Brevet FR2903483A1 — publié le 20080111

La présente invention est relative à un procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier elle concerne la production d'azote utilisant une simple colonne tenue en froid par biberonnage (l'envoi d'azote liquide provenant d'une source extérieure en tête de la colonne). Elle vise plus particulièrement la satisfaction de besoins modérés (typiquement 100 à 2 000 Nm3/h) et variables en azote à pureté élevée, c'est-à-dire contenant typiquement moins de 0,1 % d'oxygène. Dans le présent mémoire, les débits considérés sont des débits massiques. L'azote à pureté élevée est habituellement obtenu par voie cryogénique. io Pour les faibles consommations, la construction d'une unité de production autonome classique représente un investissement prohibitif, dans le cas d'installations automatisées, et un investissement plus limité mais des dépenses en personnel élevées dans le cas inverse, ce qui se traduit toujours par un prix de revient élevé de l'azote. 15 Une solution plus économique consiste à utiliser un évaporateur, c'est-à-dire un réservoir d'azote liquide de grande capacité, par exemple de plusieurs dizaines de milliers de litres, d'où l'azote liquide est soutiré et vaporisé. Cette solution est peu satisfaisante du point de vue énergétique, car l'énergie frigorifique contenue dans l'azote liquide est perdue, et, en outre, elle 20 nécessite la présence à une distance relativement faible d'une unité de production d'azote liquide, pour que le coût du ravitaillement de l'évaporateur par camion-citerne reste modéré. Parfois un générateur d'azote gazeux avec biberonnage est installé avec un système de fourniture de secours constitué par un évaporateur, qui 25 permet soit de fournir du gaz au client si l'appareil est défaillant soit de produire plus d'azote gazeux si le client consomme plus que la production nominale de l'appareil. Le liquide du système de fourniture de secours est généralement vaporisé dans un réchauffeur atmosphérique tel que l'on voit dans EP-A-0452177. 30 Lors d'un pic de consommation du client, de l'azote liquide du stockage est vaporisé dans un échangeur atmosphérique (ou une piscine à eau) pour fournir l'appoint de molécules d'azote, qui va être mélangé à l'azote produit au 2 2903483 débit de l'appareil cryogénique. La puissance frigorifique du liquide est alors perdue. L'azote liquide sert aussi au maintien en froid de l'appareil, par biberonnage. La quantité d'azote liquide envoyé à l'appareil en fonctionnement 5 stable est environ 3 % du débit azote produit par l'appareil. L'invention propose de récupérer une partie de la puissance frigorifique du liquide qui va être vaporisé, lorsque le système de fourniture de secours est utilisé pour un pic de consommation. Selon l'invention, lors d'un pic de consommation, tout ou partie du io liquide, que l'on devrait, selon l'art antérieur, vaporiser dans un réchauffeur atmosphérique pour faire l'appoint de molécules, est envoyé dans la colonne à distiller, via la ligne de biberonnage. Dans la colonne à distiller, cet afflux de liquide augmente le taux de reflux dans la colonne. A débit d'air constant, on peut alors extraire plus 15 d'azote que le nominal de l'appareil, en augmentant le taux d'extraction. Cette augmentation de débit permet d'avoir quasiment une molécule de gaz supplémentaire pour une molécule de liquide ajoutée. La colonne joue alors le rôle de vaporiseur de liquide venant du stockage. L'augmentation du reflux de la colonne a pour conséquence une 20 production excédentaire de liquide riche en cuve de colonne par rapport au nominal. Cet excédent traduit la récupération des frigories du liquide venant du stockage. Cet excédent peut être stocké soit dans la cuve de la colonne, soit dans un récipient dédié. Ce mode de fonctionnement de l'appareil s'arrête lorsque le pic de 25 demande est fini ou lorsque la capacité de stockage de LR est atteinte. Le taux d'extraction revient à sa valeur nominale et l'appareil produit sa capacité nominale (Figure 2). Si le pic de demande continue (Figure 3), l'appoint de molécules est de nouveau fourni par la vaporisation atmosphérique. Le liquide riche stocké va être utilisé pour le maintien en froid de 30 l'appareil, à la place du biberonnage classique d'azote liquide. En fonction du profil de consommation client, on peut même imaginer avoir assez d'autonomie entre deux pics de consommation, pour s'affranchir complètement du biberonnage. 3 2903483 On a alors un gain non négligeable des coûts opératoires par réduction, voire annulation de la consommation d'azote liquide. Selon un premier aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on produit un débit 5 variable d'azote gazeux au moyen d'une installation de distillation d'air comprenant une colonne de distillation d'air adaptée pour produire un débit nominal d'azote gazeux et dont la tête est reliée à une source d'azote liquide par les étapes suivantes : i) pendant toutes les marches de la colonne : io a) on envoie un débit d'air comprimé, refroidi et épuré à une ligne d'échange et ensuite à la colonne b) on soutire de la colonne un débit d'azote gazeux c) on contrôle le niveau de liquide de cuve de la colonne ii) pendant une première marche de la colonne où la production 15 requise correspond à la production nominale a) on envoie un débit B de liquide