Brevet FR2751060A1 — publié le 19980116

La présente invention est relative à un procédé de distillation cryogénique d'un mélange gazeux dans une installation comprenant un appareil de distillation cryogénique qui produit un gaz sous pression destiné à être détendu. L'invention s'applique en particulier à la distillation de l'air. Les installations de distillation d'air doivent disposer d'un moyen de production frigorifique. Sa fonction peut être simplement d'assurer la tenue en froid, c'est-à-dire de compenser les entrées thermiques sur l'appareil; des moyens plus puissants permettent en plus de produire une partie des gaz sous forme liquide. La turbine de détente est le moyen de production frigorifique de nombreuses installations industrielles de distillation de l'air. Le gaz sous pression détendu dans la turbine peut être de l'azote moyenne pression produit par un appareil de production d'oxygène à double colonne. Ce peut être également, dans le cas d'appareils à simple colonne de production d'azote sous pression, dits HPN (High Purity Nitrogen) , le gaz résiduaire ("liquide riche", constitué par de l'air enrichi en oxygène) vaporisé dans le condenseur de tête de la colonne sous une pression intermédiaire entre la pression atmosphérique et ladite moyenne pression. L'inconvénient des turbines de détente, outre leur coût, réside dans leur relative fragilité mécanique. Tournant à très haute vitesse, elles sont sensibles aux particules liquides et aux vibrations, et elles s'adaptent mieux aux marches continues et stables qu'aux régimes fortement transitoires. C'est pourquoi les petits appareils "on site" produisant de l'azote gazeux par voie cryogénique à partir d'appareils non surveillés n'ont pas été équipés de turbines. La contrepartie de cette absence de moyens propres de production de froid est qu'ils doivent être tenus en froid par "biberonnage", c'est-à-dire par l'injection directe d'azote liquide provenant d'un réservoir auxiliaire alimenté par camions-citernes. Bien que l'azote de biberonnage ne soit pas perdu puisqu'il se retrouve dans le courant d'azote de production, le coût de mise à disposition de ces quelques % de liquide est évidemment une charge dans l'économie d'un appareil de ce type. L'invention a pour but de fournir des moyens de production frigorifique simples et peu coûteux, de maintenance réduite, voire nulle, pour équiper efficacement les installations de distillation cryogénique, notamment de petite et de moyenne taille et/ou à production à débit variable. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de distillation d'air dans une installation comprenant un appareil de distillation d'air qui produit un gaz sous pression destiné à être détendu, caractérisé en ce qu'on envoie ledit gaz sous pression dans une première extrémité d'un tube pulsé dont l'autre extrémité échange de la chaleur avec une source chaude, on crée dans le tube pulsé une pulsation de pression entre la pression du gaz et une basse pression, et on met ladite première extrémité en relation d'échange thermique avec une partie de l'installation qui se trouve à une température très inférieure à la température ambiante. Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - on réchauffe ledit gaz sous pression du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange thermique de l'installation avant de l'envoyer dans le tube pulsé, et, pendant les phases de réduction de la pression dans le tube pulsé , on envoie le gaz dans un circuit basse pression; - on relie alternativement ladite première extrémité du tube pulsé d'une part à une conduite qui véhicule le gaz sous pression à une température très inférieure à la température ambiante, et d'autre part à un passage de réchauffement de ce gaz sous ladite basse pression, ce passage étant en relation d'échange thermique avec l'air entrant dans l'installation; - on réchauffe partiellement le gaz sous pression avant de l'envoyer dans le tube pulsé; - le gaz sous pression envoyé au tube pulsé est au voisinage de sa température de rosée; - ledit mélange gazeux est de l'air; - ledit gaz sous pression est un gaz résiduaire de l'installation qui, sous la basse pression, est utilisé pour régénérer des bouteilles d'épuration de l'air par adsorption; - l'installation comprend une simple colonne de distillation alimentée en cuve par de l'air comprimé et refroidie en tête par un condenseur, ce dernier étant alimenté avec le liquide de cuve de la colonne, dit liquide riche, détendu à une pression comprise entre la pression de la colonne et la pression atmosphérique, ledit gaz sous pression étant le liquide riche vaporisé dans le condenseur. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus. Cette installation, du type comprenant un appareil de distillation cryogénique et une conduite qui véhicule un gaz sous pression produit par cet appareil, est caractérisée en ce qu'elle comprend un tube pulsé alimenté, à une première extrémité, par ledit gaz sous pression, et dont la seconde extrémité forme un échangeur de chaleur avec une source chaude, des moyens pulsateurs pour créer une pulsation de pression dans le tube pulsé entre la pression dudit gaz et une basse pression, et des moyens pour mettre ladite première extrémité en relation d'échange thermique avec une partie de l'installation qui se trouve à une température très inférieure à la température ambiante. Cette installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - ladite seconde extrémité du tube pulsé est en relation d'échange thermique avec un fluide au voisinage de la température ambiante; - lesdits moyens pulsateurs sont disposés au voisinage de la température ambiante, et ladite première extrémité du tube pulsé est reliée à ces moyens pulsateurs à travers un régénérateur; - lesdits moyens pulsateurs comprennent des moyens de commutation adaptés pour relier ladite première extrémité du tube pulsé soit à une conduite sous pression qui véhicule ledit gaz sous pression, soit à une conduite basse pression; - dans ladite conduite sous pression, ledit gaz est à une température très inférieure à la température ambiante, et la conduite basse pression est reliée à un point d'un passage de la ligne d'échange thermique principale de l'installation destiné au réchauffement du même gaz sous la basse pression par échange de chaleur avec ledit mélange gazeux en cours de refroidissement; - ladite conduite sous pression est reliée à un emplacement intermédiaire de la ligne d'échange thermique; - ladite conduite sous pression est sensiblement à la température du bout froid de la ligne d'échange thermique; - ledit point est une entrée dudit passage munie de moyens d'introduction dudit gaz sous forme diphasique. Il est à noter que les tubes pulsés sont connus en soi, divers exemples ayant été décrits dans les publications suivantes - Gifford W.E. and Longsworth R.C., Pulse Tube Refrigeration, American Society of Mechanical Engineers, Philadelphia, Pennsylvania, paper nO 63-WA290, Nov. 17-22 (1963) - Mikulin E.I., Tarasov A.A. and Shrkrebyonock M.P., Low Temperature Expansion Pulse Tubes, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 29 p 269, Plenum Press, New York (1984) - Radebaugh R., Zimmermann J., Smith D.R. and Louie B., A Comparison of Three Types Pulse Tube refrigerators : New Methods for reaching 60K, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 31 p 779, Plenum Press, New York (1986) - David M. and Marechal J-C., How to Achieve the Efficiency of a Gifford-Mac Mahon Cryocooler with a Pulse Tube Refrigerator, Cryogenics, Vol. 30 p 262 (1990) - Liang J., Zhou Y. and Zhu W., Development of a Single-Stage Pulse Tube Refrigerator Capable of Reaching 49 K Cryogenics, Vol. 30 (1990) - David M., Marechal J-C., Simon Y. and Guilpin C., Theory of Ideal Orifice Pulse Tube Refrigerator, Cyrogenics, Vo. 33 p 154 (1993). Cependant, dans tous les exemples de tubes pulsés décrits jusqu'à présent, on fait appel à un compresseur spécifique pour alimenter le tube pulsé. Au contraire, la présente invention valorise la détente d'un gaz sous pression en intégrant à l'installation un tube pulsé directement alimenté par ce gaz. Par exemple, dans le cas d'une petite ou d'une moyenne unité HPN de production d'azote sous une pression suffisante, le liquide riche (air enrichi en oxygène) vaporisé dans le condenseur de tête de la colonne se trouve sous une pression substantielle et doit de toute manière être détendu au voisinage de la pression atmosphérique avant d'être utilisé pour régénérer les bouteilles d'adsorbant. L'invention permet à la fois, dans ce cas, de valoriser cette détente et de supprimer le biberonnage de la colonne. 