Brevet FR2783044A1 — publié le 20000310

La présente invention se rapporte à un appareil de séparation des gaz de l'air qui comprend: une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage disposé dans la tête de ladite colonne et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène disposé dans le fonds de ladite colonne, une colonne de rectification basse pression ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression disposé dans la tête de ladite colonne et un premier échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification avec l'air d'alimentation; et une unité de fourniture de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur d'une source externe de froid avec un gaz de recyclage; et qui a, en plus, un surpresseur pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passée à travers ledit premier échangeur de chaleur et acheminant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de froid et, concrètement, à un appareil de séparation des gaz de l'air dans lequel la séparation de l'air est effectuée en utilisant un froid provenant de l'extérieur par échange de chaleur avec de l'azote gazeux liquéfié (LNG) ou un produit similaire. Pour ce genre d'appareil de séparation des gaz de l'air, on ne connaît jusqu'ici qu'un appareil de séparation des gaz de l'air construit de manière telle qu'un passage de retour de gaz de recyclage soit prévu pour le retour direct dudit gaz de recyclage à la partie supérieure d'une colonne de rectification haute pression. Dans l'appareil de séparation des gaz de l'air classique mentionné cidessus, on a proposé une construction o une variation dans la quantité d'air séparé dépendant d'une variation dans la quantité de fourniture d'un froid externe comme un gaz LNG est réduite au maximum (voir le bulletin officiel de la publication de brevet japonais numéro 9, 274/1990) ou bien une construction o on la met en mesure d'utiliser de manière plus efficace l'unité de fourniture de froid (voir brevet japonais numéro 2,522,021). Dans la mesure o une telle construction a été adoptée, cependant, le retour d'un gaz de recyclage a été directement conduit à la partie supérieure d'une colonne de rectification haute pression même si l'on veut utiliser une source de froid externe, et, par conséquent, le gaz de recyclage n'a pas contribué à l'amélioration d'une efficacité de séparation de l'air de ladite colonne de rectification. En considération des faits réels susmentionnés, la présente invention a pour objet de fournir un appareil de séparation des gaz de l'air dans lequel l'objectif de l'art antérieur mentionné ci-dessus est développé et o la consommation d'énergie électrique peut être encore réduite. La construction caractéristique de l'appareil de séparation des gaz de l'air conformément à la présente invention visant à atteindre cet objectif réside en: un appareil de séparation des gaz de l'air qui comprend: une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage disposé dans la tête de ladite colonne et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène disposé dans le fond de ladite colonne, une colonne de rectification basse pression ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression disposé dans la tête de ladite colonne et un premier échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification avec l'air d'alimentation; et une unité de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur d'une source externe de froid avec un gaz de recyclage; et qui a, en plus, un surpresseur pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passé à travers ledit premier échangeur de chaleur et acheminant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de froid, caractérisé en ce que l'on prévoit un passage de retour du gaz de recyclage pour acheminer le gaz de recyclage qui est passé à travers ladite unité de froid à la tête de la colonne de ladite colonne de rectification haute pression par l'intermédiaire du rebouilleur dans le fond de colonne de la colonne de rectification haute pression. De plus, un tronçon de rectification est prévu de préférence entre la partie d'admission d'air d'alimentation de ladite colonne de rectification haute pression et ledit rebouilleur. Du fait de la construction susmentionnée, notamment le gaz de recyclage qui est passé à travers ladite unité de fourniture de froid est fourni en tête de ladite colonne de rectification haute pression par l'intermédiaire du rebouilleur disposé dans le fond de colonne de la colonne de rectification haute pression, et par conséquent, le gaz enrichi en oxygène dans le fond de colonne est rebouilli par le même gaz de recyclage. Il en résulte que l'efficacité de rectification de la colonne de rectification haute pression est améliorée et que la quantité d'azote gazeux recyclé extrait de la tête de colonne de celle-ci est augmentée. En conséquence, la quantité de gaz qui a été surpressée par le surpresseur et a été fournie à l'unité de fourniture de froid est diminuée dans une proportion correspondante. La quantité d'énergie électrique, correspondant à cette proportion décroissante, peut notamment être réduite. En prévoyant un tronçon de rectification entre la