Brevet FR2874423A1 — publié le 20060224

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un produit gazeux sous pression par fractionnement d'air à basse température selon lequel en mode de fonctionnement normal: - on comprime de l'air d'alimentation, on le refroidit et on le fournit à un système de colonnes de distillation, on extrait une fraction de produit à l'état liquide du système de colonne de distillation et on fournit ce liquide à un réservoir à liquide, - on prélève le produit liquide du réservoir à liquide et on le fournit à l'état liquide à un jeu de pompes ayant une ou plusieurs pompes séparées branchées en parallèle, pour le mettre à une pression élevée, puis on effectue un échange de chaleur indirect avec une première veine de fluide caloporteur pour vaporiser, et on extrait le produit gazeux sous pression, et en mode de fonctionnement de secours: - on extrait le produit liquide du réservoir à liquide, on le met à l'état liquide à pression élevée, on le vaporise par échange indirect de chaleur dans un échangeur de secours avec une seconde veine de fluide calo-porteur et on extrait le produit gazeux sous pression. L'invention concerne également un dispositif d'obtention d'un produit gazeux sous pression par fractionnement d'air basse température, comportant: - un système de colonnes à distillation, un réservoir à liquide, - un jeu de pompes d'une ou plusieurs pompes branchées en parallèle, - un échangeur de chaleur principal et un échangeur de chaleur de se- cours et - une régulation du système en fonctionnement normal et en mode de secours, selon lesquels en mode de fonctionnement normal: - on comprime de l'air d'alimentation, on le refroidit et on le fournit à un système de colonnes de distillation, - on extrait une fraction de produit à l'état liquide du système de colonne de distillation et on fournit ce liquide à un réservoir à liquide, - on prélève le produit liquide du réservoir à liquide et on le fournit à l'état liquide à un jeu de pompes ayant une ou plusieurs pompes sépa- rées branchées en parallèle, pour le mettre à une pression élevée, puis on effectue un échange de chaleur indirect avec une première veine de fluide caloporteur pour vaporiser, et on extrait le produit gazeux sous pression, et en mode de fonctionnement de secours: - on extrait le produit liquide du réservoir à liquide, on le met à l'état liquide à pression élevée, on le vaporise par échange indirect de chaleur dans un échangeur de secours avec une seconde veine de fluide calo-porteur et on extrait le produit gazeux sous pression. Etat de la technique Les procédés et dispositifs de fractionnement de l'air à basse température sont par exemple connus selon le document (Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. édition 1985, Chapitre 4 (Pages 281 à 337). Le système à colonnes de distillation de l'invention peut être réalisé sous la forme d'un système à une colonne pour la séparation azote/oxygène ou encore comme système à deux colonnes (par exemple comme système Linde à double colonnes, classique) ou encore comme système à trois colonnes ou colonnes multiples. En plus des colonnes pour la séparation de l'azote/oxygène, on peut également prévoir d'autres dispositifs pour récupérer d'autres composants de l'air en particulier des gaz nobles tels que par exemple de l'argon. Le procédé de l'invention fait partie de la classe des procédés à compression interne. Ainsi, en mode de fonctionnement normal, au moins l'un des produits du système de colonnes de distillation (par exem- ple l'azote provenant de la colonne unique d'un système à une colonne ou des colonnes à haute pression d'un système à deux ou trois colonnes et/ou du dispositif MDS d'un système à trois colonnes ou en variante ou en plus l'oxygène de la colonne unique d'un système à une colonne, du dispositif MDS d'un système à trois colonnes et/ou des colonnes basse pression d'un système à deux ou trois colonnes) est extrait à l'état liquide de l'une des colonnes du système à trois colonnes ou d'un condenseur relié à l'une de ces colonnes, à l'état liquide pour être mis à une pression plus élevée, être vaporisé par échange indirect de chaleur avec un premier flux caloporteur ou en pseudo vaporisé (à pression surcritique) et flnale- ment être recueilli comme produit gazeux sous pression. Le premier fluide caloporteur est fréquemment constitué par l'air utilisé et/ou par l'azote. L'échange de chaleur indirect peut se faire dans un échangeur de chaleur distinct ou dans l'échangeur de chaleur principal dans lequel on effectue également le refroidissement de l'air utilisé. De tels procédés par compression interne sont par exemple connus selon les documents: DE 830805, DE 901542 (=US 2712738/US 2784572), DE 952908, DE 110 3363 (US 3083544), DE 1112997 (= US 3214925), DE 1124529, DE 1117 616 (= US 3280574), DE 1226616 (= US 3216206), DE 1229561 (= US 322 2878), DE 1199293, DE 1187248 (= US 3371496), DE 1235347, DE 1258 882 (= US 3426543), DE 1263037 (= US 3401531), DE 1501722 (= US 341 6323), DE 1501723 (= US 3500651), DE 2535132 (= US 4279631), DE 264 6690, EP 93448 B1 (= US 4555256), EP 384483 B1 (= US 5036672), EP 50 5812 B1 (= US 5263328), EP 716280 B1 (= US 5644934), EP 842385 B1 (= US 5953937), EP 758733 B1 (= US 5845517), EP 895045 B1 (= US 60388 85), DE 19803437 Al, EP 949471 B1 (= US 6185960 B1), EP 955509 Al = US 6196022 B1), EP 1031804 Al (= US 6314755), DE 19909744 Al, EP io 1067345 Al (=US 6336345), EP 1074805 Al (= US 6332337), DE 1995459 3 Al, EP 1134525 Al (= US 6477860), DE 10013073 Al, EP 1139046 Al, EP 1146301 Al, EP 1150082 Al, EP 1213552 Al, DE 10115258 Al, EP 1 284404 Al (= US 2003051504 Al), EP 1308680 Al (= US 6612129 B2), DE 10213212 Al, DE 10213211 Al, EP 1357342 Al ou DE 1023828 2A1. L'augmentation de pression dans le liquide peut se faire à l'aide de n'importe quel moyen connu par exemple à l'aide d'une pompe, ou en utilisant un potentiel hydrostatique et/ou par vaporisation pour faire monter la pression dans un réservoir. L'expression vaporisation englobe ici la pseudo vaporisation à pression surcritique. La pression à laquelle est mis le produit liquide peut également dépasser la pression critique de même que la pression du fluide caloporteur qui sera condensé par rapport à l'azote (pseudo) condensation. Le document EP 895045 B1 (US 6038885), décrit déjà un réservoir à liquide et des moyens reliés à celui-ci pour augmenter la pression dans le réservoir de liquide et pour utiliser la compression interne c'est-à-dire permettant également un fonctionnement de secours en cas de panne du système à colonnes de distillation en poursuivant la fourniture du produit gazeux sous pression. En mode de fonctionnement de secours, le produit liquide mis en pression est évaporé vis-à-vis d'une autre seconde veine de fluide caloporteur habituellement dans un évaporateur atmosphérique ou à bain d'eau. Cette intégration offre de nombreux avantages. En cas de travaux d'entretien ou de révision au niveau du ré- servoir à liquide, il faut toutefois couper toute l'installation ce qui ne per- met ni le fonctionnement normal, ni le fonctionnement de secours. But de l'invention La présente invention a ainsi pour but d'augmenter la disponibilité du système décrit ci-dessus. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans un mode de fonctionnement en dérivation, la fraction de produit liquide extraite du système de colonnes de distillation contourne le réservoir à liquide, on la met par le jeu de pompes, à l'état liquide à pression élevée on vaporise par échange indirect de chaleur et on extrait le produit gazeux sous pression. En d'autres termes, dans le procédé selon l'invention, on prévoit un troisième état ou mode de fonctionnement à savoir le mode en dérivation. Selon ce mode de fonctionnement, la fraction de produit ex-traite à l'état liquide du système des colonnes de distillation passe devant le réservoir à liquide pour arriver dans le groupe de pompage à l'état liquide et est mis à une pression plus importante avec échange thermique indirect avec une première veine de fluide caloporteur pour être vaporisé et être extrait à l'état de produit gazeux sous pression. Pour augmenter la pression et permettre la vaporisation, on peut prévoir en outre des moyens supplémentaires. Mais en général il est plus avantageux d'utiliser en mode de dérivation pour cela les mêmes moyens (tels que par exemple des pompes et des échangeurs de chaleur) et la même veine de fluide caloporteur que pour le fonctionnement normal. La présente invention permet ainsi de poursuivre la corn- pression interne même pendant des instants auxquels on ne dispose pas du réservoir. L'installation peut continuer à fournir du produit gazeux sous pression. Le mode de dérivation peut également être utilisé en cas de variation provisoire de la pureté de la fraction du produit liquide venant du système de colonnes de distillation pour éviter de polluer le produit stocké dans le réservoir à liquide. Dans ce cas il peut être avantageux de contourner le réservoir selon l'invention. Les moyens pour augmenter la pression à l'état liquide se composent principalement de pompes. En principe, il est également possible d'utiliser une seule pompe. Pour des raisons de redondance, on utiliser fréquemment un jeu de pompes c'est-à-dire plusieurs pompes branchées en parallèle. Un jeu ou groupe de pompes peut alors se composer de deux ou trois pompes correspondant chaque fois à 50 % de la capacité ; dans le cas de trois pompes ou plus, on maintient une unique pompe en attente pour qu'en cas d'incident de fonctionnement, l'une des autres pompes as- sure sa fonction. Indépendamment de leur nombre, l'ensemble des pompes est régulé de façon générale par chaque fois une dérivation de pompes as- sociée à chaque pompe prise séparément, permettant de détendre la quantité excédentaire de liquide pompé et de renvoyer cette quantité dans le réservoir