Brevet FR2774753A1 — publié le 19990813

La présente invention concerne une installation de distillation d'air comprenant plusieurs unités de distilla- tion cryogénique de même nature et des moyens d'isolation thermique de ces unités de distillation. L'invention s'applique plus particulièrement à la distillation par double colonne de débits d'air important. Les dimensions des doubles colonnes de distilla- tion, notamment leurs diamètres maximaux correspondant à leurs colonnes basse pression, augmentent avec les débits d'air qu'elles sont capables de distiller. Au-delà d'un certain débit d'air, typiquement de 600 000 Nm3/h, les dimensions d'une double colonne ne per- mettent généralement plus son transport. Deux solutions ont été adoptées jusqu'à présent pour construire une installation de distillation d'air capa- ble de traiter des débits d'air importants, sur un site in- dustriel éloigné des implantations d'une entreprise cons- truisant la colonne. La première solution consiste à créer un atelier de construction de colonnes sur le site industriel pour construire une seule double colonne de dimensions suffisan- tes pour traiter les débits d'air envisagés. Une telle solution impose de mettre en place une logistique lourde et provisoire, et s'avère donc particuliè- rement coûteuse. La deuxième solution consiste à réaliser en ate- lier plusieurs doubles colonnes de distillation de dimen- sions permettant leur transport, puis de les transporter sur le site industriel, o elles sont installées en parallèle, comme autant d'unités de distillation autonomes permettant de traiter séparément les débits d'air envisagés. Ainsi, chaque double colonne installée sur le site est reliée à son propre appareil d'épuration d'air, sa pro- pre ligne d'échange thermique, et est entourée par sa propre enveloppe d'isolation thermique en formant ainsi autant de boîtes froides que de doubles colonnes. Une telle solution est également coûteuse. L'invention a pour but de fournir une installation de distillation d'air comprenant plusieurs unités de dis- tillation cryogénique de même nature de coût de construction moins important. A cet effet, l'invention a pour objet une instal- lation de distillation d'air comprenant plusieurs unités de distillation cryogénique de même nature et des moyens d'isolation thermique de ces unités de distillation, carac- térisée en ce que les moyens d'isolation thermique compren- nent une enveloppe commune d'isolation thermique entourant au moins deux premières desdites unités de distillation. Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, l'installation peut comprendre l'une ou plu- sieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - des unités de distillation étant raccordées à au moins une conduite d'amenée d'air par l'intermédiaire de moyens de pré-traitement de l'air à distiller, ces moyens de pré-traitement comprennent au moins une unité commune de pré-traitement à laquelle au moins deux des unités de dis- tillation sont raccordées en parallèle; - au moins une unité commune de pré-traitement est un appareil d'épuration d'air; - au moins une unité commune de pré-traitement est une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air à distiller; - des unités de distillation étant raccordées à au moins un corps d'échangeur de chaleur, les corps d'échangeur de chaleur sont entourés par une enveloppe commune d'isolation thermique; - les premières unités de distillation comprennent des doubles colonnes de distillation, comportant chacune une co- lonne moyenne pression, une colonne basse pression et un va- poriseur-condenseur mettant ces deux colonnes en relation d'échange thermique; - lesdites premières unités de distillation comprennent des colonnes basse pression, et l'installation comprend éga- lement au moins une colonne moyenne pression équipée d'un vaporiseurcondenseur de tête, qui sont également entourés par l'enveloppe commune d'isolation thermique, la colonne moyenne pression étant raccordée à la conduite d'amenée d'air et les colonnes basse pression étant raccordées en pa- rallèle au vaporiseur-condenseur; - l'installation comprend également des moyens de stockage d'au moins une fraction liquide produite par une unité de distillation cryogénique entourée par l'enveloppe d'isolation thermique, lesquels moyens de stockage sont éga- lement entourés par l'enveloppe commune d'isolation thermi- que; - les moyens de stockage comprennent au moins un réser- voir commun de stockage d'une fraction liquide produite par lesdites premières unités de distillation, auquel au moins deux des premières unités de