Brevet FR2929697A1 — publié le 20091009

La présente invention est relative à la production d'un débit variable d'azote et d'un débit variable d'oxygène gazeux par distillation d'air. Elle concerne en premier lieu un procédé du type dans lequel une quantité variable d'azote est stockée sous forme liquide dans un premier réservoir d'où un débit variable d'azote est prélevé et vaporisé avec, de façon correspondante, stockage d'air sous forme liquide dans un second réservoir. Dans un procédé connu de ce type décrit dans EP-A-0422974 mis en oeuvre dans des installations réelles et connu sous l'appellation � procédé à bascule �, la vaporisation et la condensation d'oxygène correspondent à une condensation et à une vaporisation d'air, les échanges de chaleur étant effectués dans un échangeur de chaleur à l'extérieur de l'appareil de distillation d'air. Ce procédé permet de produire des quantités variables d'oxygène gazeux sous pression mais ne permet pas de produire de l'azote gazeux sous pression. Dans certaines applications telles que les IGCC, l'appareil de séparation d'air fournit simultanément un produit oxygène et un produit azote dont les débits varient toujours de façon proportionnelle. Par exemple si le débit d'oxygène varie de �20% par rapport à une marche nominale, le débit d'azote devra augmenter simultanément de �20% par rapport à une marche nominale .Selon l'état de l'art, on peut répondre à ce besoin : - soit par un appareil de séparation d'air produisant 100% d'oxygène et 100% d'azote en période de forte demande et réduisant la charge à 50% ou en mettant une partie à l'air en période creuse. L'appareil est dimensionné pour la marche 100% ; - soit par un appareil de séparation d'air équipé d'un système de bascule pour l'oxygène. L'appareil sera dimensionné pour la moyenne des molécules d'oxygène requises, soit 75%. C'est une solution économique pour l'oxygène mais alors le besoin en 100% d'azote ne pourra être satisfait en l'absence d'un débit d'air suffisant. II est un but de la présente invention de pallier au moins un défaut de l'art antérieur, en particulier de proposer une solution économique pour satisfaire la demande énoncée sur l'azote et sur l'oxygène. L'invention a pour objet un procédé de production d'un débit d'azote gazeux variable et d'un débit d'oxygène gazeux variable par distillation d'air dans lequel on produit un débit d'azote gazeux comprimé et un débit d'oxygène gazeux pressurisé par distillation d'un débit d'air comprimé, épuré et refroidi dans au moins une colonne d'un système de colonnes, on les envoie au client et a) pendant une période de forte demande d'azote gazeux et d'oxygène gazeux, on soutire de l'azote liquide d'un stockage d'azote liquide, on le vaporise par échange de chaleur avec un premier débit d'air comprimé, épuré et refroidi, on envoie l'azote vaporisé au client et on envoie le premier débit d'air liquéfié produit par l'échange de chaleur à un stockage d'air liquéfié, on soutire de l'oxygène liquide d'un stockage d'oxygène liquide, on le vaporise par échange de chaleur avec un deuxième débit d'air comprimé, épuré et refroidi, on envoie l'oxygène vaporisé au client et on envoie au moins une partie du deuxième débit d'air liquéfié produit par l'échange de chaleur au stockage d'air liquéfié b) pendant une période de demande réduite d'azote gazeux et d'oxygène gazeux, on soutire un troisième débit d'air liquide d'un stockage d'air liquéfié et on le vaporise par échange de chaleur avec un débit d'azote gazeux prélevé sur le débit envoyé au client, on envoie le troisième débit d'air vaporisé au système de colonnes et on envoie l'azote liquéfié par l'échange de chaleur au stockage d'azote liquide, on soutire un quatrième débit d'air liquide d'un stockage d'air liquéfié, on envoie le quatrième débit d'air liquéfié au système de colonnes sous forme liquide et on envoie de l'oxygène liquéfié du système de colonnes au stockage d'oxygène liquide. Le stockage d'air liquéfié où l'on envoie le premier débit d'air liquéfié peut être celui dont est soutiré le troisième et/ou le quatrième débit d'air liquide. L'oxygène liquide peut se vaporiser par échange de chaleur avec tout l'air à vaporiser dans la ligne d'échange principale. Eventuellement le troisième débit d'air vaporisé est envoyé à la distillation en le mélangeant avec l'air en aval d'un procédé d'épuration d'air et en amont du refroidissement dans la ligne d'échange principale. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, une unité d'épuration, une ligne d'échange principale, un stockage d'azote liquide, un stockage d'oxygène liquide et au moins un stockage d'air liquéfié, un compresseur d'azote, un premier échangeur, un deuxième échangeur, des moyens pour envoyer de l'air à distiller au système de colonnes, des moyens pour envoyer un premier débit d'air au premier échangeur, des moyens pour envoyer le premier débit d'air du premier échangeur au stockage d'air liquéfié, des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air au deuxième échangeur, des moyens pour envoyer le deuxième débit d'air du deuxième échanger au stockage d'air liquéfié ou à un autre stockage d'air liquéfié, des moyens pour prélever un troisième débit d'air liquéfié dans le stockage alimenté par le premier débit et pour l'envoyer au premier échangeur pour le vaporiser, des moyens pour envoyer le troisième débit vaporisé à la distillation, des moyens pour prélever un quatrième débit d'air liquide dans le stockage alimenté par le deuxième débit d'air liquéfié et pour l'envoyer à la distillation, des moyens pour envoyer un débit variable d'azote gazeux du système de colonnes au premier échangeur pour le condenser, des moyens pour envoyer l'azote condensé du premier échangeur au stockage d'azote, des moyens pour prélever de l'azote liquide dans le stockage et pour l'envoyer au premier échangeur pour le vaporiser, des moyens pour envoyer un débit d'oxygène liquide du système de colonnes au stockage d'oxygène, des moyens pour envoyer de l'oxygène liquide du stockage d'oxygène au deuxième échangeur. Selon d'autres aspects de l'invention, il est prévu que : - le deuxième échangeur est la ligne d'échange principale de l'appareil ; - seuls l'azote et de l'air provenant de ou destiné au stockage d'air échangent de la chaleur dans le premier échangeur ; - l'oxygène liquide et éventuellement l'air liquide rentrent dans le stockage respectif par le haut du stockage ; - l'azote liquide et éventuellement l'air liquide rentrent dans le stockage respectif par le bas du stockage. L'installation peut comprendre des moyens pour envoyer le troisième débit d'air vaporisé à la distillation à un point en amont de la ligne d'échange principale et en aval de l'unité d'épuration, et éventuellement des moyens de modification de la pression du troisième débit en amont de ce point. Contrairement au procédé de EP-A-0422974, dans ce procédé si les demandes d'oxygène et d'azote sont élevées ou basses, on ne maintient pas constants les débits de chaque fluide introduit dans l'appareil de distillation et de chaque fluide soutiré de cet appareil, par contre comme dans EP-A-0422974 on fait varier le débit total d'air à traiter de la même façon que le débit d'air condensé par vaporisation d'oxygène. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lesquels les Figures 1 et 2 représentent deux marches différentes d'un procédé de séparation d'air selon l'invention et la Figure 3 représente schématiquement une mode de réalisation d'une partie d'une installation conforme à l'invention. Dans la Figure 1, un appareil de séparation d'air ayant une boîte froide 3 est alimenté par un débit d'air 1 refroidi, épuré et comprimé. Cet appareil produit de l'oxygène gazeux 5, éventuellement sous pression, de l'azote gazeux 7, pressurisé par un compresseur 9, et de l'oxygène liquide 27. Il peut également produire d'autres produits, tel que l'argon. L'appareil comprend également des stockages d'oxygène liquide 29, d'azote liquide 19 et d'air liquide 39, au moins un de ces stockages pouvant être situé en dehors de ou à l'intérieur de la boîte froide. Quand