Brevet FR2665755A1 — publié le 19920214

La présente invention est re Lative à un apparei L de production d'azote du type comprenant des moyens de refroidissement d'air comprimé épuré en eau et en anhydride carbonique, des moyens ascendants d'enrichissement progressif de cet air en azote, et un condenseur adapté pour refroidir La partie supérieure de ces moyens ascendants par vaporisation de Liquide riche de manière à y créer un ref Lux EL Le s'app Lique p Lus particu Lièrement à La production d'azote de pure- té moyenne, c'est-à-dire comprise typiquement entre 90 et 99 % environ. La production d'azote s'effectue actue L Le- ment au moyen de co Lonnes de distillation d'air Si L'on n'a pas besoin d'azote très pur, on peut penser à réduire Le nombre de p Lateaux de La co Lonne de disti L Lation, mais Le gain économique est faib Le. Quant à La production par des voies non cryogéniques (adsorption sélective, permeation sélective), e L Le nécessite un grand nombre de modules en para LLèLe, ce qui est souvent inacceptab Le. L'invention a pour but de fournir un appa- rei L très économique capab Le de produire de L'azote de pureté moyenne. A cet effet, L'invention a pour objet un apparei L du type précité, caractérisé en ce que Les- dits moyens ascendants sont constitués par des pre- miers passages p Lats d'un échangeur de cha Leur du type à p Laques et ai Lettes, et en ce que Le condenseur comprend des deuxièmes passages p Lats du même 3 o échangeur disposés en re Lation d'échange thermique avec au moins La partie supérieure des premiers passages et re Liés via une conduite équipée d'une vanne de détente à une bolte co L Lectrice de Liquide riche prévue à L'extrémité inférieure de ces premiers passages. Suivant d'autres caractéristiques de L'in- vention: Les moyens de refroidissement d'air, de préférence disposés au-dessus des premiers et deuxiè- mes passages, comprennent des passages p Lats de L'é- changeur de cha Leur situés dans Le pro Longement de ces premiers et deuxièmes passages, à savoir des troisié- mes passages a Limentés par L'air entrant et disposés o 10 en re Lation d'échange thermique d'une part avec des quatrièmes passages re Liés à L'extrémité supérieure des premiers passages, et d'autre part avec des cinquièmes passages re Liés à L'extrémité supérieure des deuxièmes passages; Le condenseur comprend un réservoir auxi- Liaire de Liquide riche juxtaposé à L'échangeur de cha Leur et dont Les parties inférieure et supérieure sont re Liées respectivement à La partie inférieure et à La partie supérieure des deuxièmes passages; dans un autre mode de réa Lisation, Le con- denseur est du type à ruisse L Lement de Liquide riche et à pompe de remontée au sommet du condenseur de L'excès de Liquide riche non vaporisé; un te L conden- seur peut comprendre un réservoir auxi Liaire juxtaposé à L'échangeur de cha Leur, assurant L'a Limentation en Liquide riche du condenseur et a Limenté Lui-même d'une part par Ladite conduite, d'autre part par La pompe; ce condenseur peut notamment comprendre un distribu- teur de Liquide en deux étapes disposé à L'extrémité supérieure des deuxièmes passages; Les deuxièmes passages s'étendent sur tou- te La hauteur des premiers passages ou, en variante, i Ls ne s'étendent que sur une fraction de La hauteur des premiers passages et sont pro Longés vers Le bas par des espaces fermés à Leur extrémité inférieure ou, au contraire, communiquant par cette extrémité avec Les premiers passages. Des exemp Les de réa Lisation de L'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur Lesque Ls: La Fig 1 représente schématiquement un apparei L de production d'azote conforme à L'invention; La Fig 2 est une vue en perspective de cet apparei L; Les Fig 3 à 7 sont des vues en coupe Longitudina Le prises à travers différents passages de L'apparei L des Fig 1 et 2; et Les Fig 8 à 12 sont des vues ana Logues à La Fig 1 de diverses variantes. L'apparei L de production d'azote représenté aux Fig 1 et 2 