Brevet FR2609790A1 — publié le 19880722

DESCRIPTION La présente invention est relative à un procédé et une installation pour alimenter en azote un appareil consrnaunt de l'azote liquide et rejetant de l'azote gazeux à basse température et sous une pression basse. Il existe un certain ncrbre d'appareils qui utilisent la chaleur de vaporisation de l'azote pour refroidir une charge et qui rejettent de l'azote gazeux très froid dont le pouvoir frigorifique ne peut être mis à profit sur place et est perdu. Ainsi, dans une opération de cryobroyage, l'azote liquide est utilisé à deux fins: d'une part pour refroidir la charge à broyer, dans la vis ou la trémie d'alimentation, de la température rambiante à la temp6rature de broyage, qui est généralrement de l'ordre de -140 à -150 C, et d'autre part pour maintenir cette température dans le broyeur, en évacuant l'énergie dissipée. La quantité de froid nécessaire pour le refroidissermrant de la charge dépend du produit Cp Z T, o Cp est la chaleur spécifique du produit et A T l'écart de température, tandis que l'énergie dissipée dans le broyeur dépend de l'aptitude du produit au broyage, de la granulomatrie désirée et des performnances du broyeur. Dans les cas favorables, ces deux besoins frigorifiques sont équilibrés, de sorte que si l'on introduit l'azote liquide dans le broyeur, l'azote gazeux froid généré au niveau de ce broyeur peut servir à pré-refroidir la charge, ce qui conduit à une récupération optimale des frigories. Par contre, il existe des cas défavorables, lorsque les produits ont une forte énergie de broyage, comme par exemple certains élastomères, et lorsqu'on vise de faibles granulcmatries (au-dessous de microns environ). Dans de tels cas, les consoemmtions d'azote liquide sont très élevées au niveau du broyeur, et la quantité d'azote froid générée dans le broyeur est très largement excédentaire par rapport à ce qui est nécessaire au pré-refroidissement de la charge; ces frigories sont irrécupérables par le procédé, et rejetées à l'atmosphère. L'invention a pour but de fournir un procédé et une installation permettant de valoriser ces frigories rejetées à basse température. 2 2609790 A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'on liquéfie un courant d'azote d'appoint sous pression élevée par échange de chaleur avec l'azote gazeux rejeté par l'appareil, on détend le liquide ainsi obtenu à la pression d'alimentation de l'appareil, et l'on adjoint le liquide détendu à l'alimentation principale de l'appareil en azote liquide. Dans un mode de mise en oeuvre, on fournit l'alimentation principale en azote liquide au moyen d'une installation de séparation d'air équipée d'un cycle de liquéfaction d'azote, et l'on prélève l'azote d'appoint au refoulement haute pression du caompresseur de cycle. Dans un autre mode de mise en oeuvre, on fournit 1' alimentation principale en azote liquide au moyen d'un stockage d'azote liquide et l'azote d'appoint par prélèvement sur une conduite de distribution d'azote sous pression. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation, du type comprenant une source d'azote liquide et une conduite d'alimentation principale de l'appareil en azote liquide s'étendant de cette source à l'appareil, est caractérisée en ce qu'elle comprend une conduite d'anenée d'azote gazeux d'appoint sous pression élevée, un échangeur de chaleur adapté pour liquéfier l'azote gazeux d'appoint par échange thermique avec l'azote gazeux de rejet de l'appareil, des moyens pour détendre l'azote ainsi liquifié à la pression d'alimentation de l'appareil, un séparateur de phases recevant l'azote liquide ainsi détendu, et une conduite d'amenée à l'appareil du liquide recueilli dans ce séparateur de phases. Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'une installation confornme à 1 'invention; - la figure 2 est un schéma d'une variante; et - la figure 3 est un schéma d'une autre installation conforme à l'invention. L'installation représentée à la figure 1 est destinée à alimenter en azote, et essentiellement en azote liquide, un appareil 1 (par exemple un appareil de cryobroyage) qui, après avoir consaonn de l'azote liquide, rejette de l'azote gazeux à basse température, par exemple comprise entre -140 et -196 C, par une conduite 2. Cette 3 -2609790 installation comaprend essentiellement une installation de séparation d'air 3, par exemple une double colonne de distillation d'air, disposée à proximité de l'appareil 1, par exemple à quelques dizaines ou quelques centimes de mètres de celui-ci, et produisant de l'azote gazeux par une conduite 4, un cycle de liquéfaction d'azote 5 associé à l'installation 3, et un liquéfacteur auxiliaire 6 disposé au voisinage immediat de l'appareil 1. Dans cet exemple, l'azote liquide alimentant l'appareil 1 et l'azote rejeté sont à peu près à la pression atmosphérique. Le cycle de liquéfaction 5 est classique et comprend un compresseur de cycle 7 à trois étages dont les pressions d'aspiration sont