Brevet FR2706195A1 — publié le 19941216

La présente invention est relative à un procédé de fourniture à une installation consommatrice d'au moins un constituant de l'air d'un gaz sous pression liquéfiable à une température cryogénique sous cette pression. L'invention s'applique en particulier à l'alimentation de certaines installations sidérurgiques en oxygène et/ou en azote et/ou en argon. Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions absolues. Certaines installations sidérurgiques consomment simultanément de l'oxygène gazeux sous pression, de l'azote gazeux sous pression et de l'argon gazeux sous pression, par exemple les fours à arc élec- triques destinés à produire de l'acier inoxydable (procédé AOD). La pression d'utilisation de ces gaz est typiquement de l'ordre de 25 bars, avec des consommations très variables, ce qui nécessite l'utilisation de "buf- fers" ou capacités-tampons alimentés sous une pression de l'ordre de 30 à 40 bars. L'oxygène et l'azote sont généralement produits par une unité de distillation d'air montée sur le site, et les quantités d'argon nécessaires sont largement supérieures à la capacité de production d'argon de cette unité de distillation, laquelle ne peut dépasser % du débit d'oxygène. Il est donc nécessaire d'approvi- sionner l'installation en argon à partir d'une source extérieure. Dans la technique habituelle, cet argon est vaporisé dans un appareil supplémentaire tel qu'une piscine à eau chaude. Par ailleurs, l'évolution technologique ainsi que les impératifs de productivité ont pour conséquence une augmentation progressive de la consommation en oxygène dans les fours à arc, laquelle finit souvent par dépasser largement la capacité de séparation de l'appa- reil de distillation dédié au site. L'invention a pour but de fournir un procédé permettant de satisfaire de façon particulièrement économique aux besoins en gaz, même très évolutifs, de l'installation. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en que: - on distille de l'air dans un appareil de distillation associé à une ligne d'échange thermique dans laquelle on fait circuler au moins un fluide calorigène sous une haute pression nettement supérieure à la pression de fonctionnement de l'appareil de distillation; - on alimente un stockage, au moins de façon intermittente, en ledit gaz sous forme liquide; et - on produit au moins une partie dudit gaz sous pression en amenant du gaz sous forme liquide soutiré dudit stockage à une pression de vaporisation supérieure à sa pression de stockage, et on le vaporise sous cette pression de vaporisation dans la ligne d'échange thermique associée à l'appareil de distilla- tion. Le procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on alimente au moins en partie le stockage à partir d'une source extérieure; - on récupère au moins partiellement la chaleur de vaporisation/réchauffement dudit gaz en produisant un débit additionnel d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide; - on produit simultanément au moins un constituant de l'air sous pression en amenant ce consti- tuant sous forme liquide soutiré de l'appareil de distillation à une pression de vaporisation supérieure à sa pression de soutirage, et en vaporisant ce liquide sous cette pression de vaporisation dans la ligne d'échange thermique; - ledit gaz est un gaz de l'air dont le débit est supérieur au débit de ce gaz produit au même instant par l'appareil de distillation; - on effectue ladite vaporisation de façon permanente; pendant certaines périodes, on envoie de l'appareil de distillation au stockage du gaz sous forme liquide, et, pendant d'autres périodes, on effectue ladite vaporisation. - L'invention a également pour objet une unité destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette unité, du type comprenant un appareil de distillation d'air associé à une ligne d'échange thermique qui comprend des passages pour au moins un fluide calorigène sous une haute pression nettement supérieure à la pression de fonctionnement de l'appareil de distillation, caractérisée en ce qu'elle comprend un stockage dudit gaz sous forme liquide adapté pour être alimenté au moins de façon intermittente, et des moyens de compression de ce gaz sous forme liquide reliés vers l'amont à ce stockage et