Brevet FR2913759A1 — publié le 20080919

Les procédés traditionnels de production de gaz de l'air sous forme liquide ou gazeuse présentaient des architectures de procédés distinctes. Ainsi on trouvait : • un appareil de séparation de l'air produisant les constituants principaux (02, N2, Ar), à pression atmosphérique ou légèrement supérieure ; • une étape de compression des produits au moyen de compresseurs ; • un cycle indépendant de liquéfaction d'azote permettant de produire tout ou partie de chacun des constituants sous forme liquide si nécessaire. Cette configuration permettait une grande souplesse d'utilisation car chacune des trois fonctions mises en oeuvre (séparation, compression, liquéfaction) pouvait être opérée ou stoppée de façon indépendante sans affecter le fonctionnement des deux autres. Néanmoins, cette configuration souffre d'un manque de compétitivité important, compte tenu du coût très élevé de cette architecture, qui réclame un 15 appareil par fonction. Les procédés plus récents de production de gaz de l'air, que nous appelons procédés intégrés, présentent l'avantage de pouvoir combiner dans un seul équipement ces trois fonctions. Les appareils dits à pompe , incluant des cycles de détente d'air ou éventuellement d'azote, permettent de produire à 20 partir du même équipement les constituants de l'air sous forme gazeuse sous pression et liquide. Parmi ceux-ci, les procédé à paliers de vaporisation décalés pour délivrer des produits sous pression, tels que décrits dans le brevet EP-A-0504029 ou encore FR-A-2688052, sont particulièrement intéressants puisqu'ils permettent 25 la combinaison de ces fonctions à partir d'un unique compresseur d'air, à haute pression. L'efficacité énergétique de l'ensemble est comparable au procédé traditionnel et l'investissement est grandement diminué. Par contre la souplesse de production est affectée par la combinaison 3 en 1 des fonctions, et on pourra plus difficilement opérer ou arrêter une 30 fonction sans affecter l'ensemble. Le but de cette invention est de pouvoir combiner les avantages économiques des procédés intégrés, tout en conservant la souplesse et la flexibilité offerte par les procédés traditionnels. Selon l'invention, il est prévu un procédé de production d'au moins un gaz de l'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne moyenne pression opérant à une moyenne pression et une colonne basse pression opérant à une basse pression, thermiquement reliées entre elles dans lequel dans un premier et un deuxième mode de fonctionnement a) la totalité d'un débit d'air comprimé est portée à une haute pression, au moins 5 bars au dessus de la pression de la colonne moyenne pression, et épurée à cette haute pression, appelée pression principale ; b) cette pression principale est éventuellement variable en fonction des productions demandées ; c) une première partie du débit d'air à au moins la pression principale est refroidie dans une ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci et est détendue dans au moins une première turbine ; d) éventuellement une seconde partie du débit d'air est détendue dans au moins une seconde turbine (21B) dont les conditions d'admission et de refoulement diffèrent d'au plus 5 bars et d'au plus 15 C ou sont identiques en termes de pression et de température à celles de la première turbine ; e) éventuellement le travail fourni par la première ou une troisième turbine sert au moins partiellement au travail requis par un surpresseur ; f) la pression d'admission de la première turbine est très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale ; g) la pression de refoulement de la première turbine est supérieure 25 ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression ; h) un/le surpresseur comprime au moins une fraction du débit d'air à une haute pression, supérieure ou égale à la pression d'air principale refroidie dans la ligne d'échange jusqu'à une température cryogénique ( On se propose ici d'améliorer la flexibilité de production des procédés de type mono-machines tels que décrits précédemment : • soit en offrant la possibilité de réduire voire annuler la production de liquide des unités utilisant un procédé tel que décrit dans EP-A-0504029 ; • soit en offrant la possibilité de produire de façon efficace des liquides avec des procédés tels que décrits dans FR-A-2688052 ; • et en offrant la possibilité de faire l'un ou l'autre de façon réversible, et énergétiquement efficace dans les deux cas. Ce procédé utilise un système de distillation connu (colonnes moyenne pression et basse pression thermiquement reliées, éventuellement une colonne à pression intermédiaire et/ou une colonne de mélange et/ou une colonne de mixture argon, etc..) et met en jeu au moins deux turbines de détente. Deux débits sont à pression substantiellement égale si leurs pressions ne différent que par les pertes de charge. La fraction gazeuse du débit d'air aspiré par la turbine auxiliaire est préalablement détendue dans la première et/ou la seconde turbine, éventuellement envoyé à la colonne