Brevet FR2947621A1 — publié le 20110107

La présente invention est relative à un appareil de séparation de gaz de l'air par distillation cryogénique et à un procédé de modification d'un tel appareil. L'invention vise à permettre la croissance d'un site industriel comprenant une unité de séparation d'air, par exemple par valorisation de l'azote pur basse pression. De façon classique, de l'azote pur basse pression est généré à partir de la colonne basse pression d'une double colonne, par le tronçon supérieur parfois dénommé minaret. Le débit purifié étant très inférieur au débit d'air traité dans la colonne basse pression, le diamètre de ce tronçon est réduit et intégré dès la conception originelle de la colonne. Dès lors, l'ensemble de distillation est pénalisé par le surcoût lié à ce tronçon supplémentaire lorsque le besoin de production d'azote est différé par rapport à la mise en service de l'unité. Mais ne pas l'installer revient à se priver d'un marché futur, si la colonne n'a pas été conçue pour l'ajout futur d'un tronçon supplémentaire. La présente invention permettra l'ajout du tronçon de production d'azote pur de façon différée, permettant ainsi de ne pas pénaliser le montant de l'investissement initial tout en permettant de conserver le potentiel de production d'azote pur après la mise en service de l'unité. L'unité est conçue avec deux circuits séparés d'azote basse pression impur à l'intérieur de la boite froide, ainsi qu'avec deux piquages de liquide en attente. Sans tronçon supérieur, l'unité fonctionne avec les deux circuits 25 alimentés par le même gaz de tête de colonne. Lors de l'adjonction du tronçon de tête, un des deux circuits gazeux sera redirigé, en sortie de tête de colonne, vers le tronçon de purification. Les piquages de liquide en attente permettront d'assurer le reflux liquide et le retour vers la colonne principale. 30 La définition mécanique du système sera telle que l'adjonction du tronçon supérieur sera facilitée par la disponibilité et l'accessibilité des supports pour le maintient du tronçon additionnel. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une enceinte contenant au moins une colonne, de préférence une colonne basse pression et éventuellement une colonne moyenne pression et éventuellement un échangeur, au moins une tuyauterie étant reliée à la (une seule des) colonne(s) et caractérisé en ce qu'au moins une première tuyauterie débouche à l'intérieur de l'enceinte, la tuyauterie étant adaptée pour être reliée à une autre colonne à installer ultérieurement. Selon d'autres aspects facultatifs : - l'enceinte comprend une première région et une deuxième région distincte de la première région, la colonne basse pression et éventuellement la colonne moyenne pression, et éventuellement l'échangeur étant situé (situés) dans la première région uniquement, la deuxième région ne contenant que des conduites ou des tuyauteries ou éventuellement au moins un échangeur, la deuxième région étant délimitée par au moins une paroi de l'enceinte, de préférence d'au moins cinq parois de l'enceinte, l'appareil comprenant une première conduite, reliée à la tête de la colonne basse pression et à l'échangeur, qui se trouve entièrement à l'intérieur de la première région, une deuxième conduite étant reliée à la tête de la colonne basse pression et l'échangeur, une partie de la deuxième conduite se trouve dans la deuxième région et deux parties se trouvent dans la première région, la partie se trouvant dans la deuxième région étant rattachée aux deux autres parties se trouvant dans la première région ; - la première région constitue une partie inférieure de l'enceinte et la deuxième région une partie supérieure de l'enceinte ; - l'enceinte contenant les colonnes et l'échangeur peut éventuellement être constituée par une pluralité de boites froides contenant chacune au moins une colonne et/ou un échangeur ; - la première région de l'enceinte contient uniquement la colonne basse pression ou uniquement la colonne basse pression et la colonne moyenne pression, l'échangeur se trouvant dans une autre boite froide, dans les deux cas ; - la deuxième région ne contient ni colonne ni échangeur et est située de préférence dans la partie supérieure de l'enceinte ; - au moins une tuyauterie, de préférence au moins deux tuyauteries, est (sont) rattachées à la tête de la colonne moyenne pression, parcour(en)t la première région et débouche(nt) dans la deuxième région ; - l'appareil selon l'une des revendications précédentes comprend un support de fixation d'une colonne supplémentaire en haut de la colonne basse pression ; - les deux autres parties (23A, 23C) de la conduite se trouvant uniquement dans la première région constituent une première et une troisième partie et la partie se trouvant uniquement dans la deuxième région, la deuxième partie (23B'), aucune partie de la deuxième conduite n'étant reliée à la première conduite (il est considéré que la première conduite n'est pas reliée à la deuxième conduite à travers l'intérieur de la colonne) ; - aucun moyen d'échange de matière ne se trouve entre le point de raccord de la deuxième conduite à la colonne basse pression et le point de raccord de la première conduite à la colonne basse pression ; - les deux autres parties de la conduite se trouvant dans la première région constituent une première et une troisième partie, la première partie étant rattachée à la colonne supplémentaire et à la deuxième partie, qui est la partie se trouvant dans la deuxième région et la troisième partie étant rattachée à l'échangeur et à la deuxième partie. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de modification d'un appareil de séparation d'air existant tel que décrit au-dessus pour rajouter une colonne supplémentaire, l'appareil de séparation comprenant à l'origine, à l'intérieur d'une enceinte, au moins une colonne, par exemple une colonne basse pression et éventuellement une colonne moyenne pression et éventuellement un échangeur, et au moins une première tuyauterie reliée uniquement à la (une seule des) colonne(s) dans lequel en rajoutant la colonne supplémentaire, au moins une tuyauterie existante est rattachée à la colonne supplémentaire. Selon d'autres aspects facultatifs : - au moins deux premières tuyauteries, chacune reliée uniquement à une seule colonne (des colonnes) dans lequel, en rajoutant la colonne supplémentaire, au moins deux tuyauteries existantes sont rattachées à la colonne supplémentaire, de préférence une tuyauterie étant rattachée à la tête de la colonne supplémentaire et une autre étant rattachée à la cuve de la colonne supplémentaire ; - l'enceinte à l'origine comprend une première région et une deuxième région, de préférence seulement une première région et une deuxième région, la colonne basse pression et éventuellement la colonne moyenne pression et éventuellement l'échangeur étant placé (placés) uniquement dans la première région de l'enceinte, la deuxième région étant à l'extérieur de la première région, une première conduite reliée à la tête de la colonne basse pression et à l'échangeur qui se trouve entièrement à l'intérieur de la première région, une deuxième conduite étant reliée à la tête de la colonne basse pression et l'échangeur, une partie de la deuxième conduite se trouvant dans la deuxième région et deux parties se trouvant dans la première région, la partie se trouvant dans la deuxième région étant rattachée aux deux autres parties se trouvant dans la première région, dans lequel on ouvre, voire enlève, la deuxième région de l'enceinte, on amène la colonne supplémentaire, on détache la deuxième conduite de la tête de la colonne basse pression, on la rattache à la tête de la colonne supplémentaire et on referme l'enceinte contenant la colonne supplémentaire en plus des colonnes présentes à l'origine ; - on coupe uniquement la partie de la deuxième conduite se trouvant dans la deuxième région et on rattache la tête de la colonne supplémentaire à une sortie de tuyauterie existante, reliée à la tête de la colonne moyenne pression, dont une partie se trouve dans la deuxième région ; - l'enceinte à l'origine comprend une première région et une deuxième région, de préférence seulement une première région et une deuxième région, la colonne basse pression et éventuellement la colonne moyenne pression et éventuellement l'échangeur étant placé (placés) uniquement dans la première région de l'enceinte, la deuxième région étant à l'extérieur de la première région, un support de fixation est rattaché en haut de la colonne basse pression à l'intérieur de l'enceinte d'origine et dans lequel on ouvre la deuxième région, et non pas la première région, de préférence au moyen d'un trou d'homme, pour accéder au support de fixation et pour y fixer la colonne supplémentaire ; - la première région et la deuxième région se rejoignent, de préférence uniquement, par une surface plane substantiellement parallèle au sol. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures, la Figure 1 montrant un appareil selon l'invention, avant le rajout de la colonne supplémentaire et la Figure 2 montrant un appareil selon l'invention, après le rajout de la colonne supplémentaire qui remplit la fonction du tronçon additionnel. Dans la Figure 1 on voit une double colonne de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression 9 surmontée d'une colonne basse pression 11. Avec un échangeur de chaleur 7, la double colonne est placée à l'intérieur d'une première région 1 isolée par de la perlite, constituant la partie inférieure de l'enceinte appelée boîte froide dans l'art. Dans cet exemple, une seule enceinte contient à la fois la colonne moyenne pression, la colonne basse pression et l'échangeur. Par contre, l'enceinte peut contenir la colonne basse pression, la colonne moyenne pression et l'échangeur étant placés dans d'autres enceintes. De même, la double colonne constituée par la colonne moyenne pression et la colonne basse pression peut se trouver à l'intérieur de l'enceinte, avec l'échangeur dans une enceinte à part. L'essentiel, dans le cas du rajout d'une colonne de production d'azote pur, est qu'au-dessus de la colonne basse pression, il y ait une région permettant l'accès facile aux tuyauteries aveugles et éventuellement à la conduite en U, comme il sera décrit ultérieurement. L'appareil comprend les conduites habituelles d'amenée d'air épuré, refroidi et comprimé, d'envoi de fluides de la colonne moyenne pression 9 vers la colonne basse pression 11 et de sortie de fluide riche en oxygène. Par contre, ces conduites ne sont pas illustrées pour simplifier le dessin. Une conduite 15 est rattachée à la tête de la colonne moyenne pression 9 et à la tête de la colonne basse pression 11. Juste avant la colonne basse pression, la conduite 15 est rattachée à une conduite 15A qui débouche dans une deuxième région 2 placée au-dessus de la première région 1. Ainsi, quand la double colonne 9,11 est en fonctionnement, un liquide de reflux riche en azote passe de la tête de la colonne moyenne pression à la tête de la colonne basse pression et la conduite 19 est fermée. Une conduite 17 reliée à la tête de la colonne moyenne pression permet une sortie de liquide par la conduite 13. La conduite 17 monte vers le haut de la région 1 et passe dans la région 2 où elle débouche, étant désignée comme conduite 17A. La conduite 17 est fermée en fonctionnement normal de l'appareil de la Figure 1 alors que la conduite 13 est ouverte pour permettre une production d'azote liquide. Une première conduite d'azote 25 relie la tête de la colonne basse pression avec l'échangeur 7 pour permettre le passage d'azote gazeux. Une deuxième conduite d'azote 23 relie également la tête de la colonne basse pression avec l'échangeur 7 pour permettre le passage d'azote gazeux mais, à la différence de la conduite 25 qui reste entièrement dans la région 1, la conduite 23 passe dans la région 1 (partie 23A), rentre dans la région 2, sort de la région 2 (de sorte que la partie 23B soit entièrement dans la région 2) et parcourt la région 1 (partie 23C) jusqu'à l'échangeur 7. La partie 23B est globalement en forme de U. Quand l'appareil de la Figure 1 est en opération, la conduite 23 et/ou la conduite 25 peuvent être ouvertes. Comme il n'y a aucun moyen d'échange de matière entre les deux raccords des conduites 23 et 25 à l'intérieur de la colonne 11, les puretés des débits produits dans les conduites 23,25 sont substantiellement identiques. La conduite 25 doit être dimensionnée pour pouvoir passer tout le débit présent lors du fonctionnement de l'appareil adapté selon la Figure 2, car elle n'est pas modifiée lors de l'ouverture de l'enceinte. En haut de la colonne basse