respectivement 1 bar, 6 bars et 20 bars environ (en valeurs absolues) et les pressions de refoulement 6 bars, 20 bars et 50 bars environ, un échangeur de chaleur 8 présentant trois séries de passages 9 à 11 en relation mutuelle d'échange thermique, un groupe frigorifique 12, une turbine de détente 13 et deux séparateurs de phases 14 et 15 en série. Une conduite principale 16 d'amenée d'azote liquide, isolée sous vide, part du fond du séparateur final 15 et aboutit à l'entrée d'azote liquide 17 de l'appareil 1, via un stockage intermCdiaire 16A. De ce stockage peut partir une autre conduite 16B destinée à fournir de l'azote liquide à d'autres utilisateurs, par exemple au remplissage de camions-citernes. Une conduite 18 d'amenée d'azote gazeux d'appoint part du refoulement haute pression du compresseur 7. Le liquéfacteur 6 comprend un échangeur de chaleur 19 à trois séries de passages 20 à 22 et un séparateur de phases 23. L'azote produit par l'installation 3 est envoyé, au voisinage de la température ambiante, par la conduite 4 ' l'aspiration du second étage du compresseur 7. Une partie de l'azote haute pression sortant du troisième étage du coupresseur pénètre dans les passages 9 de l'échangeur 8, en ressort pour être refroidi par le groupe frigorifique 12, pénètre de nouveau dans les passages 9 et, pour partie, est refroidi jusqu'au bout froid de l'échangeur 8, détendu à environ 6 bars dans une vanne de détente 24 et séparé en deux phases par le séparateur 14. Le liquide recueilli dans ce dernier est de nouveau détendu, jusqu'à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique, dans une vanne de détente , séparé en deux phases dans le séparateur final 15, et c'est le 260979( liquide recueilli dans ce dernier qui pénètre dans la conduite 16 et constitue l'alimentation principale en azote liquide de l'appareil 1. Une partie de l'azote haute pression circulant dans les passages 9 est sorti de l'échangeur 8, détendu à 6 bars dans la turbine 13 et réuni au gaz de flash issu du séparateur 14 pour fournir un premier courant de refroidissemrent circulant à contre-courant de l'azote haute pression dans les passages 10, avant de retourner à l'aspiration du second étage du compresseur 7. Le gaz de flash basse pression issu du séparateur 15 est envoyé dans les passages 11 à contre-courant de l'azote haute pression puis est renvoyé à l'aspiration du premier étage du coepresseur 7. L'azote gazeux haute pression prélevé par la conduite 18 pénètre dans les passages 20 de l'échangeur 19 et en ressort liquéfié et sous-refroidi à peu près à la terrérature de l'azote froid rejeté par l'appareil 1, puis est détendu à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique dans une vanne de détente 26, puis séparé en deux phases dans le séparateur 23. Le liquide recueilli dans ce dernier est envoyé par une conduite 27 à l'entrée 17 de l'appareil 1 et constitue un débit d'azote liquide d'appoint pouar cet appareil. Le gaz de flash du séparateur 23 est envoyé à contre-courant dans les passages 21 de l'échangeur 19, et la conduite 2 est reliée à l'entrée froide des passages 22. Après réchauffement, le gaz de flash est évacué, et l'azote de rejet est également évacué, généralement au moyen d'un véntilateur- extracteur 28. En variante, ces deux gaz peuvent être réunis et renvoyés à l'appareil 1, par exemple à des fins d'inertage, comme indiqué en traits mixtes, ou bien seul l'azote de rejet, qui constitue le débit principal, peut être renvoyé à l'appareil 1. Ainsi, l'adjonction, à une installation classique ne comprenant que l'installation 3 et le cycle 5, de la conduite 18 à température ambiante et de l'échangeur de chaleur 19, qui est de dimensions modestes, pemoet, au prix d'un faible investisseoent, de récupérer la puissance frigorifique à basse température par création d'un appoint d'azote liquide. De plus, pour diminuer des pertes d'azote par flash au niveau de l'échangeur 19, on peut, caoe représenté à la figure 2, détendre en deux étapes l'azote liquide haute pression sortant des passages 20, en intercalant une vanne de détente haute pression - moyenne pression 29 et un séparateur de phases interédiaire 30 entre la sortie des passages 20 2609790 et la vanne 26. Le gaz de flash du séparateur 30, à à peu prés 6 bars, est alors réchauffé dans des passages supplémentaires 31 de l'échangeur 19 puis renvoyé par une conduite 32 à l'aspiration du second étage du ca=presseur 7 de la figure 1. L'installation de la figure 3 ne diffère de celle de la figure 1 que par l'oriaine du courant principal d'azote liquide fourni à la conduite 16 et du courant d'azote gazeux haute pression entrant dans les passages 20 de l'échangeur. E. effet, lorsque l'installation de séparation d'air est trop éloignée de l'appareil 1, il est préférable d'alimenter la conduite 16 par un stockage d'azote liquide 33 disposé au voisinage imnidiat de l'appareil 1 et lui-miême ravitaillé par camions-citernes, tandis que l'azote gazeux d'appoint est fourni soit