Brevet FR2918741A1 — publié le 20090116

La présente invention concerne l'intégration de plusieurs unités de séparation. La présente invention s'applique aux procédés de séparation des gaz de l'air par distillation cryogénique, en particulier du type à compression interne (oxygène gazeux est produit par vaporisation sous pression dans la ligne d'échange) par exemple en présence de compresseur booster d'air, où (n) boites froides sont alimentées par (m) compresseurs d'air principaux et (p) compresseurs boosters d'air, avec (q) tours de refroidissement d'air par contact direct avec de l'eau, (r) appareils d'épuration en tête pour épurer l'air, (s) tours io de refroidissement d'eau par contact direct avec l'azote provenant d'un appareil de séparation d'air, où n≠m≠p≠q≠r≠s≠l Lorsque plusieurs unités de séparation des gaz de l'air de tailles identiques ou différentes sont installées sur un même site, il peut se révéler nécessaire dans certains cas 15 o de maximiser la taille de certain type de machine ou d'équipement et ainsi avoir moins d'équipement à installer o d'éviter d'installer des tailles des machines ou d'équipement hors de références industrielles connues compatibles unitairement avec la taille des boites froides 20 o d'améliorer la fiabilité du site. o de réutiliser des machines ou équipement existants qui ne sont pas nécessairement compatible avec la taille de la ou des boites froides, limitant ainsi l'investissement Pour cela, la création de collecteurs ou réseaux, interconnectant les 25 différents équipements entre eux se révèle être une solution. Les collecteurs ou réseaux pouvant servir à résoudre les problématiques citées ci-dessus se déclinent ainsi (à noter que tous les réseaux cités ci après ne sont pas nécessairement installés): o réseau d'air humide moyenne pression, réseau d'air sec moyenne 30 pression, interconnectant les compresseurs d'air, avant et après les épurations en tête o Le réseau d'air humide permet de s'accommoder d'un nombre de compresseurs d'air principaux différents des équipements en aval. Par exemple : 30 2 2918741 ^ m compresseur(s) principal (aux) d'air alimentant q tours air eau avec q = m + x, ou r épurations avec r = m + x ; où m 1 et x 1 ^ m compresseurs principaux d'air alimentant q tour(s) air eau avec q=m-x,ourépurations avec r=mùx;oùmùx>Oet x#0 5 o Le réseau d'air sec moyenne pression permet de s'accommoder d'un nombre d'épuration en tête différents des équipements en aval ^ r épuration(s) en tête alimentant n boites froides avec n = r + x, ou p compresseurs booster d'air avec p = r + x ; où r 1 et x 1 ^ r épurations en tête alimentant n boite(s) froides(s) avec n = r - x, io ou p compresseurs booster d'air avec p = r ù x ; où r ù x > 0 et x # 0 o réseau d'air haute pression interconnectant les compresseurs boosters d'air en sortie o Le réseau d'air sec haute pression permet de s'accommoder un nombre de compresseurs de surpression d'air différent du nombre des 15 équipements en aval Par exemple : ^ p compresseur(s) booster d'air alimentant n boites froides avec n =p+x;oùp 1 etx1 ^ p compresseurs booster d'air alimentant n boite(s) froide(s) avec n=p - x; oùpùx>0 et x#0 20 o Note : Dans le cas où il y a plusieurs compresseurs de surpression d'air, il peut être avantageux de surdimensionner légèrement chaque compresseur de surpression d'air afin d'améliorer la fiabilité du site. En fait en régime normal tous les compresseurs de surpression d'air opèrent à une charge réduite (préférablement au-dessus de 70%), et lorsque l'un de ces 25 compresseurs de surpression d'air s'arrête, les autres compresseurs de supression restants sont poussés à leur maximum de façon à compenser soit totalement ou partiellement le déficit d'air haute pression ^ Capacité maximale d'une machine respecte la règle suivante : M CT -CE CN • C = NB _ f et CM >_ 0.70 avec : o CM = capacité d'une machine en marche maximale o CT = capacité totale des machines en marche nominale o CE = capacité effaçable 3 2918741 o NBAc = nombre total de compresseurs installés o = capacité d'une machine en marche nominale réduite o réseau d'azote impur interconnectant les circuits de régénération des 5 adsorbeurs o La plus large portion de l'azote résiduaire produit est utilisée généralement dans la tour de refroidissement d'eau