Brevet FR2666877A1 — publié le 19920320

La présente invention concerne un procédé de séparation d'air mettant en oeuvre une source de froid externe. dans lequel un gaz inerte de recyclage prélevé d'un appareil de séparation d'air est comprimé à une pression en vue de sa liquéfaction par échange de chaleur avec une source de froid externe, le gaz inerte comprimé est liquéfié par échange de chaleur indirect avec la source de froid externe, puis le gaz inerte liquéfié est introduit dans l'appareil de séparation d'air, le froid nécessaire à la séparation de l'air est fourni et le gaz est à nouveau prélevé de l'appareil de séparation d'air en tant que gaz inerte de recyclage. On sait que la quantité produite de froid évolue avec les variations saisonnières ou horaires qui surviennent dans la fourniture du gaz naturel liquéfié ou d'autres matières premières. En conséquence, les procédés de séparation d'air, dans lesquels la source de froid externe dépend du froid généré par gazéification de gaz naturel liquéfié notamment, présentent ce problème que la charge de séparation d'air a tendance à varier. Il est donc désirable de minimiser les variations de charge de séparation d'air tout en exploitant à sa pleine capacité la source de froid externe. Conformément à un procédé de séparation d'air que l'on a proposé en vue de répondre à cette exigence, une partie de l'azote liquide élaboré dans l'appareil de séparation d'air se trouve en permanence stockée dans un réservoir d'azote liquide. Lorsque les variations survenant dans l'alimentation en gaz naturel liquéfié sont susceptibles d'aboutir à un déficit de froid tel que la charge de séparation d'air s'en trouverait amoindrie, l'azote liquide prélevé dans son réservoir est alors envoyé dans un échangeur de chaleur afin de compenser ce déficit en froid (voir par exemple le brevet japonais publié sous le numéro 1990-9274). Dans le procédé rappelé ci-dessus, le déficit en froid est comblé par une partie de l'azote liquéfié élaboré à titre de produit dans l'appareil de séparation d'air. Si cet appareil de séparation d'air fonctionne de façon continue, alors que la source de froid externe délivre une quantité insuffisante de froid, le taux de séparation d'azote liquide va progressivement baisser. Il en résulte que la quantité d'azote liquide élaboré sera seule réduite. Afin de résoudre ce problème, on peut envisager d'intégrer un cycle de refroidissement supplémentaire mettant en jeu un fluide frigorigène constitué par un fréon par exemple qui prend alors en charge toute insuffisance de froid délivré par la source de froid externe. Cependant, cette mesure présente cet inconvénient d'induire un accroissement des coûts d'installation. La présente invention a été faite en tenant compte des circonstances qui viennent d'être énoncées. Un objet de l'invention est de prévoir un procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe qui fournit une production d'air de séparation avec un taux de séparation substantiellement constant en dépit d'un déficit en froid disponible à partir d'une source externe, et ce en maîtrisant toute majoration des coûts d'installation, cet objectif étant atteint effectivement en utilisant un procédé de compression d'un gaz inerte de recyclage à pression en vue de sa liquéfaction obtenue par échange de chaleur avec la source de chaleur externe. Pour atteindre cet objectif, on utilise un procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe tel qu'exposé précédemment, et dont les principales caractéristiques résident en ce qu'on prévoit: A) une source de froid interne destinée à fournir du froid au gaz inerte comprimé par détente d'une partie de ce gaz inerte liquéfié, B) ledit gaz inerte comprimé étant liquéfié pour devenir ledit gaz inerte liquéfié par échange de chaleur indirect à la fois avec ladite source de froid externe et avec source de froid interne lorsque le froid de la source de froid externe s'avère insuffisant, C) le gaz inerte détendu pour agir comme source de froid interne destinée à procurer du froid au gaz inerte comprimé étant réuni au gaz inerte de recyclage prélevé dudit appareil de séparation d'air, ledit mélange gazeux inerte de réunion étant comprimé pour devenir ledit gaz inerte comprimé. Une telle configuration de procédé remplit les fonctions et exerce les effets tels que décrits ciaprès. Fonctions a. En vertu des caractéristiques A et B, une partie du gaz inerte comprimé sert à fournir un froid qui permet de