de biberonnage à la colonne iii) pendant une deuxième marche de la colonne, où la production requise est supérieure à la production nominale, a) on augmente le débit de liquide de biberonnage à la colonne à 20 B+x b) et on augmente le débit de production d'azote gazeux de la colonne. Selon d'autres aspects facultatifs : - l'installation comprend un système de fourniture de secours et dans 25 lequel pendant la deuxième et/ou la troisième marche de la colonne on envoie de l'azote liquide de la source au système de fourniture de secours où il se vaporise ; - l'augmentation x en débit molaire du débit de biberonnage pendant la deuxième marche est égale à entre 0,8 et 1,2 fois l'augmentation 30 en termes de débit molaire du débit produit par la colonne ; - pendant la deuxième marche on augmente le débit de biberonnage par rapport au débit B pendant la première marche et on vaporise de l'azote liquide dans le système de fourniture de secours ; 4 2903483 - pendant la deuxième marche on augmente le débit de biberonnage par rapport au débit pendant la première marche et on ne vaporise pas de l'azote liquide dans le système de fourniture de secours et pendant la troisième marche si la production requise reste au- 5 dessus de la production nominale on arrête d'envoyer du liquide de biberonnage à la colonne, au moins dans un premier temps, et on vaporise de l'azote liquide dans le système de fourniture de secours ; - on contrôle le niveau de liquide de cuve soit dans la cuve de la io colonne soit dans un réservoir relié à celle-ci ; - pendant une troisième marche de la colonne, on arrête d'envoyer du liquide de biberonnage B+x à la colonne si la production requise est réduite au moins à la production nominale ou, si la production requise ne réduit pas au moins à la production 15 nominale, si le niveau de liquide de cuve dépasse un premier seuil ; - pendant une troisième marche de la colonne lorsque le niveau de liquide de cuve atteint un premier seuil, on maintient l'envoi de liquide de biberonnage avec un débit B de sorte que le niveau de 20 liquide de cuve reste constant et on arrête le débit de biberonnage quand la production requise réduit au moins à la production nominale ; - pendant une quatrième marche de la colonne, on envoie de nouveau du liquide de biberonnage à la colonne si le niveau de 25 liquide de cuve passe en dessous d'un deuxième seuil ; - pendant la quatrième marche, la production requise est égale ou inférieure à la production nominale, on envoie de nouveau un débit de B du liquide de biberonnage à la colonne et aucun débit de liquide n'est envoyé au système de fourniture de secours ; 30 - pendant la quatrième marche la production requise est supérieure à la production nominale, on envoie un débit de B+ x du liquide de biberonnage à la colonne et du liquide est éventuellement 5 2903483 envoyé au système de fourniture de secours si le biberonnage (et la surproduction de la colonne qui en découle) ne suffit pas. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : 5 i) une ligne d'échange, ii) une colonne de distillation, iii) une conduite pour amener de l'air comprimé, épuré et refroidi à la ligne d'échange et de la ligne d'échange à la colonne, iv) une conduite pour amener de l'azote gazeux de la colonne à la ligne io d'échange pour le réchauffer comme produit, v) un condenseur de tête pour condenser d'azote de tête de la colonne, vi) une conduite d'amenée d'azote liquide provenant d'une source extérieure, la conduite d'amenée d'azote liquide étant reliée à la tête 15 de la colonne, vii) des moyens pour détecter le niveau de cuve de la colonne reliés à une conduite d'amenée d'azote liquide caractérisé en ce que les moyens pour détecter le niveau de cuve de la colonne sont capables d'arrêter l'envoi d'azote liquide à la colonne si le niveau 20 de cuve atteint un seuil haut et/ou de redémarrer l'envoi d'azote liquide à la colonne si le niveau de cuve atteint un seuil bas. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regards des dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 représente schématiquement une installation conforme à 25 l'invention, et - les Figures 2, 3, 4 et 4bis sont des diagrammes illustrant le procédé suivant l'invention, - la Figure 5 est un diagramme illustrant le procédé selon l'art antérieur. 30 L'installation 7 représentée à la Figure 1 comprend essentiellement : - le réservoir précité 8, - une boîte froide 9 contenant d'une part une colonne de distillation d'air 10, d'autre part une ligne d'échange thermique 11, 6 2903483 - un appareil 12 d'épuration d'air par adsorption, - un compresseur d'air 14, et - un aéroréfrigérant 15. Le réservoir 8 peut également se trouver à l'intérieur de la boîte froide 5 ou même former une structure intégrée avec la colonne 10. La conduite 16 débouche dans une conduite d'utilisation 17 équipée d'une capacité tampon 18 et, en aval de celle-ci, d'un capteur de pression 19. Le fonctionnement de l'installation 7 va maintenant être décrit en regard des Figures 1, 2, 3, 4, 4bis et 5. La Figure 1 représente un appareil de io séparation d'air selon l'invention. Sur les diagrammes des Figures 2, 3, 4, 4bis et 5, on a porté en abscisses le temps t, et en ordonnées plusieurs paramétrages, dont la signification va apparaître dans la suite. On s'intéresse d'abord au fonctionnement nominal DN pour lequel la colonne est conçue. 