Brevet FR2596667A1 — publié le 19871009

L'invention a pour objet un dispositif de séparation de gaz, notamment d'air, à l'aide de colonnes de rectification disposées coaxialement l'une dans l'autre, comportant au moins un condenseur et une colonne de recti05 fication. Le gaz acheminé vers les colonnes de rectification de ce type et comportant un condenseur et des échangeurs de chaleur, peut au préalable passer dans des filtres molaires pour une séparation au moins partielle et on sait qu'avec des colonnes de rectification de ce type on produit 10 essentiellement de l'oxygène liquide. Lorsque des colonnes de rectification de ce type sont utilisées ensemble par de grands utilisateurs, il est souhaitable de conduire la production de manière à ne produire que la quantité d'oxygène nécessaire à ce moment. Le stockage intermédiaire nécessite 15 des réservoirs isolés coûteux et une installation de séparation des gaz pouvant s'adapter rapidement à la demande du produit, entraînerait une économie d'énergie considérable. Or, les colonnes de rectification connues se caractérisent par le fait qu'elles ne sont conçues que pour une capacité 20 ou une charge définies et que leur fonctionnement pour un besoin inférieur à la charge nominale n'est pas rentable sur le plan énergétique. La demande de brevet DE-A-21 49 155 décrit une colonne de rectification constituée d'une gaine de colonne 25 et d'un tube central concentrique, entre lesquels se trouvent des plateaux de rectification en forme d'anneau circulaire. L'invention a pour but de réaliser un dispositif du type précité permettant de répondre de manière rentable 30 aussi bien à la charge minimale qu'à la charge de pointe. Ce but est atteint avec le dispositif suivant l'invention en ce qu'au moins deux colonnes de rectification sont reliées entre elles, une première colonne de rectification étant entourée sur au moins une partie de sa pa35 roi extérieure par une colonne extérieure, et en ce que la première colonne peut fonctionner indépendamment de la ou des colonne(s) extérieure(s), Etant donné qu'il est prévu au total au moins deux colonnes de rectification, l'une des deux colonnes peut être conçue pour la charge minimale, par exemple pour environ 10 % du débit d'air, tandis que la colonne principale entourant au moins en partie la colonne de rectification produisant la charge minimale, peut intervenir si nécessaire, pour produire la quantité correspondant à la pleine charge. Le fait de disposer la colonne principale de manière qu'elle entoure au moins une partie de la première colonne de rectification prévue pour 10 la charge minimale, présente dans ce cas un grand avantage sur le plan énergétique, car la colonne intérieure contribue tout au moins en partie à refroidir la colonne principale, par sa paroi extérieure, et, par conséquent, à réunir les conditions de mise en service de la colonne exté15 rieure. La montée à pleine capacité se trouve ainsi considérablement raccourcie, puisque la colonne extérieure est déjà maintenue à des températures relativement basses. En même temps, la colonne extérieure constitue une isolation efficace pour la colonne intérieure dans le cas o seule 20 la colonne intérieure fonctionne. On a prévu, dans ce cas, une configuration avantageuse puisque chaque colonne est subdivisée par des cloisons en une colonne sous pression et une colonne à la pression atmosphérique. La détente d'une colonne en pression en une colonne à la pression at25 mosphérique peut produire un refroidissement supplémentaire, ce qui peut conduire à la condensation d'oxygène liquide qui peut être un produit résultant de ce procédé. On peut obtenir de l'azote des colonnes en pression, à la pression du procédé, et en tête de la colonne à la pres30 sion atmosphérique; cet azote peut être utilisé pour refroidir des échangeurs de chaleur montés en amont. On a une construction particulièrement simple, lorsque la réalisation est telle que les colonnes en pression présentent un bassin de collecte des résidus commun 35 et des condenseurs de tête séparés. Lorsque seule la première colonne fonctionne, on peut dans ce cas, procéder de manière avantageuse de telle sorte que les produits de tête de la colonne en pression de la première colonne soient acheminés vers un autre condenseur; notamment le condenseur