Brevet FR2694383A1 — publié le 19940204

La présente invention est relative à un procédé de production d'azote gazeux à plusieurs puretés différentes, dont une moyenne pureté typiquement de l'ordre du ppm ( 10-6) et au moins une haute pureté, typiquement de l'ordre du ppb ( 10-9) ou de 100 ppb ( 10-7), avec une demande variable en ces produits. Certaines industries, dont l'industrie électronique, ont des besoins variables dans le temps en azote gazeux à plusieurs puretés différentes, dont une moyenne pureté typiquement de 1 ppm ( 10-6) et au moins une haute pureté typiquement de 1 ppb ( 10-9), ces puretés étant comptées par rapport à l'impureté principale oxygène. L'invention a pour but de permettre de répondre à une telle demande. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production d'azote gazeux à plusieurs puretés différentes, dont une moyenne pureté typiquement de l'ordre du ppm ( 10-6) et au moins une haute pureté, typiquement de l'ordre du ppb ( 10-9) ou de 100 ppb ( 10-7), avec une demande variable en ces produits, caractérisé en ce que: on distille de l'air préalablement épuré en eau, en anhydrique carbonique, en monoxyde de carbone et en hydrogène dans une colonne de production d'azote par distillation d'air ayant un nombre de plateaux théoriques suffisant pour obtenir en tête de colonne de l'azote à la haute pureté; on soutire à un niveau intermédiaire de la colonne un débit d'azote gazeux moyenne pureté de production; à au moins un niveau de la colonne supé- rieur audit niveau intermédiaire, on soutire de l'azote gazeux haute pureté; et pendant au moins une partie des périodes o la demande en azote haute pureté est inférieure à une valeur prédéterminée, on injecte dans la colonne, sensiblement audit niveau intermédiaire, de l'azote liquide à la moyenne pureté épuré en monoxyde de carbone, provenant d'une source extérieure à la colonne, et on envoie dans un réservoir de stockage un débit équivalent d'azote liquide haute pureté soutiré audit niveau supérieur de la colonne. Suivant d'autres caractéristiques on vaporise un débit complémentaire d'azote liquide moyenne pureté provenant de la source extérieure et/ou un débit complémentaire d'azote liquide haute pureté provenant du réservoir de stockage; on maintient en froid l'installation uniquement par injection dans la colonne d'azote liquide moyenne pureté en provenance de la source extérieure; on épure en monoxyde de carbone l'azote liquide moyenne pureté à injecter dans la colonne par adsorption en phase liquide, notamment sur une zéolite; on fait varier le débit d'air traité autour de sa valeur nominale. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cette installation est caractérisé en ce qu'elle comprend: une colonne de production d'azote par distillation d'air ayant un nombre de plateaux théoriques suffisant pour obtenir en tête de colonne de l'azote à la haute pureté; une source d'azote liquide moyenne pureté épuré en monoxyde de carbone, extérieure à la colonne, reliée à un niveau intermédiaire de cette colonne; une conduite de soutirage d'azote gazeux moyenne pureté de production partant sensiblement du même niveau intermédiaire de la colonne; une conduite de soutirage d'azote gazeux haute pureté de production partant d'un niveau de la colonne supérieur audit niveau intermédiaire; et un réservoir de stockage d'azote liquide haute pureté relié audit niveau supérieur de la colonne. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel: la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'azote conforme à l'inven- tion; et la Figure 2 est un diagramme relatif au fonctionnement de cette installation, avec en abscisses les débits d'azote gazeux soutirés de la colonne et en ordonnées le logarithme de la concentration en oxygène des deux flux d'azote gazeux. L'installation représentée à la Figure 1 comprend essentiellement un compresseur d'air entrant 1, un appareil 2 d'épuration de l'air issu de ce compres- seur, une ligne d'échange thermique 3, une colonne de production d'azote par distillation d'air 4, un réser- voir 5 de stockage d'azote liquide "commercial" ayant une pureté de l'ordre de 1 ppm, un adsorbeur de monoxyde de carbone 6 et un vaporiseurréchauffeur 7, par exemple atmosphérique, associés à ce réservoir, un réservoir 8 de stockage d'azote liquide à haute pureté, et un vaporiseurréchauffeur 9, par exemple atmosphérique, associé au réservoir 8. Cette installation est destinée à produire deux flux d'azote gazeux, l'un à la pureté moyenne de 1 ppm et l'autre à haute pureté, typiquement de 1 ppb. L'appareil d'épuration 2 est adapté pour éliminer de l'air entrant d'une part les impuretés empêchant son refroidissement, à savoir l'eau et l'anhy- dride carbonique (Ca 2), d'autre part les impuretés que la distillation ne permet pas de séparer de l'azote, notamment le monoxyde de carbone (CO), et enfin l'hydro- gène Pour cela, l'appareil 2 comprend: à la sortie du compresseur 1, un pot