destiné à produire des débits de L'or- dre de 1 000 à 2 000 Nm 3/h d'azote de pureté de L'or- dre de 95 % Cet apparei L est constitué essentie L Le- ment d'un échangeur de cha Leur para LLéLipipédique 1 du type à p Laques et ai Lettes en a Luminium brasé Comme i L est bien connu dans La technique, et comme on Le voit mieux aux Fig 3 à 7, un te L échangeur est formé d'un grand nombre de p Laques rectangu Laires 2 en a Luminium, vertica Les en service, empi Lées Les unes 3 côté des autres avec interposition d'ondes en a Lumi- nium 3 formant entretoises et ailettes Entre ces p La- ques se trouvent des espaces p Lats contenant Les ai- Lettes Ces espaces sont déLimités Latéra Lement et en hauteur par des barres vertica Les 4 et horizontales 5 disposées entre Les p Laques correspondantes aux emp La- cements désirés La p Lupart de ces espaces forment des passages de circulation verticale de fluides Pour introduire un f Luide à une extrémité d'une série de passages, on uti Lise une botte d'entrée semi-cy Lindri- que 6 fixée à L'extrémité inférieure ou supérieure de L'échangeur ou Latéra Lement et communiquant avec ces passages par des interva L Les Laissés ouverts entre Les p Laques 2 correspondantes Un distributeur à ondes ob Liques 7 de configuration appropriée permet de répartir sur toute La Largeur des passages Les f Luides introduits Latéra Le- ment (Fig 5 et 7) De méme, des distributeurs 8 à ondes ob Liques permettent d'évacuer un f Luide soit Latéra Lement (Fig 3 et 5 à 7), soit vertica Lement (Fig 4), par L'intermédiaire d'une bolte de sortie semi-cy Lindrique 9 Comme on Le verra plus Loin, L'échangeur 1 comporte éga Lement une botte semi-cy Lindrique 10 servant à La fois à L'évacuation d'un f Luide d'une série de passages et à son introduction dans une autre série de passages. Pour La réa Lisation d'un te L échangeur, Les éLéments 2 à 5, 7 et 8 sont positionnés, L'ensemb Le est assemb Lé par brasage au four, puis Les boltes 6, 9 et 10 sont fixées par soudage. P Lus particu Lièrement, L'échangeur 1 est constitué de deux sections superposées, séparées her- métiquement par un ensemb Le de barrettes 5 schématisé par Le trait p Lein 11 aux Fig 1 et 2: une section inférieure 12 divisée e L Le-même en un tronçon infé- rieur 13 d'échange de matière adiabatique et en un tronçon supérieur 14 formant déph Legmateur, et une section supérieure 15 formant Ligne d'échange thermi- que. La section 12 est constituée de deux séries de passages: des premiers passages 16 (Fig 6) s'éten- dant sensib Lement sur toute La hauteur de La section, a Limentés par Le bas et avec évacuation Latéra Le à teur extrémité supérieure; et des deuxièmes passages 17 (Fig 7) adja- cents aux précédents et s'étendant sensib Lement sur La hauteur du tronçon 14, c'est-a-dire sur une fraction seu Lement de La hauteur des passages 16 à partir de L'extrémité supérieure de ceux-ci Ces passages 17 ont une a Limentation Latéra Le à Leur extrémité inférieure et une évacuation Latéra Le, du même côté, à Leur extrémité supérieure Les boltes 6 et 9 correspondantes (Fig 1 et 2) sont re Liées respectivement à L'extrémité inférieure et à L'extrémité supérieure d'un réservoir auxiliaire 18 situé à côté de L'échangeur 1, au même niveau que Le tronçon 14 et ayant une hauteur Légèrement supérieure à ce Lui-ci. Des espaces 19 (Fig 7) prolongent vers Le bas chaque passage 17 I Ls peuvent soit être fermés à Leur extrémité inférieure, comme représenté, soit être ouverts vers Le bas et, dans ce cas, communiquer avec Les passages 16 dans un but d'éga Lisation de pres- sions. La partie supérieure du réservoir 18 est re- Liée au fond de La bolte 6 d'entrée des premiers pas- sages 16 par une conduite 20 munie d'une vanne de dé- tente 21. La section supérieure 15 de L'échangeur 1 comprend trois séries de passages qui s'étendent sur sensib Lement toute sa hauteur: des troisièmes passages 22 de refroidisse- ment d'air (Fig 3) ayant une a Limentation Latéra Le à Leur extrémité