Brevet FR2778234A1 — publié le 19991105

La présente invention concerne une installation de distillation d'air du type comprenant une double colonne de distillation qui comporte elle même une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et un vaporiseur- condenseur de mise en relation d'échange thermique du gaz de tête de la colonne moyenne pression avec le liquide de cuve de la colonne basse pression, une partie au moins du vapori- seur-condenseur étant disposée sensiblement à un niveau in- termédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne basse pression. L'invention s'applique en particulier à la fourni- ture d'oxygène impur, par exemple pour l'alimentation des hauts-fourneaux dans l'industrie sidérurgique. Pour assurer une telle fourniture d'oxygène impur, il est connu d'utiliser une installation du type précité qui comprend en outre une colonne de mélange. Une telle colonne de mélange fonctionne sous une pression sensiblement égale ou inférieure à la moyenne pression. Elle est alimentée en cuve par de l'air épuré et comprimé et en tête par de l'oxygène liquide impur prélevé en cuve de la colonne basse pression et amené par pompage à la pression de la colonne de mélange. On soutire en tête d'une telle colonne de mélange l'oxygène gazeux impur à fournir sensiblement sous la pres- sion de la colonne de mélange. Généralement, la colonne basse pression surmonte le vaporiseurcondenseur, qui surmonte lui-même la colonne moyenne pression. La double colonne forme alors une seule structure érigée et la colonne de mélange est disposée à cô- té de la double colonne. Cette disposition de la double co- lonne permet la préfabrication en atelier de l'installation en un nombre limité de boites froides' ou paquets dont un pa- quet principal comprend la double colonne. Ces paquets sont ensuite transportés sur site, o ils sont érigés et raccor- dés pour former l'installation de distillation d'air. La construction des vaporiseurs-condenseurs est généralement assurée par des entreprises distinctes de cel- les assurant la construction des colonnes de distillation et de mélange, des réservoirs de stockage de liquide cryogéni- que (de faible capacité pouvant aller jusqu'à une centaine de m3) et plus généralement des éléments de confinement de fluide cryogénique. De ce fait, le préassemblage du paquet principal est tributaire de la livraison du vaporiseur-condenseur, ce qui conduit à des délais de préfabrication du paquet princi- pal et donc de construction de l'installation relativement longs. L'invention a pour but de résoudre ce problème en fournissant une installation de distillation d'air fiable, économique et permettant d'assurer des délais de construc- tion réduits. A cet effet, l'invention a pour objet une installa- tion de distillation d'air du type comprenant une double co- lonne de distillation qui comporte elle même une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et un vapori- seur-condenseur de mise en relation d'échange thermique du gaz de tête de la colonne moyenne pression avec le liquide de cuve de la colonne basse pression, une partie au moins du vaporiseur-condenseur étant disposée sensiblement à un ni- veau intermédiaire entre la tête de la colonne moyenne pres- sion et la cuve de la colonne basse pression, caractérisée en ce que le vaporiseur-condenseur constitue le sommet d'une première structure érigée. Selon des modes particuliers de réalisation, l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des carac- téristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - le vaporiseur-condenseur est disposé au-dessus de la colonne moyenne pression pour former la première struc- ture érigée; - la structure comprend en outre un élément de con- finement de fluide cryogénique et la colonne basse pression est disposée au-dessus de cet élément pour former une deuxième structure érigée qui est disposée à côté de la pre- mière structure érigée; - l'élément de confinement de fluide cryogénique comprend une colonne de mélange; - l'installation comprend des moyens d'envoi d'air vers la cuve de la colonne de mélange, des moyens d'envoi d'un fluide riche en oxygène vers la tête de la colonne de mélange et une conduite de production d'oxygène impur gazeux soutiré de la tête de la colonne de mélange; et10 - l'élément de confinement de fluide cryogénique comprend un réservoir de stockage d'un fluide cryogénique, notamment d'oxygène