vers l'aval à des passages de vaporisation sous pression de ce gaz de la ligne d'échange thermique. L'unité peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: les moyens de compression peuvent également être reliés vers l'aval à un appareil auxiliaire de vaporisation; - ledit gaz étant un gaz de l'air, les moyens de compression sont reliés uniquement au stockage, ce dernier étant éventuellement relié à l'appareil de distillation; - l'unité comprend une pompe pour ledit gaz sous forme liquide, dont l'aspiration est reliée à l'appareil de distillation; - le refoulement de la pompe est relié à des passages de vaporisation de la ligne d'échange thermique distincts de ceux affectés auxdits moyens de compression. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente schématiquement une unité conforme à l'invention; et - les Figures 2 et 3 représentent schémati- quement et partiellement deux variantes. On a représenté à la Figure 1 une unité destinée à fournir à une installation consommatrice 1, qui est typiquement une installation sidérurgique mettant en oeuvre un procédé du type AOD, d'une part de l'oxygène gazeux sous pression, véhiculé par une conduite 2, d'autre part de l'azote gazeux sous pression, véhiculé par une conduite 3, et enfin de l'argon sous pression, véhiculé par une conduite 4. Cette unité produit en outre de l'azote gazeux sous basse pression, c'est-à- dire au voisinage de la pression atmosphérique, ainsi que de l'oxygène liquide et de l'azote liquide, ces liquides étant également à peu près sous la pression atmosphéri- que. L'unité comprend essentiellement un com- presseur d'air atmosphérique 5; un groupe frigorifique 6; un dispositif 7 de dessication-décarbonatation de l'air par adsorption; une soufflante 8 et une turbine de détente 9 dont les roues sont calées sur le même arbre, la soufflante étant munie d'un réfrigérant atmosphérique ou à eau 10; une ligne d'échange thermique 11 du type à contre-courant; un sousrefroidisseur 12; un appareil de distillation 13 constitué par une double colonne du type dit "à minaret", comprenant une colonne moyenne pression 14 qui fonctionne vers 5 à 6 bars et qui est surmontée d'une colonne basse pression 15 fonctionnant vers 1,2 bar, la tête de la colonne 14 étant couplée à la cuve de la colonne 15 par un vaporiseur- condenseur 16; un pot séparateur 17; un stockage 18 d'azote liquide; une pompe 19 d'oxygène liquide; un stockage 20 d'oxygène liquide; une pompe 21 d'azote liquide; une pompe 22 d'argon liquide; et un stockage 23 d'argon liquide. Les trois stockages 18, 20 et 23 sont sensiblement sous la pression atmosphérique. En fonctionnement, l'air atmosphérique à distiller, comprimé en 5 puis refroidi en 6, est épuré en eau et en anhydrique carbonique en 7 puis surpressé en totalité en 8 et ramené au voisinage de la température ambiante en 10. L'air surpressé, qui se trouve à une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression de la colonne 14, est refroidi en totalité jusqu'à une température intermédiaire T dans la ligne d'échange thermique 11. A cette température, une partie de l'air poursuit son refroidissement et est liquéfié et éventuel- lement sous-refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange thermique, puis, après détente dans des vannes de détente 24 et 25, réparti entre les deux colonnes 14 et 15. A la température T, le reste de l'air est détendu à la moyenne pression en 9 puis introduit en cuve de la colonne 14. On a également indiqué sur le dessin les conduites habituelles des doubles colonnes à minaret, c'est-à-dire produisant en tête de la colonne basse pression de l'azote pur sous cette basse pression. Les conduites 26 à 28 de remontée, respectivement, de "liquide riche" (air enrichi en oxygène), de "liquide pauvre inférieur" (azote impur) et de "liquide pauvre supérieur" (azote pratiquement pur), ces conduites partant respectivement de la cuve, d'un point intermé- diaire et de la tête de la colonne 14, traversant le sous-refroidisseur 12 et étant chacune équipée d'une vanne de détente. L'oxygène destiné à l'installation 1 est soutiré sous forme liquide en cuve de la colonne 15, amené à la pression d'utilisation par la pompe 19, et vaporisé et réchauffé jusqu'au voisinage de la tempé- rature ambiante dans la ligne