supérieure et une évacuation Latéra Le, de L'autre côté, à Leur extrémité inférieure; des quatrièmes passages 23 de réchauffe- ment d'azote (Fig 4) ayant une alimentation Latéra Le à Leur extrémité inférieure et une évacuation vertica- Le, en position médiane, à Leur extrémité supérieure; et des cinquièmes passages 24 de réchauffe- ment de Liquide riche vaporisé (Fig 5) ayant une alimentation Latéra Le à Leur extrémité inférieure et une évacuation Latéra Le, du côté opposé, à Leur extrémité supérieure. Dans La section 15, chaque passage 22 est disposé en sandwich entre un passage 23 et un passage 24, afin d'échanger de La cha Leur avec eux La boite re Lie La sortie des premiers passages 16 à L'entrée des quatrième passages 23. L'apparei L ainsi décrit fonctionne de La manière suivante: L'air à traiter, comprimé vers 6 bars abso- Lus et épuré en eau en anhydride carbonique, est in- troduit dans Les passages 22 et en ressort au voisi- nage de son point de rosée IL passe ensuite, via une conduite 25, dans La botte 6 inférieure de L'échangeur 1, et de Là dans Les passages 16. Le Liquide riche (air enrichi en oxygène) recuei L Li dans La botte 6 inférieure est détendu dans La vanne de détente 21 et envoyé via La conduite 20 dans Le réservoir 18 De Là, La phase Liquide passe dans Les passages 17 du tronçon 14 Par échange de cha Leur entre Les passages 16 et 17, du Liquide riche est vaporisé dans Les passages 17 et crée un ref Lux dans Les passages 16 IL se produit ainsi dans ces derniers des échanges de matière, de façon adiabatique dans Le tronçon inférieur 13 et de façon non adiabati- que dans Le tronçon supérieur 14, et ces échanges de matière conduisent à un enrichissement progressif en azote de La vapeur montante Fina Lement, c'est de L'azote à pureté moyenne qui sort des passages 16 par La botte 10 et, de Là, pénètre dans Les passages 23 pour en ressortir au voisinage de La température ambiante par La botte 9 supérieure. Le Liquide riche vaporisé dans Les passages 17 passe, en entraînant du Liquide, dans Le réservoir 18, et La phase vapeur passe du sommet de ce réser- voir, via une conduite 26, dans Les passages 24, pour en ressortir au voisinage de La température ambiante. On voit que Le tronçon 14 de L'échangeur joue Le r O Le de condenseur et de co Lonne de disti L La- tion pour L'air à traiter et forme ainsi un déph Leg- mateur. En variapte, Le tronçon 14 pourrait s'éten- dre sur toute La hauteur de La section 12, auque L cas La tota Lité de La séparation de L'air s'effectuerait par déph Legmation. L'apparei L des Fig 1 à 7 convient pour une pureté de L'azote de L'ordre de 90 à 95 % Par contre, si L'on recherche une pureté p Lus éLevée, par exemp Le de L'ordre de 98 %, on a besoin d'une hauteur, pour La section 12, qui conduit à une hauteur tota Le de L'é- changeur dépassant Les possibi Lités des fours de bra- sage actue Ls, Lesque Ls permettent au maximum La fa- brication d'échangeurs de six mètres de Long. Dans ce cas, i L faut a Lors avoir recours à La variante de La Fig 8 ou à ce L Le de La Fig 9, qui ne différent du mode de réa Lisation des Fig 1 à 7 que par Le fait que La Ligne d'échange thermique est cons- tituée par un échangeur à plaques distinct 15 A re Lié par des conduites appropriées à L'échangeur principa L 12 A correspondant à La section 12 des Fig 1 à 7. Dans La variante de La Fig 8, Le réservoir de Liquide riche 18 et Les passages de Liquide riche 17 s'étendent sur toute La hauteur des passages de séparation d'air 16, tandis que dans ce L Le de La Fig. 9, i Ls ne s'étendent que sur une fraction de Leur hauteur, à La partie supérieure de L'échangeur IA, pour La raison exp Liquée ci-dessus en regard du mode de réa Lisation des Fig 1 à 7. La Fig 10 représente une variante de L'ap- parei L des Fig 1 à 7 qui n'en diffère que sous deux aspects: d'une part, par Le fait que Le déph Legmateur 14 B s'étend sur toute La hauteur de La section 12 B de L'échangeur l B, et d'autre part par La manière dont Le