Brevet FR2815549A1 — publié le 20020426

La présente invention concerne une installation et un procédé de mise à l'air des gaz résiduels des unités de distillation ou de liquéfaction d'air, et notamment est utilisable dans celles de ces installations de mise à l'air qui comprennent une cheminée par exemple en béton et une tour eau- azote. En effet, lors de la mise en oeuvre des processus de distillation et de liquéfaction d'air dans les unités traitant de grandes quantités d'air (sensi- blement égales ou supérieures à 1 000 tonnes par jour), I'eau qui est desti- née à refroidir l'air entrant en amont des appareils d'épuration est ellemême refroidie dans une tour eau-azote, à la partie supérieure de laquelle elle est injectée, par échange thermique avec de l'azote sec. L'azote humide résul- tant est ensuite mis à l'air en permanence ou au moins en quasi- permanence au sommet de la tour. Par ailleurs, pour la mise à l'air des pro- duits pollués ou non issus de la distillation ou de la liquéfaction de l'air, dont I'oxygène, ceux-ci sont collectés dans une cheminée en béton et évacués par le sommet de la cheminée. Pour rendre l'installation de mise à l'air plus compacte et faciliter sa construction, il est possible d'accoler la cheminée et la tour eau-azote. Une telle installation de mise à l'air est schématisée sur la figure 1, montrant une section de cette installation par un plan vertical. Sur cette figure 1, une installation de mise à l'air des gaz résiduels d'une unité de distillation ou de liquéfaction d'air comprend une tour eau- azote 1 et une cheminée 2 accolées par une cloison commune 3. La tour eau-azote comporte, à proximité de sa base, une conduite d'arrivée d'azote sec 11, et, dans sa partie supérieure, une conduite d'arrivée d'eau chaude à refroidir 12, eau qui est elle-même destinée à re- froidir ensuite de l'air comme mentionné plus haut; ainsi, I'azote suit dans la tour 1 un trajet globalement vertical vers le haut jusqu'à une enceinte supé- rieure 13, comportant à son sommet une bouche d'évacuation 14 d'azote humide dans l'atmosphère, tandis que l'eau froide 16, pompée à la partie inférieure de la tour, est dirigée vers les appareils o elle est mise en contact avec l'air à refroidir. La cheminée 2 comporte, à proximité de sa base, des conduits d'arrivée de gaz résiduels à évacuer dans l'atmosphère, par exem- pie un conduit d'air 21, un conduit d'azote 22 et un conduit d'oxygène 23; la cheminée 2 comporte à son sommet une bouche d'évacuation 24 de gaz résiduels. On peut noter que l'azote humide mis à l'air par la tour eauazote 1 est rejeté en permanence. En revanche, à différentes étapes du processus, il est possible qu'un seul gaz résiduel soit mis à l'air par la cheminée 2. Le dimensionnement de la cheminée doit être naturellement choisi pour que celle-ci puisse mettre à l'air simultanément les trois gaz, circonstance qui peut survenir; ainsi, la cheminée est dimensionnée pour mettre à l'air le dé- bit total maximal des gaz à une vitesse de sortie typiquement d'environ 20 m/s. Cette conception n'est cependant pas dénuée d'inconvénient: si un seul gaz est mis à l'air, par suite du faible débit, la vitesse de mise à l'air est très inférieure à la valeur choisie, ici 20 m/s; cela peut avoir des consé- quences très fâcheuses dans le cas o le gaz mis à l'air seul est de I'oxygène: comme l'oxygène est plus lourd que l'air, peu après sa sortie de la cheminée, il a tendance à redescendre vers le sol, et dans certaines conditions climatiques (par exemple vent presque nul) son taux de concen- tration au sol peut devenir localement supérieur à 25%, ce qui est excessif car dangereux par suite notamment des propriétés comburantes de ce gaz. L'invention exposée dans la suite remédie à cet inconvénient et consiste à cette fin en une installation de mise à l'air de gaz résiduels d'un processus de distillation ou de liquéfaction d'air, caractérisée en ce qu'elle comporte une cheminée d'évacuation de gaz résiduels débouchant