en ce que l'air d'alimentation est transféré à partir de la- dite tour de refroidissement d'air (3) dans lesdits échan- geurs de chaleur par l'intermédiaire d'une première pai- re de cylindres d'adsorption qui sont branchés en parallèle par l'intermédiaire desdites vannes marche-arrêt (27,28, 29, 30) et d'asservissement (27', 28', 29', 30'), tout en assurant la décharge d'une partie du gaz de sortie de tur- bine parl'intermédiaire des cylindres d'adsorption res- tants qui sont raccordés en série avec les cylindres de ladite première paire.