liquide. L'invention a également pour objet une boite froide destinée à la construction d'une installation telle que définie ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend ladite première structure ou ladite deuxième structure en- tourée d'une enveloppe d'isolation thermique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une ins- tallation selon l'invention, et - la figure 2 est une vue schématique partielle des parties inférieures des boîtes froides d'une variante de l'installation de la figure 1. La figure 1 représente une installation 1 de dis- tillation d'air qui comprend essentiellement: - une double colonne de distillation qui comporte une colonne moyenne pression 2, une colonne basse pression 3 et un vaporiseur-condenseur 4, par exemple du type à bain, - une colonne de mélange 5, - une ligne principale d'échange thermique 6, - deux échangeurs thermiques auxiliaires 7 et 8, - un compresseur principal d'air 9, - un appareil d'épuration d'air par adsorption 10, - un compresseur auxiliaire d'air 11 couplé à une turbine de détente d'air 12, et - une pompe 13. Le vaporiseur-condenseur 4 surmonte la colonne moyenne pression 2 pour former une première structure érigée 16 dont le sommet est constitué par le vaporiseur-condenseur 4. Cette structure 16 est entourée d'une enveloppe d'isolation thermique 17 (en trait mixte), qui maintient de la perlite non représentée autour de la structure 16, en formant une boîte froide portant la même référence numéri- que. La colonne basse pression 3 est disposée au-dessus de la colonne de mélange 5 pour former une deuxième struc- ture érigée 19 ou structure principale. Une jupe de liaison 20 relie les colonnes 3 et 5 en maintenant la tête de la co- lonne 5 espacée de la cuve de la colonne 3. La deuxième structure 19 est entourée d'une enve- loppe d'isolation thermique 21 (en trait mixte), qui main- tient de la perlite non représentée autour de la structure 19, en formant une boîte froide portant la même référence numérique. Sur la figure 1, les échangeurs thermiques 7 et 8 ont été positionnés de manière à faciliter la représenta- tion, de sorte que la boîte froide 17 est de dimensions re- latives, par rapport à la boîte froide 21, plus importantes que dans la réalité. Dans la réalité, ces échangeurs 7 et 8 sont placés de manière à optimiser la compacité de la boîte froide 17 qui les contient. Les deux structures 16 et 19 sont disposées l'une à côté de l'autre, la partie inférieure (en bas sur la fi- gure 1) du vaporiseur-condenseur 4 étant disposée sensible- ment à un niveau intermédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression 2 et la cuve de la colonne basse pression 3. Le fonctionnement de cette installation 1, desti- née à fournir de l'oxygène impur sous une moyenne pression, est le suivant. L'air à distiller, préalablement comprimé par le compresseur 9 et épuré par l'appareil 10, est ensuite divisé en deux flux. Un premier flux traverse la ligne principale d'échange thermique 6 en se refroidissant jusqu'au voisinage de son point de rosée. Ensuite, ce premier flux est lui-même divisé en deux flux dont l'un est injecté en cuve de la colonne moyenne pression 2 et dont l'autre est injecté, après dé- tente dans une vanne de détente 22, en cuve de la colonne de mélange 5. Le deuxième flux d'air comprimé et épuré est com- primé par le compresseur 11, puis refroidi à une température intermédiaire en traversant partiellement la ligne princi- pale d'échange thermique 6, et enfin détendu à la traversée de la turbine 12. Ce deuxième flux est ensuite introduit à un niveau intermédiaire supérieur de la colonne basse pres- sion 3. Le vaporiseur-condenseur 4 vaporise de l'oxygène liquide, de pureté d'environ 98%, provenant de la cuve de la colonne basse pression 3 par condensation d'azote de tête de la colonne moyenne pression 2. A cette fin, une conduite 24 envoie l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression 3 vers le vaporiseur-condenseur 4, et une conduite renvoie l'oxygène vaporisé depuis le vaporiseur- condenseur 4 vers la cuve de la colonne 3. La disposition d'une partie du vaporiseur-condenseur 4 à un niveau situé sous celui de la cuve de la colonne basse pression 3 et au- dessus de celui de la tête de la colonne moyenne pression 2 permet la circulation, d'une part, d'oxygène liquide vers le vaporiseur-condenseur 4 et, d'autre part, d'azote de tête condensé vers la