Brevet FR2778233A1 — publié le 19991105

i La présente invention concerne une installation de distillation d'air du type comprenant une double colonne et une colonne de mélange d'un gaz et d'un liquide, la double colonne comportant 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 co- lonne basse pression, l'installation comprenant en outre des moyens d'envoi d'air gazeux vers la cuve de la colonne de mélange, des moyens d'envoi d'un liquide 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. 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. La colonne de mélange fonctionne sous une pression sensiblement égale ou inférieure à la moyenne pression. Elle est alimen- tée 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 première structure érigée sur site et la colonne de mélange est dis- posée à côté de la double colonne en formant une deuxième structure érigée. Chaque structure érigée est entourée d'une enveloppe d'isolation thermique, qui maintient de la perlite autour de la structure érigée en formant une boite froide. Par ailleurs, il est souhaitable de préfabriquer les installations de distillation d'air en paquets qui com- prennent chacun une structure et l'enveloppe d'isolation thermique d'une boite froide. Chaque paquet est transporté sur site, puis érigé. On raccorde ensuite fonctionnellement les structures érigées et on remplit les boîtes froides de5 perlite pour terminer la construction de l'installation de distillation d'air. Un tel mode de construction permet de limiter les opérations de construction sur site, o, d'une part, toutes les infrastructures nécessaires peuvent ne pas être disponi- bles et, d'autre part, les conditions climatiques peuvent gêner les opérations de construction. L'invention a pour but de fournir une installation de distillation d'air du type précité et dont le degré de préfabrication peut être plus élevé. A cet effet, l'invention a pour objet une installa- tion de distillation d'air du type précité, caractérisée en ce que les colonnes moyenne pression, basse pression et de mélange sont disposées l'une au dessus de l'autre en formant une structure érigée unique. 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: - l'installation comprend en outre des moyens d'envoi d'air gazeux vers la cuve de la colonne de mélange, des moyens d'envoi d'un liquide 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. - la structure érigée comprend également le vapori- seur-condenseur; - la colonne de mélange est disposée sous les colon- nes moyenne pression et basse pression; - la colonne moyenne pression est disposée sous la colonne basse pression; et - le vaporiseur- condenseur est disposé au moins en partie à un niveau intermédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne basse pression. 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 structure érigée et une enveloppe d'isolation thermi- que entourant ladite structure. 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 à la figure unique qui est une vue schématique d'une installation selon l'invention. La figure unique représente une installation 1 de distillation 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, - 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. La colonne basse pression 3 surmonte le vapori- seur-condenseur 4. Le vaporiseur-condenseur 4 surmonte la colonne moyenne pression 2 qui surmonte elle-même la colonne de mélange 5. Une jupe de liaison 15 relie les colonnes 2 et 5 en maintenant la tête de la colonne 5 espacée de la cuve de la colonne 2. Les colonnes 2, 3 et 5 et le vaporiseur-condenseur 4 forment ainsi une structure érigée unique 16 dont le som- met est constitué par la colonne basse pression 2 et la base par la colonne de mélange 5. 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 numérique 17. 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. 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 est soutiré depuis la cuve de la colonne basse pression 3, puis pompé par la pompe 13, et réchauffé 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. La boîte froide 17 a été préfabriquée sous forme d'un paquet en atelier puis transportée, érigée et raccordée fonctionnellement aux autres équipements sur site, puis rem- plie de perlite pour former l'installation 1. La hauteur de cette boîte froide 16 est inférieure à 40 m. Ainsi, le paquet correspondant peut être transporté par des moyens classiques de transport. Cette hauteur relativement faible est due au pro- cédé mis en oeuvre par l'installation 1. En effet, le nombre de plateaux théoriques des colonnes moyenne pression 2 et basse pression 3 sont relativement faibles. Ainsi, les hau- teurs