les besoins en azote gazeux du client sont en dessous d'un seuil donné, une partie 13 de l'azote comprimé par le compresseur 9 est envoyée à un échangeur de chaleur par contact indirect 15 où elle échange de la chaleur avec un débit d'air liquide 19 provenant du stockage d'air liquide 39 à travers les conduites 23,24, les vannes V5, V7 étant ouvertes et la pompe 31 d'air liquide étant en fonctionnement. La vanne V9 est fermée. L'air vaporisé est envoyé par la conduite 25 à l'appareil de séparation d'air, comme illustré en plus de détail à la Figure 3. L'azote ainsi liquéfié 17 dans l'échangeur 15 est envoyé au stockage d'azote liquide 19 à travers la vanne V4 et la conduite 55. La pompe 41 d'azote liquide ne fonctionne pas et la vanne V3 est ouverte. Puisqu'en générale les besoins en oxygène gazeux sont en dessous d'un seuil donné en même temps que les besoins en azote réduisent, de l'oxygène liquide 27 provenant de l'appareil 3 est envoyé en haut du stockage d'oxygène liquide à travers la vanne V2 et la conduite 53. La vanne V1 est fermée et la pompe d'oxygène liquide 51 ne fonctionne pas. Une autre portion de l'air liquide 19 est envoyée à l'appareil de séparation d'air 3 à travers la conduite 21 et la vanne V9, pour compenser le manque de liquide dans l'appareil de séparation d'air. De l'oxygène gazeux 5 est soutiré de l'appareil de séparation en tant que produit. Quand les besoins en azote du client sont au-dessus d'un seuil donné, l'appareil fonctionne comme illustré à la Figure 2. Un débit d'air comprimé, épuré et refroidi 25 est prélevé sur le débit d'air destiné à l'appareil de séparation d'air 3, comme illustré en plus de détail à la Figure 3. Ce débit est envoyé à l'échangeur 15 où il échange de la chaleur avec de l'azote liquide soutiré du stockage 19 à travers la conduite 17 et la vanne V3 par la pompe 41. L'azote vaporisé 13 sert de supplément pour l'azote provenant directement du compresseur 9 et est envoyé au client. L'air liquéfié dans l'échangeur 15 passe à travers les conduites 57 et la vanne V6, la vanne V7 étant fermée, dans le stockage 39, par le haut ou le bas. En même temps, de l'oxygène gazeux est produit à travers la conduite 5. De l'oxygène liquide est soutiré du stockage 29 est envoyé à travers la vanne V2 et la conduite 27 à l'appareil de séparation d'air 3, comme illustré en plus de détail dans la Figure 3. Une autre portion d'air liquide provenant de l'appareil de séparation d'air est envoyée au stockage 39 à travers les vannes V8,V6 et les conduites 55,57. L'installation représentée à la Figure 3 montre en plus de détail le contenu de la boîte froide 3 des Figures 1 et 2 ainsi que l'autres éléments 101,102,100 à l'extérieur de la boîte froide. Elle comprend essentiellement un compresseur d'air principal 101 à débit variable, par exemple du type centrifuge à aubages mobiles, un appareil d'épuration par adsorption 102, une ligne d'échange thermique 103, une turbine 104 de maintien en froid, éventuellement un surpresseur 100, un appareil 105 de distillation d'air constitué par une double colonne comprenant elle-même une colonne moyenne pression 106 surmontée d'une colonne basse pression 107 et un vaporiseur-condenseur 108, un échangeur de chaleur auxiliaire 9, une pompe 24, un réservoir d'oxygène liquide 29 et un réservoir d'air liquéfié 39. Cette installation est destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux via une conduite 112, sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique ainsi qu'un débit variable d'azote gazeux. Pour décrire le fonctionnement de cette installation, on supposera tout d'abord que la demande d'oxygène gazeux dans la conduite 112 et la demande d'azote gazeux 11 sont constantes et égales à la production nominale, soit 20 0/0 du débit d'air nominal comprimé par le compresseur 101 pour l'oxygène. Dans tout le présent mémoire, les pressions indiquées sont des pressions absolues approximatives, et les débits sont des débits molaires. Le débit nominal d'air à traiter, comprimé à 6 bars par le compresseur 101, refroidi