cdmbler un déficit en froid quand la source de froid externe n' est plus en mesure d'en fournir suffisamment pour liquéfier un volume prescrit de gaz inerte comprimé. b. Selon la caractéristique C, on prévoit un cycle de froid appelé à compenser un froid insuffisant, au cours duquel une partie du gaz inerte est utilisée comme fluide frigorigène qui est comprimé avec le gaz inerte de recyclage prélevé de l'appareil de séparation d'air pour constituer un gaz inerte comprimé. Ce gaz inerte comprimé est refroidi par la source de froid externe et la source de froid interne, pour constituer le gaz inerte liquéfié. Une partie de ce gaz inerte liquéfié est détendue comme source de froid interne pour fournir le froid qui fait défaut au gaz inerte comprimé. Le gaz inerte faisant alors office de fluide frigorigène détendu est à nouveau comprimé avec le gaz inerte de recyclage issu de l'appareil de séparation d'air. Effets procurés par l'invention Ainsi, le cycle de froid est formé par une partie du gaz inerte agissant comme fluide frigorigène, en mettant en oeuvre un procédé de compression du gaz inerte de recyclage jusqu'à la pression à laquelle il se liquéfie par échange de chaleur avec la source de froid externe. Toute pénurie de froid disponible à la source de froid externe peut dont être compensée par ce cycle de froid. L'invention se prête par conséquent à l'élaboration d'une quantité de séparation d'air désiré, avec taux de séparation à un niveau essentiellement constant en dépit d'un déficit en froid de la source de froid externe, tout en maîtrisant tout accroissement des coûts d'installation. Le procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe selon la revendication 2 associe à un dispositif de détection ayant pour fonction de détecter tout déficit de froid de la source de froid externe, un dispositif de réglage du débit d'alimentation dont le rôle est de régler l'apport en gaz inerte liquéfié à la source de 'froid interne, le dispositif de réglage d'alimentation fonctionnant automatiquement en réponse aux résultats de détection que lui délivre le dispositif de détection. L'obtention d'une quantité de séparation d'air désirée est assurée avec davantage d'efficacité qu'en cas de commande manuelle du dispositif de réglage d'alimentation. L'invention est illustrée par la description suivante d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est un schéma de principe illustrant un procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe selon l'invention. La figure 2 correspond à un schéma de principe d'une variante de réalisation. La figure 1 est un schéma de principe illustrant un procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe tel que le revendique l'invention. L'azote gazeux est prélevé, à titre de gaz inerte de recyclage, en aval d'un appareil de séparation d'air A comportant une colonne de fractionnement à moyenne pression 5 et une colonne de fractionnement à basse pression 6. Cet azote gazeux est comprimé jusqu'à la pression à laquelle il peut se liquéfier par échange de chaleur avec du gaz naturel liquéfié (désigné ci-après en abrégé "GNL") agissant comme source de froid externe. L'azote gazeux comprimé est alors ainsi liquéfié par échange de chaleur indirect avec le GNL.L'azote liquide résultant pénètre à l'intérieur de l'appareil de séparation d'air en vue d'y apporter le froid nécessaire à la séparation d'air, puis en est à nouveau retiré sous la forme d'azote gazeux de recyclage. L'air brut passe à travers un filtre à air 1, pour y être dépoussiéré, et est envoyé par l'intermédiaire de la conduite P1 dans un compresseur d'air 2 en vue d'y être comprimé à une pression de l'ordre de 5 kg/cm2. L'air ainsi comprimé est alors envoyé par la conduite P2 à une unité de décarbonatation et de séchage 3, où il est débarrassé db dioxyde de carbone gazeux et de l'humidité. L'air passe ensuite dans la conduite P3 qui l'amène à l'échangeur de chaleur 4. L'air envoyé dans l'échangeur de chaleur 4 est refroidi au voisinage de son point de liquéfaction par échange de chaleur avec l'azote gazeux de recyclage, qui est délivré à cet échangeur de chaleur 4 par la colonne de fractionnement à basse pression 6 par l'intermédiaire de la conduite P11, ainsi qu'avec les effluents gazeux fournis par cette même colonne à basse pression 6 à l'échangeur de chaleur 4 par l'intermédiaire de la conduite P30. L'air est alors acheminé par une conduite P4 au pied de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5 