de tête de la colonne en pression de la (des) colonne(s) extérieure(s). Avec une configuration de ce 05 type, on peut s'en tirer avec une seule pompe d'évacuation de l'oxygène liquide. Les différentes colonnes peuvent être mises à l'arrêt par des robinets d'arrêt appropriés, ce qui permet de tenir compte des besoins instantanés. Les condenseurs de tête des différentes colonnes 10 en pression qui sont séparés tout au moins côté azote, permettent dans ce cas de faire fonctionner parfaitement chaque colonne indépendamment des autres et, par conséquent, d'adapter la production aux besoins. Pour améliorer l'isolation thermique d'une co15 lonne intérieure et pour accélérer la montée en régime des colonnes extérieures, il est avantageusement prévu que la colonne intérieure est entièrement entourée par une colonne extérieure. Pour tenir compte de manière particulièrement 20 bénéfique des différentes quantités à traiter, il est avantageusement prévu que la colonne intérieure présente une capacité inférieure à celle de la (des) colonne (s) extérieure(s) et est notamment prévue pour une capacité inférieure à 30 % de celle de la (des) colonne(s) exté25 rieure(s). Les différentes colonnes peuvent être avantageusement disposées coaxialement l'une dans l'autre, la subdivision en colonne en pression et en colonne à la pression atmosphérique étant assurée par des cloisons passant par l'axe de chacune des colonnes. Grace à la configuration particulièrement ayantageuse qui prévoit un bassin de collecte commun pour les colonnes en pression et des condenseurs de tête séparés, on peut obtenir une mise en service particulièrement rapide de chacune ou de toutes les colonnes Afin de réduire 35 la consommation énergétique lorsque certaines colonnes seulement sont en fonctionnement et que donc, la charge est partielle, il est prévu un nombre de condenseurs, cor- respondant au nombre de colonnes. Chacun de ces condenseurs est adapté à la quantité àtraiter, ce qui fait que les condenseurs ne se trouvent pas non plus dans des conditions défavorables quant à leur rendement, même sous charge par05 tielle. On peut encore améliorer le bilan.nergétique en prévoyant d'utiliser les condenseurs de refroidissement de tête comme bouilleurs de produits de queue pour la colonne à la pression atmosphérique correspondante. Afin d'avoir la possibilité d'utiliser la quan10 tité de gaz non recherché, notamment l'azote sous pression ou l'azote à la pression atmosphérique, pour d'autres opérations destinées à améliorer le bilan énergétique, il est avantageusement prévu que les produits de tête des colonnes à la pression atmosphérique peuvent être évacués sépa15 rément. Dans ce mode de réalisation, on peut procéder de manière particulièrement simple pour qu'une quantité partielle au moins du gaz sous pression provenant de la ou des colonne(s) de pression, soit acheminée par un échangeur de chaleur vers un condenseur, puis après nouveau refroi20 dissement dans cet échangeur de chaleur, vers une turbine d'expansion couplée au condenseur, et acheminée à nouveau vers l'échangeur de chaleur à l'état après détente et refroidissement juste au- dessus du point de condensation. Grâce à la turbine d'expansion couplée au condenseur, on peut accroître encore dans ce cas le rendement énergétique. Pour faciliter et accélérer la montée en régime d'une colonne extérieure arrêtée, il est avantageusement prévu que les produits de condensation qui se forment dans une colonne extérieure arrêtée, peuvent être acheminés vers un réservoir intermédiaire qui peut être évacué dans le bassin de collecte commun des colonnes de pression lors de la mise en service de la (des) colonne(s) extérieure(s). Le principal avantage d'une telle configuration réside avant tout dans le fait que les colonnes à l'arrêt 35 peuvent être maintenues à l'état froid avec la ou les colonne(s) se trouvant encore en service, ce qui accélère la montée à pleine charge. Un mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après plus en détail en référence au dessin annexé. Pour plus de clarté, les circuits d'adsorption habituellement prévus pour éliminer les hydrocarbures des liquides, ainsi 05 que les échangeurs entre les produits de tête et des liquides montants, et le réglage de la température avant les turbines d'expansion