dans l'atmosphère et adaptée pour évacuer notamment de l'oxygène au moins par intermittence, une enceinte d'évacuation quasi-permanente dans l'atmosphère d'un gaz inerte miscible avec l'oxygène et de plus faible densi- té que l'air dans les mêmes conditions de température et de pression, et des moyens de liaison des espaces intérieurs respectifs de l'enceinte d'évacuation et de la cheminée pour transmettre dans la cheminée au moins une partie dudit gaz inerte de manière qu'au moins à l'oxygène de la chemi- née soit mélangé du gaz inerte, et ainsi le taux de concentration en oxygène des gaz évacués par la cheminée soit réduit. Grâce à cet agencement, il est possible de réduire notablement le taux de concentration en oxygène du gaz émis en sortie de cheminée, même si uniquement de l'oxygène est introduit à proximité de la base de la cheminée. L'installation peut en outre présenter une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes: - I'enceinte d'évacuation est une enceinte appartenant à une tour eau-azote; - le gaz inerte est l'azote; I'enceinte d'évacuation appartient à une tour eau-azote accolée à la cheminée, et les espaces intérieurs de l'enceinte et de la cheminée sont séparés par une cloison comportant, en tant que moyens de liaison des es- paces intérieurs, une bouche d'évacuation dans la cheminée, d'azote hu- mide contenu dans l'enceinte; - la cheminée est équipée intérieurement d'un ensemble de buses par o transite une partie ou la totalité du gaz introduit à la base de la che- minée; - les moyens de liaison comportent une bouche d'évacuation mé- nagée dans une cloison séparant les espaces internes de l'enceinte et de la cheminée, et la cheminée est équipée intérieurement d'un ensemble de bu- ses disposé de telle sorte que son sommet soit à un niveau inférieur au sommet de la bouche d'évacuation; - I'enceinte d'évacuation appartient à une tour eau-azote compor- tant, à proximité de sa base, une conduite d'arrivée d'azote sec, et, dans sa partie supérieure, une conduite d'arrivée d'eau chaude à refroidir, au-dessus du niveau de laquelle est ménagée une bouche d'évacuation d'azote hu- mide, s'ouvrant dans la cheminée; et - la cheminée comporte, à proximité de sa base, des conduits d'arrivée d'air, et/ou d'arrivée d'azote, et/ou d'arrivée d'oxygène et/ou d'arrivée d'un autre gaz issu de la distillation. L'invention consiste également en un procédé de mise à l'air par une bouche d'évacuation d'une cheminée d'une unité de distillation ou de liqué- faction d'air, de gaz résiduels comprenant de l'oxygène, caractérisé en ce que ion mélange au moins à l'oxygène, de l'azote humide ou sec, et on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 7 m/s au niveau de la bouche d'évacuation. En variante: - on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 10m/s au niveau de la bouche d'évacuation; - on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 12 m/s au niveau de la bouche d'évacuation; ou - on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 20 m/s au niveau de la bouche d'évacuation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, d'une forme de réalisation de cette invention donnée à titre d'exemple non limitatif, illustrée par la figure 2 jointe qui est une section schématique d'une installation selon l'invention, selon un plan vertical. Les éléments de la figure 2 qui correspondent à des éléments de la figure 1 déjà décrite portent les mêmes références numériques. Sur la figure 2, la tour eau-azote 1 comporte, à proximité de sa base, une conduite d'arrivée d'azote sec 11 et, dans sa partie supérieure, une conduite d'arrivée d'eau chaude à refroidir 12, eau qui est elle-même desti- née à refroidir ensuite de l'air circulant dans l'unité; ainsi, I'azote suit dans la tour tout d'abord un trajet globalement vertical jusqu'à l'enceinte supérieure 13; cependant, le sommet de la tour ne comporte pas de bouche d'évacuation d'azote humide; en revanche, une bouche d'évacuation 15 d'azote humide