distillation cryogénique sont raccordées en parallèle; - au moins deux des premières unités de distillation sont de capacités différentes; - au moins deux des premières unités de distillation sont des colonnes munies de garnissages intérieurs et/ou de distributeurs de liquide de structures différentes; - les premières unités comprennent au moins deux colon- nes moyenne pression, deux colonnes basse pression, et deux vaporiseurscondenseurs mettant chacun une colonne moyenne pression et une colonne basse pression en relation d'échange thermique, et les vaporiseurscondenseurs sont de structures différentes; et - au moins deux des premières unités de distillation sont disposées l'une à côté de l'autre. 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 en élévation d'un premier mode de réalisation d'une installation de dis- tillation d'air selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique de dessus d'une variante de l'installation de la figure 1, - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, illustrant un deuxième mode de réalisation d'une installa- tion de distillation d'air selon l'invention, et - la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une variante de l'installation de la figure 3. La figure 1 représente une installation 1 de dis- tillation d'air comprenant deux unités de distillation cryo- géniques de même nature, c'est-à-dire assurant la même fonc- tion dans le procédé de distillation mis en oeuvre par l'installation 1, comme cela apparaitra plus clairement dans la suite de la description. Ces unités de même nature sont identiques et com- prennent chacune une colonne basse pression 2, 3, équipée d'une colonne azote pur basse pression ou " minaret " 4, 5 de diamètre réduit, qui surmontent la colonne 2, 3 et dont la base communique directement avec le sommet de celle-ci. Ces colonnes 2 à 5 sont adaptées pour pouvoir participer chacune à la distillation d'un débit d'air d'environ 400 000 Nm3/h chacune. Les diamètres des colonnes 2 et 3 sont d'environ 6 m. L'installation 1 comprend en outre essentiellement une colonne moyenne pression 6 de distillation cryogénique, un vaporisateur-condenseur 7 surmontant cette dernière, un compresseur d'air 8, un appareil d'épuration d'air par ad- sorption 9, une ligne principale d'échange thermique 11, une ligne auxiliaire d'échange thermique ou " sous- refroidisseur " 12, une pompe 13, une enveloppe principale d'isolation thermique 14 et une enveloppe auxiliaire d'isolation thermique 15. Les colonnes sont toutes du type à garnissage structuré du genre ondulé-croisé. La colonne 6 est adaptée pour pouvoir participer à la distillation d'un débit d'air double de celui correspon- dant à chaque colonne 2 et 3, c'est-à-dire d'environ 800 000 Nm3/h. Son diamètre est d'environ 7 m. Les colonnes 2 et 3, surmontées des minarets 4 et , sont disposées l'une à côté de l'autre et verticalement. L'enveloppe d'isolation thermique 14 délimite un volume unique qui entoure les deux colonnes basse pression 2 et 3, les " minarets " 4 et 5, la colonne moyenne pression 6, et la ligne d'échange thermique 12. La ligne d'échange thermique 11 est entourée par l'enveloppe d'isolation thermique 15. Les enveloppes d'isolation thermique 14 et 15 délimitent chacune une boite froide. L'air gazeux à distiller, amené par une conduite 17, est comprimé sous une moyenne pression, par le compres- seur 8, puis épuré dans l'appareil 9, et enfin refroidi à la traversée de la ligne d'échange 11, avant d'être introduit, au voisinage de son point de rosée, en cuve de la colonne moyenne pression 6. De l'oxygène liquide OL, prélevé en cuve de cha- cune des colonnes basse pression 2 et 3, puis collecté par une conduite commune 18, est envoyé, grâce à la pompe 13 montée dans cette conduite, vers le vaporiseur-condenseur 7. Le vaporiseur-condenseur 7 vaporise cet oxygène liquide par condensation d'azote de tête de la colonne moyenne pression 6. Ensuite, cet oxygène vaporisé est préle- vé par une conduite 19, puis divisé en deux flux renvoyés chacun en cuve d'une des colonnes basse pression 2 et 3. Du " liquide riche " LR (air enrichi en oxygène) prélevé en cuve de la colonne moyenne pression 6, est sous- refroidi à la traversée de la ligne d'échange auxiliaire 12, puis détendu dans une vanne de détente 21, et enfin divisé en deux flux, qui sont chacun injectés à un niveau intermé- diaire d'une des colonnes basse pression 2 et 3. Du " liquide pauvre inférieur " LPI (azote impur), prélevé à partir d'un point intermédiaire de la colonne moyenne pression 6, est sous-refroidi à la traversée de la ligne d'échange