pression à l'intérieur de la première région 1 est fixé un support mécanique 21 qui comprend un ou plusieurs éléments, par exemple des barres verticales ou une jupe. Ce support 21 est accessible par un trou d'homme dans la paroi de la région 2. Les conduites 23 et 25 doivent être distinctes jusqu'à la sortie de la première région 1, donc de l'enceinte. Il n'est pas possible de mélanger les débits en amont ou en aval de l'échangeur 7. Dans la Figure 2, l'appareil de la Figure 1 est modifié pour rajouter une colonne supplémentaire 27 pour permettre la production d'azote pur. Dans ce cas, la région 2 est ouverte et déperlitée, puis enlevée, laissant les conduites 17A, 19 et la partie de la conduite 23 qui était dans la deuxième région 2. Le trou d'homme au-dessus du support 21 est ouvert et le support est rallongé. La conduite 17A dans la région 2 est rallongée et reliée à la tête de la colonne 27, la conduite 15A est reliée à la cuve de la colonne 27 par la conduite 19. Ainsi la colonne 27 peut être alimentée en azote liquide par la conduite 17A et la tête de la colonne basse pression 11 peut recevoir du liquide de cuve de la colonne 27. Du liquide peut passer de la cuve de la colonne 27 à la tête de la colonne basse pression 11 à travers les conduites 19,15A. La conduite 23 est coupée au niveau de la partie 23A et fermée à l'entrée de la colonne basse pression, en supprimant la partie 23B. La partie 23A débouche donc dans la région 2 et sa sortie est scellée. La tête de la colonne 27 est reliée par une nouvelle conduite 23B' reliée à la partie restante de la conduite 23 reliée à l'échangeur 7 par la partie d'origine 23C de la conduite 23, de sorte que l'azote gazeux pur transite dans l'échangeur 7 sans se mélanger avec l'azote provenant de la conduite 25. La conduite 25 est inchangée mais par contre ne produit plus de l'azote à la même pureté que la conduite 23. Une deuxième région 2 plus grande est construite pour contenir la colonne 27 et les conduites 15A, 17A, 19, 23B'. Des moyens sont prévus pour boucher les ouvertures des conduites 18A, 19 et 23A dans la deuxième région, de sorte qu'elles ne se remplissent pas de perlite. Il sera compris que ce principe peut être adapté à d'autres types de colonnes de séparation d'air devant être modifiées pour rajouter un élément en cours du temps, par exemple pour rajouter un échangeur ou une colonne. Ainsi deux conduites sont prévues rattachées à la double colonne à un bout et scellées à l'autre bout. La colonne supplémentaire peut être une colonne de mélange, une colonne de production d'argon ou une colonne d'enrichissement de krypton/xénon. Dans ce cas, il n'est pas utile que la deuxième région soit au-dessus de la première région : elle peut être située sur un des côtés latéraux de l'enceinte. REVENDICATIONS1. Appareil de séparation d'air comprenant une enceinte, contenant au moins une colonne, par exemple une colonne basse pression (11) et éventuellement une colonne moyenne pression (9) et éventuellement un échangeur (7), au moins une tuyauterie (15A,17A) étant reliée à la (une seule des) colonne(s) et caractérisé en ce qu'au moins une tuyauterie débouche à l'intérieur de l'enceinte, la tuyauterie étant adaptée à être reliée à une autre colonne à installer ultérieurement. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel l'enceinte comprend une première région (1) et une deuxième région (2) distincte de la première région, la colonne basse pression et éventuellement la colonne moyenne pression et éventuellement l'échangeur étant situé (situés) dans la première région uniquement , la deuxième région ne contenant que des conduites (23A) ou des tuyauteries (15A,17A) ou éventuellement au moins un échangeur, la deuxième région étant délimitée par au moins une paroi de l'enceinte, de préférence au moins cinq parois de l'enceinte, l'appareil comprenant une première conduite (25), reliée à la tête de la colonne basse pression et à l'échangeur, qui se trouve entièrement à l'intérieur de la première région, une deuxième conduite (23) étant reliée à la tête de la colonne basse pression et l'échangeur, une partie (23B) de la deuxième conduite se trouve uniquement dans la deuxième région et deux parties (23A,23C) se trouvent uniquement dans la première région, la partie se trouvant uniquement dans la deuxième région étant rattachée aux deux autres parties se trouvant uniquement dans la première région. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la deuxième région (2) ne contient ni colonne ni échangeur et est situé de préférence dans la partie supérieure de l'enceinte. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins une tuyauterie (15A,17A), de préférence les au moins deux tuyauteries, est (sont) rattachées à la tête de la colonne moyenne pression (9) et/ouparcour(en)t la première région (1) et débouche(nt) dans la deuxième région (2). 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant un support de fixation (21) d'une colonne supplémentaire (27) en haut de la colonne basse pression. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel les deux autres parties (23A,23C) de la conduite se trouvant uniquement dans la première région constituent une première et une troisième partie, et la partie se trouvant uniquement dans la deuxième région la deuxième partie (23B'), aucune partie de la deuxième conduite n'étant reliée à la première conduite. 7. Procédé de modification d'un appareil de séparation d'air existant selon l'une des revendications précédentes pour rajouter une colonne supplémentaire (27), l'appareil de séparation comprenant à l'origine, à l'intérieur d'une enceinte, au moins une colonne, par exemple une colonne basse pression (11) et éventuellement une colonne moyenne pression (9) et éventuellement un échangeur (7), et au moins une tuyauterie (15A,17A) reliée uniquement à la (une seule des) colonne(s) dans lequel en rajoutant la colonne supplémentaire l'au moins une tuyauterie existante est rattachée à la colonne supplémentaire. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'enceinte à l'origine comprend une première région (1) et une deuxième région (2), de préférence seulement une première région et une deuxième région, la colonne basse pression (11) et éventuellement la colonne moyenne pression (9) et éventuellement l'échangeur (7) étant placé (placés) uniquement dans la première région de l'enceinte, la deuxième région étant à l'extérieur de la première région, une première conduite (25) reliée à la tête de la colonne basse pression et à l'échangeur qui se trouve entièrement à l'intérieur de la première région, une deuxième conduite (23) étant reliée à la tête de la colonne basse pression et l'échangeur, une partie de la deuxième conduite se trouvant uniquement dans la deuxième région et deux parties se trouvant uniquementdans la première région, la partie se trouvant uniquement dans la deuxième région étant rattachée aux deux autres parties se trouvant dans la première région, dans lequel on ouvre, voire enlève, la deuxième région de l'enceinte, on amène la colonne supplémentaire, on détache la deuxième conduite de la tête de la colonne basse pression, on la rattache à la tête de la colonne supplémentaire et on referme l'enceinte contenant la colonne supplémentaire en plus de la (des) colonne(s) présente(s) à l'origine. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8 dans lequel on coupe uniquement la partie (23B) de la deuxième conduite (23) se trouvant dans la deuxième région (2) et on rattache la tête de la colonne supplémentaire (27) à une sortie de tuyauterie existante (15A,17A), reliée à la tête de la colonne moyenne pression, dont une partie se trouve dans la deuxième région. 10. Procédé selon la revendication 7, 8 ou 9 dans lequel l'enceinte à l'origine comprend une première région (1) et une deuxième région (2), de préférence seulement une première région et une deuxième région, la colonne basse pression (7) et éventuellement la colonne moyenne pression (11) et éventuellement l'échangeur (7) étant placé (placés) uniquement dans la première région de l'enceinte, la deuxième région étant à l'extérieur de la première région, un support de fixation (21) est rattaché en haut de la colonne basse pression à l'intérieur de l'enceinte d'origine et dans lequel on ouvre la deuxième région, et non pas la première région, de préférence au moyen d'un trou d'homme, pour accéder au support de fixation et pour y fixer la colonne supplémentaire (27).