Brevet FR2853406A1 — publié le 20041008

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Les pressions mentionnées dans ce document sont des pressions absolues. Le terme " dépasser " comprend les dépassements vers le haut et/ou les dépassements vers le bas. L'installation d'une injection de gaz d'allègement dans une remontée de fluide est requise dans de nombreux cas pour faciliter l'écoulement de liquide (typiquement de la colonne moyenne pression vers la colonne basse pression ou le condenseur de la colonne argon, tel que décrit dans EP-A0567360, de la colonne 10 moyenne pression vers le condenseur de tête d'une colonne de déazotation d'argon ou du sous refroidisseur d'air liquide provenant de la ligne d'échange vers la colonne basse pression). Le gaz d'allégement se révèle surtout utile en cas de changement de marche de l'appareil ou en cas de marche extrême. En pratique le gaz d'allégement est constitué par un soutirage de gaz (par 15 exemple de gaz froid), qui est détendu dans une vanne avant d'être injecté en bas de la remontée de liquide après la détente de celui- ci. Cette vanne de détente du gaz d'allégement est une vanne manuelle ou une vanne automatique positionnée manuellement avec un HIC (indicateur et commande de hauteur). Ceci fait qu'en pratique les vannes de détente de gaz d'allégement sont ouvertes en permanence quelle que soit la marche de l'appareil, en particulier en marche stable et nominale o leur utilisation n'est pas justifiée hydrauliquement. Cet usage gâche ainsi de l'énergie et/ou de l'azote gazeux moyenne pression (couramment utilisé comme gaz d'allégement en particulier pour la 25 remontée de liquide pauvre) et/ou de l'air (couramment utilisé comme gaz d'allégement en particulier pour la remontée de liquide riche) et/ou du liquide. Un but de la présente invention est d'améliorer les performances énergétiques et/ou la production de liquide et/ou la production d'azote moyenne pression d'un appareil de séparation d'air utilisant un tel gaz d'allégement. Selon un objet de l'invention, il est prévu un 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 fluide est transféré au moyen d'une conduite montante munie d'une première vanne de détente d'un premier équipement opérant 2 2853406 à une première pression à un deuxième équipement opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, dans lequel i) un gaz d'allègement est détendu jusqu'à une pression d'injection, supérieure à la somme de la deuxième pression et de la pression créée par une 5 colonne de fluide entre le point d'injection du gaz d'allègement et le point d'introduction du fluide dans le deuxième équipement, dans une deuxième vanne de détente ii) le gaz d'allègement est injecté dans la conduite montante, en aval de la première vanne de détente, à la pression d'injection iii) un débit d'air comprimé, épuré et refroidi est envoyé à une colonne du système de colonnes et un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène sont soutirés d'une colonne du système de colonnes caractérisé en ce que l'ouverture de la deuxième vanne est déclenchée uniquement si pv2 est inférieur à 3000 Pa, p étant la densité du liquide à remonter et 15 v étant la vitesse du liquide dans la conduite montante à la sortie de la première vanne et/ou au moment du démarrage quand la conduite montante est remplie de liquide franc si ((PLIQUIDE FRANC.g.H)-(P1 -P2)) Pendant le fonctionnement stable de l'appareil la colonne de fluide est une 25 colonne de fluide diphasique alors que pendant le démarrage la colonne de fluide est une colonne de liquide franc. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - on déclenche l'ouverture de la deuxième vanne si le débit de fluide à remonter dans la conduite montante dépasse un seuil donné et/ou si le débit d'air 30 envoyé à la colonne du système dépasse un seuil donné et/ou si l'écart de pression entre les premier et deuxième équipements dépasse un seuil donné et/ou si l'ouverture de la première vanne de détente dépasse un seuil donné et/ou si la pression d'un capteur de pression au point d'injection du gaz d'allègement dépasse un seuil donné; 3 2853406 - le système de colonnes comprend une double colonne avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles, optionnellement une colonne d'argon alimentée à partir de la colonne basse pression et éventuellement une colonne de déazotation d'argon; - le premier équipement est la colonne moyenne pression ou une conduite d'air liquide reliée à la colonne moyenne pression; - le deuxième équipement est la colonne basse pression ou un condenseur de tête de la colonne d'argon ou de la colonne de déazotation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation 10 d'air par distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air comprenant un système de colonnes, un premier équipement opérant à une première pression, un deuxième équipement opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, une conduite montante munie d'une première vanne de détente permettant le transfert d'un fluide du premier équipement au deuxième