Brevet FR2853405A1 — publié le 20041008

La présente invention concerne les procédés et les installations de production des gaz de l'air par voie cryogénique. Dans ce type d'installation, il y a des circuits partant d'un équipement dans lequel un fluide est soutiré pour arriver dans un autre équipement en passant par un 5 organe de régulation dans lequel il subit une détente (par exemple, une vanne). Dans un certain nombre de cas, le type d'écoulement dans la tuyauterie en aval de la vanne peut nécessiter l'installation d'une injection de gaz à la fois pour assurer un écoulement régulier et stable mais aussi parfois pour rendre possible l'écoulement du fluide dans tous les différents cas de marches envisagés pour l'unité de 10 production (par exemple les marches réduites en débit d'air, les démarrages ou les re-démarrages). Une injection d'un gaz à un niveau déterminé en aval de la vanne aide l'écoulement du fluide détendu dans la vanne, tel que décrit dans EP-A0567360. Afin de minimiser les irréversibilités dues à l'introduction de ce gaz dans le 15 fluide, le gaz prélevé est choisi généralement de composition et de température voisines du fluide dans lequel il est injecté. Ce gaz doit bien sûr avoir une pression suffisante. Ce débit d'injection est en général faible (en masse) par rapport au débit du fluide principal, ce qui rend parfois quand même possible l'injection de fluide de nature très différente. Dans EP-A-0567360, plusieurs exemples sont proposés. Le liquide riche est soutiré en cuve de colonne moyenne pression (ayant une pression classique autour de 5 bars a) puis détendu dans une vanne (après sousrefroidissement) avant d'être introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne basse pression (ayant une pression classique autour de 1.5 bars a). Comme cette 25 différence de pression de 3,5 bars est parfois insuffisante pour faire monter le liquide riche jusqu'à la colonne basse pression, un débit d'air pris dans l'air entrant dans la colonne moyenne pression est injecté en aval de la vanne de détente. De même, un fluide riche en azote est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression puis détendu dans une vanne (après sous-refroidissement) avant 30 d'être introduit à un niveau haut dans la colonne basse pression. Pour faciliter la montée de ce liquide, de l'azote gazeux soutiré en tête de la colonne moyenne pression est injecté en aval de la vanne de détente. L'inconvénient de ce système d'injection de gaz en aval de la vanne de détente réside dans le fait qu'il prélève de la colonne moyenne pression un gaz qui ne participe à la distillation dans la colonne moyenne pression générant ainsi une perte de puissance de rectification. Dans tous les appareils de séparation d'air à double colonne, il y a une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, reliées thermiquement 5 entre elles par un vaporiseur-condenseur qui sert à condenser un gaz enrichi en azote de la colonne moyenne pression contre un liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression. Le gaz enrichi en azote s'en trouve partiellement condensé et le fluide condensé est renvoyé à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression comme reflux. Comme le gaz enrichi en azote contient des gaz qui 10 ne condensent pas aux températures de la colonne, il faut soutirer du vaporiseur un fluide contenant par exemple de l'hélium, du néon, de l'hydrogène et de l'azote tel que décrit dans " The Separation of Gases " de Ruhemann,1945, pp.220-221, sinon ces gaz s'accumuleraient dans le vaporiseur. De manière générale, ce débit de purge est détendu et ensuite mélangé avec un débit d'azote résiduaire soutiré de la 15 colonne basse pression. D'autres débits de purge des gaz non-condensés sont soutirés des autres vaporiseurs-condenseurs de l'appareil. L'idée de base de cette invention consiste à utiliser le débit de purge de gaz qui ne se condensent pas dans un vaporiseur-condenseur de l'appareil comme débit 20 de gaz à injecter dans les conduites montantes de liquide. En utilisant, comme gaz d'injection, un fluide qui ne participe de toutes façons pas à la rectification, aucune perte de rendement n'est engendrée. La présente invention concerne les procédés et les installations de production des gaz de l'air par voie cryogénique. Dans ce type d'installation, il y a des circuits partant d'un équipement dans lequel un fluide est soutiré pour arriver