auxiliaire 12, puis détendu dans une vanne de détente 22, et enfin divisé en deux flux, qui sont injec- tés chacun en tête d'une des colonnes basse pression 2 et 3. Du " liquide pauvre supérieur " LPS (azote prati- quement pur), prélevé en tête de la colonne moyenne pression 6, est sous-refroidi à la traversée de la ligne d'échange auxiliaire 12. Ce liquide sous-refroidi est ensuite détendu dans une vanne de détente 23 et divisé en deux flux, qui sont chacun introduits au sommet d'un des " minarets " 4 et 5. De l'azote gazeux basse pression NG, prélevé en tête de chacun des " minarets " 4 et 5, puis collecté par une conduite 24, traverse la ligne d'échange auxiliaire 12, o il se réchauffe une première fois, par échange de chaleur indirect à contre- courant avec les liquides LR, LPI et LPS traversant cette ligne 12. Cet azote gazeux est ensuite ré- chauffé une deuxième fois, à la traversée de la ligne d'échange de chaleur principale 11, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec l'air à distiller traversant la ligne 11. Cet azote gazeux réchauffé est ensuite distri- bué par une conduite de production 26. De l'azote impur gazeux ou " résiduaire " NR, sou- tiré du sommet de chaque colonne basse pression 2 et 3 et collecté par une conduite 27, traverse la ligne d'échange auxiliaire 12 en se réchauffant une première fois, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec les liqui- des LR, LPI et LPS traversant cette ligne 12. Cet azote im- pur est ensuite réchauffé une deuxième fois à la traversée de la ligne d'échange principale 11, par échange de chaleur indirect à contre- courant avec l'air à distiller traversant cette ligne 11. Cet azote impur réchauffé est ensuite dis- tribué par une conduite de production 28. De l'oxygène gazeux OG, prélevé en cuve de chaque colonne basse pression 2 et 3, est collecté par une conduite 29 qui l'achemine vers la ligne d'échange thermique 11, o cet oxygène gazeux est réchauffé par échange de chaleur in- direct à contre-courant avec l'air à distiller circulant dans cette ligne 11. L'oxygène gazeux réchauffé est ensuite distribué par une conduite de production 30. L'installation 1 de la figure 1 permet de dis- tiller un débit d'air important d'environ 800 000 Nm:/h De plus, les dimensions des colonnes basse pression 2 et 3 sur- montées des minarets 4 et 5, ainsi que les dimensions de la colonne moyenne pression 6, permettent leurs fabrications en atelier puis leurs transports sur le site industriel de l'installation 1. De plus, la colonne moyenne pression 6, la ligne principale 11, le compresseur 8 et l'appareil d'épuration d'air 9 sont des équipements de pré-traitement de l'air com- muns aux deux colonnes basse pression 2 à 5, par l'intermédiaire desquels ces colonnes sont raccordées en pa- rallèle à la conduite d'amenée d'air 17. L'installation 1 de la figure 1, grâce à l'enveloppe d'isolation thermique commune 14, et aux équipe- ments communs 6, 8, 9 et 11, a un coût de construction rela- tivement réduit. Dans des variantes non représentées, les colonnes 2 et 3, et respectivement 4 et 5, sont de capacités diffé- rentes et/ou sont munies de garnissages internes et/ou de distributeurs de liquide de structures différentes, pour permettre une plus grande souplesse au niveau des débits de fluides produits. Ainsi, les garnissages intérieurs peuvent être, par exemple, des plateaux de distillation et des garnissages structurés du genre " ondulé-croisé ". Dans une autre variante non représentée, la ligne principale d'échange thermique 11 est contenue dans l'enveloppe d'isolation thermique 14, l'enveloppe d'isolation thermique 15 étant alors supprimée. La figure 2 illustre, schématiquement et en vue de dessus, une variante de l'installation 1 de la figure 1, se distinguant essentiellement de cette dernière par la pré- sence de deux réservoirs 32 et 33 de stockage d'azote li- quide sous basse pression, et de deux réservoirs 34 et 35 de stockage d'oxygène liquide sous basse pression. Chaque réservoir 32, 33 reçoit, via une conduite 36, 37, du liquide LPS renvoyé depuis la colonne moyenne 6 vers le " minaret " 4, 5 et détendu dans la vanne 23. Chaque réservoir 34, 35 reçoit, via une conduite 38, 39, de l'oxygène liquide prélevé en cuve des colonnes basse pression 2 et 3. L'enveloppe 14 est sensiblement de forme cylindri- que d'axe vertical et à base circulaire. Les colonnes 2 à 5, les réservoirs 32 à 35, et la ligne auxiliaire d'échange thermique 12 sont disposés de manière compacte à l'intérieur de cette enveloppe 14. La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisa- tion