catalytique 2 A permettant l'obten- tion, à la température de sortie du compresseur, des réactions 2 C O + 02 2 C 02 et 2 H 2 + 02 ' 2 H 20 (selon le JP-A-61-225568); puis un refroidisseur 2 B adapté pour ramener l'air comprimé à peu près à la température ambiante; puis un adsorbeur 2 C assurant l'élimination de l'eau et du C 02. La ligne d'échange thermique 3 est adaptée pour mettre en relation d'échange thermique indirect à contre-courant d'une part l'air entrant épuré, d'autre part les produits froids issus de la colonne 4. La colonne de distillation 4 possède un nombre de plateaux théoriques adapté pour fournir en tête de colonne de l'azote à la haute pureté désirée Elle comporte en tête un condenseur 10 et peut produire de l'azote gazeux moyenne pureté via une conduite 11, de l'azote gazeux haute pureté via une conduite 12, et de l'azote liquide haute pureté via une conduite 13 La conduite 11 part d'un point intermédiaire de la colonne, tandis que les conduites 12 et 13 partent de sa tête La colonne est alimentée via une conduite 14 par l'air entrant, refroidi au voisinage de son point de rosée Le "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve est renvoyé vers le condenseur de tête 10, via une conduite 15 équipée d'une vanne de détente 16 Au bout chaud de la ligne d'échange 3, les conduites 11 et 12 se prolongent en des conduites 17 de production d'azote moyenne pureté et 18 de production d'azote haute pureté, munies de vannes respectives 19, 20. Le fond du réservoir 5 est relié par une conduite 21, équipée d'une vanne 22 et traversant l'adsorbeur 6, à un point d'injection d'azote liquide moyenne pureté dans la colonne, situé au même niveau que le soutirage 11 Il est aussi relié par une conduite 23, équipée d'une vanne 24 et traversant le vaporiseur 7, à la conduite 17 de production. Le fond du réservoir 8 est relié par une conduite 25 équipée d'une pompe 25 A et d'une vanne 26 à la tête de la colonne, et par une conduite 27, équipée d'une vanne 28 et traversant le vaporiseur 9, à la conduite 18 de production. Une conduite 29 de gaz résiduaire (liquide riche vaporisé) part du condenseur 10 et, au bout chaud de la ligne d'échange, se prolonge en une conduite 30 d'évacuation de gaz résiduaire. En fonctionnement, en supposant tout d'abord le réservoir 8 plein, la colonne fournit uniquement deux flux d'azote gazeux, via les conduites 11 et 12 La somme des deux débits est constante et égale à la capacité de production totale en azote gazeux de la colonne 4 Le débit d'air traité est supposé sensiblement constant et égal au débit nominal de l'installation zéolite appropriée. Pour un pourcentage croissant du débit d'azote haute pureté soutiré de la colonne, par rapport au débit total d'azote gazeux soutiré, la Figure 2 montre (courbe Cl) que la pureté se dégrade progressivement et atteint la valeur de consigne de 1 ppb pour un débit maximal Dl de l'ordre de 60 à 70 % En revanche, la teneur de l'azote moyenne pureté en oxygène (courbe C 2) reste pratiquement constante quelle que soit la répartition des deux débits d'azote. Si la demande en azote haute pureté est supérieure à ce débit maximal, le complément est fourni par vaporisation directe d'azote liquide haute pureté via la conduite 27 et le vaporiseur 9. Le même type de fonctionnement peut être maintenu tant qu'il reste du liquide dans le réservoir 8. Lorsque ce réservoir 8 est vide, la produc- tion d'azote haute pureté est limitée au soutirage gazeux via la conduite 12 et ne peut donc dépasser le débit maximal Dl précité De plus, il est nécessaire de remplir le réservoir 8, ce qui s'obtient par soutirage d'un débit déterminé d'azote liquide haute pureté via la conduite 13 et introduction d'une quantité équivalente d'azote liquide moyenne pureté épuré en CO via la conduite 21. Dans ce cas, comme le montre la Figure 2, en supposant un débit d'azote liquide haute pureté soutiré égal à 40 % de la capacité de production en azote gazeux de la colonne, la pureté de l'azote gazeux haute pureté soutiré (courbe C 3) se dégrade plus rapidement que précédemment et atteint la valeur de consigne de 1 ppb pour un débit d'azote gazeux haute pureté D 2 de l'ordre de 30 % du débit d'azote gazeux total soutiré La pureté de l'azote gazeux moyenne pureté (courbe C 4), comme précédemment, est pratiquement constante, et légèrement supérieure à ce qu'elle était en l'absence du soutirage d'azote liquide haute pureté. Ainsi, à partir d'une situation o le réservoir est vide: l'installation peut fournir en permanence de l'azote gazeux haute pureté jusqu'à un débit de l'ordre de 60 à 70 % du débit d'azote gazeux total soutiré; lorsque la demande en azote haute pureté est inférieure à 30 % environ, on peut reconstituer la réserve d'azote liquide haute pureté dans le réservoir 8 avec un débit de liquide égal à 40 % de la capacité de production en azote gazeux de la colonne. Si la demande en azote haute pureté est comprise entre 30 et 60 %, on peut