en vue d'y être fractionné. Ce faisant, il se forme de l'azote gazeux et de l'azote liquide en partie haute, ainsi qu'un liquide riche en oxygène en partie basse de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5. Le liquide riche en oxygène recueilli au pied de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5, est envoyé par la conduite P5 vers un détendeur V1, à travers lequel il est détendu librement sans travail extérieur, après quoi il est envoyé par une conduite P6 en une position intermédiaire de la colonne de fractionnement à basse pression 6. L'azote liquide formé en position intermédiaire de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5 est envoyé par une conduite P7 à un détendeur V2 à détente libre, puis est envoyé par une conduite P8 en une position haute de la colonne de fractionnement à basse pression 6. Une partie de l'azote liquide formé dans la partie haute de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5 est acheminée par une conduite P9 à un détendeur V3 à détente libre, puis elle est reprise par une conduite P10 qui la délivre en haut de la colonne de fractionnement à basse pression 6. Le reste est soutiré par un conduit P35 sous forme d'azote liquide commercial. La colonne de fractionnement à basse pression 6 reçoit en sa partie basse de la chaleur fournie par la colonne de fractionnement à moyenne pression 5 et produit de l'azote gazeux dans sa partie supérieure et de l'oxygène liquide dans sa partie inférieure. De l'oxygène liquide commercial est soutiré par la conduite P36. Les effluents gazeux envoyés à l'échangeur de chaleur 4 par la conduite P30 sont portés à la température ambiante par échange de chaleur avec l'air de départ. Une partie de ces effluents gazeux est alors évacuée par une conduite P32, tandis que le reste est dirigé par une conduite P33 vers l'unité de décarbonatation et de séchage 3 en vue d'en assurer sa régénération, après quoi il est rejeté à son tour par une conduite P34. La description qui suit concerne l'azote gazeux de recyclage. L'azote gazeux de recyclage, prélevé au sommet de la colonne de fractionnement à basse pression 6 et acheminé par l'intermédiaire d'une conduite P11 à l'échangeur de chaleur 4, est porté à température ambiante et à une pression de l'ordre de 0,1 kg/cm2 par échange de chaleur avec l'air brut. L'azote gazeux est alors transféré par une conduite P12 dans un compresseur froid basse pression 7, en vue d'être comprimé à une pression d'environ 5 kg/cm2. L'azote gazeux de recyclage comprimé dans ce compresseur froid à basse pression 7 est envoyé par une conduite P13 dans un échangeur de chaleur 10 pour y être refroidi. L'azote gazeux de recyclage ainsi refroidi est acheminé par une conduite P14 pour être réuni à l'azote gazeux de recyclage à une pression d'environ 5 kg/cm2 prélevé par la conduite P15 au sommet de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5. Le mélange d'azote gazeux qui en résulte est alors envoyé par une conduite P16 dans un compresseur moyenne pression 8 qui le comprime à froid à une pression de l'ordre de 35 kg/cm2. L'azote gazeux de recyclage comprimé à froid à une pression de l'ordre de 35 kg/cm2 est envoyé par une conduite P17 à l'échangeur de chaleur 10 pour y être refroidi. L'azote gazeux est ensuite transféré par des conduits P18 et P19 dans un compresseur haute pression 9 pour y être comprimé à froid à une pression de l'ordre de 60 kg/cm2en vue de sa liquéfaction par échange de chaleur avec la source de froid externe. L'azote gazeux de recyclage comprimé à froid à une pression de l'ordre de 60 kg/cm2 est acheminé par une conduite P20 à l'échangeur de chaleur 10 pour y être débarrassé de la chaleur de compression. L'azote gazeux est ensuite envoyé par une conduite P21 dans un échangeur de chaleur 11, où il est refroidi au contact du froid produit par l'élévation de température et la gazéification de GNL. Après quoi, l'azote gazeux est envoyé par l'intermédiaire d'une conduite P22 à l'échangeur de chaleur 10. Après avoir cédé du froid à l'azote gazeux de recyclage, qui y est envoyé par les conduites P13, P17 et P20, l'azote gazeux est dirigé par une conduite P23 à l'échangeur de chaleur 11 pour y être refroidi sous forme d'azote liquide.L'azote liquide est envoyé par une conduite P24 et une conduite P25 équipée d'un débitmètre F dans un détendeur VS, où cet azote liquide est alors détendu jusqu'à une pression d'environ 5 kg/cm2. L'azote liquide résultant