dans un autre équipement en passant par un organe de régulation dans lequel il subit une détente (par exemple, une vanne). Dans un certain nombre de cas, le type d'écoulement dans la tuyauterie en aval de la vanne peut nécessiter l'installation d'une injection de gaz à la fois pour assurer un 30 écoulement régulier et stable mais aussi parfois pour rendre possible l'écoulement du fluide dans tous les différents cas de marches envisagés pour l'unité de production (par exemple les marches réduites en débit d'air ou les démarrages). Une injection d'un gaz à un niveau déterminé en aval de la vanne aide l'écoulement du fluide détendu dans la vanne, tel que décrit dans EP-A0567360. Afin de minimiser les irréversibilités dues à l'introduction de ce gaz dans le fluide, le gaz prélevé est choisi généralement de composition et de température voisines du fluide dans lequel il est injecté. Ce gaz doit bien sûr avoir une pression suffisante. Ce débit d'injection est en général faible (en masse) par rapport au débit 5 du fluide principal, ce qui rend possible quand même parfois l'injection de fluide de nature très différente. Dans EP-A-0567360, plusieurs exemples sont proposés. Le liquide riche est soutiré en cuve de colonne moyenne pression (ayant une pression classique autour de 5 bars a) puis détendu dans une vanne (après sous10 refroidissement) avant d'être introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne basse pression (ayant une pression classique autour de 1.5 bars a). Comme cette différence de pression de 3, 5 bars est parfois insuffisante pour faire monter le liquide riche jusqu'à la colonne basse pression, un débit d'air pris dans l'air entrant dans la colonne moyenne pression est injecté en aval de la vanne de détente. De même, un fluide riche en azote est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression puis détendu dans une vanne (après sous-refroidissement) avant d'être introduit à un niveau haut dans la colonne basse pression. Pour faciliter la montée de ce liquide, de l'azote gazeux soutiré en tête de MP est injecté en aval de la vanne de détente. L'inconvénient de ce système d'injection de gaz en aval de la vanne de détente réside dans le fait qu'il prélève de la colonne moyenne pression un gaz qui ne participe à la distillation dans la colonne moyenne pression générant ainsi une perte de puissance de rectification. Dans tous les appareils de séparation d'air à double colonne, il y a une 25 colonne moyenne pression et une colonne basse pression, reliées thermiquement entre elles par un vaporiseur-condenseur qui sert à condenser un gaz enrichi en azote de la colonne moyenne pression contre un liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression. Le gaz enrichi en azote s'en trouve partiellement condensé et le condensat est renvoyé à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse 30 pression comme reflux. Comme le gaz enrichi en azote contient des gaz qui ne condensent pas aux températures de la colonne, il faut soutirer du vaporiseur un fluide contenant de l'hélium, du néon, de l'hydrogène et de l'azote tel que décrit dans D'autres débits de purge des gaz non-condensés sont soutirés des autres vaporiseurs-condenseurs de l'appareil. L'idée de base de cette invention consiste à utiliser le débit de purge de gaz qui ne se condensent pas dans un vaporiseur-condenseur de l'appareil comme débit de gaz à injecter dans les conduites montantes de liquide. En utilisant, comme gaz d'injection, un fluide qui ne participe de toutes façons pas à la rectification, aucune perte de rendement n'est engendrée. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 représente schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'invention. L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 comprend 15 essentiellement une double colonne de distillation 1. Celle-ci comprend une colonne moyenne pression 2 surmontée d'une colonne basse pression 3. Un vaporiseurcondenseur 4 met en relation d'échange thermique la vapeur de tête de la colonne 2, constituée d'azote pratiquement pur, et le liquide de cuve de la colonne 3, constitué d'oxygène à une pureté déterminée. Une conduite 19 soutire un gaz de purge contenant de l'azote, de l'hélium, du néon et de l'hydrogène de la tête du vaporiseur-condenseur 4, l'hélium, le néon et l'hydrogène étant des gaz qui ne se condensent pas à la température de fonctionnement la plus froide du