par contact direct avec de l'azote provenant d'un appareil de séparation d'air qui se trouve proche de la boite froide afin de minimiser la taille des collecteurs. L'autre partie du débit est io envoyé dans un réseau d'azote impur qui alimente individuellement les adsorbeurs afin d'en assurer leur régénération. Par exemple : ^ n boite(s) froide(s) alimentant r épurations avec r = n + x ; où n 1 etx1 ^ n boites froides alimentant r épuration(s) en tête avec r = n - x; 15 oùn û x > 0 et x#0 o Note : Il peut se révéler utile dans certains cas par exemple une boite froide alimentée par deux épurations en tête d'avoir deux fluides différents pour régénérer chaque épuration en tête, cela évite de caler tout le circuit de pression de l'unité de séparation d'air sur l'épuration en tête la moins 20 performante en perte de charge. A ces fins un fluide non dépendant de l'azote résiduaire peut être utilisé, comme de l'azote moyenne pression détendu par exemple o réseau d'eau froide interconnectant les circuits de refroidissement issus des tours eau azote alimentant les tours air eau 25 o Le réseau d'eau froide issu des tours de contact direct de refroidissement d'eau par échange de chaleur avec de l'azote se révèle utile quand le nombre de tours de contact direct eau azote est différent du nombre de tours de contact direct air eau. Par exemple : ^ s tour(s) eau azote alimentant q tours air eau avec q = s + x ; où s 30 1 etx1 ^ s tours eau azote alimentant q tour(s) air eau avec q = s - x; où s û x>Oet x #0 Pour tous les réseaux ou collecteurs mentionnés précédemment, les réseaux ou collecteurs permettent aussi de connecter entre eux des 4 2918741 équipements de fonction identique mais de taille différente, globalisant ainsi les flux, pour pouvoir les redistribuer sur les équipements en aval égaux en nombre à ceux en amont, mais de tailles différentes ayant une capacité totale identique aux équipements en amont. s Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant n boîtes froides, où de préférence n>_ 1, r appareils d'épuration d'air, q tours de refroidissement d'air par contact direct avec de l'eau, s tours de refroidissement d'eau par contact direct avec de l'azote provenant d'une boîte froide de l'installation et m compresseurs io principaux d'air pour comprimer l'air à partir de la pression ambiante où au moins une des conditions suivantes est remplie a)q=s+x;oùs 1 etx1 b)q=s - x;oùs û x>Oet x #0. c)r=n+x;oùn ?1etx1. 15 d)r=n - x;oùn û x > 0 et x~0 e)q=m+x; oùm?1 etx?1 f) r=m+x;oùm>_1 etx1 g) q=m-x,;oùmûx>Oet x~0 h) r = m û x ; où m û x > 0 et x~0 20 i) n≠m≠pOq≠rOs≠ 1. Selon d'autres objets facultatifs de l'invention : - l'installation comprend un collecteur d'eau pour collecter de l'eau d'au moins deux tours de refroidissement d'eau et pour la distribuer à au moins deux tours de refroidissement d'air. 25 -q=s+x;oùs ?1etx1 - q=s - x;oùs û x>Oet x ~0. - l'installation comprend un collecteur d'azote provenant d'au moins deux boîtes froides relié à au moins deux appareils d'épuration d'air. - au moins un appareil d'épuration d'air n'est pas relié au collecteur 30 d'azote et est relié par une conduite de fourniture d'azote à une des boîtes froides. - l'appareil d'épuration d'air non relié au collecteur, la conduite de fourniture et la boîte froide reliée à la conduite de fourniture sont reliés à un moyen de détente d'azote. 5 2918741 - r = n + x; où n ?1etx?1. - r=n - x;oùn û x > 0 et x~0. - chacune des boites froides et/ou chacun des appareils d'épuration et/ou chacune des tours de refroidissement est adapté(e) à traiter un débit identique. s - chacune des boites froides et/ou chacun des appareils d'épuration et/ou chacune des tours de refroidissement est adapté(e) à traiter un débit différent. - de l'air comprimé dans au moins deux compresseurs principaux d'air est envoyé à un collecteur d'air relié à au moins deux des boîtes froides Un circuit typique de circulation d'eau entre la tour de refroidissement io d'air par contact direct avec l'eau et la tour de refroidissement d'eau par contact direct avec l'azote provenant d'un appareil de séparation d'air est décrit dans Industrial Gas Handbook de F.G. Kerry, 2007, pages 112 et 113. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui montre des installations intégrées de trois appareils de séparation d'air selon is l'invention. Dans la Figure 1, l'installation comprend cinq compresseurs d'air principaux 1, cinq tours de refroidissement d'air par contact direct avec de l'eau 2, cinq appareils d'épuration d'air 3, quatre compresseurs de surpression d'air 4, trois boîtes froides 5, trois tours de refroidissement d'eau par contact direct 20 avec de l'azote 6 et trois pompes 7 d'eau refroidie dans les tours 6. L'air comprimé dans les cinq compresseurs 1 et envoyé à un collecteur d'air humide 10. De ce collecteur 10, l'air humide est reparti à cinq tours de refroidissement 2 et ensuite envoyé de chaque tour à un appareil d'épuration respectif 3 sans être mélangé. L'air épuré est envoyé à un collecteur 13 d'air 25 sec moyenne pression. L'air de ce collecteur est envoyé en partie directement aux trois boîtes froides 5 sans être surpressé et en partie aux surpresseurs 4 connectés en parallèle. Les sorties des surpresseurs 4 sont connectées à un collecteur d'air sec haute pression 14 qui distrbue l'air haute pression aux trois boîtes froides 5. 30 De l'azote de chaque boîte froide 5 est envoyé à un tour de refroidissement d'eau associé 6. Le reste de l'azote est envoyé à un collecteur d'azote 12 qui distribue l'azote aux cinq appareils d'épuration d'air 3 pour régénérer les bouteilles. 6 2918741 L'eau refroidie dans chaque tout de refroidissement eau azote 6 est pompée par une pompe respective 7 puis envoyé à un collecteur d'eau froide 11 qui distribue l'eau aux cinq tours de refroidissement d'air par contact direct avec de l'eau 2. 5 La Figure 2 montre une variante de la Figure 1 où un des appareils d'épuration d'air est alimenté en azote non pas par le collecteur 12 mais par une conduite 15 relié à une boîte froide 5 à travers une turbine de détente 16 d'azote moyenne pression. 7 REVENDICATIONS 1. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant n boîtes froides (5) où de préférence n? 1, r appareils d'épuration d'air (3), q tours de refroidissement d'air (2) par contact direct avec de l'eau, s tours de refroidissement d'eau (6) par contact direct avec de l'azote provenant d'une boîte froide de l'installation et m compresseurs principaux d'air (1) pour comprimer l'air à partir de la pression ambiante où au moins une des conditions suivantes est remplie : lo a) q=s+x;oùs ?1etx1 b) q=s - x;oùs ù x>Oet x ~0 c) r=n+x;oùn 1 etx1 d) r=n - x;oùn ù x > 0 et x~0 e) q=m+x;oùm1etx?1 15 f) r=m+x;oùm?1etx1 g) q=m-x,;oùmùx>Oet x~0 h) r=m ù x;où m ùx>0et x~0 i) n≠m≠p≠q≠r≠s≠1 20 2. Installation selon la revendication 1 comprenant un collecteur d'eau (11) pour collecter de l'eau d'au moins deux tours de refroidissement d'eau et pour la distribuer à au moins deux tours de refroidissement d'air. 3. Installation selon la revendication1 ou 2 où q = s + x ; où s ? 1 et x 25 1. 4. Installation selon la revendication 1 ou 2 où q = s - x; où s ù x > 0 et x~0. 30 5. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant un collecteur d'azote (12) provenant d'au moins deux boîtes froides (5) relié à au moins deux appareils d'épuration d'air (3). 15 25 8 2918741 6. Installation selon la revendication 5 dans laquelle au moins un appareil d'épuration d'air (3) n'est pas relié au collecteur d'azote et est relié par une conduite de fourniture d'azote (15) à une des boîtes froides (5). s 7. Installation selon la revendication 6 dans laquelle l'appareil d'épuration d'air (3) non relié au collecteur, la conduite de fourniture (15) et la boîte froide (5) reliée à la conduite de fourniture sont reliés à un moyen de détente d'azote (16). io 8. Installation selon l'une des revendications précédentes où r = n + x ; oùn >_1etx1. 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 7 où r = n - x; où n û x >0 et x~0. 10. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle chacun des boites froides (5) et/ou chacun des appareils d'épuration (3) et/ou chacune des tours de refroidissement (2,6) est adapté(e) à traiter un débit identique. 20 11. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle chacun des boites froides (5) et/ou chacun des appareils d'épuration (3) et/ou chacune des tours de refroidissement (2,6) est adapté(e) à traiter un débit différent. 12. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle n>_ 1.