Brevet FR2844344A1 — publié le 20040312

La présente invention est relative à une installation de production d'oxygène et/ou d'azote et/ou d'argon par distillation d'air. L'invention s'applique par exemple à la production de très grandes quantités d'oxygène 5 sous haute pression, notamment pour l'alimentation d'unités de production d'hydrocarbures synthétiques. Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues. Les unités industrielles de production d'hydrocarbures synthétiques, dites " unités GTL " (Gas-ToLiquids), peuvent avoir une capacité de production de l'ordre de 50 000 barils par jour, ce qui correspond à une consommation d'environ 12 000 tonnes par jour d'oxygène. Pour produire de telles quantités d'oxygène, il est 15 nécessaire de prévoir plusieurs unités de distillation d'air en parallèle, typiquement trois ou quatre unités. De plus, pour amener l'oxygène à la haute pression nécessaire pour le fonctionnement de l'unité GTL, il est avantageux d'amener par pompage à cette haute pression l'oxygène liquide produit 20 par distillation, et de vaporiser le liquide par échange de chaleur avec un fluide calorigène comprimé à une pression suffisante pour permettre la vaporisation d'oxygène, ce fluide calorigène étant typiquement de l'air surpressé. On évite ainsi l'utilisation, toujours délicate, de 25 compresseurs d'oxygène gazeux. De telles installations sont décrites dans " Oxygen Facilities for Synthetic Fuel Projects " de W.J.Scharle et al., Journal of Engineering for Industry, novembre 1981, Vol.103, pp.409-411. L'invention a pour but de réduire l'investissement, éventuellement en mettant les équipements à leur taille maximale, et de bénéficier d'une synergie sur les secours, ce qui permettra d'augmenter la fiabilité ces installations. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de production d'oxygène et/ou d'azote et/ou d'argon par distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend: N(N>1) boîtes froides dont chacune comprend d'une 5 part une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air à distiller, et d'autre part un appareil de distillation d'air qui produit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon; et des moyens de traitement de l'air qui alimente les appareils de distillation d'air et éventuellement des moyens 10 de traitement d'un fluide provenant des appareils de distillation d'air, ces moyens de traitement de l'air ou les moyens de traitement des fluides comprenant plusieurs équipements montés en parallèle et en réseau avec leurs entrées et/ou leurs sorties reliées à un collecteur commun 15 qui collecte ou redistribue la totalité de l'air ou du fluide de l'étape de traitement correspondante. Ces moyens de traitement se trouvent de préférence en aval des compresseurs d'air principaux, qui servent à comprimer l'air à partir de la pression ambiante. De préférence les moyens de traitement traitent de l'air destiné à tous les appareils de distillation ou traitent un fluide provenant de tous les appareils de distillation. L'installation suivant l'invention peut comporter 25 une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens de traitement d'air comprenant plusieurs équipements montés en parallèle et en réseau sont les premiers moyens de compression d'air atmosphérique et/ou les seconds moyens de préfroidissement de l'air et/ou des 30 troisièmes moyens d'épuration par adsorption de l'air préfroidi et/ou des turbines de détente et/ou des surpresseurs. - les moyens de traitement de fluide ayant plusieurs équipements montés en parallèle et en réseau sont des turbines et/ou des compresseurs et/ou des pompes et/ou des réchauffeurs et/ou des tours de refroidissement. Les turbines peuvent être des turbines d'azote, les compresseurs des compresseurs d'azote ou d'oxygène et les pompes des pompes d'azote, d'oxygène ou d'argon. - les premiers, seconds et troisièmes (11) moyens de traitement comprennent respectivement Ni, N2 et N3 équipements, et ce que l'un au moins des nombres Ni, N2, N3 est différent de N, les appareils correspondants étant 10 montés en parallèle avec leurs sorties reliées à un collecteur commun N2Ä2, et en ce que les seconds moyens comprennent un dispositif commun de production de fluide réfrigérant. - ledit dispositif commun est une