Brevet FR2896861A1 — publié le 20070803

La présente invention est relative à un procédé de régulation d'un ensemble d'appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, comprenant au moins deux appareils de séparation d'air par distillation cryogénique. Pour la distillation cryogénique, le gaz traité doit être sec et décarbonaté pour éviter la formation de glace dans la boîte froide. Un des systèmes les plus performants pour épurer l'air est de traiter le gaz dans une purification en tête. Le système est composé de deux bouteilles, une travaillant en adsorption, l'autre dans une des étapes de régénération. Sur certains sites, plusieurs unités de distillation cryogénique sont installées pour produire la quantité de gaz nécessaire. Avec la purification en tête, une des étapes de la séquence de régénération consiste à re-pressuriser la bouteille qui vient d'être régénérée, avant de pouvoir la passer en adsorption. Pour un cycle total de 120 à 300 minutes, l'étape de pressurisation dure en règle générale entre 5 et 20 minutes. Ce temps est fonction du débit d'air supplémentaire disponible pour la re-pressurisation. De façon générale, on utilise entre 2 et 10% du débit d'air (par rapport au débit nominal) pour repressuriser une bouteille. La quantité d'air envoyé à l'appareil de séparation sera donc réduite d'autant pendant la pressurisation. Sur des sites avec plusieurs appareils de séparation d'air, les étapes de la séquence des dessiccations sont indépendantes les unes des autres. Sur un site avec N Unités d'air (N >=2), il y a une probabilité d'avoir jusqu'à N étapes de pressurisation en même temps. Il est un but de la présente invention d'avoir le moins d'étapes de pressurisation possibles simultanées. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de régulation d'un ensemble d'appareils de séparation d'air par distillation cryogénique, l'ensemble comprenant N appareils de séparation d'un mélange gazeux, en particulier l'air, où N>1, dans lequel on envoie un gaz de l'air de substantiellement la même composition des N appareils à une unité consommatrice, chaque appareil comprenant un système de colonnes de distillation et une unité d'adsorption du type dans lequel on utilise au moins deux adsorbeurs, qui suivent chacun, en décalage, le même cycle où se succèdent une phase d'adsorption, à une haute pression du cycle, et une phase de régénération avec dépressurisation, qui se termine par une repressurisation de l'adsorbeur, le procédé comportant une étape de mise en parallèle des adsorbeurs d'une unité, chaque appareil ayant un temps de cycle d'adsorption caractérisé en ce que l'on règle le fonctionnement d'au moins certaines des unités d'épuration de sorte que l'étape de repressurisation pour un appareil débute à un instant différent de début de la repressurisation pour un autre appareil. Selon d'autres aspects facultatifs : - le mélange gazeux est épuré dans l'unité d'adsorption en amont du système de colonnes pour chaque appareil - on règle le fonctionnement des unités d'adsorption de sorte que les étapes de repressurisation des unités d'adsorption ont toutes lieu à des périodes différents. - on règle le fonctionnement des unités d'adsorption de sorte qu'au moins certaines des unités d'adsorption opèrent au moins occasionnellement 15 avec des temps de cycle différents. - le temps de cycle d'au moins une unité d'adsorption est modifiée en cours d'opération afin que les étapes de repressurisation ne soient pas simultanées. - le mélange gazeux est de l'air et au moins deux des appareils 20 fournissent de l'oxygène gazeux et/ou de l'azote gazeux , de préférence sous pression, à l'unité consommatrice - on règle les unités d'adsorption de sorte qu'il y ait un multiple de M/N secondes entre la fin de cycle d'un appareil et la fin de cycle des autres appareils où M est le temps de cycle moyen pour les N appareils. 25 - le temps de cycle d'au moins une unité d'adsorption est modifiée pendant que le cycle est encore en cours. - le temps de cycle d'au moins une unité d'adsorption est modifiée en fonction de la température d'un gaz provenant de l'unité d'adsorption et/ou en fonction de la composition d'un gaz provenant de l'unité d'adsorption. 