tête de la colonne moyenne pression 2, sous l'effet de la gravité, sans utiliser de pompe. D'une manière plus générale, la disposition d'au moins une partie du vaporiseur-condenseur 4 à un niveau in- termédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression 2 et la cuve de la colonne basse pression 3 permet de minimi- ser les moyens de pompage nécessaires à la circulation de ces liquides, quel que soit le type du vaporiseur-condenseur 4 utilisé, à savoir à bain, à ruissellement d'oxygène li- quide (vaporiseur-condenseur dit à film)... Du " liquide riche " LR (air enrichi en oxygène) prélevé en cuve de la moyenne pression 2 est sous-refroidi à la traversée de l'échangeur thermique auxiliaire 7, puis dé- tendu dans une vanne de détente 26 et enfin injecté au ni- veau intermédiaire supérieur précité de la colonne basse pression 3. Du " liquide pauvre " LP (azote à peu près pur) prélevé en tête de la colonne moyenne pression 2, est sous- refroidi à la traversée de l'échangeur thermique auxiliaire 7, puis détendu dans une vanne de détente 27 et enfin injec- té au sommet de la colonne basse pression 3. De l'azote impur ou " résiduaire " NR, soutiré du sommet de la colonne basse pression 3, est réchauffé dans un premier temps à la traversée de l'échangeur thermique auxi- liaire 7, puis dans un deuxième temps à la traversée de la ligne principale d'échange thermique 6. Le fonctionnement de la colonne de mélange 5 va maintenant être décrit. Une colonne de mélange est une colonne qui a la même structure qu'une colonne de distillation mais qui est utilisée pour mélanger de façon proche de la réversibilité un gaz relativement volatil, introduit à sa base, et un li- quide moins volatil introduit à son 'sommet. Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet donc de réduire la consommation d'énergie liée à la distillation. Une telle colonne est par exemple décrite dans le document FR-A-2 143 986. Dans le cas présent, ce mélange est mis à profit, en outre, pour produire directement de l'oxygène impur sous une pression légèrement inférieure à celle régnant dans la co- lonne moyenne pression 2. Ainsi, de l'oxygène liquide, provenant de la cuve de la colonne basse pression 3, est soutiré depuis le vapo- riseur-condenseur 4, puis pompé par la pompe 13, et réchauf- fé à la traversée de l'échangeur thermique auxiliaire 8. Cet oxygène liquide est ensuite introduit en tête de la colonne de mélange 5. Un deuxième liquide riche en oxygène est prélevé en cuve de la colonne de mélange 5 puis sous-refroidi à la traversée de l'échangeur thermique auxiliaire 8. Le deuxième liquide riche est enfin détendu dans une vanne de détente 29 avant d'être introduit à un niveau intermédiaire inférieur de la colonne basse pression 3. De l'air enrichi en oxygène, sous forme liquide, est soutiré depuis un niveau intermédiaire de la colonne de mélange 5 puis sous-refroidi à la traversée de l'échangeur thermique auxiliaire 8. Ce liquide est enfin détendu dans une vanne de détente 30 avant d'être introduit au niveau in- termédiaire supérieur précité de la colonne basse pression 3. De l'oxygène gazeux impur, de pureté d'environ %, est prélevé en tête de la colonne de mélange puis ré- chauffé à la traversée de la ligne principale d'échange thermique 6 et distribué par une conduite de production 31. Les boîtes froides 17 et 21 ont été préfabriquées en atelier puis transportées, érigées et raccordées fonc- tionnellement sur site, puis remplies de perlite pour former l'installation 1. La préfabrication de la boîte froide principale 21 n'est pas tributaire de la fabrication du vaporiseur- condenseur 4 puisque ce dernier ne fait pas partie de la structure principale 19. De plus, pour construire la boîte froide 17, il suffit de disposer le vaporiseur-condenseur 4 au-dessus de la colonne moyenne pression 2. Ainsi, une entreprise fabriquant les colonnes 2, 3 et 5 peut construire en totalité la boîte froide 21 et pra- tiquement la boîte froide 17 en attendant la livraison du vaporiseurcondenseur 4. La construction de la boîte froide 17 peut être substantiellement avancée avant cette livrai- son, par exemple en assemblant la colonne moyenne pression 2, les parois latérales et le fond de l'enveloppe d'isolation thermique 17. Il ne reste alors qu'à monter le vaporiseur-condenseur 4 au-dessus de la colonne moyenne pression 2 et à terminer la construction de l'enveloppe 17. Ces dernières