Brevet FR2784308A1 — publié le 20000414

La présente invention est relative à un procédé de séparation d'un gaz d'alimentation comprimé, notamment d'air comprimé, en vue de fournir à un utilisateur un débit variable d'un gaz produit, notamment d'azote, au moyen d'un appareil de séparation à capacité variable alimenté par un appareil de compression. L'invention s'applique notamment à la production d'azote à partir d'air atmosphérique par distillation ou par perméation. L'utilisation d'appareils de séparation d'air à débit variable tend à se répandre, en raison des avantages de standardisation qu'ils apportent: les frais d'étude sont amortis sur plus d'appareils, le groupement des approvisionnements permet de réduire leur coût, l'effet de série diminue le prix de revient unitaire des appareils, on peut stocker des appareils pour réduire le délai de fourniture aux clients car on sait qu'ils peuvent répondre à une large gamme de demandes, les opérations de maintenance sont simplifiées et le stock de pièces détachées réduit, etc. Cependant, les appareils de séparation à débit variable posent des problèmes d'adaptation de l'appareil lui-même et de son compresseur d'alimentation à des conditions de fonctionnement variables, afin de maintenir autant que possible les performances de séparation et la dépense d'énergie spécifique. Ainsi, il est connu de réguler les petits appareils de distillation d'air en tout ou rien: ils s'arrêtent lorsque la pression d'azote dans le réseau utilisateur augmente jusqu'à un seuil haut prédéterminé, et redémarrent lorsque cette pression redescend jusqu'à un seuil bas prédétermine. L'inconvénient de cette méthode est que l'appareil de distillation met beaucoup de temps à redémarrer et, pendant toute la durée du redémarrage, son compresseur consomme son énergie nominale avec une production d'azote nulle. Si l'on veut réduire le nombre de cycles arrêt/redémarrage, on doit installer une capacité- tampon de volume important. Il est également connu de mettre à l'air le débit d'azote excédentaire. L'énergie spécifique est alors, bien entendu, augmentée d'autant. L'invention a pour but de permettre un fonctionnement satisfaisant des appareils de séparation de gaz avec une plage relativement importante de variation du débit produit par rapport au débit nominal. A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que: on utilise un appareil de compression qui comprend un compresseur à vitesse de rotation variable; - on mesure au moins un paramètre représentatif du débit demandé par l'utilisateur; et - on régule la vitesse de rotation dudit compresseur en fonction de cette mesure. Le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises séparément ou suivant toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - ledit paramètre est la pression et/ou le débit du gaz d'alimentation ou du gaz produit, et/ou la pureté du gaz produit; - on régule le débit d'un gaz résiduaire de l'appareil de séparation ou le débit du gaz produit en fonction de la vitesse de rotation dudit compresseur; - on ne comprime qu'une partie du débit de gaz d'alimentation au moyen dudit compresseur, un débit prédéterminé de ce gaz étant comprimé par un compresseur à vitesse de rotation fixe, monté en parallèle avec ledit compresseur à vitesse de rotation variable; - ladite partie du débit de gaz d'alimentation couvre la totalité de la plage de variation de capacité de l'appareil de séparation; - dans une plage inférieure de variation du débit de gaz d'alimentation, allant notamment de la capacité minimale de l'appareil de séparation au débit nominal, on augmente la puissance consommée par le compresseur à vitesse de rotation variable lorsque le débit augmente, tout en maintenant sensiblement constante la pression de refoulement de ce compresseur, tandis que, dans une plage supérieure de variation du débit de gaz d'alimentation, allant notamment du débit nominal à la capacité maximale de l'appareil de séparation, on maintient sensiblement constante la puissance consommée par le compresseur à vitesse de rotation variable en diminuant la pression de refoulement du compresseur lorsque le débit augmente. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation, du type comprenant un appareil de séparation à capacité variable et un appareil de compression du gaz d'alimentation dont le refoulement est relié à l'entrée de cet appareil, est caractérisée en ce que: - l'appareil de compression comprend un compresseur à vitesse de rotation variable muni d'un variateur de vitesse; et - il est prévu des moyens de mesure d'au moins un paramètre représentatif du débit de gaz demandé par l'utilisateur, ces moyens pilotant le variateur de vitesse. Suivant d'autres caractéristiques de cette installation: - lesdits moyens de mesure comprennent un capteur de pression et/ou un débitmètre, branché sur le flux de gaz d'alimentation ou sur le flux de gaz produit, et/ou un analyseur de gaz branché sur le flux de gaz produit; - l'installation comprend des moyens de calcul d'une vitesse de consigne du compresseur à vitesse variable de façon à maintenir sensiblement constante la pression ou la puissance consommée; - l'installation comprend des moyens de régulation du débit de gaz résiduaire de l'appareil de séparation ou du débit du gaz produit, pilotés par ces moyens de calcul; - le compresseur à vitesse variable est adapté pour couvrir une plage de débit de gaz d'alimentation qui recouvre la totalité de la plage de variation de capacité de l'appareil de séparation; - l'installation comprend un compresseur à vitesse de rotation fixe monté en parallèle avec le compresseur à vitesse de rotation variable. L'invention a encore pour objet une gamme d'installations de séparation de gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un appareil de séparation commun et un compresseur commun; et - des moyens pour entraîner le compresseur à des vitesses différentes suivant l'installation de la gamme. Ces moyens peuvent comprendre un moteur commun et une gamme de transmissions à rapports différents suivant l'installation de la gamme, ou un moteur commun à vitesse variable, commandé par un variateur de vitesse électronique. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre de façon schématique une installation de production d'azote conforme à l'invention; - la figure 2 illustre de façon plus détaillée une installation de production d'azote par distillation d'air suivant l'invention; - la figure 3 est un diagramme qui illustre les variations de la pression d'azote et de la puissance électrique consommée en fonction du débit d'air; et - la figure 4 est une vue schématique analogue à la figure 1 d'une variante. L'installation schématisée sur la figure 1 comprend essentiellement un appareil de séparation d'air 1 alimenté par un compresseur d'air 2. Ce dernier aspire de l'air atmosphérique, et son refoulement 3 est relié à l'entrée d'air 4 de l'appareil 1. La sortie 5 d'azote produit de cet appareil est relié, via une conduite d'utilisation 6 dépourvue de vanne, à un réseau utilisateur 7. L'installation comprend également un dispositif 8 de mesure d'au moins un paramètre représentatif de la demande en azote du réseau 7. Il s'agit par exemple d'un capteur de pression, d'un débitmètre et/ou d'un analyseur de gaz branché sur la conduite 6, comme représenté. Dans les deux premiers cas, du fait que la pression est sensiblement la même à l'entrée et à la sortie de l'appareil 1, tandis que le débit d'air est sensiblement proportionnel au débit d'azote, le dispositif de mesure 8 peut également être branché sur la conduite qui relie le compresseur à l'appareil de séparation. Le dispositif 8 peut encore être un générateur de signal représentatif d'un débit de consigne demandé par l'utilisateur. Le compresseur 2 est entraîné par un moteur électrique M à vitesse de 'rotation variable, lequel est commandé par un variateur de vitesse électronique 9. Ce variateur, constitué par un variateur de fréquence, est piloté par une unité de commande électronique 10, laquelle traite les informations fournies par le dispositif de mesure 8. Lorsque le débit d'azote demandé diminue, le dispositif 8 détecte cette réduction de débit, ou bien une augmentation de la pression d'azote, ou encore une réduction de la pureté de l'azote. Le dispositif 8 envoie un signal correspondant à l'unité de commande 10, laquelle envoie au variateur 9 un signal de réduction de vitesse. Le débit d'air est ainsi réduit, avec une réduction correspondante de l'énergie consommée, et la pression de fonctionnement de l'appareil 1 est réduite. Ainsi, les performances de l'appareil 1 et l'énergie spécifique ne sont que faiblement affectées par la marche réduite de l'installation. L'installation de distillation d'air représentée sur la figure 2 fonctionne suivant ce principe. L'appareil 1 est une colonne de distillation d'air du type HPN (High Purity Nitrogen) ayant en tête un condenseur d'azote 11. Cette colonne est associée à une ligne d'échange thermique 12 et à un réservoir d'azote liquide 13. Son débit nominal d'azote est 750 Nm3/h sous 9 bars absolus. L'air entrant, filtré en 14, est comprimé à la pression de distillation par le compresseur 2, refroidi au voisinage de la température ambiante en 15, de nouveau filtré en 16, et desséché - décarbonaté par adsorption en 17. L'air est ensuite refroidi au voisinage de son point de rosée dans la ligne d'échange 12 puis introduit en cuve de la colonne 1. Le "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne est, après détente dans une vanne de détente 18, introduit dans la calandre du condenseur 11, o il se vaporise. Le niveau du liquide dans ce condenseur pilote la vanne de détente 