tour de 15 refroidissement eau-azote qui comporte un collecteur d'entrée relié à une sortie d'azote résiduaire des N boîtes froides. - N3Ä2, et en ce que les troisièmes moyens comprennent un réchauffeur commun pour un gaz de 20 régénération de l'adsorbant. - le réchauffeur commun comporte un collecteur d'entrée relié à une sortie d'azote résiduaire des N boîtes froides - les moyens de traitement comprennent en outre N4 25 compresseurs de gaz secondaires, notamment des surpresseurs d'air, montés en parallèle avec leurs entrées et leurs sorties reliées à des collecteurs communs, N4 étant éventuellement différent de N, de préférence supérieur à N. - N4 = Ni, chaque couple compresseur d'air 30 principal-surpresseur d'air comportant un organe moteur commun. - chaque boîte froide produit de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon liquide, et en ce que l'installation comprend N6 pompes d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide et/ou d'argon liquide montées en parallèle entre un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie commun, reliés respectivement aux N appareils de distillation d'air et aux N lignes d'échange thermique, N6 5 étant éventuellement différent de N, de préférence supérieur à N. - les moyens de traitement comprennent en outre N5 turbines montées en parallèle entre des collecteurs d'entrée et des collecteurs de sortie communs, N5 étant 10 éventuellement différent de N, de préférence supérieur à N. - N7 compresseurs finaux d'oxygène gazeux, montés en parallèle entre un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, N7 étant éventuellement différent de N, de préférence supérieur à N. - N8 compresseurs d'azote gazeux produit, montés en parallèle entre un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, N8 étant éventuellement différent de N, de préférence supérieur à N. - certains au moins desdits équipements en parallèle 20 et en réseau sont au nombre de N+1, chacun de ces équipements ayant la capacité d'alimentation de l'une des N appareils de distillation ou du traitement du fluide de l'une des N appareils de distillation. - certains au moins desdits équipements en parallèle 25 et en réseau sont au nombre de N+nl (nl>l), chacun de ces équipements ayant une capacité inférieure à celle nécessaire pour l'alimentation d'un appareil de distillation ou pour le traitement d'un fluide d'un appareil de distillation. - certains au moins desdits équipements en parallèle 30 et en réseau sont au nombre de N-n2 (n2>1), chacun de ces équipements ayant une capacité supérieure à celle nécessaire pour l'alimentation d'un appareil de distillation(4) ou pour le traitement de fluide d'un appareil de distillation (4). Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels: - la Figure 1 représente très schématiquement une installation conforme à l'invention i - la Figure 2 représente de façon analogue une variante; et - la Figure 3 représente de façon analogue une autre 10 variante. L'installation représentée à la Figure 1 est destinée à alimenter en oxygène haute pression une ou plusieurs unité(s) GTL 1. La haute pression de production est typiquement comprise entre 30 et 65 bars. L'installation comprend deux boîtes froides identiques 2A à 2B montées en parallèle, et des moyens 3 de traitement de l'air à distiller en aval du compresseur principal 6. Dans ce qui suit, lorsque plusieurs appareils 20 identiques sont concernés, on les désignera soit par un nombre suivi du suffixe A, B., soit par la référence générale constituée du seul nombre. Comme représenté schématiquement pour la boîte froide 2A, chaque boîte froide comprend essentiellement un 25 appareil de distillation d'air 4, par exemple une double colonne de distillation, qui produit de l'oxygène gazeux OG, de l'azote gazeux NG et un gaz résiduaire W (azote impur), et éventuellement de l'argon, et une ligne d'échange thermique principale 5A, 5B qui refroidit l'air à distiller à 30 contre-courant des courants issus de l'appareil de distillation associé. Les moyens de traitement 3 en amont de la boîte froide 2 comprennent successivement, d'amont en aval: - Cinq compresseurs d'air principaux 6, tous identiques. Ces compresseurs sont montés en parallèle et en réseau à leur sortie, c'est-à-dire que leurs sorties 7 