Liquide riche est uti Lisé dans Les passages 17 B. En effet, dans ce cas, Le déph Legmateur est refroidi par vaporisation de Liquide riche que L'on fait ruisse Ler sous La forme d'un fi Lm mince sur Les surfaces contenues dans Les passages 17 B (p Laques et ondes) Pour ce Lâ, on peut prévoir au sommet des pas- sages 17 B un distributeur 27 de Liquide en deux étapes conforme à ce qui est décrit dans Le EP-A-0 130 122 au nom de La Demanderesse Comme décrit dans ce document, Le distributeur 27 peut notamment comprendre une ran- gée d'orifices de prédistribution du Liquide dans Les passages 17 B et sur toute La Longueur de ceux-ci, ces orifices débouchant sur un garnissage de distribution fine du Liquide sur toute La Longueur des mêmes passa- ges, garnissage connu sous Le nom de "serrated" et disposé de La manière couramment appe Lée "hard-way". Le distributeur 27 est a Limenté par simple gravité par Le réservoir auxi Liaire 18 B, et un débit de Liquide riche à peu près doub Le du débit vaporisé dans Les passages 17 B ruisse L Le dans ces derniers. L'excès de Liquide riche est remonté jusque dans Le réservoir 18 B par une pompe 28, de sorte que ce ré- servoir est a Limenté à La fois par cette pompe et par La conduite 20. Le schéma de La Fig 10 correspond à L'uti- Lisation d'un distributeur de Liquide du type de ce Lui i L Lustré à La Fig 6 du EP-A précité, à savoir agencé de façon à permettre L'évacuation du Liquide riche va- porisé dans Les passages 17 B par Le haut de ces passa- ges Ce Liquide riche vaporisé est sorti de L'échan- geur via une botte de sortie Latéra Le 9 B et une con- duite 29 aboutissant dans La conduite 26. Les Fig 11 et 12 montrent comment une vapo- risation de Liquide riche par ruissellement peut s'a- dapter à La configuration en deux échangeurs distincts de La Fig 8. La Fig 11 I correspond au cas o Le distribu- teur 27 C de Liquide riche ne permet pas L'évacuation par Le haut du Liquide riche vaporisé et o, par con- séquent, ce Liquide riche vaporisé et L'excès de Li- quide non vaporisé sont tous deux évacués par une bol- -20 te de sortie Latéra Le inférieure 9 C de L'échangeur 12 C Des exemp Les de te Ls distributeurs sont décrits aux Fig 1 à 5 du EP-A précité Le méLange diphasique issu de La boite 9 C pénètre dans un pot séparateur 30, et La seu Le phase Liquide est remontée au distributeur par La pompe 28. La Fig 12 se rapporte de nouveau au cas o Le Liquide riche vaporisé s'évacue par Le haut des passages 17 E de L'échangeur principal 12 D, via une botte de sortie Latéra Le 9 l) correspondant à La bolte 9 B de La Fig 10. Dans Les variantes des Fig 11 et 12, L'échangeur 12 C, 12 D est surmonté d'une bolte mixte l OC, 10 D qui sert à La fois à L'entrée du Liquide riche remonté par La pompe 28, à L'entrée du Liquide riche diphasique véhicu Lé par La conduite 20 et à L'évacuation de La phase vapeur issue de ce Liquide riche diphasique La conduite 26 part de cette botte l OC, 100. Dans Les variantes des Fig Il et 12, on remarque que Le réservoir 18 e de La Fig 10 est sup- primé, un bain de Liquide riche à niveau constant étant directement maintenu au sommet du distributeur 27 C ou 27. IL est à noter que dans Les agencements à ruisse L Lement de Liquide riche, La vaporisation, comme représenté aux Fig 10 à 12, peut s'étendre sur toute La hauteur de La section 12 B ou de L'échangeur 12 C, 12 D, ou bien s'étendre uniquement sur sa partie supérieure comme aux Fig 1 à 7 et 9. Par ai L Leurs, dans chaque mode de réa Lisa- tion, Le maintien en froid peut être assuré par L'une que Lconque des méthodes connues: insta L Lation d'une turbine de détente sur L'une des conduites véhicu Lant un f Luide sous pression (air, azote ou Liquide riche vaporisé), ou injection directe d'azote Liquide à un emp Lacement approprié: à L'entrée des passages d'azote 23 ou à La sortie des passages 16, soit au moyen de tubes perfo- rés disposés dans ces passages, soit dans La bolte 10 ou dans Le réservoir auxi Liaire 18 ou 82, ce qui est p Lus simp Le à réa Liser mais ne permet pas La récupération de L'azote de maintien en froid; ou encore à L'entrée de passages d'azote supp Lémen- taires prévus à cet effet dans La Ligne d'échange thermique. 