d'une installation 1 de distillation d'air selon l'invention, dans laquelle les deux unités de même nature entourées par l'enveloppe commune 14 sont des doubles colon- nes de capacités différentes, à savoir une double colonne 41 de plus grande capacité capable de distiller un débit d'air d'environ 600 000 Nm3/h et de diamètre maximal d'environ 7 m, et une double colonne 42 de plus petite capacité capable de distiller un débit d'air d'environ 400 000 Nm2/h et de diamètre maximal d'environ 6 m. Chaque double colonne 41, 42 comprend une colonne moyenne pression 43, 44 surmontée d'un vaporiseur-condenseur , 46, lui-même surmonté d'une colonne basse pression 47, 48. Le vaporiseur-condenseur 45,46 est en relation d'échange thermique avec la colonne moyenne pression 43, 44 et la co- lonne basse pression 47, 48. Contrairement à l'installation 1 de la figure 1, les colonnes basse pression 47 et 48 ne sont pas surmontées de " minarets " et l'installation 1 ne comporte pas de pompe 13. Le fonctionnement de l'installation 1 de la figure 3 se distingue de celui de l'installation 1 de la figure 1 par ce qui suit. L'air refroidi dans la ligne d'échange principale 11 est divisé en deux flux introduits chacun en cuve d'une des colonnes moyenne pression 43 et 44. Pour chaque double colonne 41, 42, du " liquide riche " LR prélevé en cuve de la colonne de moyenne pression 43, 44 est envoyé, après sous-refroidissement dans la ligne d'échange auxiliaire 12 puis détente dans une vanne de détente 49, en un point in- termédiaire de la colonne basse pression 45, 46. Pour chaque double colonne 41, 42, du " liquide pauvre " LP, prélevé en tête de la colonne moyenne pression 43, 44 est envoyé, après sousrefroidissement à la traversée de la ligne d'échange auxiliaire 12 et détente dans une vanne de détente 50, en tête de la colonne basse pression , 46. L'installation 1 de la figure 3 permet, de manière analogue à l'installation 1 de la figure 1, de résoudre les problèmes posés en début de description. De plus, la différence de capacité des doubles co- lonnes 41 et 42 permet de produire de l'oxygène gazeux OG, et éventuellement de l'azote moyenne pression soutiré en tête des colonnes 43 et 44, avec une plus grande souplesse au niveau des débits. Dans l'installation 1 de la figure 3, des collec- teurs de fluides (non représentés) sont disposés à l'entrée et à la sortie de la ligne d'échange thermique 11 de sorte que tous les corps d'échangeur de chaleur (non représentés que la ligne 11 contient sont communs pour les doubles co- lonnes 41 et 42. Dans une variante non représentée, ces collecteurs de fluides sont absents, une partie des corps d'échangeur de la ligne d'échange thermique 11 étant affectée à la double colonne 41 et le reste des corps d'échangeur de la ligne 11 étant affecté à la double colonne 42, tous les corps d'échangeur étant entourés par l'enveloppe d'isolation ther- mique 15 qui leur est commune. La figure 4 est une vue de dessus illustrant sché- matiquement une variante de l'installation 1 de la figure 3, se distinguant de cette dernière par la présence de minarets 51 et 52, surmontant chacun l'une des colonnes basse pres- sion 45 et 46, et par la présence d'un réservoir commun 53 de stockage d'azote liquide sous basse pression et d'un ré- servoir commun 54 de stockage d'oxygène liquide sous basse pression. Le réservoir 53 reçoit, via une conduite 55, 56, du liquide LPS renvoyé depuis chaque colonne moyenne pres- sion 43, 44 vers le " minaret " 51, 52 et détendu. Le réservoir 54 reçoit, via une conduite 57, 58, de l'oxygène liquide prélevé en cuve de chaque colonne basse pression 43, 44. Les colonnes 41, 42, 51 et 52, les réservoirs 53 et 54, et la ligne auxiliaire d'échange thermique 12 sont disposés de manière compacte à l'intérieur de l'enveloppe 14 qui est sensiblement de forme cylindrique d'axe vertical et à base carrée ou rectangulaire. Pour cela, en vue en plan, les doubles colonnes occupent des coins adjacents de l'enveloppe commune 14, les réservoirs 53 et 54 occupent les deux autres coins, et la ligne d'échange 12 se trouve dans la région centrale du carré ou du rectangle. Dans une variante non représentée, les vapori- seurs-condenseurs 45, 46 sont de structures différentes l'un étant, par exemple, un vaporiseur-condenseur à bain d'oxygène liquide et l'autre un vaporiseur-condenseur à ruissellement d'oxygène liquide. Comme on le comprend, l'invention s'applique plus généralement à toutes les unités de distillation cryogéni- ques en parallèle participant à la distillation de l'air, et l'enveloppe commune d'isolation thermique peut