d'échange thermique. De même, l'azote destiné à l'installation 1 est soutiré sous forme liquide en tête de la colonne 14, amené à sa pression d'utilisation par la pompe 21, et vaporisé et réchauffé jusqu'au voisinage de la tempéra- ture ambiante dans la ligne d'échange thermique. L'argon destiné à l'installation 1 est stocké sous forme liquide dans le stockage 23, alimenté par des camions-citernes 29. L'argon liquide est soutiré de ce stockage, amené à sa pression d'utilisation par la pompe 22, et vaporisé et réchauffé jusqu'au voisinage de la température ambiante dans la ligne d'échange thermique. De façon habituelle, l'azote impur consti- tuant le gaz résiduaire de l'installation et l'azote pur produit en tête de la colonne 15 sont réchauffés en 12 puis en 11 et sortent de l'unité, respectivement, via des conduites 30 et 31. L'unité produit en outre de l'azote liquide, pris sur la conduite 28 et détendu dans une vanne de détente 32 avant d'être introduit dans le pot séparateur 17. Le liquide issu de ce pot séparateur est envoyé au stockage 18, tandis que la phase vapeur est réunie au courant d'azote gazeux issu du sommet de la colonne 15. L'unité produit également de l'oxygène liquide, soutiré de la cuve de la colonne 15 et envoyé dans le stockage via une conduite 33. Comme on le comprend, la quantité additionnelle de froid introduite dans la ligne d'échange thermique par la vaporisation et le réchauffement de l'argon liquide est récupérée pour produire de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide. En variante, l'appareil de distillation d'air peut comporter une colonne de production d'argon couplée de façon habituelle à la colonne 15, afin de produire une partie de l'argon fourni à l'installation 1. Les Figures 2 et 3 sont relatives à l'alimen- tation de l'installation en oxygène gazeux sous pression avec un débit supérieur à la capacité de séparation de l'appareil de distillation 13. Sur ces Figures, seuls ont été représentés la double colonne 13 et le circuit d'oxygène; le reste de l'installation est le même qu' à la Figure 1, à l'exception du circuit d'argon, qui est supprimé. Dans le cas de la Figure 2, le stockage 20 est alimenté d'une part par la cuve de la colonne 15, d'autre part par des camions-citernes 34, tandis que l'aspiration de la pompe 19 n'est reliée qu'au fond du stockage 20. Ainsi, le débit nécessaire d'oxygène liquide peut être fourni à la ligne d'échange thermique pour être vaporisé et réchauffé. L'excès d'oxygène liquide vapori- sé, c'est-à-dire la quantité fournie par les camions- citernes, fournit du froid qui peut être comme précédem- ment récupéré sous forme d'azote liquide additionnel envoyé au stockage 18. Comme indiqué sur la Figure 3, en variante, on peut compléter le schéma de la Figure 2 par une seconde pompe d'oxygène liquide 36 dont l'aspiration est reliée à la cuve de la colonne 15. Les refoulements des deux pompes peuvent être reliés aux mêmes passages de vaporisation de la ligne d'échange thermique, ou bien à des passages de vaporisation distincts. Comme indiqué en traits mixtes, le refoule- ment de la pompe 19 et/ou 36 peut également, en cas de nécessité, par exemple à titre de secours, être relié à un appareil auxiliaire de vaporisation classique 35 tel qu'une piscine. Dans ce mode de fonctionnement, le froid contenu dans l'oxygène liquide vaporisé est bien entendu perdu. Dans chacun des cas des Figures 2 et 3, l'appareil de distillation peut remplir progressivement le stockage 20, pendant les périodes de faible demande en oxygène de l'installation consommatrice et/ou pendant les périodes de faible coût de l'énergie électrique, tandis que ce stockage se vide progressivement pendant les périodes de forte demande et/ou de coût élevé de l'énergie électrique et doit alors éventuellement être alimenté par des camions-citernes. Si la demande en oxygène est en permanence supérieure à la capacité de l'appareil de distillation, l'alimentation par camions- citernes doit bien entendu être effectuée régulièrement. En variante, le stockage 20 de la Fig. 3 peut ne pas être relié à la double colonne 13 et n'être alimenté que par les camions-citernes 34. Dans ce cas, la pureté de l'oxygène livré par ces derniers peut être différente de celle de l'oxygène produit par la double colonne. L'invention s'applique également à des appareils de distillation d'air à simple colonne, par exemple à un schéma à vaporisation d'argon tel que celui de la Figure 1 mais dans lequel l'appareil 13 est une simple colonne de production d'azote de type HPN (High Purity Nitrogen), associée à un cycle Claude d'air analogue à celui décrit plus haut. Dans ce cas, la vaporisation de l'argon permet de produire un excédent d'azote liquide. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fourniture à une installation (1) consommatrice d'au moins un constituant de l'air d'un gaz sous pression liquéfiable à une température cryogéni- que sous cette pression, caractérisé en ce que: - on distille de l'air dans un appareil de distillation (13) associé à une ligne d'échange thermique (11) dans laquelle on fait circuler au moins un fluide calorigène sous une haute pression nettement supérieure à la pression de fonctionnement de l'appareil de distil- lation; - on alimente un stockage (23; 20), au moins de façon intermittente, en ledit gaz sous forme liquide; et - on produit au moins une partie dudit gaz sous pression en amenant du gaz sous forme liquide soutiré dudit stockage à une pression de vaporisation supérieure à sa pression de stockage, et on le vaporise sous cette pression de vaporisation dans la ligne d'échange thermique (11) associée à l'appareil de distillation. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on alimente au moins en partie le stockage (23; 20) à partir d'une source extérieure (29; 34). 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on récupère au moins partiellement la chaleur de vaporisation/réchauffement dudit gaz en produisant un débit additionnel d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on produit simultanément au moins un constituant de l'air sous pression en amenant ce constituant sous forme liquide soutiré de l'appareil de distillation (13) à une pression de vaporisation supérieure à sa pression de soutirage, et en vaporisant ce liquide sous cette pression de vaporisation dans la ligne d'échange thermique (11). - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit gaz est un gaz de l'air dont le débit est supérieur au débit de ce gaz produit au même instant par l'appareil de distil- lation (13). 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on effectue ladite vaporisation de façon permanente. 7 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que, pendant certaines périodes, on envoie de l'appareil de distillation (13) au stockage (20) du gaz sous forme liquide, et, pendant d'autres périodes, on effectue ladite vaporisation. 8 - Unité de fourniture à une installation consommatrice d'au moins un constituant de l'air d'un gaz sous pression liquéfiable à une température cryogénique sous cette pression, du type comprenant un appareil (13) de distillation d'air associé à une ligne d'échange ther- mique (11) qui comprend des passages pour au moins un fluide calorigène sous une haute pression nettement supérieure à la pression de fonctionnement de l'appareil de distillation, caractérisée en ce qu'elle comprend un stockage (23; 20) dudit gaz sous forme liquide adapté pour être alimenté au moins de façon intermittente, et des moyens (22; 19) de compression de ce gaz sous forme liquide reliés vers l'amont à ce stockage et vers l'aval à des passages de vaporisation sous pression de ce gaz de la ligne d'échange thermique (11). 9 - Unité suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de compression (19) peuvent également être reliés vers l'aval à un appareil auxiliaire de vaporisation (35). l1 - Unité suivant la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que, ledit gaz étant un gaz de l'air, les moyens de compression (19) sont reliés uniquement au stockage (20), ce dernier étant éventuellement relié à l'appareil de distillation (13). 11 - Unité suivant la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe (36) pour ledit gaz sous forme liquide, dont l'aspiration est reliée à l'appareil de distillation (13). 12 - Unité suivant la revendication 11, caractérisée en ce que le refoulement de la pompe (36) est relié à des passages de vaporisation de la ligne d'échange thermique (11) distincts de ceux affectés auxdits moyens de compression (19).