vaporiseur-condenseur 4. En fonctionnement, de l'air à une pression typiquement de 5 x 105 à 6 x 105 25 Pa est introduit en cuve de la colonne 2 via une conduite d'alimentation 5. Du " liquide riche " (air enrichi en oxygène) est soutiré en cuve de cette colonne 2 via une conduite 6 équipée d'une vanne de détente 7, sous- refroidi dans un sousrefroidisseur 8 en amont de cette vanne de détente, détendu dans cette dernière à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, et introduit en un 30 point intermédiaire de la colonne basse pression 3. Entre le sous-refroidisseur 8 et la vanne de détente 7 est piquée une conduite montante 9 équipée d'une vanne de détente 6 et conduisant au condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon (non représentée) couplée à la colonne basse pression 3 de façon classique. Du " liquide pauvre " (azote impur) est soutiré en un point intermédiaire de la colonne 2 via une conduite 11 équipée d'une vanne de détente (non représentée) et, après sous-refroidissement et détente, est introduit en un point intermédiaire de la colonne 3. De l'azote liquide pratiquement pur est soutiré en tête de la colonne 3 via 5 une conduite 12 équipée d'une vanne de détente 13, sous-refroidi dans un sousrefroidisseur 14 en amont de cette vanne de détente, détendu dans cette dernière et introduit au sommet de la colonne 3. On a également représenté sur la figure 1 une conduite 15 de production d'oxygène gazeux partant de la cuve de la colonne 3, une conduite 16 de production 10 d'azote pur, partant du sommet de cette colonne 3, une conduite 17 d'insufflation d'air en un point intermédiaire de la colonne 3, et une conduite18 d'évacuation de gaz résiduaire (azote impur) de la partie supérieure de cette colonne. On voit que trois liquides différents doivent être remontés de la colonne inférieure 2 à la colonne supérieure 3 et qu'un liquide doit être remonté en tête de la 15 colonne de séparation oxygène/argon. Si ces colonnes sont du type à garnissages, en particulier structurés, et/ou possèdent de nombreux plateaux théoriques, et/ou si le vaporiseur-condenseur 4 est d'un type à faible écart de température, il peut arriver que la différence de pression entre les deux colonnes 2 et 3 soit à peine suffisante pour assurer ces remontées de liquide. Pour garantir une bonne remontée des liquides, de façon régulière et contrôlée, dans tous les modes de fonctionnement de l'installation, une conduite de gaz de purge 19 est piquée sur le vaporiseur-condenseur 4 et se divise en trois branches 20, 21 et 24. Les branches 20,21 sont équipées chacune d'une vanne de détente 22, 23 et rejoignent respectivement les conduites 6 et 9 juste en aval de 25 leurs vannes de détente 7 et 10. De même, la branche 24 de gaz équipée d'une vanne de détente 25 rejoint la conduite 12 juste en aval de la vanne de détente 13. Une autre conduite de gaz 26, équipée d'une vanne de détente (non représentée), part d'un emplacement de la colonne 2 voisin du point de soutirage du liquide pauvre (conduite 11) et rejoint cette conduite 11 juste en aval de la vanne de détente de 30 celle-ci. En fonctionnement, un faible débit de gaz de purge véhiculé à la pression d'alimentation de la colonne 2, par la conduite 19, 20, est détendu dans la vanne de détente 22 et injecté dans le liquide riche qui vient d'être détendu dans la vanne de détente 7. Les bulles de gaz allègent le liquide riche et réduisent la pression nécessaire pour le faire remonter jusque dans la colonne 2. Dans le même but, un faible débit de gaz de purge véhiculé par la conduite 19, 21 est détendu dans la vanne de détente 23 et injecté dans le liquide riche qui 5 vient d'être détendu dans la vanne de détente 10. Le débit de gaz de purge par la conduite 19 est faible, typiquement inférieur à 1% du débit d'air entrant dans l'installation. De même du gaz de purge véhiculé par la conduite 24 est détendu dans la vanne de détente 25 et injecté dans l'azote liquide qui vient d'être détendu dans la 10 vanne de détente 13, et de l'azote impur véhiculé par la conduite 26 est, après détente, injecté dans le liquide pauvre véhiculé par la conduite 11 et détendu. En pratique, les vannes de détente principales 7,10 et 13 sont placées aussi bas que possible pour garantir leur alimentation par du liquide franc, et l'on introduit des bulles de gaz juste en aval de ces vannes de détente pour assister la propulsion 15 vers le haut des liquides