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 un premier mode de réalisation d'une installation de production d'azote conforme à l'invention; - la Figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'une telle installation; - les Figures 3 et 4 représentent respectivement, de façon schématique, dans deux positions différentes, une vanne de commutation formant pulsateur, pouvant être utilisée dans l'installation de la Figure 2; et - la Figure 5 représente schématiquement une variante de l'installation de la Figure 2. L'installation de production d'azote gazeux représentée à la Figure 1 est une petite ou moyenne unité de type HPN à tube pulsé intégré. Par "petite ou moyenne unité", on entend une capacité de production qui est typiquement de l'ordre de 100 à 5000 Nm3/h d'azote. La pression de l'azote produit est typiquement de l'ordre de 7 à 11 bars absolus. L'installation comprend essentiellement un compresseur d'air 1, un réfrigérant 2 à air ou à eau, deux bouteilles d'adsorption 3 à fonctionnement alterné, une ligne d'échange thermique principale 4, une colonne HPN 5, un réservoir d'azote liquide 6 et un ensemble 8 à tube pulsé. La colonne 5 comprend une zone de distillation 9, à plateaux ou à garnissage, et un condenseur de tête 10. L'ensemble 8 comprend un tube pulsé 11 dont une extrémité 12, ou extrémité froide, est reliée par une conduite 13 à l'extrémité froide d'un régénérateur 14. L'autre extrémité 15 du tube pulsé forme un échangeur de chaleur avec l'air ambiant et est relié par une conduite 16 à l'unique ouverture d'un réservoir 17. L'extrémité chaude du régénérateur est reliée d'une part à un pulsateur 18, d'autre part à l'extrémité chaude du tube pulsé par une conduite 19. Les conduites 16 et 19 sont munies chacune d'un orifice calibré 20. L'ensemble 8 forme ainsi un dispositif connu sous le nom de DIPT (Double Inlet Pulse Tube) décrit dans la référence de LIANG J. et al précitée. Cependant, en variante, toute autre type d'ensemble à tube pulsé ayant les performances frigorifiques requises peut être utilisé, par exemple celui connu sous le nom de HPT (Hybrid Pulse Tube) décrit dans la référence de DAVID M. et al précitée. Le pulsateur 18 forme un distributeur dont le tiroir 21 est animé d'un mouvement alternatif. Dans une position, représentée sur la Figure 1, le tiroir met l'entrée chaude du régénérateur 14 en communication avec une conduite 22 d'alimentation en gaz sous pression. Dans son autre position, le tiroir met au contraire l'entrée chaude du régénérateur en communication avec une conduite 23 d'évacuation du gaz sous la basse pression, qui est légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Il est de plus prévu des moyens, de tout type approprié, schématisés en 24, pour transférer le froid produit en 13 à la partie cryogénique de l'installation. En fonctionnement, l'air atmosphérique traité est comprimé en 1 à une pression légèrement supérieure à la pression de production de l'azote, refroidi en 2 au voisinage de la température ambiante, épuré en eau et en CO2 dans l'une des bouteilles 3 (la bouteille de droite sur la Figure 1), refroidi au voisinage de son point de rosée dans des passages 27 de la ligne d'échange thermique, et introduit à la base de la colonne 5. L'azote gazeux de production est soutiré en tête de colonne via une conduite 28, réchauffé jusqu'au voisinage de la température ambiante, du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange thermique, dans des passages 29 de celleci, et passe dans une conduite de production 30. Le "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de colonne est détendu dans une vanne de détente 31 à une pression intermédiaire, puis est introduit dans la calandre du condenseur 10 pour provoquer dans celui-ci une condensation du gaz de tête (azote) de la colonne et, ainsi, assurer le reflux de cette colonne. Le liquide riche ainsi vaporisé, noté LRV, est soutiré via la conduite 25, réchauffé jusqu'au voisinage de la température ambiante, du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange thermique, dans les passages 26 de celle-ci, et envoyé dans la conduite 22. Le mouvement du pulsateur 18 provoque une pulsation de pression dans le tube pulsé 11, de la pression du LRV à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, ce qui produit du froid dans la conduite 13. On règle les paramètres de l'ensemble 8 pour que ce froid soit disponible en 13 à la température cryogénique désirée. La puissance frigorifique ainsi produite peut être réglée pour équilibrer les pertes thermiques de l'installation, tout l'azote étant alors produit directement sous forme gazeuse, via les conduites 28 et 30. En variante, comme représenté, la puissance frigorifique peut être suffisante pour produire en outre de l'azote liquide. Cet azote liquide est alors soutiré en tête de colonne via une conduite 34, détendu au voisinage de la pression atmosphérique dans une vanne de détente 35, et stocké dans le réservoir 6. L'installation de la Figure 2 ne diffère de la précédente que par l'ensemble à tube pulsé 8 et son agencement. En effet, au lieu d'alimenter