est percée dans la cloison 3 commune à la tour 1 et à la cheminée 2, par exemple à proximité du sommet de la tour 1 et en tout cas naturellement au-dessus du niveau de la conduite d'arrivée d'eau chaude 12 dans l'enceinte 13; ainsi, cette bouche 15 s'ouvre dans la partie supérieure de la cheminée 2 et l'azote suit dans l'enceinte 13 un trajet qui se termine approximativement horizontalement; I'eau froide 16 est comme précédem- ment dirigée vers les appareils o elle est mise en contact avec l'air à refroi- dir. La cheminée 2, également comme précédemment, comporte, à proximi- té de sa base, des conduits d'arrivée de gaz résiduels à évacuer dans l'atmosphère, à savoir ici un conduit d'air 21, un conduit d'azote 22 et un conduit d'oxygène 23; la cheminée 2 comporte à son sommet, ici approximativement au même niveau que celui de la tour 1, une bouche d'évacuation 24. En outre, la cheminée 2 est équipée intérieurement, ap- proximativement au niveau de la bouche d'évacuation 15 d'azote humide, d'un ensemble de buses 25 dont le sommet est à un niveau inférieur au sommet de la bouche d'évacuation 15, de telle manière que, quel que soit le gaz introduit à la base de la cheminée 2, d'une part il ait transité par les bu- ses de l'ensemble 25 avant d'arriver au niveau du sommet de la bouche d'évacuation 15 d'azote humide, et d'autre part il soit au moins partiellement et si possible totalement mélangé à de l'azote humide avant de parvenir à la bouche d'évacuation 24 de la cheminée; de plus, I'ensemble de buses 25 est calculé et conçu pour permettre d'une part d'évacuer de préférence le débit total, et d'autre part d'obtenir une vitesse d'évacuation d'au moins 7 m/s environ, de préférence au moins 10 m/s, avantageusement au moins 12 m/s, ou, mieux, au moins 20 m/s, dans le cas d'un débit initial d'oxygène seul, au niveau de la bouche d'évacuation 24 de la cheminée 2. Les buses ainsi définies permettent naturellement en alternative de passer un débit in- férieur au débit total, le reste du débit ayant été alors évacué par des moyens d'évacuation intermédiaires. Ainsi, l'azote humide sortant de la tour 1 par la bouche d'évacuation 15, dont la densité est plus faible que celle de l'air, entraîne le flux de gaz provenant de la base de la cheminée, vers le haut, tout en se mélangeant à ce flux de gaz. De plus, le balayage permanent par l'azote ou le mélange d'azote, de la cheminée de mise à l'air, assure une protection contre toutes les impuretés émanant de l'extérieur. En outre, grâce au mélange de l'azote sortant en continu, avec l'oxygène initialement approximativement pur de l'installaton, on s'affranchit de la sur-oxygénation de l'air et on réduit le ris- que que la concentration dans l'air au niveau du sol, de l'oxygène gazeux, s'élève au-delà d'environ 25%. Enfin, alors que dans les installations conventionnelles, les tours eau-azote nécessitent rarement une hauteur su- périeure à une douzaine de mètres, tandis que les rejets des cheminées im- posent à celles-ci couramment une hauteur de 16 mètres à 18 mètres envi- ron, grâce à la sous-oxygénation du mélange évacué, il est possible de ré- duire la hauteur de la cheminée à la hauteur de la tour eau-azote, soit une douzaine de mètres. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation cidessus décrite et représentée, et on pourra en prévoir d'autres sans sortir de son cadre, et notamment on pourra prévoir d'utiliser l'invention dans des installaticns sans tour eau-azote, mais o il existe un surplus d'azote rési- duaire (par exemple impur ou plus généralement non valorisable tel quel) que l'on transfère dans une chambre de mise à l'air, ou encore de mélanger l'oxygène avec non pas de l'azote mais un autre gaz miscible avec lui et de plus faible densité que l'air, pourvu que ce gaz soit inerte au moins dans les conditions opératoires, c'est-à-dire en particulier ne soit ni toxique, ni explo- sif, ni carburant, ni comburant, seul ou en mélange avec l'oxygène. Il est également