Brevet FR2884436A1 — publié le 20061020

La présente invention est relative aux colonnes de distillation à dispositif pare-feu, et en particulier, aux colonnes de distillation d'air ayant un tel dispositif. L'article "Minimize the Risk of Fire During Column Maintenance" de Ender et al. CEP, septembre 2003 explique que la plupart des incendies dans une colonne de distillation sont liées à l'usage de garnissages structurés, en particulier en aluminium. Les vaporiseurs en aluminium des colonnes d'appareil de séparation d'air peuvent donner lieu à des coups de feu du fait de la combustion locale de io l'aluminium des ondes initiée par une accumulation locale d'hydrocarbures. On considère que la possibilité d'initiation d'une combustion de l'aluminium des garnissages situés au-dessus du vaporiseur est une situation aggravante. Pour réduire le risque de propagation d'un feu dans le vaporiseur vers les garnissages, on utilise couramment un double fond d'isolement entre le vaporiseur et le garnissage imposant des tuyauteries des liaisons coûteuses extérieures à la colonne. Sinon la colonne peut contenir des modules de garnissage en cuivre juste au-dessus du vaporiseur, solution également coûteuse. Selon un objet de l'invention, il est prévu une colonne de distillation comprenant i) des moyens pour amener au moins un mélange à distiller à la colonne ii) des moyens pour soutirer au moins un fluide enrichi en un composant du mélange de la colonne iii) à l'intérieur de la colonne, un vaporiseur-condenser et des moyens pour envoyer un gaz à condenser et un liquide à vaporiser au vaporiseur-condenseur ainsi que des moyens pour retirer le gaz condensé et le liquide vaporisé iv) au moins un module de garnissages situé au-dessus du vaporiseur-condenseur caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une barrière pare feu placée entre le vaporiseur condenseur et le module de garnissages ainsi que des moyens pour laisser circuler des fluides à l'intérieur de la colonne entre le module et le vaporiseur-condenseur. Selon d'autres aspects de l'invention, la colonne comprend: - une première barrière obstruant une première partie de la section de la colonne égale à au moins la moitié de la section et une deuxième barrière obstruant une deuxième partie de la section de la colonne égale à au moins la moitié de la section et recouvrant au plus partiellement la première partie de la section de la colonne, les première et deuxième barrières étant situées entre le vaporiseur-condenseur et le premier module de garnissage au-dessus du vaporiseur-condenseur, la première barrière étant en dessous de la deuxième barrière. - au moins une troisième barrière au-dessus de la deuxième barrière et en dessous du premier module de garnissage obstruant une deuxième partie de la section de la colonne égale à au moins la moitié de la section et recouvrant au plus partiellement la deuxième partie de la section de la colonne. - la deuxième partie de la section recouvre entre 10 et 90 % de la troisième partie de la section. - la première partie de la section recouvre entre 10.et 90 % de la deuxième partie de la section. - la (ou la première) barrière et éventuellement la troisième barrière est constituée par un disque coaxial avec la colonne obstruant une première section ayant un rayon égal à entre 50% et 100% du rayon de la colonne au niveau du vaporiseur. - la deuxième barrière est une barrière annulaire ayant un rayon extérieur substantiellement égal à celui de la colonne au niveau du vaporiseur et ayant un rayon intérieur supérieur à 20% de celui de la colonne au niveau du vaporiseur. - les barrières sont au moins partiellement en cuivre ou un alliage de cuivre. - au moins une barrière, de préférence la plus basse et donc la plus près du vaporiseur, est remplie de billes de céramique, de quartz ou de verre. - au moins une des barrières est circulaire et/ou au moins une des barrières est annulaire. - au moins une des barrières est centrée sur l'axe vertical de la colonne. s L'invention comprend également un appareil de distillation d'air comprenant au moins une colonne telle que décrite ci-dessus. Les garnissages sont de préférence en aluminium ou en cuivre, de type ondulé-croisé, avec ou sans des modifications des bords pour réduire la résistance au passage de gaz. io L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui suivent, où la figure 1 montre une colonne de distillation incorporant un dispositif pare-feu selon l'invention, la figure 2 montre en détail une des barrières selon l'invention et la figure 3 montre un tuyau de descente de liquide. La colonne basse pression 1 