l'ensemble 8 à la température ambiante, on profite du fait que le gaz sous pression est disponible à basse température pour alimenter directement le tube pulsé 11 avec du gaz froid. Le régénérateur 14 est alors inutile et est donc supprime. Plus particulièrement, le liquide riche vaporisé sous pression est réchauffé partiellement dans des passages additionnels 37 de la ligne d'échange thermique, lesquels s'étendent du bout froid à un emplacement intermédiaire de cette ligne d'échange thermique. Puis le LRV est sorti de la ligne d'échange thermique et envoyé à l'entrée froide 12 du tube pulsé 11 via une conduite 38. A cette entrée se trouve le pulsateur 18, qui est ici constitué par une vanne à boisseau à trois voies représentée plus en détail sur les Figures 3 et 4. Comme précédemment, l'extrémité chaude 15 du tube pulsé forme un échangeur de chaleur au voisinage de le température ambiante, et elle est reliée au réservoir 17 via la conduite 16 équipée de son orifice calibré 20. Cependant, dans ce cas, la conduite de liaison 19 de la Figure 1 est supprimée. Le pulsateur 18 (Figures 3 et 4) comprend un boisseau tournant 39 qui comporte un conduit axial 40 relié par une extrémité à un conduit radial 41 et par son autre extrémité à un conduit diamétral 42. Le boisseau est entraîné en rotation à une vitesse constante relativement lente, par exemple 1 t/s, via une tige d'entraînement axiale 43, par un moteur 44. Dans une première position angulaire du boisseau (Figure 3), le conduit 41 est en communication avec la conduite 38 qui véhicule le LRV sous pression partiellement réchauffé. Ce gaz pénètre donc dans le tube pulsé 11 via le conduit axial 40 et le conduit diamétral 42. Dans la position angulaire opposée du boisseau (Figure 4), le conduit 41 est en communication avec une conduite 45 d'évacuation du LRV sous la basse pression. Ce gaz est ensuite réchauffé du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange thermique, dans des passages additionnels 46 de celle-ci, puis est utilisé comme précédemment pour régénérer une bouteille d'adsorbant 3. La température à laquelle la conduite 38 est piquée sur la ligne d'échange thermique est choisie de façon que le LRV basse pression soit légèrement au-dessus de son point de rosée dans la conduite 45. Si l'on s'affranchit de cette condition, on aboutit à la variante de la Figure 5, dans laquelle le LRV froid véhiculé par la conduite 25 alimente directement le tube pulsé via la vanne à boisseau 18 et la conduite 38. Dans ce cas, le LRV basse pression issu de la vanne à boisseau est partiellement liquéfié, et les passages 46 de réchauffement basse pression de la ligne d'échange thermique deviennent des passages de vaporisation et de réchauffement et sont équipés à leur bout froid d'un dispositif 47 d'entrée de fluide diphasique. Cependant, en variante, on peut éviter toute liquéfaction du LRV en disposant un échangeur de chaleur entre la conduite 25 et la conduite de soutirage du liquide riche, en amont de la vanne 31, comme connu en soi dans la technique. Sur les Figures 2 à 5, on a schématisé en 48 la limite de la "boîte froide" de l'installation, laquelle passe par un emplacement intermédiaire de la longueur du tube pulsé. REVENDICATIONS 1 - Procédé de distillation cryogénique d'un mélange gazeux dans une installation comprenant un appareil de distillation cryogénique (5) qui produit un gaz sous pression destiné à être détendu, caractérisé en ce qu'on envoie ledit gaz sous pression dans une première extrémité (12) d'un tube pulsé (11) dont l'autre extrémité (15) échange de la chaleur avec une source chaude, on crée dans le tube pulsé (en 18) une pulsation de pression entre la pression du gaz et une basse pression, et on met ladite première extrémité (12) en relation d'échange thermique avec une partie de l'installation qui se trouve à une température très inférieure à la température ambiante. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réchauffe ledit gaz sous pression du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange thermique (4) de l'installation avant de l'envoyer dans le tube pulsé (11), et, pendant les phases de réduction de la pression dans le tube pulsé (11), on envoie le gaz dans un circuit basse pression (23). 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie alternativement ladite première extrémité du tube pulsé (11) d'une part à une conduite (38) qui véhicule le gaz sous pression à une température très inférieure à la température ambiante, et d'autre part à un passage (46) de réchauffement de ce gaz sous ladite basse pression et notamment au bout froid de ce passage, ce passage (46) étant en relation d'échange thermique avec l'air entrant dans l'installation. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on réchauffe partiellement (en 37) le gaz sous pression avant de l'envoyer dans le tube pulsé (11). 5 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz sous pression envoyé au tube pulsé (11) est au voisinage de sa température de rosée. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux est de l'air. 7 - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit gaz sous pression est un gaz résiduaire de l'installation qui, sous la basse pression, est utilisé pour régénérer des bouteilles (3) d'épuration de l'air par adsorption. 8 - Procédé suivant la revendication 6 ou 7, pour la production d'azote, l'installation comprenant une simple colonne de distillation (5) alimentée en cuve par de l'air comprimé et refroidie en tête par un condenseur (10), ce dernier étant alimenté avec le liquide de cuve de la colonne, dit liquide riche, détendu à une pression comprise entre la pression de la colonne et la pression atmosphérique, ledit gaz sous pression étant le liquide riche vaporisé dans le condenseur (10). 9 - Installation de distillation cryogénique d'un mélange gazeux, du type comprenant un appareil de distillation cryogénique (5) et une conduite (32) qui véhicule un gaz sous pression produit par cet appareil, caractérisée en ce qu'elle comprend un tube pulsé (11) alimenté, à une première extrémité (12), par ledit gaz sous pression, et dont la seconde extrémité (15) forme un échangeur de chaleur avec une source chaude, des moyens pulsateurs (18) pour créer une pulsation de pression dans le tube pulsé entre la pression dudit gaz et une basse pression, et des moyens (24) pour mettre ladite première extrémité (12) en relation d'échange thermique avec une partie de l'installation qui se trouve à une température très inférieure à la température ambiante. 10 - Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que ladite seconde extrémité (15) du tube pulsé (11) est en relation d'échange thermique avec un fluide au voisinage de la température ambiante. 11 - Installation suivant la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que lesdits moyens pulsateurs (18) sont disposés au voisinage de la température ambiante, et en ce que ladite première extrémité (12) du tube pulsé (11) est reliée à ces moyens pulsateurs à travers un régénérateur (14). 12 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que lesdits moyens pulsateurs (18) comprennent des moyens de commutation adaptés pour relier ladite première extrémité (12) du tube pulsé (11) soit à une conduite sous pression (22; 38; 25) qui véhicule ledit gaz sous pression, soit à une conduite basse pression (23; 45). 13 - Installation suivant la revendication 12, caractérisée en ce que, dans ladite conduite sous pression (38; 25), ledit gaz est à une température très inférieure à la température ambiante, et en ce que la conduite basse pression (45) est reliée à un point, notamment au bout froid, d'un passage (46) de la ligne d'échange thermique principale (4) de l'installation destiné au réchauffement du même gaz sous la basse pression par échange de chaleur avec ledit mélange gazeux en cours de refroidissement. 14 - Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que ladite conduite sous pression (38) est reliée à un emplacement intermédiaire de la ligne d'échange thermique (4). 15 - Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que ladite conduite sous pression (25) est sensiblement à la température de rosée dudit gaz sous pression. 16 - Installation suivant la revendication 15, caractérisée en ce que ledit point est une entrée dudit passage (46) munie de moyens (47) d'introduction dudit gaz sous forme diphasique. 17 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 16, pour la distillation d'air, caractérisée en ce que ledit gaz sous pression est un gaz résiduaire de l'installation qui, sous la basse pression, est utilisé pour régénérer des bouteilles (3) d'épuration de l'air par adsorption. 18 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisée en ce que l'appareil de distillation (5) est une simple colonne de production d'azote alimentée en cuve par de l'air comprimé et refroidie en tête par un condenseur (10), ce dernier étant alimenté avec le liquide de cuve de la colonne, dit liquide riche, détendu à une pression comprise entre la pression de la colonne et la pression atmosphérique, ledit gaz sous pression étant le liquide riche vaporisé dans le condenseur (10).