équipement, une 15 deuxième vanne de détente pour détendre un gaz d'allègement jusqu'à une pression d'injection, supérieure à la somme de la deuxième pression et de la pression créée par une colonne de fluide entre le point d'injection du gaz d'allègement et le point d'introduction du liquide dans le deuxième équipement, des moyens pour injecter le gaz d'allègement dans la conduite montante, en aval de la première vanne de 20 détente, à la pression d'injection, des moyens pour envoyer un débit d'air comprimé, épuré et refroidi à une colonne du système de colonnes et des moyens pour soutirer un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène d'une colonne du système de colonnes caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens pour déclencher l'ouverture 25 de la deuxième vanne en fonction de la densité du fluide à remonter et la vitesse du fluide dans la conduite montante à la sortie de la première vanne et/ou en fonction de la densité du liquide franc dans la conduite montante, la hauteur de la remontée de fluide entre le point d'introduction du liquide franc dans le deuxième équipement et le point de sortie du liquide franc du premier équipement et la différence entre les 30 pressions en fonctionnement des premier et deuxième équipements. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, l'installation comprend i) des moyens pour détecter si le débit de fluide à remonter dans la conduite montante dépasse un seuil donné, et/ou ii) des moyens pour détecter si le débit d'air envoyé à la colonne du système dépasse un seuil donné, et/ou iii) des moyens pour détecter si l'écart de pression entre les premier et deuxième équipements dépasse un seuil donné, et/ou iv) des moyens pour détecter si l'ouverture de la première vanne de détente dépasse un seuil donné et/ou v) des moyens pour détecter si la pression d'un capteur de pression au point d'injection du gaz d'allègement dépasse un seuil donné, et vi) des moyens pour déclencher l'ouverture de la deuxième vanne si un ou 10 plusieurs des seuils est dépassé. - le système de colonnes comprend une double colonne avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles, optionnellement une colonne d'argon alimentée à partir de la colonne basse pression et éventuellement une colonne de déazotation d'argon; - le premier équipement est la colonne moyenne pression ou une conduite d'air liquide reliée à la colonne moyenne pression; - le deuxième équipement est la colonne basse pression ou un condenseur de tête de la colonne d'argon ou de la colonne de déazotation; - le point d'injection du gaz d'allègement est entre 10 mètres au-dessus du 20 niveau du liquide alimentant la remontée de liquide et 50% de la hauteur de la conduite de remontée de liquide; - le point de détente du gaz d'allègement est au moins 3 mètres au-dessus du niveau de liquide alimentant la remontée. Le gain en rendement oxygène peut être typiquement de l'ordre de 5% pour 25 un investissement mineur. Typiquement la différence de pression entre la pression d'injection du gaz d'allègement et la pression de fonctionnement du deuxième équipement est entre 1 et 2 Bars. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits 30 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 essentiellement une double colonne de distillation 1. Celle-ci comprend une colonne 2853406 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. En fonctionnement, de l'air à une pression typiquement de 5 x 105 à 6 x 105 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 10 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 point intermédiaire de la colonne BP 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 15 conduisant au condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon (non représentée) couplée à la colonne BP 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 20 colonne 3. De l'azote liquide pratiquement pur est soutiré en tête de la colonne 3 via 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 des conduites 15 de production 25 d'oxygène gazeux partant de la cuve de la colonne 3, 16 de production d'azote pur, partant du sommet de cette colonne 3, 17 d'insufflation d'air en un point intermédiaire de la colonne 3, et 18 d'évacuation de gaz résiduaire (azote impur) de la partie supérieure de cette colonne. On voit que trois fluides différents doivent être remontés de la colonne 30 inférieure 2 à la colonne supérieure 3 et qu'un fluide doit être remonté en tête de la 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 fluide. Pour garantir une bonne remontée des fluides, de façon régulière et contrôlée, dans tous les modes de fonctionnement de l'installation, une conduite de 5 gaz de purge 19 est piquée sur le vaporiseur-condenseur 4 et se divise en trois branches 20, 21 et 24. Chacune de ces branches est équipée d'une vanne de détente 22, 23 et rejoint respectivement les conduites 6 et 9 juste en aval de leurs vannes de détente 7 et 10. De même, une conduite 24 de gaz équipée d'une vanne de détente 25 part du sommet de la colonne 2 et rejoint la conduite 