débouchent dans un collecteur commun 8. Ils compriment l'air 5 atmosphérique à la moyenne pression de distillation des appareils 4. - Trois pré-refroidisseurs d'air comprimé 9, tous identiques, réfrigérés par de l'eau d'une manière décrite plus loin. Le collecteur 8 est relié à l'entrée des trois 10 pré-refroidisseurs 9. Les appareils 9 sont ainsi montés en parallèle et en réseau à leur entrée. Ils sont de plus montés en parallèle et en réseau à leur sortie, au moyen d'un collecteur 10; - Deux appareils identiques 11 d'épuration d'air en 15 eau et en C02 par adsorption. Chacun de ces appareils comporte deux bouteilles en parallèle contenant un adsorbant approprié tel qu'un tamis moléculaire, et a son entrée d'air 12 reliée au collecteur 10. Les sorties d'air épuré 13 des appareils 11 débouchent dans un collecteur commun 14. Les 20 appareils 11 sont ainsi montés en parallèle et en réseau à leur entrée et à leur sortie. Du collecteur 14 partent deux conduites 15 qui aboutissent respectivement à une entrée d'air moyenne pression de chaque ligne d'échange thermique 5. Les moyens de traitement 3 comprennent encore six turbines de détente d'air 16, toutes identiques, qui servent au maintien en froid de l'installation. Les turbines 16 ont leurs entrées reliées à un collecteur 17 d'air moyenne pression refroidi dans les lignes d'échange 5, et leurs sorties sont reliées à un autre collecteur commun 18. Les turbines 16 se trouvent à l'intérieur d'une enceinte isolée ne contenant que ces turbines comme moyens de traitement de l'air. Ces six turbines sont ainsi montées en parallèle et en réseau, à la fois à leur entrée et à leur sortie. Du collecteur 18 partent deux conduites 19 qui aboutissent respectivement à une entrée d'air basse pression de chaque 5 ligne d'échange thermique 5, l'air basse pression refroidi étant insufflé dans la colonne basse pression de chaque appareil 4, éventuellement après une étape de sous-refroidissement. Chaque turbine est freinée par un frein ou un alternateur 20 qui se trouve en dehors de 10 l'enceinte isolée. Evidemment les conduites 19 peuvent aboutir à une entrée d'air moyenne pression si l'air fourni aux turbines 16 est à une pression plus élevée que la moyenne pression. De même, le collecteur 17 peut être relié à une 15 entrée d'azote moyenne pression provenant de l'appareil 4 et l'azote détendu peut être mis à l'air en passant par le collecteur 18. Les moyens de traitement 3 comprennent encore - au moins une tour commune 21 de refroidissement à 20 l'azote résiduaire de l'eau destinée aux trois prérefroidisseurs 9. Cette tour est alimentée en azote résiduaire via un collecteur 22 relié à une sortie de résiduaire des deux lignes d'échange 5, et produit de l'eau réfrigérée dans un collecteur 122 relié aux trois pré25 refroidisseurs; et - au moins un réchauffeur commun 23 de l'azote résiduaire de régénération de l'adsorbant des appareils 9. Cet azote résiduaire provient d'un collecteur 24 relié à une autre sortie de résiduaire des deux lignes d'échange 5.Le au 30 moins un réchauffeur commun est relié à un collecteur 125. Du fait de la présence des collecteurs 8 d'air comprimé humide, 10 d'air comprimé pré-refroidi, 14 d'air épuré, 17 d'air moyenne pression refroidi à l'entrée des turbines de détente 16 et 18 d'air détendu, qui mettent la totalité du débit de ces fluides en réseau, la défaillance d'un équipement peut être facilement compensée par les autres équipements du même type. La mise en réseau d'équipements permet de plus de 5 découpler le nombre d'appareils en parallèle du nombre N (ici N = 2) de boîtes froides, et également de découpler les nombres d'appareils successifs en parallèle, pourvu que les capacités de traitement des appareils en question soient choisies de façon appropriée. Une optimisation de la taille 10 de chaque équipement est ainsi rendue possible. En particulier, l'utilisation de (N + 1) équipements en parallèle et en réseau (ce qui est le cas des prérefroidisseurs 9) permet de bénéficier d'un équipement de secours pour les N autres, dont chacun a la capacité 15 correspondant à une boîte froide 2. Dans l'installation de la Figure 1, d'autres équipements, situés en aval des précédents, sont également montés en parallèle et en réseau, à leur entrée et à leur sortie: - trois pompes 22 de vaporisation de secours, montées en parallèle entre un collecteur d'aspiration 123 et un collecteur de refoulement 24. Le collecteur 123 est relié à un réservoir 25 de stockage d'oxygène liquide ou d'azote liquide produit par les appareils 4A et 4B, alimenté par un 25 collecteur 26. En cas d'insuffisance de fourniture à l'unité 1 du gaz correspondant, le débit nécessaire est prélevé, à la même pression, dans le collecteur 24, et vaporisé dans un échangeur de secours 27 à air ou à eau. - deux compresseurs finaux d'azote 28, montés en parallèle entre un collecteur d'aspiration 29 et un collecteur de refoulement 30. Ces compresseurs amènent l'azote gazeux à la haute pression d'alimentation de l'unité 1. - éventuellement, quatre compresseurs finaux d'oxygène 31, montés en parallèle entre un collecteur d'aspiration 32 et un collecteur de refoulement 33. Ces compresseurs amènent l'oxygène gazeux à la haute pression d'alimentation de l'unité 1. Comme représenté, chaque collecteur 29,32 est relié à un collecteur respectif 34,35 qui recueille le gaz correspondant réchauffé par les lignes d'échange thermique 5A et 5B. Si nécessaire, un débit de chaque gaz peut être 10 prélevé de ces collecteurs, comme illustré en 36,37. La variante de la Figure 2 diffère de la précédente par le remplacement des freins 20 des turbines 16, par autant de surpresseurs ou " boosters " 38. Chacun de ces surpresseurs est calé sur l'arbre de la turbine 15 correspondante. Les surpresseurs sont montés en parallèle entre un collecteur d'entrée 39 et un collecteur de sortie 40; ce dernier est relié au collecteur 17 via deux circuits de refroidissement partiel 41 passant dans les lignes d'échange 5A et 5B. Les turbines 16 seront encore une fois situées dans une enceinte isolée. L'installation de la Figure 3 diffère de la précédente par l'ajout de quatre compresseurs d'air secondaires 42 traitant une fraction du débit d'air entrant, 25 et de cinq pompes d'oxygène liquide 43. Les compresseurs 42 sont montés en parallèle entre un collecteur d'aspiration 44 relié au collecteur 14, et un collecteur de refoulement 45 relié à des entrées d'air haute pression des lignes d'échange 5A et 5B. Les pompes 43 sont montées en parallèle 30 entre un collecteur d'aspiration 46, qui reçoit l'oxygène liquide basse pression issu des appareils 4, et un collecteur de refroidissement 47, relié à des entrées d'oxygène liquide sous pression des lignes d'échange 5. Cet oxygène est vaporisé par échange de chaleur avec l'air haute pression. Dans ce cas, le réservoir 25 est éventuellement un réservoir-tampon pour les pompes 43. En variante, le nombre de compresseurs 42 peut être égal au nombre de compresseurs 6, chaque couple de compresseurs 6-42 ayant un arbre et un organe moteur communs. Du fait de la présente des collecteurs 44,45 qui 10 permettent de mettre la totalité de l'air à l'entrée et à la sortie des surpresseurs 42 en réseau, la défaillance d'un équipement peut être facilement compensée par les autres équipements. REVENDICATIONS 1. Installation de production d'oxygène et/ou d'azote et/ou d'argon par distillation d'air, caractérisée en ce qu'elle comprend: N(N>l) boîtes froides (2) dont 5 chacune comprend d'une part une ligne d'échange thermique (5) pour refroidir l'air à distiller, et d'autre part un appareil de distillation d'air (4) qui produit de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon; et des moyens (3) de traitement de l'air qui alimente les appareils de 10 distillation d'air et éventuellement des moyens de traitement d'un fluide provenant des appareils de distillation d'air, ces moyens de traitement de l'air ou les moyens de traitement des fluides comprenant plusieurs équipements montés en parallèle et en réseau avec leurs 15 entrées et/ou leurs sorties reliées à un collecteur commun (8,10, 14, 17, 18,22, 24,29,30, 32,33,39,40,44,45,46,47,122, 123,125) qui collecte ou redistribue la totalité de l'air ou du fluide de l'étape de traitement correspondante. 2. Installation suivant la revendication 1 20 caractérisée en ce que les moyens de traitement d'air comprenant plusieurs équipements montés en parallèle et en réseau sont les premiers moyens (6) de compression d'air atmosphérique et/ou les seconds moyens (9) de préfroidissement de l'air et/ou des troisièmes moyens (11) 25 d'épuration par adsorption de l'air préfroidi et/ou des turbines de détente (16) et/ou des surpresseurs (38,42). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que les moyens de traitement de fluide ayant plusieurs équipements montés en parallèle et en réseau 30 sont des turbines (16) et/ou des compresseurs (28,31) et/ou des pompes (22,43) et/ou des réchauffeurs (23) et/ou des tours de refroidissement (22). 4. Installation suivant la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les premiers (6), seconds (9) et troisièmes (11) moyens de traitement comprennent respectivement Ni, N2 et N3 équipements, et ce que l'un au 5 moins des nombres Ni, N2, N3 est différent de N, les appareils correspondants étant montés en parallèle avec leurs sorties reliées à un collecteur commun (8, 10, 14, 17, 18). 5. Installation suivant la revendication 4, 10 caractérisée en ce que N2Ä2, et en ce que les seconds moyens (9) comprennent au moins un dispositif commun (21) de production de fluide réfrigérant. 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ledit (lesdits) dispositif(s) 15 commun(s) (21) est une tour de refroidissement eau-azote qui comporte un collecteur d'entrée (22) relié à une sortie d'azote résiduaire des N boîtes froides (2) et à un collecteur de sortie (122). 7. Installation suivant l'une quelconque des 20 revendications 4 à 6, caractérisée en ce que N3Ä2, et en ce que les troisièmes moyens (11) comprennent au moins un réchauffeur commun (23) pour un gaz de régénération de l'adsorbant. 8. Installation suivant la revendication 7, 25 caractérisée en ce que le(s) réchauffeur(s) commun(s) comporte(nt) un collecteur d'entrée (24) relié à une sortie d'azote résiduaire des N boîtes froides (2) et un collecteur de sortie (125). 9. Installation suivant l'une quelconque des 30 revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les moyens de traitement (3) comprennent en outre N4 compresseurs de gaz secondaires (28,31,38,42), notamment des surpresseurs d'air, montés en parallèle avec leurs entrées et leurs sorties reliées à des collecteurs communs (30,33, 34,35,39,40,44, ), N4 étant éventuellement différent de N. 10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que N4 = Ni, chaque couple compresseur 5 d'air principal (6)-surpresseur d'air (42) comportant un organe moteur commun. 11. Installation suivant la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que chaque boîte froide (2) produit de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide, et en ce que 10 l'installation comprend N6 pompes d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide et/ou d'argon liquide (43) montées en parallèle entre un collecteur d'entrée (46) et un collecteur de sortie commun (47), reliés respectivement aux N appareils de distillation d'air (4) et aux N lignes d'échange 15 thermique (5), N6 étant éventuellement différent de N. 12. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les moyens de traitement (3) comprennent en outre N5 turbines (16) montés en parallèle entre des collecteurs d'entrée (17) et des 20 collecteurs de sortie (18) communs, N5 étant éventuellement différent de N. 13. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que certains au moins desdits équipements en parallèle et en réseau sont au 25 nombre de N+1, chacun de ces équipements ayant la capacité d'alimentation de l'un des N appareils de distillation d'air (4) ou la capacité de traitement de fluide pour l'un des N appareils de distillation d'air (4). 14. Installation suivant l'une quelconque des 30 revendications 1 à 13, caractérisée en ce que certains au moins desdits équipements en parallèle et en réseau sont au nombre de N+ nl (nl>l), chacun de ces équipements ayant une capacité inférieure à celle nécessaire pour l'alimentation d'un appareil de distillation(4) ou pour les traitement de fluide d'un appareil de distillation (4). 15. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que certains au 5 moins desdits équipements en parallèle et en réseau sont au nombre de N-n2 (n2>1), chacun de ces équipements ayant une capacité supérieure à celle nécessaire pour l'alimentation d'un appareil de distillation(4) ou pour le traitement de fluide d'un appareil de distillation (4).