opérations peuvent éventuellement être assurées sur site, la boîte froide 17 ayant été trans- portée partiellement assemblée. L'invention permet donc d'atteindre les buts fixés en début de description en fournissant une installation fia- ble, économique et permettant d'assurer des délais de préfa- brication et donc de construction plus réduits. Ce dernier avantage est dû à la possibilité de travailler en temps mas- qué, c'est-à-dire à la possibilité d'avancer substantielle- ment la construction des boîtes froides pendant la construc- tion du vaporiseur-condenseur 4. Selon des variantes, la deuxième structure 19 peut comprendre, à la place ou en sus de la colonne de mélange 5, un réservoir de stockage d'un liquide cryogénique, notamment d'oxygène liquide, une colonne dite Etienne à condenseur in- termédiaire (décrite par exemple dans le document US-A-2 699 046), un tronçon d'une colonne de production d'argon impur dite colonne de mixture, ou tout autre élément de confine- ment de fluide cryogénique disposé sous la colonne basse pression 3. Un tel élément de confinement de fluide cryogé- nique permet d'assurer un positionnement relatif de la co- lonne basse pression 3 et du vaporiseur-condenseur 4 autori- sant la circulation d'oxygène liquide depuis la cuve de la colonne 3 vers le vaporiseur-condenseur 4 en minimisant l'utilisation de moyens de pompage. Ainsi, la figure 2 illustre une variante dans laquelle un réservoir 32 de stockage d'un fluide cryogénique est disposé sous la colonne de mélange 5 pour former la structure principale 19. Le fond du réservoir 32 est au même niveau que la cuve de la colonne moyenne pression 2. Le réservoir 32 est, par exemple, une capacité tampon de stockage d'oxygène liquide provenant de la cuve de la colonne basse pression 2. Dans d'autres modes de réalisation non représen- tés, la colonne basse pression 3 est disposée sur une jupe de support pour former la deuxième structure érigée 19. Ces modes de réalisation s'appliquent, par exemple, aux instal- lations de distillation d'air qui ne comportent qu'une dou- ble colonne de distillation d'air qui ne comportent qu'une double colonne de distillation et pas de colonne de mélange. REVENDICATIONS 1. Installation (1) de distillation d'air du type comprenant une double colonne de distillation qui comporte elle même une colonne moyenne pression (2), une colonne basse pression (3) et un vaporiseur- condenseur (4) de mise en relation d'échange thermique du gaz de tête de la colonne moyenne pression avec le liquide de cuve de la colonne basse pression, une partie au moins du vaporiseur-condenseur (4) étant disposée sensiblement à un niveau intermédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression (2) et la cuve de la colonne basse pression (3), caractérisée en ce que le vapo- riseur-condenseur (4) constitue le sommet d'une première structure érigée (16). 2. Installation selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le vaporiseur-condenseur (4) est disposé au- dessus de la colonne moyenne pression (2) pour former la première structure érigée (16). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisée en ce qu'elle comprend en outre un élément de confinement de fluide cryogénique (5) et en ce que la co- lonne basse pression (3) est disposée au-dessus de cet élé- ment (5) pour former une deuxième structure érigée (19) qui est disposée à côté de la première structure érigée (16). 4. Installation selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que l'élément de confinement de fluide cryogénique comprend une colonne de mélange (5). 5. Installation selon la revendication 4, caractéri- sée en ce que l'installation (1) comprend des moyens d'envoi d'air vers la cuve de la colonne de mélange, des moyens d'envoi d'un fluide riche en oxygène vers la tête de la co- lonne de mélange et une conduite (31) de production d'oxygène impur gazeux soutiré de la tête de la colonne de mélange. 6. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 5, caractérisée en ce que l'élément de confine- ment de fluide cryogénique comprend un réservoir (32) de stockage d'un fluide cryogénique, notamment d'oxygène li- quide. 7. Boite froide (17, 21) destinée à la construction d'une installation (1) selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend ladite pre- mière structure (16) ou ladite deuxième structure (19) en- tourée d'une enveloppe d'isolation thermique (17, 21).