12 juste en aval 10 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 celle-ci. En fonctionnement, un faible débit de gaz d'allègement véhiculé par la 15 conduite 20 est détendu dans la vanne de détente 22 et injecté dans le liquide riche 6 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 d'allégement véhiculé par la 20 conduite 21 est détendu dans la vanne de détente 23 et injecté dans le liquide riche 6 qui vient d'être détendu dans la vanne de détente 10. Le liquide allégé 9 est envoyé au condenseur de tête 42 d'une colonne argon 40 alimentée à partir de la colonne basse pression 3 (alimentation non-illustrée). De même du gaz d'allégement véhiculé par la conduite 24 est détendu dans 25 la vanne de détente 25 et injecté dans l'azote liquide 12 qui vient d'être détendu dans la 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. Les vannes de détente 22, 23, 24, 27 du gaz d'allégement ne sont ouvertes que si le débit de liquide à remonter dans la conduite montante dépasse un seuil 30 donné et/ou si le débit d'air envoyé à la colonne du système dépasse un seuil donné et/ou si l'écart de pression entre les premier et deuxième équipements P1-P2 dépasse un seuil donné et/ou si l'ouverture de la première vanne de détente dépasse un seuil donné et/ou si la pression d'un capteur de pression au point d'injection du gaz d'allègement dépasse un seuil donné. Le débit d'air est détecté et commandé par un détecteur de débit (FIC) ayant un point de consigne (SP). Le débit de liquide à remonter est détecté et commandé par un détecteur de niveau (LIC) en cuve de la colonne moyenne pression et ayant un point de consigne (SP). De même la pression de la colonne 3 est mesurée et 5 commandée utilisant des détecteurs de pression (PIC) ayant également un point de consigne. 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 10 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 15 soutirage du liquide associé. Les vannes de détente 7, 10 et 13 ne doivent pas être placées plus que 10 mètres en dessus du niveau du liquide qui les alimentent. Par contre la hauteur du point d'injection du gaz d'allègement doit être entre mètres au-dessus du niveau du liquide alimentant la remontée de liquide et 50% 20 de la hauteur de la conduite de remontée de liquide. La hauteur du point de détente (vannes 22, 23, 25, 27) du gaz d'allégement doit être au moins 3 mètres au-dessus du niveau de liquide alimentant la remontée. 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 30 qui est liquéfié par 25 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 34 est envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression après détente dans une vanne 35. Le gaz d'allégement 26 peut être injecté au-dessus de cette vanne 35 après détente dans une vanne 27. Une partie restante 32 de l'air peut être détendu 30 et envoyé à la colonne moyenne pression. De même, les conduites de gaz d'allègement 20, 21, 24, 26 peuvent être alimentées totalement ou partiellement par de l'air et/ou de l'azote à la moyenne pression et/ou à partir d'une ou plusieurs des sources de gaz de purge suivantes: le vaporiseur-condenseur de tête d'une colonne de mixture d'argon classique telle que décrite 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 5 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 " Les très basses températures " de Gomonet, 1952, un vaporiseurcondenseur de secours tel que décrit dans US-A-5566556 ou un vaporiseur10 condenseur de tête de la colonne basse pression d'un azotonne ou un des vaporiseur- condenseurs d'une colonne basse pression contenant deux vaporiseurscondenseurs dont un chauffé par de l'azote de la colonne moyenne pression et l'autre par un autre gaz, par exemple de l'air. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air ayant un système de colonnes (2, 3) dans lequel au moins un 5 liquide est transféré au moyen d'une conduite montante (6, 9, 12, 34) munie d'une première vanne de détente (7,10, 35) d'un premier équipement (2, 24) opérant à une première pression Pl à un deuxième équipement (3, 42) opérant à une deuxième pression P2, inférieure à la première pression, dans lequel i) un gaz d'allègement est détendu jusqu'à une pression d'injection, 10 supérieure à la somme de la deuxième pression et de la pression créée par une colonne de fluide entre le point d'injection du gaz d'allègement et le point d'introduction du fluide dans le deuxième équipement, dans une deuxième vanne de détente (22, 23, 25, 27) ii) le gaz d'allègement est injecté dans la conduite montante, en aval de la 15 première vanne de détente, à la pression d'injection iii) un débit (5, 32) d'air comprimé, épuré et refroidi est envoyé à une colonne (2) du système de colonnes et un fluide (16) enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène (15) sont soutirés d'une colonne (3) du système de colonnes caractérisé en ce que l'ouverture de la deuxième vanne est déclenchée (uniquement) 20 si pv2 est inférieur à 3000 Pa, p étant la densité du fluide à remonter et v étant la vitesse du fluide dans la conduite montante à la sortie de la première vanne et/ou au moment du démarrage quand la conduite montante est remplie de liquide franc si ((PLIQUIDE FRANC.g.FH)-(P1 -P2)) 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on déclenche l'ouverture de 30 la deuxième vanne (22, 23, 25, 27) si le débit de fluide à remonter dans la conduite montante dépasse un seuil donné et/ou si le débit d'air envoyé à la colonne du système dépasse un seuil donné et/ou si l'écart de pression entre les premier et deuxième équipements dépasse un seuil donné et/ou si l'ouverture de la première 1 0 vanne de détente dépasse un seuil donné et/ou si la pression d'un capteur de pression au point d'injection du gaz d'allègement dépasse un seuil donné. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système de colonnes comprend une double colonne avec une colonne moyenne 5 pression (2) et une colonne basse pression (3) reliées thermiquement entre elles, optionnellement une colonne d'argon (40) alimentée à partir de la colonne basse pression et éventuellement une colonne de déazotation d'argon. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le premier équipement est la colonne moyenne pression (2) ou une conduite d'air liquide (30) reliée à la colonne 10 moyenne pression. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le deuxième équipement est la colonne basse pression (3)ou un condenseur de tête (42) de la colonne d'argon (40) ou de la colonne de déazotation ou une colonne opérant à une pression intermédiaire entre les première et deuxième pressions alimentée par de l'air ou par 15 un fluide provenant du premier équipement. 6. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air comprenant un système de colonnes, un premier équipement (3, 30) opérant à une première pression, un deuxième équipement opérant à une deuxième pression (3, 42), inférieure à la première pression, une conduite montante 20 (6, 9, 12, 34) munie d'une première vanne de détente (7, 10, 13, 35) permettant le transfert d'un fluide du premier équipement au deuxième équipement, une deuxième vanne de détente (22, 23, 25, 27) pour détendre un gaz d'allègement jusqu'à une pression d'injection, supérieure à la somme de la deuxième pression et de la pression créée par une colonne de fluide entre le point d'injection du gaz 25 d'allègement et le point d'introduction du liquide dans le deuxième équipement, des moyens (20, 21, 24, 26) pour injecter le gaz d'allègement dans la conduite montante, en aval de la première vanne de détente, à la pression d'injection, des moyens (5, 30, 32) pour envoyer un débit d'air comprimé, épuré et refroidi à une colonne (2) du système de colonnes et des moyens (15; 16) pour soutirer un fluide enrichi en azote 30 et un fluide enrichi en oxygène d'une colonne (3) du système de colonnes caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens pour déclencher l'ouverture de la deuxième vanne en fonction de la densité du fluide à remonter et la vitesse du fluide dans la conduite montante à la sortie de la première vanne et/ou en fonction de la densité du liquide franc dans la conduite montante, la hauteur de la remontée de 1 1 fluide entre le point d'introduction du liquide franc dans le deuxième équipement et le point de sortie du liquide franc du premier équipement et la différence entre les pressions en fonctionnement des premier et deuxième équipements. 7. Installation selon la revendication 6 comprenant i) des moyens pour détecter si le débit de fluide à remonter dans la conduite montante dépasse un seuil donné, et/ou ii) des moyens pour détecter si le débit d'air envoyé à la colonne du système dépasse un seuil donné, et/ou iii) des moyens pour détecter si l'écart de pression entre les premier et 10 deuxième équipements (2,3,30,42) dépasse un seuil donné, et/ou iv) des moyens pour détecter si l'ouverture de la première vanne de détente dépasse un seuil donné, et/ou v) des moyens pour détecter si la pression d'un capteur de pression au point d'injection du gaz d'allègement dépasse un seuil donné, et vi) des moyens pour déclencher l'ouverture de la deuxième vanne (22, 23, 25, 27) si un ou plusieurs des seuils est dépassé. 8. Installation selon l'une des revendications 6 ou 7 dans laquelle le système de colonnes comprend une double colonne avec une colonne moyenne pression (2) et colonne basse pression (3) reliées thermiquement entre elles, optionnellement une 20 colonne d'argon (40) alimentée à partir de la colonne basse pression et éventuellement une colonne de déazotation d'argon et éventuellement une colonne opérant à pression intermédiaire alimentée par un liquide enrichi en oxygène provenant de la colonne moyenne pression et/ou par de l'air. 9. Installation selon la revendication 8 dans laquelle le premier équipement 25 est la colonne moyenne pression (2) ou une conduite d'air liquide (30) reliée à la colonne moyenne pression. 10. Installation selon la revendication 9 dans laquelle le deuxième équipement est la colonne basse pression (3) ou un condenseur de tête (42) de la colonne d'argon (40) ou de la colonne de déazotation. 30