n'ont pas été représentés. Un condenseur d'air 1 envoie de l'air par un dispositif de purification préalable, par filtrage, non re10 présenté, par un échangeur de chaleur principal 2, dans le bassin de collecte 3 commun aux deux colonnes disposées coaxialement l'une dans l'autre. Un courant partiel d'air condensé est acheminé par un évaporateur d'oxygène 4 surcritique et est réglé par une vanne 5 de telle sorte que 15 la température de l'oxygène à la sortie de l'évaporateur se situe juste au-dessous de la température d'entrée de l'air. Une première petite colonne pour la charge minimale est constituée d'un condenseur 6, d'une colonne en 20 pression 7 et d'une colonne 8 à la pression atmosphérique. Le condenseur 6 entre la colonne en pression 7 et la colonne 8 à la pression atmosphérique condense l'azote qui sert, en partie, de liquide de lavage à la colonne en pression 7, ou est stocké par une conduite 9 dans la colonne 8 à la 25 pression atmosphérique pour servir de liquide de lavage. Le condenseur 6 fait bouillir avec sa chaleur de condensation les résidus de la colonne 8 à la pression atmosphérique. L'oxygène liquide restant est acheminé par une conduite de produit 10 vers le condenseur principal 12. Par la conduite 11, du liquide provenant du bassin de collecte 3 (air liquéfié) est acheminé jusqu'à la colonne 8 à la pression atmosphérique sous forme de produit intermédiaire. Une deuxième colonne extérieure pour la charge 35 principale est constituée du condenseur 12, d'une colonne en pression 13 et d'une colonne 14 à la pression atmosphérique et fonctionne comre la colonne pour la charge 25966.67 minimale. De l'azote de lavage parvient par une conduite 15, jusqu'à la tête de la colonne 14 à la pression atmosphérique et de l'air liquéfié, provenant du bassin 3 commun aux deux colonnes, est acheminé jusqu'à la tète de 05 la colonne 14 à la pression atmosphérique par la conduite 16. Une pompe haute pression 17 pompe dans le condenseur principal 12 et envoie du liquide surcritique dans l'évaporateur 4. Le gaz sous pression ainsi formé est stocké provisoirement dans un réservoir haute pression 18 et détendu à la pression du réseau 20 des utilisateurs par un poste de réduction 19. Un régulateur de pression 21 maintient la pression surcritique, par exemple 160 bars (ou 16 MPa), dans l'évaporateur 4, indépendamment de l'é15 tat de charge du réservoir haute pression 18. Pour compenser les pertes de frigoriesconsécutives au rayonnement et aux écarts de température dans les échangeurs de chaleur 2 et 4, l'azote sous pression provenant de la tête de la colonne de pression principale 13 20 est porté à la température ambiante dans l'échangeur de chaleur 2, condensé par un condenseur 22 ultérieur et à nouveau refroidi, dans l'échangeur de chaleur principal 2, à la température d'entrée dans la turbine 23, de sorte que l'onII obtient après celle-ci une température qui se situe juste au-dessus de la température d'évaporation de l'azote à la pression atmosphérique. L'azote gazeux est ensuite porté à la température ambiante dans l'échangeur de chaleur 2 et extrait par une conduite d'évacuation 24 comme produit final. La turbine 23 entraîne le condenseur 22 et 30 présente un réglage 25 des buses. Si l'on utilise de l'azote pur sous pression comme produit, ce circuit de turbine peut, par exemple, fonctionner aussi avec de l'air provenant de la colonne de pression 13. Les produits de tête, l'azote non purifié, des 35 colonnes 8 et 14 à la pression atmosphérique, sont évacués séparément par l'échangeur de chaleur principal 2. Dans le cas o seule une petite quantité de gaz doit être séparée, on ne fait fonctionner que la colonne pour la charge minimale et la colonne principale est mise hors service. La colonne principale à l'arrêt est maintenue refroidie par échange de chaleur avec la colonne de 05 base qui fonctionne encore, ce qui permet une montée en régime rapide de la colonne principale. Si seule la colonne de base 7, 8 fonctionne, un petit condenseur 26 envoie de l'air dans le bassin 3 commun par l'échangeur de chaleur principal 2 et l'évapo10 rateur d'oxygène 4. Pour mettre hors service la colonne principale, on ferme une vanne 27 par laquelle passe l'azote sous pression provenant de la tête de la colonne en pression 13 et se dirigeant vers le condenseur principal 12, une 15 vanne 28 par laquelle passe l'oxygène liquide provenant du fond de la colonne 14 à la pression atmosphérique et se dirigeant vers le condenseur principal 12, ainsi qu'une vanne 29 par laquelle passe la liaison côté gaz entre le condenseur principal 12 et la colonne 14 à la pression at20 mosphérique. Pour empêcher que de l'azote de lavage provenant de la colonne en pression 13 et de l'air liquéfié provenant du bassin de collecte 3 soient acheminés vers la colonne 14 à la pression atmosphérique, on ferme une vanne de la conduite 15 et une vanne 31 de la conduite 16. 