à liquide. Dans le cas où l'augmentation de pression à l'état liquide en mode de fonctionnement normal est assurée par un jeu de pompe composé d'une ou plusieurs pompes séparées, branchées en parallèle, avec au moins une pompe munie d'une première dérivation par laquelle on détend au moins de temps en temps une partie du produit liquide sortant de la pompe pour le renvoyer au réservoir à liquide et en ce que le même jeu de pompes est également utilisé en mode de dérivation pour augmenter la pression à l'état liquide, il est avantageux qu'au moins une pompe séparée comporte une seconde dérivation en plus de la première dérivation par laquelle en mode de dérivation, se détend au moins de temps en temps une partie du produit liquide sortant de la pompe pour passer devant le réservoir à liquide et être conduit à l'entrée du jeu de pompes. De manière préférentielle, plusieurs pompes ou toutes les pompes de ce jeu de pompes ont une première et une seconde dérivation dans le sens expliqué cidessus. La présente invention s'applique également à des systèmes de colonnes de distillation à plusieurs faisceaux ayant un réservoir à li- quide commun comme décrit dans la demande de brevet allemand non publié antérieurement 10 2004 006283. Dans ce cas, la fraction de pro-duit venant de deux ou plusieurs lignes du système de colonnes de distillation est conduite dans le réservoir à liquide. A la fois le réservoir à liquide et les moyens pour augmenter la pression sont utilisés par deux ou plusieurs lignes du système de colonnes de distillation. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de l'unique figure qui est un schéma d'un exemple de réalisation. Description du mode de réalisation L'installation de fractionnement d'air 1 comporte un système à colonnes de distillation permet l'extraction d'une fraction de produit 2, à l'état liquide. Dans l'exemple, le système de colonnes de dis- tillation est un système à deux colonnes comprenant une colonne à haute pression et une colonne basse pression et la fraction de produit 2 est de l'oxygène liquide que l'on extrait de la base de la colonne basse pression. En fonctionnement normal, l'oxygène liquide 2 arrive par la vanne ouverte 51 par la conduite 3 dans un réservoir à liquide 4. En même temps, de l'oxygène liquide 5 est puisé du réservoir (la vanne 52 est également ouverte) pour arriver dans un jeu de pompes 6 composé d'une seule pompe ou de plusieurs pompes distinctes branchées en parallèle. Le liquide est alors mis à la pression souhaitée pour le produit pour passer par la conduite 7 (la vanne 53 est ouverte) dans un premier évaporateur 8 pour y être évaporé à l'aide d'une première veine de fluide caloporteur. Cette veine est de préférence constituée par une veine d'air d'alimentation fortement comprimée pour l'installation de fractionnement d'air 1 ou encore par de l'azote à pression élevée provenant de l'installation de frac- tionnement d'air 1. L'évaporateur 8 de cet exemple de réalisation est constitué par l'évaporateur principal de l'installation de fractionnement d'air 1 dans lequel on refroidit l'air utilisé jusqu'à la température de rectification. En variante, il peut également s'agir d'un échangeur de chaleur autre que l'échangeur principal par exemple d'un condenseur auxiliaire. L'oxygène sort de la conduite 9 comme produit gazeux sous pression pour alimenter un utilisateur ou un système de distribution. Une dérivation de pompe 10 permet de réguler la quantité pompée. Cette conduite et une vanne d'étranglement 54 permet de fournir en général une partie de la quantité pompée en retour au réservoir à li- quide 4. Le dessin ne montre qu'une dérivation de pompe 10. Si le jeu de pompes 6 se compose de plus d'une pompe distincte, chaque pompe séparée aura une conduite distincte avec une vanne d'étranglement et d'arrêt distincte. Si l'installation de fractionnement d'air 1 s'arrête à cause d'une interruption de fonctionnement planifiée ou accidentelle, le système passe en mode de fonctionnement de secours. Pour cela, les vannes 51, 53 sont fermées et la vanne 61 ouverte. Ainsi, l'oxygène liquéfié stocké dans le réservoir à liquide 4 passe par la conduite 60 dans un autre évaporateur 62 qui assure l'évaporation à l'aide d'une seconde veine de fluide caloporteur par exemple différent de la première veine de fluide caloporteur. Le second évaporateur 62 est par exemple un évaporateur atmosphérique ou un évaporateur à bain d'eau. En mode de secours, l'oxygène s'échappe comme produit gazeux sous pression par la conduite 63 du système pour alimenter un utilisateur ou un système de distribution. On passe en mode de dérivation si l'installation de fractionnement d'air 1 fonctionne mais s'il n'est pas possible de conduire l'oxygène liquide 2 dans le réservoir 4 ou si cela n'est pas souhaité. Pour cela, les vannes 51, 52, 54, 61 sont fermées et le flux de produit liquide 2 passe par une conduite de dérivation 70 (la vanne 71 est ouverte) en