de la manière qu'à la figure 1, soit par piquage d'une conduite 18A sur une conduite 18B de distribution d'azote gazeux sous haute pression passant à proximité de l'appareil 1. Pour augmenter le rendement de la récupération des frigories, on peut envisager d'équiper la conduite 18 ou 18A d'un surpresseux amenant l'azote haute pression à une pression plus élevée que celle du cycle 5 ou de la conduite 18B, par exeple de l'ordre de 80 bars, et/ou de faire travailler l'appareil 1, par exemple le cryobroyeur, à une température plus basse que celle strictement nécessaire pour le procédé qu'il met en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Procédé pour alimenter en azote un appareil (1) consommrant de l'azote liquide et rejetant de l'azote gazeux à basse température et sous une pression basse, caractérisé en ce qu'on liquéfie un courant d'azote d'appoint sous pression élevée par échange de chaleur avec l'azote gazeux rejeté par l'appareil (1), on détend le liquide ainsi obtenu à la pression d'alimentation de l'appareil, et l'on adjoint le liquide détendu à l'alimentation principale (16) de l'appareil en azote liquide. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on procède également à un échange de chaleur entre l'azote d'appoint gazeux et le gaz de flash résultant de la détente de l'azote d'appoint liquéfié. 3. Procédé suivant l 'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on fournit l'alimentation principale en azote liquide au moyen d'une installation de séparation d'air (3) équipée d'un cycle de liquéfaction d'azote (5), et l'on prélève l'azote d'appoint au refoulement haute pression du caompresseur de cycle (7). 4. Procédé suivant les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce qu'on détend l'azote d'appoint liquéfié en au ncins deux stades (29,26), le gaz de flash résultant du ou de chaque stade intermédiaire étant renvoyé, après l'échange de chaleur avec l'azote d'appoint gazeux, à un étage intermédiaire du compresseur de cycle (7). 5. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on fournit l'alimentation principale en azote liquide au moyen d'un stockage d'azote liquide (33) ravitaillé de façon discontinue. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'azote d'appoint est fourni à l'appareil (1) par prélèvement sur une conduite (18B) de distribution d'azote sous pression. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'azote gazeux rejeté par l'appareil (1), et éventuellement le gaz résultant de la détente finale de l'azote liquéfié, sont renvoyés dans l'appareil (1). 8. Procédé suivant l'une des revendications 3 et 6, caractérisé en ce qu'on surpresse l'azote d'appoint avant ledit échange de chaleur, et/ou on fait travailler l'appareil (1) à une température inférieure à la tenrrature strictement nécessaire pour son fonctionnement. 9. Installation pour alimenter en azote un appareil (1) consammant de l'azote liquide et rejetant de l'azote gazeux à basse température et sous une pression basse, du type comprenant une source d'azote liquide (3,5; 33) et une conduite (16) d'alimentation principale de l'appareil en azote liquide s'étendant de cette source à l'appareil, caractérisée en ce qu'elle cuprend une conduite (18; 18A) d'amenée d'azote gazeux d'appoint sous pression élevée, un échangeur de chaleur (19) adapté pour liquéfier l'azote gazeux d'appoint par échange thermique avec l'azote gazeux de rejet de l'appareil (1), des moyens (26 26,29) pour détendre l'azote ainsi liquéfié à la pression d'alimentation de l'appareil, un séparateur de phases (23) recevant l'azote liquide ainsi détendu, et une conduite (27) d'amenée à l'appareil du liquide recueilli dans ce séparateur de phases. 10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (19) est également adapté pour mettre le gaz issu du séparateur de phases (23) en relation d'échange thermique avec l'azote gazeux d'appoint sous pression élevée. 11. Installation suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que la source d'azote liquide est constituée par une installation de séparation d'air (3) équipée d'un cycle de liquéfaction d'azote (5), et en ce que la conduite (18) d'amenée de l'azote d'appoint est piquée sur le refoulement haute pression du coepresseur de cycle (7). 12. Installation suivant les revendications 10 et 11 prises ensemble, caractérisée en ce que les ioyens de détente (26,29) sont en deux stades, et en ce qu'il est prévu une conduite (32) pour renvoyer le gaz de flash résultant du ou de chaque stade interdédiaire, après l'échange de chaleur avec l'azote d'appoint, à un étage interédiaire du corpresseur de cycle (7). 13. Installation suivant l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la source d'azote liquide est un stockage d'azote liquide (33) ravitaillé de façon discontinue. 14. Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la conduite (18A) d'amenée de l'azote gazeux d'appoint est piquée sur une conduite (18B) de distribution d'azote sous pression.