25 A la suite de cette opération, le fond de la colonne en pression 13 co!ne celui de la colonne 14 à la pression atmosphérique se vide. Il en résulte que l'air liquéfié se trouvant dans le bassin de collecte 3 commun contient une plus forte proportion d'azote, ce qui toute30 fois ne constitue par un inconvénient pour alimenter la colonne 8 à la pression atmosphérique en air liquéfié. Le fond de la colonne 14 va recevoir aussi du liquide enrichi en azote, puisque l'oxygène pur ne contenant pas de quantité résiduelle notable a déjà été acheminé vers le 35 condenseur principal 12. Mais étant donné qu'il n'y a pas non plus production d'azote sous pression dans la colonne en pression 13, la turbine 23 ne recevrait que trop peu d'azote en provenance de la colonne en pression 7 pour donner lieu à l'expansion nécessaire. On ferme donc une vanne 32 de la conduite menant du condenseur principal 12 à la turbine 05 23, et de l'air provenant du condenseur 26 par une vanne 33, est détendu dans la turbine 23 avec production de froid, après condensation dans le condenseur 22. Un clapet anti-retour 34 empêche que de l'azote sous pression parvienne de la colonne en pression 7. La colonne pour la charge minimale peut fonctionner ainsi aussi longtemps qu'on veut. La pompe haute pression 17 ne pouvant être adaptée par un réglage de la vitesse de rotation ou de la course, à la production moindre d'oxygène liquide dans le condenseur 6, l'excès de li15 quide est recyclé par une vanne 35. Grâce à l'échange de chaleur par la paroi extérieure de la colonne pour charge minimale, la courbe de température de la colonne pour la charge minimale est "imprimée" clans la colonne principale, ce qui fait que le li20 quide qui se condense ultérieurement est capté dans les bassins de collecte des colonnes. Si l'on doit accroître la capacité de l'installation, la colonne principale peut être remise en marche, la température de fonctionnement favorable maintenue par 25 un échange de chaleur entre les colonnes permettant des durées de montée en régime très brèves. Lors de la remise en marche de la colonne principale, on évacue tout d'abord par une vanne 36 le liquide à forte teneur en azote se trouvant sur le fond de la co30 lonne 14 à la pression atmosphérique, vers un réservoir intermédiaire 37, puis on ferme a nouveau la vanne 36 par un relais temporisé. Au cours de l'étape suivante, on remet en marche le condenseur d'air 1 puis on ouvre la vanne 27, de sorte 35 que du gaz enrichi en azote se trouvant dans la tête de la colonne de pression peut être condensé au lieu de l'oxygène liquide dans le condenseur principal 12 et passer dans la colonne 13 sous forme de liquide de lavage. A peu près en même temps, on évacue vers le bassin commun 3 le liquide riche en azote stocké dans le réservoir intermédiaire 37 et on ouvre à cet effet la vanne 38 pour le liquide dans 05 le bassin 3 et la vanne 39 pour la compensation de pression. Au bout de quelques minutes, il se forme dans le condenseur principal 12 de l'azote pur servant de liquide de lavage, de sorte que l'on peut laisser passer dans la colonne en pression 14 en provenance du bassin 3, par les vannes 30, 31 de l'azote liquide dans la conduite et de l'air liquéfié faiblement enrichi en azote dans la conduite 16. Après quoi, la rectification se prcduit rapidement. De l'azote à la pression atmosphérique prove15 nant de la tête de la colonne 14 quitte celle-ci par l'échangeur de chaleur principal 2. Du liquide de pureté croissante s'accumule sur le fond inférieur de la colonne 14 et est évacué par la vanne 36 dans le réservoir intermédiaire 37 jusqu'à ce que l'on obtienne une pureté du produit suffisante. Apres quoi, ce liquide désormais