partie d'admission d'air d'alimentation de ladite colonne de rectification haute pression et ledit rebouilleur, la concentration en oxygène enrichi dans le fond de colonne est augmentée et l'efficacité de rectification est ainsi encore améliorée et ceci peut contribuer à la réduction de la conservation électrique. Par référence maintenant au dessin ci-joint, on décrira ici un mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 est un schéma de fabrication montrant un mode de réalisation de l'appareil de séparation des gaz de l'air utilisant une source de froid externe conformément à la présente invention. L'appareil de séparation des gaz de l'air comprend notamment une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation des gaz de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression 5, ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage 51, disposé dans la tête de colonne de celle-ci et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène disposé dans le fond de colonne de celle-ci, une colonne de rectification basse pression 6, ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression 61 disposé dans la tête de colonne de celle-ci et un premier échangeur de chaleur E1 pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification 5, 6 avec l'air d'alimentation et une unité de fourniture de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur E2 pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur entre une source externe de froid et un gaz de recyclage, et a, de plus, un compresseur d'appoint Cl pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passé à travers ledit premier échangeur de chaleur E1 et fournissant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de froid, o un passage de retour du gaz de recyclage P25, P26 est prévu pour fournir le gaz de recyclage qui est passé à travers ladite unité de fourniture de froid à la tête de colonne de ladite colonne de rectification haute pression 5 par l'intermédiaire du rebouilleur E4 dans le fond de colonne de la colonne de rectification haute pression 5. De plus, un tronçon de rectification 53 est disposé entre la partie d'admission d'air d'alimentation 52 de ladite colonne de rectification haute pression 5 et ledit rebouilleur E4. L'air d'alimentation, qui est passé à travers un filtre d'air 1 et a été débarrassé de la poussière contenue dans l'air, est conduit à un compresseur d'air 2 à travers un conduit P1 de manière à être comprimé à une pression IC2 d'environ 5 kg/cm2G, et conduit par l'intermédiaire d'un conduit P2 à une unité de décarbonatation-séchage 3, o le dioxyde de carbone gazeux et I'humidité en sont éliminés, et est introduit alors dans le premier échangeur de chaleur E1 par l'intermédiaire d'un conduit P3. De plus, I'unité de décarbonatation-séchage 3 utilisée ici comprend une paire de colonnes d'adsorption, et ces colonnes d'adsorption sont construites de telle manière qu'une colonne d'adsorption, qui vient d'effectuer la décarbonatation et le séchage de l'air d'alimentation, puisse être simultanément régénérée, alors même que l'autre colonne d'adsorption est en train d'effectuer la décarbonatation et le séchage. Ces colonnes d'adsorption peuvent notamment être appliquées en continu à la décarbonatation et au séchage de l'air d'alimentation grâce à un usage en alternance de chacune d'entre elles. L'air d'alimentation qui a été introduit dans le premier échangeur de chaleur E1 subit un échange de chaleur avec les gaz basse température évacués provenant des deux colonnes de rectification 5, 6, mentionnées ci- dessous, de manière à être refroidi presque jusqu'au point de liquéfaction, et est alors introduit dans la colonne de rectification haute pression 5 à travers un conduit P4. Dans cette colonne de rectification haute pression 5, I'air d'alimentation est rectifié de manière à produire de l'azote gazeux et de l'azote liquide dans la tête de colonne et un liquide enrichi en oxygène dans le fond de colonne. Le liquide enrichi en oxygène recueilli dans le fond de colonne de ladite colonne de rectification haute pression 5 est conduit dans une vanne d'expansion Vl par l'intermédiaire d'un conduit P5, o il est soumis à une détente libre et est introduit dans la partie médiane de la colonne de rectification basse pression 6. Une partie de l'azote liquide produit dans la tête de colonne de la colonne de rectification haute pression 5 est conduite dans une vanne d'expansion V3 à travers un conduit P9 de manière à subir une détente libre et est alors introduite dans la tête de colonne de la colonne de rectification basse pression 6, et la partie restante de ce dernier sera évacuée en tant que produit d'azote liquide à travers un conduit P35. La colonne de rectification basse pression 6 reçoit, dans son fond de colonne, de la chaleur en provenance de la colonne de rectification haute pression 5 et produit de l'azote gazeux dans la tête de colonne et de l'oxygène liquide dans la partie inférieure. De plus, on évacuera le produit d'oxygène liquide par un conduit P36. Un gaz résiduaire introduit dans le premier échangeur de chaleur E1 à travers un conduit P30 arrive à la température ambiante par l'intermédiaire