encore envoyer de l'azote liquide haute pureté dans le réservoir 8, mais avec un débit moindre que les 40 % précités. Bien entendu, la reconstitution de la réserve d'azote liquide haute pureté peut également être effec- tuée lorsque le réservoir 8 est partiellement rempli, dans les mêmes conditions de demande en azote haute pureté. Il est à noter que, si le réservoir 5 est accidentellement vide, l'installation peut continuer à fonctionner en utilisant comme liquide de "biberonnage" de l'azote liquide haute pureté introduit en tête de la colonne via la conduite 25. On comprend que l'installation peut être facilement modifiée pour produire de l'azote à plus de deux puretés différentes Ainsi, si l'on souhaite produire également de l'azote à une pureté intermédiaire de 100 ppb ( 10-7), on peut associer à la colonne 4 un réservoir d'azote liquide supplémentaire relié à un niveau de la colonne compris entre les conduites 13 et 21 et associé à un vaporiseur analogue au vaporiseur 9, avec en outre une conduite supplémentaire de soutirage d'azote gazeux 100 ppb piquée au même niveau de la colonne. Par ailleurs, dans certaines applications, une flexibilité supplémentaire de l'installation peut être obtenue en faisant varier le débit d'air traité autour de sa valeur nominale. REVENDICATIONS 1 Procédé de production d'azote gazeux à plusieurs puretés différentes, dont une moyenne pureté typiquement de l'ordre du ppm ( 10-6) et au moins une haute pureté, typiquement de l'ordre du ppb ( 10-9) ou de ppb ( 10-7), avec une demande variable en ces pro- duits, caractérisé en ce que: on distille de l'air préalablement épuré en eau, en anhydrique carbonique, en monoxyde de carbone et en hydrogène dans une colonne de production d'azote par distillation d'air ( 4) ayant un nombre de plateaux théoriques suffisant pour obtenir en tête de colonne de l'azote à la haute pureté; on soutire à un niveau intermédiaire de la colonne (en 11) un débit d'azote gazeux moyenne pureté de production; à au moins un niveau de la colonne supé- rieur audit niveau intermédiaire, on soutire (en 12) de l'azote gazeux haute pureté; et' pendant au moins une partie des périodes o la demande en azote haute pureté est inférieure à une valeur prédéterminée, on injecte dans la colonne, sensiblement audit niveau intermédiaire (en 21), de l'azote liquide à la moyenne pureté épuré en monoxyde de carbone, provenant d'une source ( 5) extérieure à la colonne, et on envoie dans un réservoir de stockage ( 8) un débit équivalent d'azote liquide haute pureté soutiré audit niveau supérieur de la colonne. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on vaporise un débit complémentaire d'azote liquide moyenne pureté provenant de la source extérieure ( 5) et/ou un débit complémentaire d'azote liquide haute pureté provenant du réservoir de stockage ( 8). 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on maintient en froid 1 'installation uniquement par injection dans la colonne ( 4) d'azote liquide moyenne pureté en provenance de la source extérieure ( 5). 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on épure en monoxyde de carbone l'azote liquide moyenne pureté à injecter dans la colonne ( 4) par adsorption en phase liquide, notamment sur une zéolite (en 6). 5 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on fait varier le débit d'air traité autour de sa valeur nominale. 6 Installation de production d'azote gazeux à plusieurs puretés différentes, dont une moyenne pureté typiquement de l'ordre du ppm ( 10-6) et au moins une haute pureté, typiquement de l'ordre du ppb ( 10- 9) ou de ppb ( 10-7), avec une demande variable en ces pro- duits, caractérisée en ce qu'elle comprend: une colonne ( 4) de production d'azote par distillation d'air ayant un nombre de plateaux théoriques suffisant pour obtenir en tête de colonne de l'azote à la haute pureté; une source ( 5, 6) d'azote liquide moyenne pureté épuré en monoxyde de carbone, extérieure à la colonne, reliée à un niveau intermédiaire ( 21) de cette colonne; une conduite ( 11) de soutirage d'azote gazeux moyenne pureté de production partant sensiblement du même niveau intermédiaire de la colonne; une conduite ( 12) de soutirage d'azote gazeux haute pureté de production partant d'un niveau de la colonne supérieur audit niveau intermédiaire; et un réservoir ( 8) de stockage d'azote liquide haute pureté relié audit niveau supérieur de la colonne. 7 Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens ( 7, 9) pour vaporiser l'azote liquide provenant de ladite source extérieure ( 5) et/ou du réservoir de stockage ( 8). 8 Installation suivant la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la source extérieure comprend un adsorbeur ( 6) de monoxyde de carbone en phase liquide, contenant notamment une zéolite. 9 Installation suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que la source extérieure ( 5) est un réservoir de stockage d'azote liquide à moyenne pureté.