d'une double colonne de séparation d'air a un rebouilleur de cuve 3 chauffé par de l'azote 25 provenant de la colonne moyenne pression. Le rebouilleur sert à vaporiser le liquide de cuve de la colonne qui est riche en oxygène. Le rebouilleur 3 peut être de tout type connu mais un rebouilleur de type vaporiseur à bain est souvent préféré. La colonne est alimentée par des débits de reflux, y compris un débit de liquide riche 21, et éventuellement par un débit d'air gazeux. L'échange de masse et de chaleur à l'intérieur de la colonne s'effectue par au moins un module de garnissages structurés. Ces garnissages sont de préférence en aluminium et de type ondulé-croisé mais peuvent être de tout type qui convient pour la séparation de l'air, par exemple en cuivre. Le module le plus bas 5 est situé en dessus de l'arrivée de liquide riche 21. En cuve de colonne est soutiré un débit 23 de liquide riche en oxygène contenant entre 80 et 99,9 mol. % d'oxygène. Entre le rebouilleur de cuve 3 et le module de garnissages le plus bas 5 est posé un dispositif pare-feu constitué par trois barrières, posées l'une au- dessus de l'autre. Le diamètre de la colonne basse pression 1 est typiquement de 4,5 n-t. La barrière la plus proche du rebouilleur 3 est la barrière 7A qui est une grille supportant un lit de plusieurs couches de billes de céramique, lesquelles 4 2884436 présentent l'avantage d'être totalement inertes (ni combustible ni comburant) et de s'écouler par gravité en direction du feu en cas de percement de la grille par un feu du vaporiseur. Ces billes seront de dimension suffisante pour ne pas risquer de boucher des canaux d'échangeur (par exemple de 12,7 mm). Au-dessus de la barrière 7A est positionnée une barrière 7B chargée de récupérer l'oxygène liquide. Elle est constituée d'une tôle de forme annulaire, ayant un diamètre extérieur substantiellement égal au diamètre de la colonne et un diamètre interne typiquement de 1,5m. Le matériau peut être du cuivre ou du nickel ou leur alliage (cupro nickel ou Monel ) mais il peut être aussi de l'inox io recouvert de céramique ou d'un métal cité précédemment. Cette barrière est fixée à la virole de la colonne 1 par soudage. La barrière 7B comprend un relevé 27 au bord intérieur pour empêcher l'écoulement de liquide sur la barrière 7A. Huit goussets de renfort radiaux 15 s'étendent du bord relevé 27 jusqu'à la virole de la colonne 1. Ces goussets 15 rendent la barrière plus solide et la relient aux barrières 7A et 7C afin de maintenir celles-ci en place. Au pourtour de la barrière 7B sont formées huit ouvertures 13. Le liquide qui tombe au centre de la barrière 7B s'écoule vers l'extérieur de la barrière et est canalisé dans les ouvertures 13. Pour réduire la masse d'oxygène liquide présente sur la barrière 7B, celle ci est remplie de billes de céramique. Optionnellement cette barrière pourra être conique et le relevé 27 sera alors supprimé. La barrière 7C est de la même forme, des mêmes dimensions et du même matériau que la barrière 7A mais en son centre une tôle pleine typiquement de 2,5 m de diamètre évite au liquide de tomber sur la barrière 7A. Cette barrière 7C est l'ultime barrière et le nombre de couches de billes de céramique peut être plus réduit que dans la barrière 7A. II sera compris que l'invention s'applique à toute colonne de distillation utilisant un rebouilleur de cuve et au moins un module de garnissages structurés au-dessus du rebouilleur. En particulier, il s'applique aux colonnes dont la cuve contient un liquide comburant. Comme il est connu que la propagation ne peut se faire que si la température des produits de combustion est supérieure à 1500 C, on limitera de préférence à trois le nombre de barrières. A la Figure 2, le bord extérieur des barrières 7A et 7C en dessous et en 2884436 dessus de la barrière 7B est montré en pointillé. Cet espace annulaire libre permet de réduire encore les pertes de charge en fonctionnement. La Figure 3 montre une descente de liquide 19 qui laisse s'écouler le liquide tombant sur la barrière 7B à travers les ouvertures 3. Cette descente 19 dirige le liquide dans le bain de liquide 25. La descente est en forme coudée étant plié à trois endroits différents à un angle de 90 , de sorte que le liquide sort horizontalement. De cette manière, la propagation du coup de feu à travers la descente de liquide est évitée. Les barrières peuvent être en cuivre ou nickel ou leurs alliages (cupronickel, Monel ) pour assurer un maximum de sécurité. Une autre solution peut être un plaquage en alliage cuivre ou de céramique sur un support acier austénitique. La Figure 4 montre