d'un échange de chaleur avec l'air d'alimentation, et sera alors conduit dans l'unité de décarbonatation-séchage 3 à travers un conduit P31 et y sera utilisé pour la régénération de l'unité de décarbonatation-séchage 3. Dans la suite, on procédera à la description d'un gaz de recyclage. De l'azote gazeux basse pression qui a été introduit dans le premier échangeur de chaleur E1 à partir de la tête de colonne de ladite colonne de rectification basse pression 6 à travers un conduit Pl1 arrive à la température ambiante à une pression d'environ 0,05 kg/cm2G par un échange de chaleur avec l'air d'alimentation et il est alors introduit dans le surpresseur C1 à travers un conduit P12 de manière à subir une compression à une pression d'environ 4,2 kg/cm2G. L'azote gazeux de complément comprimé par le surpresseur C1 est combiné à l'azote gazeux de recyclage ayant une pression d'environ 4,2 kg/cm2G qui y a été introduit à partir de la tête de colonne de la colonne de rectification haute pression 5 à travers un conduit P15, et l'azote gazeux résultant est alors comprimé à basse température à une pression d'environ 80 kg/cm2G par des compresseurs basse température C2, C3 de façon à devenir du gaz de recyclage comprimé. Le gaz de recyclage comprimé qui a été comprimé à basse température à une pression d'environ 80 kg/cm2G est conduit dans le deuxième échangeur de chaleur E2 à travers un conduit P21 de manière à être refroidi par un froid qui est engendré quand le LNG monte en température ou s'évapore, et est alors introduit dans un échangeur de chaleur E3, o il transmet du froid au gaz de recyclage. Le gaz de recyclage comprimé est ensuite conduit à nouveau dans le deuxième échangeur de chaleur E2 et y est refroidi de manière à devenir de l'azote liquide. Cet azote liquide passe alors à travers un conduit P24, un sous-refroidisseur F et un conduit P25 et est soumis à un échange de chaleur avec du liquide enrichi en oxygène dans le rebouilleur E4, et passe alors à travers un conduit P26 et est soumis à une détente adiabatique libre dans la vanne de détente V4, et est alors introduit à la tête de colonne de la colonne de rectification haute pression 5. De plus, la partie de l'air d'alimentation 52 pour ladite colonne de rectification haute pression 5 provient en principe dudit rebouilleur E4, et le tronçon de rectification 53 est garni avec des plateaux et du garnissage entre la partie d'admission d'air d'alimentation 52 et le rebouilleur E4, o la rectification de l'air est effectuée dans ce tronçon, I'efficacité de rectification de la colonne de rectification haute pression 5 pouvant être encore améliorée et la consommation d'énergie électrique dans le surpresseur Cl pouvant être réduite. Dans le cas o un écart de température entre les températures aux extrémités du premier échangeur de chaleur E1 est ajusté à 3 C et celui du rebouilleur E4 est ajusté à 2 C, concrètement, on peut voir que l'on obtient l'économie d'énergie indiquée dans le tableau 1, laquelle quantité contribuera à la réduction de 3 - % de l'énergie électrique requise pour la séparation de l'air. Tableau 1 Art antérieur Cette invention Quantité de froid Nm3/h 10 000 10 000 engendrée Quantité d'azote Nm3/h 15 252 15 252 haute pression requise Réduction du débit Nm3/h 0 - 2 700 (surpresseur) Réduction de la KW 0 206 quantité d'énergie électrique La figure 1 est un dessin du système montrant l'appareil de séparation des gaz de l'air utilisant une source de froid externe conformément à la présente invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation des gaz de l'air qui comprend une unité d'air d'alimentation, une unité de séparation de l'air composée d'une colonne de rectification haute pression ayant un orifice d'évacuation de gaz de recyclage disposé dans la tête de ladite colonne et un rebouilleur d'air enrichi en oxygène prévu dans le fond de ladite colonne, une colonne de rectification basse pression ayant un orifice d'évacuation d'azote gazeux basse pression disposé dans la tête de ladite colonne et un premier échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur des gaz basse température évacués provenant desdites deux colonnes de rectification avec l'air d'alimentation; et une unité de fourniture de froid ayant un deuxième échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre d'un échange de chaleur d'une source externe de froid avec un gaz de recyclage; et qui a, en plus, un surpresseur pour augmenter la pression d'une partie de l'azote gazeux basse pression qui est passée à travers ledit premier échangeur de chaleur et acheminant l'azote gazeux surpressé à ladite unité de fourniture de froid, caractérisé en ce que l'on prévoit un passage de retour pour acheminer"le gaz de recyclage qui a passé à travers ladite unité de froid à la tête de ladite colonne de rectification haute pression par l'intermédiaire du rebouilleur dans le fond de la colonne de rectification haute pression. 2. Appareil de séparation des gaz de l'air selon la revendication 1, dans lequel un tronçon de rectification est prévu entre la partie d'admission d'air d'alimentation de ladite colonne de rectification haute pression et ledit rebouilleur.