con-tournant le réservoir 4 pour arriver dans le jeu de pompes 6. La régulation de la pompe ne se fait pas à l'aide de la dérivation de pompe 18 décrite ci-dessus mais par une seconde dérivation de pompe 75 comportant une vanne d'étranglement 74 permettant de reconduire le liquide dans l'installation de fractionnement d'air 1. En variante à la régulation par une dérivation, on peut également assurer la régulation de la pompe dans tous les cas de fonction-15 nement par une régulation de la vitesse de rotation. REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'obtention d'un produit gazeux sous pression par fractionnement de l'air à basse température selon lequel: en mode de fonctionnement normal, - on comprime de l'air d'alimentation, on le refroidit et on le fournit à un système de colonnes de distillation (1), - on extrait (2) une fraction de produit à l'état liquide du système de colonne de distillation (1) et on fournit (3) ce liquide à un réservoir à liquide (4), - on prélève le produit liquide (5) du réservoir à liquide (4) et on le fournit à l'état liquide à un jeu de pompes (6) ayant une ou plusieurs pompes séparées branchées en parallèle, pour le mettre à une pression élevée, puis on effectue un échange de chaleur indirect (8) avec une première veine de fluide caloporteur pour vaporiser, et on extrait le produit (9) gazeux sous pression, et en mode de fonctionnement de secours, - on extrait le produit liquide (5) du réservoir à liquide (4), on le met à l'état liquide à pression élevée (6), on le vaporise par échange indirect de chaleur dans un échangeur de secours (62) avec une seconde veine de fluide caloporteur et on extrait le produit gazeux sous pression (63), caractérisé en ce que dans un mode de fonctionnement en dérivation, - la fraction de produit (2) liquide extraite du système de colonnes de distillation (1) contourne (70) le réservoir à liquide, on la met par le jeu de pompes (6), à l'état liquide à pression élevée (6) on vaporise par échange indirect de chaleur (8) et on extrait le produit (9) gazeux sous pression. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une pompe séparée du jeu de pompe (6) comporte une première dérivation de pompe (10) par laquelle en mode de fonctionnement normal au moins de temps en temps on détend (54) une partie du liquide sortant de la pompe et on la reconduit dans le réservoir à liquide (4), et au moins une pompe séparée comporte en plus de la première dérivation de pompe (10) une seconde dérivation de pompe (75) par laquelle en mode de dérivation, au moins de temps en temps une partie du produit liquide sortant de la pompe (6) est détendue, puis contourne le réservoir à liquide pour être reconduite dans le système de colonnes de distillation. 3 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le système à colonnes de distillation est un système à deux ou plusieurs lignes et la fraction de produit de deux ou plusieurs lignes du système de colonnes de distillation est conduite dans le réservoir à liquide. 4 ) Dispositif d'obtention d'un produit gazeux sous pression par fractionnement d'air basse température, comportant: - un système de colonnes à distillation (1), un réservoir à liquide (4), - un jeu de pompes (6) d'une ou plusieurs pompes branchées en parallèle, - un échangeur de chaleur principal (8) et un échangeur de chaleur de secours (62) et - une régulation du système en fonctionnement normal et en mode de secours, selon lesquels en mode de fonctionnement normal, - on comprime de l'air d'alimentation, on le refroidit et on le fournit à un système de colonnes de distillation (1), - on extrait (2) une fraction de produit à l'état liquide du système de colonne de distillation (1) et on fournit (3) ce liquide à un réservoir à liquide (4), - on prélève le produit liquide (5) du réservoir à liquide (4) et on le fournit à l'état liquide à un jeu de pompes (6) ayant une ou plusieurs pompes séparées branchées en parallèle, pour le mettre à une pression élevée, puis on effectue un échange de chaleur indirect (8) avec une première veine de fluide caloporteur pour vaporiser, et on extrait le produit (9) gazeux sous pression, et en mode de fonctionnement de secours, - on extrait le produit liquide (5) du réservoir à liquide (4), on le met à l'état liquide à pression élevée (6), on le vaporise par échange indirect de chaleur dans un échangeur de secours (62) avec une seconde veine de fluide caloporteur et on extrait le produit gazeux sous pression (63), caractérisé en ce que le dispositif de régulation assure en outre la régulation du fonctionnement du dispositif en mode de dérivation pour qu' en mode de dérivation, io la fraction de produit (2) prélevée à l'état liquide du système de colonnes de distillation (1) contourne le réservoir à liquide (70) pour être mis à une pression plus élevée à l'état liquide (6), être évaporé par échange thermique indirect (8) et être extraite comme produit gazeux sous pression (9).