une autre colonne selon l'invention. Ici le pare-feu est constitué par une seule barrière faisant alors le diamètre de la colonne formée de billes en céramique maintenues à l'aide d'une grille. Des billes en verre ou en quartz pourraient également être utilisées. Comme ces matériaux ont une température de fusion très élevée (supérieure à 2000 C pour les céramiques), ceci formerait un écran contre la propagation d'un feu si le nombre de couches est plus important. Les billes formant un écran de plusieurs centimètres d'épaisseur laissent passer le liquide et le gaz traversant la colonne mais restent inertes. Au cas d'un départ d'un coup de feu, la grille fond ainsi libérant les billes qui tombent dans le foyer. Ces billes seront de dimension suffisante pour ne pas risquer de boucher des canaux d'échangeur (par exemple de 12,7 mm). D'autres systèmes peuvent être placés entre la barrière de billes de céramiques et le module de garnissages afin de recueillir l'oxygène liquide en laissant passer le gaz comme par exemple des secteurs en forme de tuile renversée placés sur 2 niveaux différents. 6 REVENDICATIONS 1. Colonne de distillation comprenant: i) des moyens (21) pour amener au moins un mélange à distiller à la 5 colonne ii) des moyens (23) pour soutirer au moins un fluide enrichi en un composant du mélange de la colonne iii) à l'intérieur de la colonne, un vaporiseur-condenser (3) et des moyens (25) pour envoyer un gaz à condenser et un liquide à io vaporiser au vaporiseur-condenseur ainsi que des moyens pour retirer le gaz condensé et le liquide vaporisé iv) au moins un module de garnissages (5) situé au-dessus du vaporiseur-condenseur caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une barrière pare feu (7, 7A, 7B, 7C) placée entre le vaporiseur condenseur et le module de garnissages ainsi que des moyens pour laisser circuler des fluides à l'intérieur de la colonne entre le module et le vaporiseur-condenseur. 2. Colonne selon la revendication 1 comprenant une première barrière (7A, 7B) obstruant une première partie de la section de la colonne égale à au moins la moitié de la section et une deuxième barrière (7B, 7C) obstruant une deuxième partie de la section de la colonne égale à au moins la moitié de la section et recouvrant au plus partiellement la première partie de la section de la colonne, les première et deuxième barrières étant situées entre le vaporiseur-condenseur (3) et le premier module (5) de garnissage au-dessus du vaporiseur-condenseur, la première barrière étant en dessous de la deuxième barrière. 3. Colonne selon la revendication 2 comprenant au moins une troisième barrière (7C), au-dessus de la deuxième barrière (7B) et en dessous du premier module de garnissage (5), obstruant une deuxième partie de la section de la colonne égale à au moins la moitié de la section et recouvrant au plus partiellement la deuxième partie de la section de la colonne. 4. Colonne selon la revendication 3 dans laquelle la deuxième partie de la 5 section recouvre entre 10 et 90% de la troisième partie de la section. 5. Colonne selon la revendication 2, 3 ou 4 dans laquelle la première partie de la section recouvre entre 10 et 90 % de la deuxième partie de la section. i0 6. Colonne selon la revendication 1 à 4 dans laquelle la (ou la première) barrière (7A) et éventuellement la troisième barrière (7C) est constituée par un disque coaxial avec la colonne obstruant une première section ayant un rayon égal à entre 50 % et 100 % du rayon de la colonne au niveau du vaporiseur. 7. Colonne selon la revendication 6 dans laquelle la deuxième barrière (7B) est une barrière annulaire ayant un rayon extérieur substantiellement égal à celui de la colonne au niveau du vaporiseur (3) et ayant un rayon intérieur substantiellement supérieur à 20 % de celui de la colonne au niveau du vaporiseur. 8. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle les barrières (7, 7A, 7B, 7C) sont au moins partiellement en cuivre ou un 25 alliage de cuivre. 9. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle au moins une barrière, de préférence la plus basse (7, 7A) et donc la plus près du vaporiseur, est remplie de billes de céramique, de quartz ou de verre. 10. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle au moins une des barrières est circulaire (7, 7A, 7C) et/ou au moins une des barrières (7B) est annulaire. 11. Colonne selon la revendication 10 dans laquelle au moins une des barrières (7, 7A, 7B, 7C) est centrée sur l'axe vertical de la colonne. 12. Appareil de distillation d'air comprenant au moins une colonne (1) selon l'une des revendications 1 à 11. io