respectives des colonnes 2 et 3 sont de l'ordre de 10 m et de 15 m. De plus, le nombre de plateaux théoriques de la colonne de mélange 5 est relativement faible et la hauteur de cette colonne 5 est de l'ordre de 15 m. L'installation 1 selon l'invention peut être pré- fabriquée en un paquet unique transportable qui comprend à la fois la double colonne de distillation et la colonne de mélange 5. Le positionnement relatif des colonnes moyenne pression 2, basse pression 3 et de mélange 5 permet d'une part, la circulation des liquides depuis et vers le vapori- seur-condenseur 4 sans utiliser de moyens de pompage, en plaçant le vaporiseur-condenseur 4 entre les colonnes moyenne pression 2 et basse pression 3. Selon des variantes, la structure 16 peut compren- dre, en sus des colonnes 2, 3 et 5, un réservoir de stockage d'un liquide cryogénique, notamment d'oxygène liquide souti- ré en cuve de la colonne moyenne pression, un tronçon d'une colonne de production d'argon impur dite colonne de mixture, ou tout autre élément de confinement de fluide cryogénique, en veillant à ne pas dépasser les gabarits des moyens de transports à utiliser. Selon une autre variante, la colonne de mélange peut comprendre un condenseur de cuve, l'installation 1 étant alors du type décrit dans le document EP-A-732 556. De plus, l'ordre des colonnes 2, 3 et 5, et du va- porisateur-condenseur 4 dans la structure 16 peut être dif- férent de celui de la figure 1. Par ailleurs, la structure érigée 16 peut ne pas comprendre le vaporiseur-condenseur 4 qui est alors placé à côté de la structure érigée 16. Dans ces deux cas, le vaporiseur-condenseur 4 est de préférence disposé de sorte qu'une partie de celui-ci soit à un niveau intermédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression 2 et la cuve de la colonne basse pression 3. Une telle disposition permet de minimiser les moyens de pompage nécessaire à la circulation d'une part d'oxygène liquide, depuis la cuve de la colonne basse pres- sion 3 vers le vaporiseur-condenseur 4 et d'autre part d'azote gazeux condensé, depuis le vaporiseur-condenseur 4 vers la tête de la colonne moyenne pression 2, et ce quel que soit le type du vaporiseur-condenseur 4, à savoir à bain, à ruissellement d'oxygène liquide (vaporiseur- condenseur dit à film)... Cette caractéristique peut être obtenue, dans le cas o le vaporiseur-condenseur 4 n'appartient pas à la structure érigée 16, en disposant le vaporiseur-condenseur 4 au sommet d'une autre structure érigée. Cette autre struc- ture érigée comprend, par exemple, un élément de confinement d'un fluide cryogénique, tel qu'un tronçon d'une colonne de5 production d'argon impur, sur lequel le vaporiseur- condenseur 4 est disposé. Une telle variante présente en outre l'avantage que la préfabrication de la boite froide 17 n'est pas tribu- taire de celle du vaporiseur-condenseur 4. REVENDICATIONS 1. Installation (1) de distillation d'air du type comprenant une double colonne et une colonne de mélange (5) d'un gaz et d'un liquide, la double colonne comportant elle- même une colonne moyenne pression (2), une colonne basse pression (3) et un vaporiseur-condenseur (4) de mise en re- lation d'échange thermique du gaz de tête de la colonne moyenne pression avec le liquide de cuve de la colonne basse pression, caractérisée en ce que les colonnes moyenne pres- sion (2), basse pression (3) et de mélange (5) sont dispo- sées l'une au dessus de l'autre en formant une structure érigée unique (16). 2. Installation selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que l'installation comprend en outre des moyens d'envoi d'air gazeux vers la cuve de la colonne de mélange, des moyens d'envoi d'un liquide 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. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisée en ce que la structure érigée (16) comprend éga- lement le vaporiseur-condenseur (4). 4. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisée en ce que la colonne de mélange (5) est disposée sous les colonnes moyenne pression (2) et basse pression (3). 5. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisée en ce que la colonne moyenne pression (2) est disposée sous la colonne basse pression (3). 6. Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisée en ce que le vaporiseur- condenseur (4) est disposé au moins en partie à un niveau intermédiaire entre la tête de la colonne moyenne pression (2) et la cuve de la colonne basse pression (3). 7. Boite froide (17) destinée à la construction d'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend ladite structure érigée (16) et une enveloppe d'isolation thermique (17) en- tourant ladite structure.