1 i REVENDICATIONS - 1 Apparei L de production d'azote, du type comprenant des moyens ( 15) de refroidissement d'air comprimé épuré en eau et en anhydride carbonique, des moyens ascendants ( 16) d'enrichissement progressif de cet air en azote, et un condenseur ( 14) adapté pour refroidir La partie supérieure de ces moyens ascen- dants par vaporisation de Liquide riche de manière à y créer un ref Lux, caractérisé en ce que Lesdits moyens ascendants ( 16) sont constitués par des premiers pas- sages p Lats d'un échangeur de cha Leur para LLéLipipédi- que ( 1; 12 A; l B; 12 C; 12 D): du type à plaques, et en ce que Le condenseur ( 14) comprend des deuxièmes passages plats ( 17) du même échangeur disposés en relation d'échange thermique avec au moins La partie supérieure des premiers passages ( 16) et re Liés via une conduite ( 20) équipée d'une vanne de détente ( 21) à une bolte co L Lectrice de Liquide riche ( 6) prévue à L'extrémité inférieure de ces premiers passages. 2 Apparei L suivant La revendication 1, ca- ractérisé en ce que Lesdits moyens de refroidissement d'air ( 15) comprennent des passages p Lats dudit échan- geur de cha Leur ( 1; l B) situés dans Le pro Longement des premiers et deuxièmes passages, à savoir des troisièmes passages ( 22) a Limentés par L'air entrant et disposés en re Lation d'échange thermique d'une part avec des quatrièmes passages ( 23) re Liés à L'extrémité supérieure des premiers passages ( 16), et d'autre part avec des cinquièmes passages ( 24) re Liés à L'extrémité supérieure des deuxièmes passages ( 17) (Fig 1 à 7 et ). 3 Apparei L suivant La revendication 2, ca- ractérisé en ce que Lesdits moyens de refroidissement d'air ( 15) sont disposés au-dessus des premiers et deuxièmes passages ( 16, 17) (Fig 1 à 7 et 10). 4 Apparei L suivant L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Le con- denseur ( 14) comprend un réservoir auxi Liaire de Liquide riche ( 18) juxtaposé à L'échangeur de cha Leur ( 1; 1 A) et dont Les parties inférieure et supérieure sont re Liées respectivement à La partie inférieure et à La partie supérieure des deuxièmes passages ( 17) (Fig 1 à 9) 5 Apparei L suivant L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Le con- denseur ( 14 B; 12 C; 12 D) est du type à ruisse L Lement de Liquide riche et à pompe ( 28) de remontée au sommet du condenseur de L'excès de Liquide riche non vaporisé (Fig 10 à 12). 6 Apparei L suivant La revendication 5, ca- ractérisé en ce que Le condenseur ( 14 B) comprend un réservoir auxi Liaire ( 18 P) juxtaposé à L'échangeur de cha Leur (l B), assurant L'a Limentation en Liquide riche du condenseur et a Limenté Lui-même d'une part par Ladite conduite ( 20), d'autre part par La pompe ( 28). 7 Apparei L suivant La revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que Le condenseur ( 14 B; 12 C; 12 D) comprend un distributeur de Liquide en deux étapes disposé à L'extrémité supérieure des deuxièmes passages ( 17 B). 8 Apparei L suivant L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que Les deu- xièmes passages ( 17) s'étendent sur toute La hauteur des premiers passages ( 16) (Fig 8 et 10 à 12). 9 Apparei L suivant L'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que Les deu- xièmes passages ( 17) ne s'étendent que sur une frac- tion de La hauteur des premiers passages ( 16) et sont pro Longés vers Le bas par des espaces ( 19) fermés 3 Leur extrémité inférieure. Apparei L suivant L'une quelconque des revendications 1 3 7, caractérisé en ce que Les deu- xièmes passages ( 17) ne s'étendent que sur une frac- tion de La hauteur des premiers passages ( 16) et sont pro Longés vers Le bas par des espaces ( 19) qui commu- niquent avec Les premiers passages ( 16) par Leur ex- trémité inférieure.