possible de prévoir, en variante, une tour eau-azote 1 dont l'enceinte supérieure 13 comporterait à son sommet, comme sur la figure 1, une bouche d'évacuation 14, par laquelle seraient évacués le ou les gaz de la cheminée 2, mais cette technique serait un peu moins efficace en terme de dilutici. REVENDICATIONS 1. Installation de mise à l'air de gaz résiduels d'un processus de distillation ou de liquéfaction d'air, caractérisée en ce qu'elle comporte une cheminée (2) d'évacuation de gaz résiduels débouchant dans l'atmosphère et adaptée pour évacuer notamment de l'oxygène au moins par intermit- tence, une enceinte (13) d'évacuation quasi-permanente dans l'atmosphère d'un gaz inerte miscible avec l'oxygène et de plus faible densité que l'air dans les mêmes conditions de température et de pression, et des moyens de liaison (15) des espaces intérieurs respectifs de l'enceinte (13) d'évacuation et de la cheminée (2) pour transmettre dans la cheminée (2) au moins une partie dudit gaz inerte de manière qu'au moins à l'oxygène de la cheminée soit mélangé du gaz inerte, et ainsi le taux de concentration en oxygène des gaz évacués par la cheminée soit réduit. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que I'enceinte (13) d'évacuation est une enceinte appartenant à une tour eau- azote (1). 3. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca- ractérisée en ce que le gaz inerte est l'azote. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca- ractérisée en ce que l'enceinte (13) d'évacuation appartient à une tour eau- azote (1) accolée à la cheminée (2), et les espaces intérieurs de l'enceinte (13) et de la cheminée (2) sont séparés par une cloison (3) comportant, en tant que moyens de liaison des espaces intérieurs, une bouche (15) d'évacuation dans la cheminée, d'azote humide contenu dans l'enceinte. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 4, ca- ractérisée en ce que la cheminée (2) est équipée intérieurement d'un en- semble de buses (25) par o transite une partie ou la totalité du gaz introduit à la base de la cheminée. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 5, ca- ractérisée en ce que les moyens de liaison (15) comportent une bouche d'évacuation ménagée dans une cloison (3) séparant les espaces internes de l'enceinte (13) et de la cheminée (2), et la cheminée est équipée intérieu- rement d'un ensemble de buses (25) disposé de telle sorte que son sommet soit à un niveau inférieur au sommet de la bouche d'évacuation (15). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 6, ca- ractérisée en ce que l'enceinte d'évacuation (13) appartient à une tour eau- azote (1) comportant, à proximité de sa base, une conduite d'arrivée d'azote (11) sec, et, dans sa partie supérieure, une conduite d'arrivée d'eau chaude à refroidir (12), au-dessus du niveau de laquelle est ménagée une bouche d'évacuation d'azote humide (15), s'ouvrant dans la cheminée (2). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 7, ca- ractérisée en ce que la cheminée (2) comporte, à proximité de sa base, des conduits d'arrivée d'air (21), et/ou d'arrivée d'azote (22), et/ou d'arrivée d'oxygène (23) et/ou d'arrivée d'un autre gaz issu de la distillation. 9. Procédé de mise à l'air par une bouche d'évacuation (24) d'une cheminée (2) d'une unité de distillation ou de liquéfaction d'air, de gaz rési- duels comprenant de l'oxygène, caractérisé en ce que l'on mélange au moins à l'oxygène, de l'azote humide ou sec, et on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximative- ment 7 m/s au niveau de la bouche d'évacuation (24). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 10 m/s au niveau de la bouche d'évacuation (24). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 12 m/s au niveau de la bouche d'évacuation (24). 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on évacue le mélange d'oxygène et d'azote obtenu à une vitesse au moins égale à approximativement 20 m/s au niveau de la bouche d'évacuation (24).