à la température ambiante et épuré dans l'appareil 102, est divisé en deux flux ayant chacun un débit constant : - un premier flux est refroidi dans des passages 113 de la ligne d'échange ; une partie est sortie de cette ligne d'échange après un refroidissement partiel, détendue vers 1 bar dans la turbine 104 et insufflée dans la colonne basse pression 107 au voisinage de son point de rosée ; le reste poursuit son refroidissement jusqu'au voisinage de son point de rosée sous 6 bars, puis est injecté au bas de la colonne moyenne pression 6 via une conduite 14 ; - un second flux est éventuellement surpressé par le surpresseur 100 illustré en pointillés , refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée dans des passages de la ligne d'échange puis condensé dans le deuxième échangeur 109 et stocké sous forme liquide dans le réservoir 39. Un débit constant d'air liquéfié est soutiré du fond de ce réservoir et est divisé en un premier débit constant sous 6 bars envoyé dans la colonne moyenne pression via une conduite 116, et un second débit constant détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 117 puis injecté dans la colonne basse pression 7. Le vaporiseur-condenseur 8 vaporise un débit constant d'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression par condensation d'un débit à peu près égal d'azote de tête de la colonne moyenne pression. Du � liquide riche � (air enrichi en oxygène) prélevé en cuve de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 18 est injecté à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression, et du � liquide pauvre � (azote à peu près pur) prélevé en tête de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 19 est injecté au sommet de la colonne basse pression. Un débit constant d'oxygène liquide, correspondant à 20 % du débit d'air entrant, passe, via une conduite 20, dans le stockage 29. Un débit constant identique d'oxygène liquide est soutiré du fond de ce réservoir, pressurisé dans la pompe 24, vaporisé dans l'échangeur 9, réchauffé dans des passages 21 de la ligne d'échange et fourni à la conduite 12 de production. Pour pouvoir effectuer cette vaporisation, le débit correspondant d'air est éventuellement surpressé à une pression quelque peu supérieure à la pression de vaporisation de l'oxygène par le surpresseur 100, condensé dans un deuxième échangeur 109, puis éventuellement détendu à 6 bars dans une vanne de détente V6 avant d'être stocké dans le stockage 39. Dans la figure, cet échangeur 109 est un échangeur indépendant où se vaporise l'oxygène liquide par échange de chaleur avec une partie de l'air à distiller, éventuellement la partie surpressée. Par contre il est envisageable de vaporiser l'oxygène provenant du stockage 29 dans la ligne d'échange principal 103. Dans ce cas, l'échangeur 109 serait supprimé. En outre, un débit constant d'azote impur, soutiré du sommet de la colonne basse pression, est réchauffé dans des passages 122 de la ligne d'échange et envoyé via une conduite 7 au compresseur 9 pour servir de produit 11. Un débit d'azote gazeux est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 106, éventuellement comprimé dans le compresseur 9 et envoyé au client. Sinon l'azote peut être soutiré sous forme liquide, pompé et vaporisé en amont du compresseur 9. En marche normale, aucun débit ne circule dans les conduites 13,17, 23,24 des Figures 1 et 2. Si la demande en oxygène gazeux et la demande en azote gazeux augmentent, de l'oxygène liquide est envoyé du stockage 29 à l'échangeur 3 et un plus grand débit d'oxygène est vaporisé dans l'échangeur 3. Ceci augmente le débit d'air condensé dans cet échangeur, ce qui crée un appel d'air supplémentaire vers cet échangeur, dans les passages de cette ligne d'échange. Le réglage des aubages du compresseur 1 est alors modifié de façon à admettre ce débit d'air supplémentaire. Le niveau du liquide dans le stockage 29 baisse, et il monte dans le stockage 39. En même temps pour augmenter la quantité d'azote produite, de l'azote 43, préalablement liquéfié et stocké