contenir d'autres équipements que ceux des installations décrites à titre d'exemple. Ainsi, l'enveloppe d'isolation thermique commune peut entourer des colonnes de distillation participant à la production d'argon, disposées en parallèle ou non, et/ou di- visées en plusieurs tronçons. Dans tous les cas, l'agencement des divers élé- ments de l'installation dans l'enveloppe principale 14 est choisi de manière à minimiser les pertes de charge dans les conduites de liaison.15 REVENDICATIONS 1. Installation (1) de distillation d'air comprenant plusieurs unités de distillation cryogénique (2 à 5; 41, 42; 41, 42, 51, 52) de même nature et des moyens (14) d'isolation thermique de ces unités de distillation, carac- térisée en ce que les moyens d'isolation thermique compren- nent une enveloppe commune d'isolation thermique (14) entou- rant au moins deux premières (2 à 5; 41, 42; 41, 42, 51, 52) desdites unités de distillation. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que, des unités de distillation étant raccordées à au moins une conduite d'amenée d'air (17) par l'intermédiaire de moyens (6, 8, 9, 11; 8, 9, 11) de prétraitement de l'air à distiller, ces moyens de pré-traitement comprennent au moins une unité commune (6, 8, 9, 11; 8, 9, 11) de pré- traitement à laquelle au moins deux (2 à 5; 41, 42; 41, 42, 51, 52) des unités de distillation sont raccordées en parallèle. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins une unité commune de pré-traitement est un appareil d'épuration d'air (9). 4. Installation selon la revendication 2 ou 3, caracté- risée en ce qu'au moins une unité commune de pré-traitement est une ligne d'échange thermique (11) pour refroidir l'air à distiller. 5. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que des unités de distilla- tion étant raccordées chacune à au moins un corps d'échangeur de chaleur, ces corps d'échangeur de chaleur sont entourés par une enveloppe commune d'isolation thermi- que (15). 6. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que les premières unités de distillation comprennent des doubles colonnes de distilla- tion (41, 42), comportant chacune une colonne moyenne pres- sion (43, 44), une colonne basse pression (47, 48) et un va- poriseur-condenseur (45, 46) mettant ces deux colonnes en relation d'échange thermique. 7. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites premières uni- tés de distillation comprennent des colonnes basse pression (2 à 5), et en ce que l'installation comprend également au moins une colonne moyenne pression (6) équipée d'un vapori- seur-condenseur de tête (7), qui sont également entourés par l'enveloppe commune d'isolation thermique (14), la colonne o10 moyenne pression (6) étant raccordée à la conduite d'amenée d'air (17) et les colonnes basse pression (2 à 5) étant rac- cordées en parallèle au vaporiseur-condenseur (7). 8. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisée en ce que l'installation comprbnd également des moyens (32 à 35; 53, 54) de stockage d'au moins une fraction liquide produite par une unité de dis- tillation cryogénique entourée par l'enveloppe d'isolation thermique (14), lesquels moyens de stockage sont également entourés par l'enveloppe commune d'isolation thermique.20 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de stockage comprennent au moins un ré- servoir commun (53, 54) de stockage d'une fraction liquide produite par lesdites premières unités de distillation (41, 42, 51, 52), auquel au moins deux (41, 42, 51, 52) des pre- mières unités de distillation cryogénique sont raccordées en parallèle. 10. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisée en ce qu'au moins deux des premiè- res unités de distillation sont de capacités différentes. 11. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisée en ce qu'au moins deux des pre- mières unités de distillation sont des colonnes munies de garnissages intérieurs et/ou de distributeurs de liquide de structures différentes. 12. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 11, caractérisée en ce que les premières unités comprennent au moins deux colonnes moyenne pression (43, 44), deux colonnes basse pression (47, 48), et deux vapori- seurs-condenseurs (45, 46) mettant chacun une colonne moyenne pression et une colonne basse pression en relation 5d'échange thermique, et en ce que les vaporiseurs- condenseurs (45, 46) sont de structures différentes. 13. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 12, caractérisée en ce qu'au moins deux des pre- mières unités de distillation sont disposées l'une à côté de l'autre.