riche en oxygène passe du réservoir intermédiaire 37 dans le bassin de collecte 3. Si un degré de pureté suffisant est obtenu, on ouvre aussi les vannes 28 et 29 et l'oxygène liquide passe dans le condenseur principal 12. Après ouverture de la vanne 32 et fermeture de la vanne 33, de l'azote est de nouveau envoyé à. la turbine de détente 23; on est ainsi en fonctionnement normal et le cas échéant, le condenseur 26 peut être mis hors service. On règle la vanne 30 de la conduite 15 pour l'azote de lavage de la colonne principale, ainsi qu'une vanne 40 de la conduite 9, par des commandes manuelles 41 et 42 avec dispositifs d'affichage. Pour maintenir un certain niveau de liquide dans le condenseur principal 12 en cas de charge minimale, la commande de la vanne 35 du circuit de recyclage se fait par un régulateur de niveau avec affichage 43. De même, la vanne 31 de la conduite 16 et une vanne 44 de la conduite 11 sont reglées par des régulateurs de niveau avec affichage 45 et 46, et on obtient ainsi un niveau de liquide constant dans le bassin 3 commun. La vanne 5 par laquelle passe un courant partiel de l'air condensé, est réglée par un régulateur de température avec affichage 47. REVEN ICATIONS 1. Dispositif de séparation de gaz, notamment d'air, comportant au moins un condenseur et une colonne de rectification, caractérisé en ce que deux colonnes de rec05 tification au moins sont reliés entre elles, une première colonne de rectification (7, 8) étant entourée sur une partie au moins de sa paroi extérieure par une colonne extérieure (13, 14), et en ce que la première colonne (7; 8) peut être mise en service indépendamment de la ou des co10 lonne(s) extérieure(s) (13, 14). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque colonne est subdivisée par des cloisons en une colonne- sous pression (7, 13) et une colonne à la pression atmosphérique (8, 14). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les colonnes en pression (7, 13) présentent un bassin (3) commun et des condenseurs de tête (6, 12) séparés. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, lorsque seule la première colonne (7, 8) fonctionne, les produits de tête de la colonne de pression (7) de la première colonne (7, 8) sont acheminés vers un autre condenseur, notamment le condenseur de tête (12) de la colonne en pression (13) de la (les) co25 lonne(s) extérieure(s) (13, 14). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la colonne intérieure (7, 8) est totalement entourée par une colonne extérieure (13, 14). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la colonne intérieure (7, 8) présente une capacité inférieure à celle de la (des) colonne(s) extérieure(s) (13, 14) et est notamment conçue pour une capacité inférieure à 30 % de celle de la (des) 35 colonne(s) extérieure(s) (13, 14). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les colonnes sont disposées co-axialement. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu un nombre de condenseurs (1, 22) correspondant au nombre de colonnes. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les condenseurs (6, 12) de refroidissement de tête sont prévus comme bouilleurs de résidus pour la colonne à pression atmosphérique correspondante (8, 14) 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les produits de tête des colonnes à la pression atmosphérique (8, 14) peuvent être évacués séparément de la colonne. 11. Dispositif selon l'une des revendications 15 1 à 10, caractérisé en ce que, lorsqu'une colonne extérieure (13, 14) est à l'arrêt, les produits de condensation qui se forment peuvent être acheminés vers un réservoir intermédiaire (37) qui, lors de la mise en service de la (des) colonne(s) extérieure(s) considérée(s) (13, 20 14) peuvent être évacués dans le bassin de collecte (3) commun des colonnes en pression (7, 13) des colonnes. -12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie des gaz sous pression provenant de la ou des colonne(s) (7, 13), 25 est acheminée par un échangeur de chaleur (2) vers un condenseur (22), puis après nouveau refroidissement de cet échangeur de chaleur (2), vers une turbine d'expansion (23) accouplée au condenseur, et acheminée à l'état étendu et à peine au-dessus du point de condensation, 30 une nouvelle fois vers l'échangeur de chaleur (2).