30 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un ensemble d'appareils de séparation d'un mélange gazeux, éventuellement de l'air par distillation cryogénique, l'ensemble comprenant N appareils de séparation de mélange gazeux, où N>1, chaque appareil alimentant une unité consommatrice en un gaz de l'air de substantiellement la même composition et chaque appareil comprenant un système de colonnes de distillation et une unité d'adsorption du type dans lequel on utilise au moins deux adsorbeurs, qui suivent chacun, en décalage, le même cycle où se succèdent une phase d'adsorption, à une haute pression du cycle, et une phase de régénération avec dépressurisation, qui se termine par une repressurisation de l'adsorbeur, le procédé comportant une étape de mise en parallèle des adsorbeurs, chaque appareil ayant un temps de cycle caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler le fonctionnement d'au moins certains des unités d'épuration de sorte que l'étape de repressurisation pour un appareil débute à un instant différent de début de la repressurisation pour un autre appareil. Eventuellement l'ensemble comprend un réchauffeur commun (RC) pour chauffer un gaz de régénération provenant d'un premier système de colonnes d'un premier des N appareils en amont d'une première unité d'adsorption et pour chauffer un gaz de régénération provenant d'un deuxième système de colonnes d'un deuxième des N appareils en amont d'une deuxième unité d'adsorption. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures dans lesquelles : La Figure 1 montre le nombre de pressurisations simultanées à un moment donné sans l'invention. La Figure 2 montre le nombre de pressurisations simultanées à un moment donné avec l'invention. Les Figures 3 et 4 montrent les variations des temps de cycle pour un ensemble de quatre appareils de séparation d'air selon l'invention. La Figure 5 montre la variation des températures des débits entrant et sortant d'une bouteille d'adsorption. La Figure 6 montre un ensemble de quatre appareils de séparation d'air selon l'invention. La Figure 1 avec le nombre de pressurisations simultanées en ordonnés et le temps en abscisse montre que sur un site avec quatre unités de séparation d'air alimentant un même client, on peut avoir 2, 3 ou 4 pressurisations au même moment, ce qui se traduit en une baisse de pureté et/ou de quantité de produit pour le client final alimenté par plusieurs des appareils. L'invention s'applique à tous procédés de séparation d'air avec au moins une double colonne (colonne moyenne pression et colonne basse pression) avec une production d'oxygène dit pompé : c'est-à-dire que l'oxygène liquide soutiré en fond de colonne basse pression est pompé à une pression supérieure à 10 bars, avant d'être vaporisé dans un ou des échangeurs. L'invention s'applique aussi pour des appareils produisant de l'oxygène impur par le principe de la colonne de mélange. L'invention consiste à déterminer pour chaque cycle de chaque unité de séparation d'air si ce cycle doit être légèrement augmenté ou au contraire légèrement diminué, afin de s'assurer qu'à terme toutes les séquences des différentes unités de séparation d'air sont désynchronisées. A la fin normale du cycle d'une bouteille, l'état d'avancement du cycle des autres unités permet de calculer de combien de minutes on doit augmenter ou réduire le cycle de la bouteille concernée. Par exemple, si on a une bouteille déjà en repressurisation, on augmentera le temps de cycle de l'autre (des autres) unité(s) (dans une limite raisonnable par exemple de 10 minutes) pour attendre si possible la fin de repressurisation de l'autre système. Comme illustré aux Figures 3 et 4, l'opérateur détermine l'unité pilote, ici l'unité 4. Le calcul se fera pour toutes les unités lorsque l'unité pilote arrivera presque à la fin de son cycle (c'est à dire à TempsDeCycle û DeltaMax). DeltaMax est la variation maximale de cycle que l'on peut se permettre pour ajuster le temps de cycle. Chaque unité sera dans une étape de cycle (nécessairement plus petit que l'unité pilote). Nous aurons donc : - l'unité 1 au temps O, - l'unité 2 au temps P, - l'unité 3 au temps Q, et l'unité pilote 4 au temps R avec R = (Temps de Cycle) û (DeltaMax) = 4M û (DeltaMax) On pose M = (Temps de Cycle)/4. On cherche les inconnues A, B, C et D qui viendront limiter ou augmenter les cycles de l'unité 1, 2, 3 ou 4 de façon à avoir M minutes entre deux fins de cycle Le système doit résoudre les problèmes suivants 4M-R+O+A-D = M P-O+B-A = M Q-P+C-B = M R-Q+D-C = M soit : A = R-O-3*M+D B = R-P-2*M+D C = R-Q-M+D D quelconque ; ce système a une infinité de solution, mais on sait que A, B, C et D doivent être entre ùDeltaMax et +DeltaMax. On choisit de considérer D tel que A+B+C+D = 0 (lorsque le système est stable, la solution