15 Dans ce fonctionnement (correspondant à t REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on produit un débit variable d'azote gazeux au moyen d'une installation de s distillation d'air comprenant une colonne de distillation d'air (10) adaptée pour produire un débit nominal d'azote gazeux et dont la tête est reliée à une source d'azote liquide par les étapes suivantes : i) pendant toutes les marches de la colonne : a) on envoie un débit d'air comprimé, refroidi et épuré à une ligne io d'échange et ensuite à la colonne b) on soutire de la colonne un débit d'azote gazeux (16) c) on contrôle le niveau de liquide de cuve de la colonne ii) pendant une première marche de la colonne où la production requise correspond à la production nominale 15 a) on envoie un débit B (20)de liquide de biberonnage à la colonne iii) pendant une deuxième marche de la colonne, où la production requise est supérieure à la production nominale, a) on augmente le débit de liquide de biberonnage à la colonne à 20 B+x b) et on augmente le débit de production d'azote gazeux de la colonne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'installation comprend un 25 système de fourniture de secours (27) et dans lequel pendant la deuxième et/ou une troisième marche de la colonne on envoie de l'azote liquide de la source au système de fourniture de secours (27) où il se vaporise. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'augmentation x en 30 débit molaire du débit de biberonnage pendant la deuxième marche est égale à entre 0,8 et 1,2 fois l'augmentation en termes de débit molaire du débit produit par la colonne (10). 15 2903483 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel pendant la deuxième marche, on augmente le débit de biberonnage par rapport au débit B pendant la première marche et on vaporise de l'azote liquide dans le système de fourniture de secours (27). 5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel pendant la deuxième marche, on augmente le débit de biberonnage par rapport au débit pendant la première marche et on ne vaporise pas de l'azote liquide dans le système de fourniture de secours (27) et pendant une troisième marche io si la production requise reste au-dessus de la production nominale on arrête d'envoyer du liquide de biberonnage à la colonne, au moins dans un premier temps, et on vaporise de l'azote liquide dans le système de fourniture de secours. 15 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on contrôle le niveau de liquide de cuve soit dans la cuve de la colonne (10) soit dans un réservoir relié à celle-ci. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant 20 une troisième marche de la colonne, on arrête d'envoyer du liquide de biberonnage B+x à la colonne (10) si la production requise est réduite au moins à la production nominale ou, si la production requise ne réduit pas au moins à la production nominale, si le niveau de liquide de cuve dépasse un premier seuil. 25 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel pendant une troisième marche de la colonne (10) lorsque le niveau de liquide de cuve atteint un premier seuil, on maintient l'envoi de liquide de biberonnage avec un débit B de sorte que le niveau de liquide de cuve reste constant 30 et on arrête le débit de biberonnage quand la production requise est réduite au moins à la production nominale. 16 2903483 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel, pendant une quatrième marche de la colonne (10), on envoie de nouveau du liquide de biberonnage (27) à la colonne si le niveau de liquide de cuve 5 passe en dessous d'un deuxième seuil. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel pendant la quatrième marche si la production requise est égale ou inférieure à la production nominale, on envoie de nouveau un débit de B du liquide de biberonnage io à la colonne (10) et aucun débit de liquide n'est envoyé au système de fourniture de secours (27). 11. Procédé selon la revendication 9 dans lequel pendant la quatrième marche si la production requise est supérieure à la production nominale, is on envoie un débit de B+x du liquide de biberonnage à la colonne (10) et du liquide est éventuellement envoyé au système de fourniture de secours (27) si le biberonnage (et la surproduction de la colonne qui en découle) ne suffit pas. 20 12. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : i) une ligne d'échange (11) ii) une colonne de distillation (10) iii) une conduite pour amener de l'air comprimé, épuré et refroidi à la ligne d'échange et de la ligne d'échange à la colonne 25 iv) une conduite pour amener de l'azote gazeux de la colonne à la ligne d'échange pour le réchauffer comme produit v) un condenseur de tête (23) pour condenser d'azote de tête de la colonne. vi) une conduite d'amenée d'azote liquide provenant d'une source 30 extérieure (8), la conduite d'amenée d'azote liquide étant reliée à la tête de la colonne vii) des moyens pour détecter le niveau de cuve de la colonne reliés à une conduite d'amenée d'azote liquide 17 2903483 caractérisé en ce que les moyens pour détecter le niveau de cuve de la colonne sont capables d'arrêter l'envoi d'azote liquide à la colonne si le niveau de cuve atteint un seuil haut et/ou de redémarrer l'envoi d'azote liquide à la colonne si le niveau de cuve atteint un seuil bas. 5