dans le stockage 37, est amené à la pression requise par pressurisation dans la pompe 41 et vaporisé dans le premier échangeur 15 par échange de chaleur avec de l'air dans la conduite 25. L'air gazeux est pris en aval de l'épuration et en amont de la ligne d'échange 103. S'il y a un surpresseur 100, il peut être pris en amont ou en aval de celui-ci. L'air peut être surpressé ou détendu dans la conduite 25, selon la pression de vaporisation requise. L'air sous pression provenant de la conduite 25 est liquéfié, éventuellement sous-refroidi et stocké dans le stockage 39, éventuellement à une pression différente de sa pression de condensation. L'azote sous pression vaporisé et à température ambiante sera amené en complément de la production 7 de la colonne moyenne pression. L'azote peut être produit alternativement ou additionnellement par la colonne basse pression 107 ou par une colonne à pression intermédiaire si la double colonne est remplacée par une triple colonne, par exemple de type Etienne. Inversement, si la demande en oxygène gazeux et la demande en azote gazeux diminuent, de l'oxygène liquide est envoyé de la colonne basse pression 107 au stockage 29 et un débit réduit d'oxygène est vaporisé dans l'échangeur 9. Ceci réduit le débit d'air condensé dans cet échangeur, et donc également le débit d'air circulant dans les passages 15 de la ligne d'échange. Le réglage des aubages du compresseur 1 est alors modifié de manière à diminuer d'autant le débit d'air atmosphérique aspiré. On voit donc que l'on peut répondre à la variation de la demande d'oxygène gazeux par une simple modification du réglage des aubages du compresseur 1 et du surpresseur 25, ce qui peut s'effectuer simplement et quasi-instantanément. Pour réduire le débit d'azote, de l'azote comprimé est envoyé par la conduite 13 vers l'échangeur 15 et le stockage 19. L'air ainsi vaporisé est envoyé en aval de l'épuration 102 et en amont de la ligne d'échange 103. S'il y a un surpresseur 100, l'air peut être envoyé en amont ou en aval de celui-ci, selon sa pression. Il peut être nécessaire de surpresser ou de détendre l'air de la conduite 25 avant de le mélanger avec l'air provenant de l'épuration. De par sa simplicité et son efficacité, l'invention convient particulièrement bien pour conférer de la souplesse à des installations de production d'oxygène avec des demandes d'oxygène qui varient fréquemment et rapidement. Il est à noter que l'invention s'applique également au cas où, la demande d'oxygène étant toujours supérieure à une valeur minimale donnée, un débit d'oxygène gazeux constant égal à cette valeur minimale est soutiré directement du bas de la colonne basse pression 7 via une conduite 27, comme indiqué en trait mixte sur la Figure 1, puis réchauffé dans la ligne d'échange. Cette variante permet de réduire la capacité des stockages. De même, des productions constantes d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide peuvent être assurées simultanément par la double colonne, via des conduites 28 et/ou 30, également comme indiqué en trait mixte sur la Figure 3. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'un débit d'azote gazeux variable (11) et d'un débit d'oxygène gazeux variable (112) par distillation d'air dans lequel on produit un débit d'azote gazeux comprimé et un débit d'oxygène gazeux pressurisé par distillation d'un débit d'air comprimé, épuré et refroidi dans au moins une colonne (106,107) d'un système de colonnes, on les envoie au client et a) pendant une période de forte demande d'azote gazeux et d'oxygène gazeux, on soutire de l'azote liquide d'un stockage d'azote liquide(19), on le vaporise par échange de chaleur avec un premier débit d'air comprimé, épuré et refroidi, on envoie l'azote vaporisé (13) au client et on envoie le premier débit d'air liquéfié produit par l'échange de chaleur à un stockage d'air liquéfié (39), on soutire de l'oxygène liquide d'un stockage d'oxygène liquide (29), on le vaporise par échange de chaleur avec un deuxième débit d'air comprimé, épuré et refroidi (115), on