est alors renvoyé par une conduite P26 au sommet de la colonne de fractionnement à moyenne pression 5. Le GNL tenant lieu de source de froid externe est acheminé par une conduite P37 dans l'échangeur de chaleur 11 pour céder son froid à l'azote gazeux comprimé. Le GNL ainsi échauffé est envoyé par l'intermédiaire d'une conduite P38 dans un échangeur de chaleur 12 en vue d'y subir un échange de chaleur avec un fluide frigorigène tel un fréon. Le GNL est alors gazéifié et est envoyé par une conduite P39 dans une canalisation de gaz naturel. Le fluide frigorigène tel un fréon qui alimente l'échangeur' de chaleur 12 par l'intermédiaire d'une conduite P40 capte le surplus de froid du GNL. Le fluide frigorigène refroidi est utilisé dans différents buts non indiqués sur le dessin, qui consistent notamment à refroidir l'air brut de départ, l'eau de refroidissement, ou bien l'argon brut. Ce système comporte une source de froid interne, un dispositif de détection destiné à détecter tout déficit de froid du GNL faisant office de source de froid externe, ainsi qu'un dispositif de réglage du débit d'alimentation pour le réglage d'une proportion d'azote liquide dérivé pour les besoins de la source de froid interne. Cette source de froid interne correspond à une partie de l'azote liquide dérivé par une conduite P27 dans un détendeur V4 équipé d'un régulateur. L'azote liquide détendu cède son froid à l'azote gazeux comprimé transféré à l'échangeur de chaleur 11 par l'intermédiaire des conduites P21 et P23. Le dispositif de détection comprend un élément comparateur couplé au débitmètre F qui mesure un débit d'azote liquide dans la conduite P25. L'élément comparateur compare le débit mesuré par le débitmètre F à un débit de consigne d'azote liquide à travers le conduit P25 réglé pour disposer suffisamment de froid du GNL. Toute mesure du débit d'azote liquide faite par le débitmètre F, qui serait inférieure à ce débit de consigne, est alors interprétée comme l'indice d'un manque de froid nécessaire à l'échangeur de chaleur 11. Un signal de commande d'alimentation fondé sur cette détection est alors émis à destination du dispositif de réglage du débit d'alimentation. Le dispositif de réglage du débit d'alimentation comprend le régulateur équipant le détendeur V4. Ce régulateur régule le volume d'azote liquide s'écoulant vers le conduit P28 en faisant varier le degré d'ouverture du détendeur V4. Le degré d'ouverture du détendeur V4 est commandé automatiquement en réponse au signal de commande d'alimentation émanant de l'élément comparateur dont est équipé le d'ébitmètre F. Le taux de dérivation d'azote liquide s'écoulant dans le conduit P27 se trouve donc automatiquement corrigé pour compenser le manque de froid, en vue d'assurer la production des volumes désirés d'oxygène liquide et d'azote liquide commerciaux. Lorsque le dispositif de détection détecte, dans le GNL à une pression de 35 kg/cm2 ou moins, un manque de froid qui est nécessaire à l'échangeur de chaleur 11, le détendeur V4, dont le régulateur reçoit le signal, détend à une pression de l'ordre de 35 kg/cm2 l'azote liquide alors comprimé à environ 60 kg/cm2, qui est dérivé dans la conduite P27. En s'écoulant à travers la conduite P28, l'azote liquide ainsi détendu vient compenser le déficit en froid de l'échangeur de chaleur 11. L'azote gazeux emprunte ensuite le conduit P29 pour se joindre au flux d'azote gazeux qui s'écoule dans la conduite P18. Le mélange d'azote gazeux est comprimé par le compresseur haute pression 9 et l'azote gazeux comprimé s'écoule à travers la conduite P20, l'échangeur de chaleur 10, la conduite P21, l'échangeur de chaleur 11, la conduite P22, l'échangeur de chaleur 10, la conduite P23 et à nouveau l'échangeur de chaleur 11. Ainsi un cycle de froid est créé, dans lequel l'azote gazeux est liquéfié par échanges de chaleur indirects à la fois avec le GNL agissant comme source de froid externe et avec la source de froid interne, une partie de l'azote liquide est détendue à travers le détendeur V4 équipé du régulateur pour compenser, dans l'échangeur de chaleur 11, le manque de froid apporté par le GNL, puis l'azote gazeux détendu est à nouveau comprimé avec l'azote gazeux de recyclage dans le compresseur haute pression 9 pour devenir l'azote gazeux comprimé.Lorsque la source de froid externe est incapable de fournir suffisamment de froid, la production d'azote liquide est temporairement réduite d'une quantité correspondant au débit