en question. Plus précisément la pression des gaz d'allègement doit être suffisante pour vaincre la somme de la hauteur de liquide qui surmonte le point d'injection du gaz et la pression de la colonne basse pression et cette pression est obtenue, dans l'exemple représenté, grâce au fait que chaque gaz, qui est disponible à la pression de la colonne 3, est injecté au-dessus du point de 20 soutirage du liquide associé Le gaz d'allègement peut également être injecté dans une conduite montante d'air liquide. Dans les appareils à pompe, il y a un débit d'air qui est liquéfié par échange de chaleur avec un liquide pompé provenant de la colonne. Ce débit d'air est liquéfié à un niveau près du sol et ensuite tout ou une partie du liquide est envoyé 25 à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression après détente dans une vanne. Le gaz d'allègement peut être injecté au-dessus de cette vanne. De même, la conduite 19 peut être alimentée totalement ou partiellement à partir d'une ou plusieurs des sources de gaz de purge suivantes: le vaporiseurcondenseur de tête d'une colonne de mixture d'argon classique telle que décrite 30 dans la Figure 4.34 de Tieftemperaturtechnik de Hausen et Linde, 1985, le vaporiseur-condenseur de tête et/ou le vaporiseur-condenseur de cuve d'une colonne de déazotation classique telle que décrite dans la Figure 4.35 de Tieftemperaturtechnik de Hausen et Linde, 1985, un vaporiseur-condenseur extérieur tel que décrit dans la Figure 4.26 de Tieftemperaturtechnik de Hausen et Linde, 1985, le vaporiseur-condenseur de tête et/ou du vaporiseur-condenseur de cuve d'une colonne opérant à pression intermédiaire telle que décrite dans EP-A-538118 ou dans Evidemment des gaz de purge provenant de vaporiseurs-condenseurs différents peuvent servir comme gaz d'allègement dans les conduites de l'appareil de séparation, sans avoir été mélangés. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air ayant un système de colonnes dans lequel au moins un liquide 5 est transféré au moyen d'une conduite montante munie d'une vanne de détente d'un premier équipement opérant à une première pression à un deuxième équipement opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, dans lequel est injecté dans la conduite montante, en aval de la vanne de détente, un gaz d'allègement disponible à une pression supérieure à la somme de la deuxième 10 pression et de la pression créée par une colonne de liquide entre le point d'injection du gaz et le point d'introduction du liquide dans le deuxième équipement, dans lequel un débit d'air est envoyé à une colonne d'une double colonne de séparation d'air et un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression de la double colonne de séparation caractérisé en ce qu'au moins 15 une partie du gaz d'allègement est constituée par un gaz de purge soutiré d'un vaporiseur-condenseur de l'appareil, ce gaz contenant au moins un composant qui ne se condense pas à la température la plus froide de fonctionnement du vaporiseurcondenseur. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la colonne moyenne 20 pression et la colonne basse pression sont reliés thermiquement par un vaporiseurcondenseur o se condense partiellement un gaz enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression et dans lequel au moins une partie du gaz d'allègement est constitué par un gaz soutiré de ce vaporiseur-condenseur. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le vaporiseur-condenseur 25 sert à vaporiser un liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel un liquide transféré au moyen d'une conduite montante est un liquide enrichi en oxygène provenant de la colonne moyenne pression et destiné à la colonne basse pression ou au condenseur d'une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse 30 pression. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel un liquide transféré au moyen d'une conduite montante est un liquide enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression et destiné à la colonne basse pression. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel un liquide transféré au moyen d'une conduite montante est de l'air liquéfié disponible à un niveau de la colonne moyenne pression et destiné à la colonne basse pression. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel une partie du 5 gaz d'allégement est constitué d'air d'alimentation provenant ou ne provenant pas de la colonne moyenne pression et/ou de gaz enrichi en azote moyenne pression et/ou de gaz enrichi en oxygène moyenne pression. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'appareil de séparation d'air comprenant une colonne d'argon alimentée à partir de la colonne 10 basse pression et ayant un vaporiseur-condenseur de tête et au moins une partie du gaz d'allégement provient du vaporiseur-condenseur de tête de la colonne d'argon. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel l'appareil de séparation d'air comprenant une colonne d'argon alimentée à partir de la colonne basse pression et une colonne de déazotation alimentée à partir de la colonne 15 d'argon, la colonne de déazotation ayant un vaporiseurcondenseur de tête et/ou un vaporiseur-condenseur de cuve et au moins une partie du gaz d'allégement provient d'un (des) vaporiseur-condenseur de la colonne de déazotation. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel l'appareil de séparation est constitué par une colonne moyenne pression, une colonne basse 20 pression et une colonne opérant à une pression intermédiaire entre les moyenne et basse pressions, la colonne opérant à une pression intermédiaire étant alimentée par un fluide enrichi en oxygène provenant de la colonne moyenne pression et contenant un vaporiseur-condenseur de tête et/ou un vaporiseur -condenseur de cuve et au moins une partie du gaz d'allégement provient d'un (des) vaporiseur-condenseur de 25 la colonne opérant à pression intermédiaire. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel on vaporise un liquide provenant d'une colonne du système de colonnes dans un vaporiseurcondenseur extérieur à l'extérieur de toute colonne par échange de chaleur avec un fluide calorigène et au moins une partie du gaz d'allégement provient du vaporiseur30 condenseur extérieur. 12. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air ayant un système de colonnes comprenant un premier équipement opérant à une première pression, un deuxième équipement opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, une conduite montante équipée d'une vanne de détente et reliant un point de soutirage de liquide dans le premier équipement et un point d'introduction de liquide dans le deuxième équipement, un moyen d'injection dans la conduite montante, en aval de la vanne de détente, d'un gaz d'allègement disponible à une pression supérieure à la somme de 5 la deuxième pression et de la pression créée par une colonne de liquide entre le point d'injection du gaz et le point d'introduction du liquide dans l'équipement, des moyens pour envoyer un débit d'air à une colonne d'une double colonne de séparation d'air, des moyens pour soutirer un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène de la colonne basse pression de la double colonne de séparation 10 et des moyens pour soutirer un gaz de purge d'un vaporiseur-condenseur de l'appareil caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz d'allègement est constituée par le gaz de purge, ce gaz contenant au moins un composant qui ne se condense pas à la température la plus froide de fonctionnement du vaporiseurcondenseur. 13. Installation selon la revendication 12 dans laquelle le vaporiseurcondenseur est un vaporiseur-condenseur de la colonne basse pression. 14. Installation selon la revendication 12 ou 13 comprenant une colonne d'argon et des moyens pour y envoyer un gaz enrichi en argon depuis la colonne basse pression dans lequel le vaporiseur-condenseur est un vaporiseur-condenseur 20 de tête d'une colonne d'argon. 15. Installation selon l'une des revendication 12 à 14 comprenant une colonne d'argon et des moyens pour y envoyer un gaz enrichi en argon depuis la colonne basse pression et une colonne de déazotation alimentée à partir de la colonne d'argon, la colonne de déazotation ayant un vaporiseur-condenseur de tête 25 et/ou un vaporiseur -condenseur de cuve et des moyens pour soutirer au moins une partie du gaz d'allégement d'un (des) vaporiseur-condenseur de la colonne de déazotation. 16. Installation selon l'une des revendications 12 à 15 comprenant une colonne opérant à une pression intermédiaire entre les moyenne et basse pression 30 ayant un vaporiseur-condenseur de tête et/ou un vaporiseurcondenseur de cuve et des moyens pour soutirer au moins une partie du gaz d'allègement d'un (des) vaporiseur-condenseur de la colonne opérant à une pression intermédiaire.