doit être A=B=C=D=O) On obtient alors D = (-3*R+O+P+Q+6*M) / 4 La solution du système est alors : D = Maximum( -DeltaMax ; Minimum( +DeltaMax ; (-3*R+O+P+Q+6*M) /4 )) C = Maximum( -DeltaMax ; Minimum( +DeltaMax ; (-3*Q+R+O+P+2*M) /4 )) B = Maximum( -DeltaMax ; Minimum( +DeltaMax ; (-3*P+Q+R+O-2*M) / 4)) A = Maximum( -DeltaMax ; Minimum( +DeltaMax ; (-3*0+P+Q+R-6*M) / 4)) La méthode de calcul décrite ci-dessus est une méthode simple ; bien sûr d'autres méthodes plus complexes peuvent être envisagées. Grâce à l'invention, la demande maximale d'énergie correspond à la demande totale design plus la sur-demande correspondant à une seule pressurisation. Ce qui permet de réduire de façon significative la taille donc le coût du système d'apport d'énergie. Par exemple avec quatre appareils de séparation d'air, une demande en air pour la repressurisation de 5% et une énergie de compression d'air venant d'une détente de vapeur d'eau, la consommation maximale de vapeur pour les quatre appareils serait de 4*Design + 5%*Design = 405 Design au lieu de 4*Design + 4*5%*Design = 420 Design selon l'art antérieur. Le temps maximal que le système pourra utiliser sera fonction de la charge de l'unité. Ainsi à forte charge, le système pourra augmenter ou réduire le temps de cycle de 5 minutes (par exemple). A charge réduite (la séquence étant plus longue), le système pourra augmenter ou réduire le temps de cycle de 10 minutes. A charge réduite, le temps de cycle pourra aussi être augmenté de 10 minutes et être réduit de 20 minutes (en fonction de l'avancement de l'étape de refroidissement, c'est-à-dire que la température du résiduaire sortant de la bouteille en étape de refroidissement est assez froide. Comme on voit dans la Figure 5, la température en sortie de bouteille réduit en début de cycle, puis augmente jusqu'à ce qu'un pic de chaleur soit atteint, vers 105 minutes dans la figure. Une fois ce pic passé, le temps de cycle peut être raccourci, par exemple si la température du résiduaire est inférieure à la température normale du résiduaire+ 10 C ou à la température ambiante +10 C. La limite pour l'augmentation maximale du cycle peut être fixée par l'augmentation de la teneur de dioxyde de carbone en sortie de bouteille au- delà d'un seuil donné. Par exemple, si la teneur augmente à 1 ppm de dioxyde de carbone par rapport à un seuil, il faut changer de bouteille. Ce système permet aussi d'utiliser le même réchauffeur pour deux unités ou plus. En effet les périodes de régénération par un gaz chaud seront, elles aussi, désynchronisées. Le débit global comprimé dans tous les compresseurs d'air variant moins qu'avec l'art antérieur, sa consommation d'énergie varie moins, ce qui peut constituer un avantage supplémentaire: • Lorsque l'énergie de compression vient d'une détente de vapeur d'eau, la consommation de vapeur varie moins (il y a moins de perturbation sur le réseau de vapeur, donc il n'y a pas de risque de faire chuter la pression du collecteur de vapeur). • Lorsque le compresseur est entraîné par un moteur électrique, il est beaucoup plus facile de prévoir la consommation électrique de l'unité, et ainsi d'optimiser la facture (surtout si le coût de l'énergie est basé sur une part fixe et une part variable). • La Figure 6 montre un ensemble de quatre appareils de séparation d'air. L'appareil 1 reçoit de l'air comprimé 1C. Cet air est épuré dans l'unité d'adsorption 1A dont le cycle est fixé selon l'invention et l'unité d'adsorption produit un débit résiduaire 1W qui a servi à la régénération, ce débit 1 R provenant l'origine du système de colonnes de distillation 1 B. L'air épuré 1 E est envoyé eu système de colonnes 1B et est séparé pour former un débit d'oxygène gazeux 1GOX par vaporiser d'oxygène liquide pompé ou par tout autre moyen connu. • Chacun des appareils 2,3 et 4 fonctionne substantiellement de la même manière que décrit pour l'appareil 1 et ils ne seront pas décrits dans le détail. Les appareils 1 à 4 pourront par exemple être des appareils à pompe tel que décrits dans The Technology of Catalytic Oxidations', Editions Technip, Arpentinier et al. ou des appareils à colonne de mélange. Les débits 1 GOX ; 2GOX, 3GOX et 4GOX sont envoyés à une unité consommatrice 5, telle qu'une unité de gazéification ou une unité d'oxydation partielle. • Un réchauffeur commun sert à réchauffer les débits de régénération 1 R, 2R car le réchauffage des deux débits n'aura pas lieu en 20 même temps. • Il sera aisément compris que l'invention pourra être utilisée dans un ensemble d'appareils de séparation d'un mélange ayant pour composants principaux de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone et/ou du méthane et/ou de l'azote. 