moyenne pression et soutiré de la colonne moyenne pression avant être envoyé à la turbine auxiliaire, après avoir été réchauffée dans la ligne d'échange principale. En premier mode de fonctionnement, la production de produit liquide, tous produits finaux confondus, constitue 1%, ou 2% ou 5% du débit d'air envoyé aux colonnes (ou à la colonne si seule la colonne moyenne pression est alimentée en air). L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui montrent des installations de séparation d'air capables de fonctionner selon le 30 procédé de l'invention. Dans la Figure 1, un débit d'air comprimé 1 provenant d'un compresseur principal est surpressé dans un surpresseur 3 à une haute pression au moins 5 bar abs au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression, cette haute pression étant appelée pression principale. Cette pression principale peut par exemple être entre 10 et 25 bars abs. A cette pression principale le débit 5 est ensuite épuré en eau et dioxyde de carbone (non-illustré). Le débit total d'air surpressé et épuré 5 est envoyé à une ligne d'échange 7 où il se refroidit jusqu'à une température T1. A cette température, le débit 5 est divisé en deux pour former un débit 9 qui se liquéfie et est envoyé au système de colonnes et un débit 11. Le débit 11 quitte la ligne d'échange 7 à la température T1 différent d'au plus 5 C de la température de vaporisation de l'oxygène pressurisé 33 et est envoyé à un surpresseur froid 13 pour produire un débit 15 à une pression très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale. Le débit 15 à une température T2 de sortie de surpresseur froid se refroidit dans la ligne d'échange 7 jusqu'à une température T3 plus élevée que T1. A cette température T3, le débit 15 est divisé en deux débits 17, 19. Le débit 17 est détendu dans une turbine 21 à partir de la température T3 proche de la température de pseudo vaporisation de l'oxygène pressurisé 33. La pression d'aspiration de la turbine 21 est égale à la pression de refoulement du surpresseur 13 donc très sensiblement supérieure à la moyenne pression (supérieure d'au moins 5 bars) et éventuellement supérieure à la pression principale et la pression de refoulement est supérieure ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression. Le débit détendu jusqu'à une pression supérieure ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression est envoyé au système de colonne comme débit 25. Le débit 19 poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange et est envoyé sous forme gazeuse au système de colonnes. Le surpresseur froid 13 est entraîné par la turbine 21. Un débit d'azote résiduaire se réchauffe dans la ligne d'échange. Un débit d'oxygène liquide 35 pressurisé dans une pompe 33 se vaporise dans la ligne d'échange 7. Optionnellement un liquide du système de colonnes, autre que l'oxygène liquide, est pressurisé, vaporisé dans la ligne d'échange 7 et sert ensuite de produit sous pression. Selon un premier mode de fonctionnement, une fraction d'air 25 est prélevé dans l'air épuré 5 à la pression principale et est refroidi dans la ligne d'échange 7. A une température T4 inférieure à -100 C et supérieure à T2, la fraction 25 est envoyée à une turbine 27 où elle se détend jusqu'à une température T5 formant un débit d'air 29. Ce débit d'air peut ensuite se réchauffer dans la ligne d'échange comme illustré ou sinon être renvoyé au système de colonnes. Un produit liquide est soutiré du système de colonnes comme produit final 32. Dans l'exemple le seul produit de l'appareil est de l'oxygène liquide mais d'autres produits peuvent évidemment être produits sous forme liquide. Selon un deuxième mode de fonctionnement le débit d'air 25 traité dans la turbine auxiliaire 27 est réduit éventuellement à zéro, le débit d'air principal entrant 1 est réduit d'un débit au moins égal à la réduction du débit d'air envoyée à la turbine auxiliaire 27 et la production de liquide 37 est diminuée éventuellement à zéro. Cette variation du débit d'air 1 entre les deux modes de fonctionnement 15 est assurée par les aubages variables d'un compresseur et/ou par la mise en route et/ou l'arrêt d'un compresseur d'air auxiliaire. Ces deux modes de fonctionnement peuvent constituer les seuls modes de fonctionnement de l'appareil ou bien il peut y avoir d'autres modes de fonctionnement. 20 Il peut y avoir une étape de compression (surpresseur 3B) entre la surpression chaude qui amène l'air à la pression principale et la surpression froide, de sorte que la surpression froide s'effectue à partir d'une pression au-dessus de la pression principale. De préférence, la turbine 21 est entraînée par le surpresseur 13 et le 25 surpresseur 3 entraîne la turbine auxiliaire 27. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'au moins un gaz de l'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne moyenne pression opérant à une moyenne pression et une colonne basse pression opérant à une basse pression, thermiquement reliées entre elles dans lequel dans un premier et un deuxième mode de fonctionnement a) la totalité d'un débit d'air comprimé est portée à une haute pression, au moins 5 bars au dessus de la pression de la colonne moyenne pression, et épurée à cette haute pression, appelée pression principale ; b) cette pression principale est éventuellement variable en fonction des productions demandées ; c) une première partie du débit d'air à au moins la pression principale est refroidie dans une ligne d'échange (7) jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci et est détendue dans au moins une première turbine (21); d) éventuellement une seconde partie du débit d'air est détendue dans au moins une seconde turbine (21 B) dont les conditions d'admission et de refoulement diffèrent d'au plus 5 bars et d'au plus 15 C ou sont identiques en termes de pression et de température à celles de la première turbine ; e) éventuellement le travail fourni par la première ou une troisième turbine sert au moins partiellement au travail requis par un surpresseur ; f) la pression d'admission de la première turbine est très sensiblement supérieure à la moyenne pression et éventuellement supérieure à la pression principale ; g) la pression de refoulement de la première turbine est supérieure ou égale à la moyenne pression, préférablement sensiblement égale à la moyenne pression ; h) un/le surpresseur (13) comprime au moins une fraction du débit d'air à une haute pression, supérieure ou égale à la pression d'air principale refroidie dans la ligne d'échange jusqu'à une température cryogénique ( 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel toutes les turbines sont freinées par un surpresseur d'air (3, 13). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un surpresseur (3) couplé à une des turbines aspire à température 30 ambiante. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de tous les surpresseurs, seul le surpresseur (13) relié mécaniquement à la première turbine (21) a une température d'aspiration en dessous de -100 C. 5 . Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'aspiration de la première turbine (21) diffère d'au plus 15 C, de la température de pseudo vaporisation de l'oxygène. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit d'air principal entrant (1) est réduit, pendant le deuxième mode, de préférence d'un débit au moins égal à la réduction pendant le deuxième mode du débit d'air envoyé à la turbine auxiliaire (27). 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la variation du débit d'air principal (1) est assurée par les aubages variables d'un compresseur. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7 dans lequel la variation de débit d'air principal (1) est assurée par la mise en route et/ou l'arrêt d'un compresseur d'air auxiliaire. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression d'air principale varie entre le premier mode et le deuxième mode. 20 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première partie de l'air est surpressée à une pression supérieure à la pression principale en amont de la première turbine (21) de sorte qu'elle rentre dans la première turbine substantiellement à une pression supérieure à la pression 25 principale. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'aspiration de la turbine auxiliaire (27) est plus élevée que la température d'aspiration de la première turbine (21). 12. Unité de refroidissement et de réchauffage de débits destinés à et provenant d'un système de colonnes de séparation d'air comprenant une ligne d'échange (7), une première turbine (21), une turbine auxiliaire (27), un surpresseur (13), la ligne d'échange comprenant : 30i) au moins un passage pour recevoir un premier débit d'air épuré, l'au moins un passage pour recevoir un premier débit d'air épuré étant relié au surpresseur, ii) au moins un passage relié au refoulement du surpresseur, l'au moins un passage relié au surpresseur étant relié à la première turbine, iii) au moins deux passages pour recevoir au moins deux fluides (35,37) qui se réchauffent, iv) au moins un passage pour recevoir un deuxième débit d'air épuré, l'au moins un passage pour recevoir le deuxième débit d'air épuré étant relié à l'aspiration de la turbine auxiliaire et le refoulement de la turbine auxiliaire étant relié à au moins un passage d'air à réchauffer et/ou à refroidir. 13. Unité selon la revendication 12 disposée de sorte qu'en opération, une des conditions suivantes est remplie : i) la température d'aspiration de la turbine auxiliaire (27) est supérieure à la température d'aspiration de la première turbine (21) ii) la température d'aspiration de la turbine auxiliaire (27) est supérieure à la température d'aspiration du surpresseur (13) iii) la température d'aspiration du surpresseur (13) est inférieure à la température d'aspiration de la première turbine (21) iv) la température de refoulement du surpresseur (13) est supérieure à la température d'aspiration de la première turbine (21) v) la température de refoulement du surpresseur (13) est supérieure à la température de refoulement de la turbine auxiliaire (27).25