d'azote gazeux recirculé dans le cycle de froid, mais ensuite des quantités prédéterminées d'air de séparation sont produites à un taux substantiellement constant. La pression de travail du compresseur moyenne pression 8 est déterminée en fonction de la pression du GNL disponible comme source de froid externe. Cette pression de travail est fixée à 35 kg/cm2 lorsque la pression du GNL est de 35 kg/cm2 ou moins. En présence d'une pression du GNL supérieure à 35 kg/cm2, cette pression de travail est réglée à un niveau supérieur à la pression du GNL. A titre de variante et comme le montre la figure 2, le compresseur à froid basse pression 7 correspondant à la réalisation selon la figure 1 peut très bien être remplacé par un compresseur à froid basse pression 7' monté sur la conduite P14, qui comprime, au prix d'une moindre puissance consommée, l'azote gazeux de recyclage froid en provenance de l'échangeur de chaleur 10. En ce cas, l'azote gazeux porté à la température ambiante s'écoule depuis l'échangeur de chaleur 4 par la conduite P12 vers l'échangeur de chaleur 10 pour être refroidi. L'azote gazeux est alors comprimé par le compresseur à froid basse pression 7' de la pression d'une valeur de l'ordre de 0,1 kg/cm2 à environ 5 kg/cm2. L'azote gazeux de recyclage peut encore être davantage refroidi par l'échangeur de chaleur 10 au cours d'une étape intermédiaire interposée au cours ou après la compression par le compresseur à froid basse pression 7'. Les autres aspects constructifs sont les mêmes que ceux du premier mode de réalisation. Selon d'autres variantes A. Le gaz inerte de recyclage n'est pas limité au seul azote gazeux, mais peut être de l'argon gazeux brut. B. L'appareil de séparation d'air peut être utilisé pour séparer de l'argon brut outre la production d'azote liquide et d'oxygène liquide. C. Le dispositif de détection servant à détecter le déficit en froid de la source de froid externe n'est pas limité à la réalisation décrite. Ainsi ce dispositif de détection peut comprendre un système de mesure du débit et/ou de la température du GNL, et un circuit comparateur qui compare les mesures délivrées par ce dernier système avec une valeur prédéterminée. Les dessins auxquels les revendications font référence pour la commodité de la description ne sont en aucune façon de nature à limiter la portée de l'invention aux seules configurations qui y sont illustrées. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe et consistant à constituer un gaz inerte comprimé en soutirant un gaz inerte de recyclage d'un appareil de séparation d'air (A), en le comprimant à une pression en vue de sa liquéfaction par échange de chaleur avec la source de froid externe, à former un gaz inerte liquéfié en liquéfiant ce gaz inerte comprimé par échange de chaleur indirect avec la source de froid externe, à introduire ce gaz inerte liquéfié dans l'appareil de séparation d'air (A) afin qu'il pourvoit au froid requis pour la séparation de l'air, puis à soutirer à nouveau le gaz inerte de l'appareil de séparation d'air (A) en tant que gaz inerte de recyclage, ledit procédé de séparation d'air étant caractérisé en ce qu'on prévoit une source de froid interne destinée à fournir du froid au gaz inerte comprimé par détente (V4) d'une partie (P27) de ce gaz inerte liquéfié, ledit gaz inerte comprimé étant liquéfié (11) pour devenir ledit gaz inerte liquéfié par échange de chaleur indirect à la fois avec ladite source de froid externe (GNL) et avec ladite source de froid interne lorsque le froid de la de la source de froid externe (GNL) s' avère insuffisant, le gaz inerte détendu (V4) pour agir comme source de froid interne destinée à procurer du froid au gaz inerte comprimé est réuni au gaz inerte de recyclage prélevé (P11) dudit appareil de séparation d'air (A), ledit mélange gazeux inerte de réunion (P19) étant comprimé (9) pour devenir ledit gaz inerte comprimé. 2. Procédé de séparation d'air faisant appel à une source de froid externe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit des moyens de détection (F) destinés à détecter tout déficit en froid de ladite source de froid externe (GNL), ainsi que des moyens de réglage de débit d'alimentation (V4) permettant de régler l'apport en gaz inerte liquéfié à la source de froid interne, lesdits moyens de réglage de débit d'alimentation (V4) étant conçus pour être opératifs automatiquement en réponse aux résultats de détection fournis par lesdits moyens de détection (F).