25 REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation d'un ensemble d'appareils de séparation d'air par distillation cryogénique, l'ensemble comprenant N appareils de séparation d'air (1, 2, 3, 4), où N>1, dans lequel on envoie un gaz de substantiellement la même composition des N appareils à une unité consommatrice (5), chaque appareil comprenant un système de colonnes de distillation d'un mélange gazeux, (1B, 2B, 3B, 4B), en particulier l'air, et une unité d'adsorption du mélange gazeux, en particulier l'air (1A, 2A, 3A, 4A) du type dans lequel on utilise au moins deux adsorbeurs, qui suivent chacun, en décalage, le même cycle où se succèdent une phase d'adsorption, à une haute pression du cycle, et une phase de régénération avec dépressurisation, qui se termine par une repressurisation de l'adsorbeur, le procédé comportant une étape de mise en parallèle des adsorbeurs d'une unité, chaque appareil ayant un temps de cycle d'adsorption caractérisé en ce que l'on règle le fonctionnement d'au moins certaines des unités d'épuration de sorte que l'étape de repressurisation pour un appareil débute à un instant différent de début de la repressurisation pour un autre appareil. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on règle le fonctionnement des unités d'adsorption (1A, 2A, 3A, 4A) de sorte que les étapes de repressurisation des unités ont toutes lieu à des périodes différents. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on règle le fonctionnement des unités d'adsorption (1A, 2A, 3A, 4A) de sorte qu'au moins certaines des unités d'adsorption opèrent au moins occasionnellement avec des temps de cycle différents. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le temps de cycle d'au moins une unité (1A, 2A, 3A, 4A) est modifié en cours d'opération afin que les étapes de repressurisation ne soient pas simultanées. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux est de l'air et au moins deux des appareils fournissent de l'oxygène gazeux et/ou de l'azote gazeux à l'unité consommatrice. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on règle les unités d'adsorption (1A, 2A, 3A, 4A) de sorte qu'il y ait un multiple de M/N secondes entre la fin de cycle d'un appareil et la fin de cycle des autres appareils où M est le temps de cycle moyen pour les N appareils. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le temps de cycle d'au moins une unité d'adsorption (1A, 2A, 3A, 4A) est modifiée pendant que le cycle est encore en cours. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le temps de cycle d'au moins une unité d'adsorption (1A, 2A, 3A, 4A) est modifiée en fonction de la température d'un gaz (1W) provenant de l'unité d'adsorption et/ou en fonction de la composition d'un gaz (1W) provenant de l'unité d'adsorption. 9. Ensemble d'appareils de séparation d'air par distillation cryogénique, l'ensemble comprenant N appareils de séparation d'un mélange gazeux, en particulier de l'air (1, 2, 3, 4), où N>1, chaque appareil alimentant une unité consommatrice (5) en un gaz de substantiellement la même composition et chaque appareil comprenant un système de colonnes de distillation (1B, 2B, 3B, 4B) et une unité d'épuration du mélange gazeux, en particulier de l'air (1A, 2A, 3A, 4A) du type dans lequel on utilise au moins deux adsorbeurs, qui suivent chacun, en décalage, le même cycle où se succèdent une phase d'adsorption, à une haute pression du cycle, et une phase de régénération avec dépressurisation, qui se termine par une repressurisation de l'adsorbeur, le procédé comportant une étape de mise en parallèle des adsorbeurs, chaque appareil ayant un temps de cycle caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler le fonctionnement d'au moins certains des unités d'épuration de sorte que l'étape de repressurisation pour un appareil débute à un instant différent de début de la repressurisation pour un autre appareil. 10. Ensemble selon la revendication 9 comprenant un réchauffeur commun (RC) pour chauffer un gaz de régénération (1 R) provenant d'un premier système de colonnes (1B) d'un premier des N appareils en amont d'une première unité d'adsorption et pour chauffer un gaz de régénération (2R) provenant d'un deuxième système de colonnes (2B) d'un deuxième des N appareils en amont d'une deuxième unité d'adsorption.10