18. Le liquide riche vaporisé constitue le gaz résiduaire de l'installation. Après réchauffement en 12, il est évacué via une conduite 19 équipée d'une vanne de régulation 20, après voir régénéré l'adsorbant en 17 (opération non représentée) L'azote produit, soutiré en tête de la colonne via une conduite 21, est réchauffé en 12 et envoyé à la conduite d'utilisation 6. Le maintien en froid de l'installation est assurée par "biberonnage" d'azote liquide soutiré du réservoir 13 et introduit en tête de colonne via une conduite 22 munie d'une vanne de réglage 23. Cette dernière est pilotée de manière à maintenir constant le niveau de liquide en cuve de colonne. Si nécessaire, de l'azote liquide supplémentaire soutiré du réservoir 13 peut être vaporisé dans un vaporiseur auxiliaire 24 et ajouté dans la conduite 6, via une conduite 25 équipée d'une vanne 26. Dans cet exemple, le dispositif de mesure 8 est un capteur de pression branché sur la conduite 6, en amont du débouché de la conduite 24. En fonctionnement à débit inférieur au débit nominal (figures 2 et 3), l'unité de commande calcule une consigne de vitesse de rotation du compresseur 2 de façon à maintenir une pression d'azote sensiblement constante PN. La puissance consommée W est inférieure à la puissance nominale consommée par le moteur et le variateur du compresseur et croit progressivement avec le débit. En fonctionnement à débit supérieur au débit nominal, au contraire, la consigne de vitesse est calculée de façon suivre une courbe vitesse/pression calculée de manière à maintenir sensiblement constante la puissance nominale du moteur et du variateur, tandis que la pression d'azote diminue progressivement lorsque le débit augmente. On régule ainsi le débit d'air traité. De plus, pour maintenir les performances, notamment énergétiques, de l'appareil, on adapte de la manière suivante le débit d'azote produit: le taux d'extraction (rapport débit d'azote/débit d'air) est calculé par l'unité de commande 10 en fonction de la pression qui règne dans la colonne. Ce taux est voisin de 40% et augmente légèrement lorsque la pression baisse. On obtient ainsi un débit d'azote de consigne égal au débit d'air (représenté par la vitesse de rotation du compresseur) multiplié par le taux d'extraction. Le débit d'azote est mesuré en permanence par un débitmètre 27 relié à la conduite 6, et est comparé au débit de consigne par l'unité 10 pour commander la vanne 20 dans le sens qui annule l'écart. Ce mode de régulation pour les forts débits est très favorable, puisque la distillation est améliorée lorsque la pression est abaissée. Bien entendu, en variante, la vanne 20 peut être placée dans la conduite d'azote 6, avec un mode de régulation analogue. Dans les Figures 1 et 2, le compresseur à vitesse variable doit bien entendu être capable de fournir toute la gamme des débits d'air correspondants à la souplesse de la colonne 1, laquelle correspond généralement à un facteur voisin de 2, par exemple de 60% à 120% du débit nominal. Dans certains cas, il peut être difficile de remplir cette condition de manière économique. On peut alors avoir recours à la variante de la figure 3, dans laquelle un compresseur additionnel 2A à vitesse de rotation fixe est monté en parallèle avec le compresseur 2 à vitesse variable. Le compresseur 2A fournit en permanence le débit minimal d'air, soit 40% du débit nominal dans l'exemple précédent, et le compresseur 2 fournit le reste du débit d'air, soit 0 à 80% du débit nominal. En effet, l'investissement global est réduit, ainsi que les pertes énergétiques dues au variateur, puisque ces pertes ne concernent qu'une fraction du débit. A titre d'exemple, on peut prévoir un compresseur d'air 2 à vis lubrifiée entraînée par un moteur électrique asynchrone à vitesse variable de 90 kW, ayant une pression de refoulement nominale de 11 bars absolus et un débit nominal de 650 Nm3 /h, et un compresseur d'air 2A à vis lubrifiée entraînée par un moteur électronique asynchrone de kW à vitesse constante, ce moteur ayant une pression de refoulement nominale de 11 bars absolus et un débit nominal de 700 Nm3/h. L'invention peut être utilisée pour fournir une gamme d'installations ayant des capacités échelonnées, avec un appareil de séparation commun, un compresseur commun et des moyens pour entraîner ce dernier à des vitesses différentes pouvant être prédéterminées. Dans ce dernier cas, le variateur électronique qui commande le moteur du compresseur peut être remplacé par un agencement plus simple constitué par une gamme de transmissions à rapports différents, par exemple une gamme d'ensembles poulie- courroie interposés entre le moteur, qui tourne à une vitesse fixe, et le compresseur. On peut atteindre ainsi un degré élevé de standardisation, notamment pour les installations de petite taille, c'est-à-dire, dans le cas de la production d'azote par distillation d'air, produisant par exemple de 200 à 1500 Nm3/h environ. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'un gaz d'alimentation comprimé, notamment d'air comprimé, en vue de fournir à un utilisateur (7) un débit variable d'un gaz produit, notamment d'azote, au moyen d'un appareil de séparation (1) à capacité variable alimenté par un appareil de compression (2;2A), caractérisé en ce que: - on utilise un appareil de compression (2;2A) qui comprend un compresseur à vitesse de rotation variable (2); - on mesure (en 8) au moins un paramètre représentatif du débit de gaz demandé par l'utilisateur; et - on régule la vitesse de rotation dudit compresseur (2) en fonction de cette mesure. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre est la pression et/ou le débit du gaz d'alimentation ou du gaz produit, et/ou la pureté du gaz produit. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on régule (en 20) le débit d'un gaz résiduaire de l'appareil de séparation (1) ou le débit du gaz produit en fonction de la vitesse de rotation dudit compresseur (2). 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on ne comprime qu'une partie du débit de gaz d'alimentation au moyen dudit compresseur (2), un débit prédéterminé de ce gaz étant comprimé par un compresseur (2A) à vitesse de rotation fixe, monté en parallèle avec ledit compresseur à vitesse de rotation variable (2). 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite partie du débit de gaz d'alimentation couvre la totalité de la plage de variation de capacité de l'appareil de séparation (1). 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans une plage inférieure de variation du débit de gaz d'alimentation, allant notamment de la capacité minimale de l'appareil de séparation (1) au débit nominal, on augmente la puissance (W) consommée par le compresseur à vitesse 'de rotation variable (2) lorsque le débit augmente, tout en maintenant sensiblement constante la pression de refoulement de ce compresseur, tandis que, dans une plage supérieure de variation du débit de gaz d'alimentation, allant notamment du débit nominal à la capacité maximale de l'appareil de séparation (1), on maintient sensiblement constante la puissance (W) consommée par le compresseur à vitesse de rotation variable (2) en diminuant la pression de refoulement du compresseur lorsque le débit augmente. 7. Installation de séparation d'un gaz d'alimentation comprimé, notamment d'air comprimé, en vue de fournir à un utilisateur (7) un débit variable d'un gaz produit, notamment d'azote, du type comprenant un appareil de séparation (1) à capacité variable et un appareil de compression (2;2A) du gaz d'alimentation dont le refoulement est relié à l'entrée de cet appareil, caractérisée en ce que: - l'appareil de compression (2;2A) comprend un compresseur à vitesse de rotation variable (2) muni d'un variateur de vitesse (9); et - il est prévu des moyens (8) de mesure d'au moins un paramètre représentatif du débit de gaz demandé par l'utilisateur, ces moyens pilotant le variateur de vitesse. 8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de mesure (8) comprennent un capteur de pression et/ou un débitmètre, branché sur le flux de gaz d'alimentation ou sur le flux de gaz produit, et/ou un analyseur de gaz branché sur le flux de gaz produit. 9. Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de calcul d'une vitesse de consigne du compresseur à vitesse variable (2) de façon à maintenir sensiblement constante la pression ou la puissance consommée. 10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (20) de régulation du débit de gaz résiduaire de l'appareil de séparation (1) ou du débit du gaz produit, pilotés par ces moyens de calcul. 11. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que le compresseur à vitesse variable (2) est adapté pour couvrir une plage de débit de gaz d'alimentation qui recouvre la totalité de la plage de variation de capacité de l'appareil de séparation (1). 12. Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un compresseur à vitesse de rotation fixe (2A) monté en parallèle avec le compresseur à vitesse de rotation variable (2). 13. Gamme d'installations de séparation de gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un- appareil de séparation commun et un compresseur commun; et - des moyens pour entraîner le compresseur à des vitesses différentes suivant l'installation de la gamme. 14. Gamme suivant la revendication 13, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent un moteur commun et une gamme de transmissions à rapports différents suivant l'installation de la gamme. 15. Gamme suivant la revendication 13, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent un moteur commun à vitesse variable, commandé par un variateur de vitesse électronique.