envoie l'oxygène vaporisé au client et on envoie au moins une partie du deuxième débit d'air liquéfié produit par l'échange de chaleur à un (au) stockage d'air liquéfié (39) b) pendant une période de demande réduite d'azote gazeux et d'oxygène gazeux, on soutire un troisième débit d'air liquide d'un (du) stockage d'air liquéfié (39) et on le vaporise par échange de chaleur avec un débit d'azote gazeux prélevé sur le débit envoyé au client, on envoie le troisième débit d'air vaporisé au système de colonnes et on envoie l'azote liquéfié par l'échange de chaleur au stockage d'azote liquide, on soutire un quatrième débit d'air liquide d'un stockage d'air liquéfié, on envoie le quatrième débit d'air liquéfié au système de colonnes sous forme liquide (116) et on envoie de l'oxygène liquéfié du système de colonnes au stockage d'oxygène liquide . 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le stockage d'air liquéfié (39) où l'on envoie le premier débit d'air liquéfié est celui dont est soutiré le troisième et/ou le quatrième débit d'air liquide. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'oxygène liquide se vaporise par échange de chaleur avec tout l'air à vaporiser dans une ligne d'échange principale (103). 4. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes (106,107), une unité d'épuration (102), une ligne d'échange principale (103), un stockage d'azote liquide (19), un stockage d'oxygène liquide (29) et au moins un stockage d'air liquéfié (39), un compresseur d'azote (9), un premier échangeur (15), un deuxième échangeur (103,109), des moyens (114,116) pour envoyer de l'air à distiller au système de colonnes, des moyens (25) pour envoyer un premier débit d'air au premier échangeur, des moyens (19,23)pour envoyer le premier débit d'air du premier échangeur au stockage d'air liquéfié, des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air au deuxième échangeur, des moyens pour envoyer le deuxième débit d'air du deuxième échangeur au stockage d'air liquéfié ou à un autre stockage d'air liquéfié, des moyens pour prélever un troisième débit d'air liquéfié (19,V5,V7) dans le stockage alimenté par le premier débit et pour l'envoyer au premier échangeur pour le vaporiser, des moyens (25) pour envoyer le troisième débit vaporisé à la distillation, des moyens (19,21,V5,V9) pour prélever un quatrième débit d'air liquide dans le stockage alimenté par le deuxième débit d'air liquéfié et pour l'envoyer à la distillation, des moyens (13) pour envoyer un débit variable d'azote gazeux du système de colonnes au premier échangeur pour le condenser, des moyens (17,55,V3,V4)pour envoyer l'azote condensé du premier échangeur au stockage d'azote, des moyens (17, 41, V3) pour prélever de l'azote liquide dans le stockage et pour l'envoyer au premier échangeur pour le vaporiser, des moyens (53,V2) pour envoyer un débit d'oxygène liquide du système de colonnes au stockage d'oxygène et des moyens (27,51,V1) pour envoyer de l'oxygène liquide du stockage d'oxygène au deuxième échangeur. 5. Installation selon la revendication 4 dans laquelle le deuxième échangeur est la ligne d'échange principale (103) de l'appareil. 6. Installation selon la revendication 4 ou 5 dans laquelle seuls l'azote et de l'air provenant de ou destiné au stockage d'air échangent de la chaleur dans le premier échangeur(15). 7. Installation selon l'une des revendications 4 à 6 dans laquelle l'oxygène liquide et éventuellement l'air liquide rentrent dans le stockage respectif par le haut du stockage (29,39). 8. Installation selon l'une des revendications 4 à 7 dans laquelle l'azote liquide et éventuellement l'air liquide rentrent dans le stockage respectif par le bas du stockage (19,39). 9. Installation selon l'une des revendications 4 à 8 comprenant des moyens pour envoyer le troisième débit d'air vaporisé à la distillation à un point en amont de la ligne d'échange principale (103) et en aval de l'unité d'épuration (102), et éventuellement des moyens de modification de la pression du troisième débit en amont de ce point.20