Brevet FR2947042A1 — publié le 20101224

La présente invention est relative à un échangeur principal d'un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, à un procédé de refroidissement d'air utilisant un tel échangeur et à un appareil de séparation d'air incorporant un tel échangeur. Il est connu de J-A-2005-265392 et de FR-A-2778971 d'utiliser en tant qu'échangeur principal dans une installation de séparation d'air, deux échangeurs distincts installés en parallèle, l'un fonctionnant à basse pression (préférablement moins de 10 bars abs ou encore 7 bar abs) et l'autre à haute pression (préférablement plus de 7 bars abs ou encore 10 bars abs). io L'échangeur basse pression ne reçoit pas de fluides devant changer d'état à l'intérieur de l'échangeur. L'échangeur haute pression reçoit, lui, tous les fluides devant subir un changement de phase dans l'échangeur (produits pompés et air). L'échangeur haute pression reçoit en plus d'autres fluides pour équilibrer le bilan thermique 15 de l'échangeur. Il est également connu, comme illustré dans la Figure 1, que l'échangeur principal puisse être constitué par un seul échangeur qui reçoit tous les fluides destinés à l'appareil de séparation et provenant de l'appareil de séparation d'air. 20 Ainsi l'échangeur 1 reçoit de l'air 5 à une moyenne pression, de l'air 9 à une pression plus élevée, de l'oxygène gazeux basse pression 11, de l'azote résiduaire 13, de l'azote moyenne pression 15. Une partie 17 de l'azote moyenne pression sort de l'échangeur à une première température intermédiaire par un piquage intermédiaire, est détendue dans une turbine 19 et 25 rejoint l'échangeur 1 à une température intermédiaire de l'échangeur, plus basse que la première température intermédiaire, à travers un piquage intermédiaire pour former le débit 21. Une autre partie 23 de l'azote moyenne pression 33 sort de l'échangeur à une température plus élevée que la première température intermédiaire par un piquage intermédiaire, est détendue dans une 30 turbine 25 et renvoyée à l'échangeur 1 par un piquage intermédiaire à une autre température plus élevée que la première température intermédiaire, pour être mélangé avec l'azote basse pression formant le débit 31. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de refroidissement d'air destiné à un appareil de séparation d'air dans un échangeur comprenant un premier échangeur et un deuxième échangeur, dans lequel on envoie de l'air à refroidir au premier et au deuxième échangeurs, l'air envoyé au premier échangeur pouvant être à plus basse pression que celui envoyé au deuxième échangeur, et on envoie l'air refroidi dans les échangeurs à un système de colonnes où il se sépare en au moins un débit d'azote et au moins un débit d'oxygène, on envoie un premier débit d'azote du système de colonnes à réchauffer au premier échangeur, on envoie un deuxième débit d'azote du système de colonnes à réchauffer au deuxième échangeur, on ne soutire aucun fluide à un niveau intermédiaire du premier échangeur ou on soutire un seul io fluide à un niveau intermédiaire du premier échangeur, on soutire au moins un fluide à au moins un niveau intermédiaire du deuxième échangeur, on détend le ou les fluides et on renvoie le ou les fluide(s) détendu(s) à un (des) niveau(x) intermédiaire(s) du deuxième échangeur, et on ne renvoie aucun fluide détendu à un niveau intermédiaire du premier échangeur. 15 Selon d'autres objets facultatifs : - on soutire un seul fluide à un niveau intermédiaire du premier échangeur et on envoie ce fluide à un niveau intermédiaire du deuxième échangeur; - tous les fluides envoyés aux et/ou provenant des premier et deuxième 20 échangeurs sont gazeux ou au plus 10% mol. Liquide ; - tous les fluides envoyés au deuxième échangeur sont de l'air ou moins riche en oxygène que l'air ; - au moins un fluide envoyé au premier échangeur est plus riche en oxygène que l'air ; 25 - le débit d'air envoyé au premier échangeur est à plus basse pression que celui envoyé au deuxième échangeur ; - aucun liquide provenant du système de colonnes ne se vaporise dans le premier et deuxième échangeur, de préférence aucun liquide ne se vaporise dans les premier et deuxième échangeurs ; 30 - la pression de chaque fluide envoyé aux premier et deuxième échangeurs est inférieure à 15 bars abs (préférablement inférieure à 8 bars abs, voire inférieure à 5.5 bar abs.) ; - la différence entre la pression du fluide ayant la pression plus élevée reçu dans le premier échangeur et la pression du fluide ayant la pression plus élevée reçu dans le deuxième échangeur ne dépasse pas 12 bars abs ou 10 bars abs, de préférence ne dépasse pas 8 bars abs, voire ne dépasse pas 5 bars abs ; - le deuxième échangeur comprend au moins deux, de préférence au 5 moins trois piquages intermédiaires, voire au moins cinq piquages intermédiaires. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un échangeur principal destiné à être intégré dans un appareil de séparation d'air comprenant un premier échangeur et un deuxième échangeur, chaque échangeur étant un io échangeur à plaque et à ailettes, la hauteur des ailettes dépassant 6mm, le premier échangeur ne comportant aucun piquage intermédiaire ou comportant un seul piquage intermédiaire, le deuxième échangeur comprenant au moins un piquage intermédiaire de plus que le premier échangeur, de préférence comprenant au moins deux voire trois piquages intermédiaires, des moyens 15 pour envoyer de l'air à refroidir aux premier et deuxième échangeurs, des moyens pour prélever de l'air refroidi des premier et deuxième échangeurs, des moyens pour envoyer un premier débit d'azote à réchauffer au premier échangeur, des moyens pour prélever le premier débit d'azote réchauffé du premier échangeur, des moyens pour envoyer un deuxième débit d'azote à 20 réchauffer au deuxième échangeur et des moyens pour prélever le deuxième débit d'azote réchauffé du deuxième échangeur. L'échangeur comprend éventuellement une (seule) conduite pour envoyer l'air du premier échangeur au deuxième échangeur à travers un piquage intermédiaire du premier échangeur et un piquage intermédiaire du 25 deuxième échangeur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant un échangeur principal tel que décrit ci-dessus, au moins une machine tournante, pouvant être une turbine ou un compresseur, et un système de colonnes dans lequel les moyens pour prélever l'air refroidi des premier et 30 deuxième échangeurs, les moyens pour envoyer le premier débit d'azote à réchauffer au premier échangeur et les moyens pour envoyer le deuxième débit d'azote à réchauffer au deuxième échangeur sont reliés au système de colonnes et comprenant des moyens pour prélever un fluide riche en oxygène dans le système de colonnes et pour envoyer de l'oxygène gazeux au premier échangeur, la ou une des machines tournantes étant reliée à une ou deux piquages intermédiaires du deuxième échangeur et de préférence aucune machine tournante étant reliée à un niveau intermédiaire du premier échangeur. Une turbine peut être reliée à au moins un passage d'azote du deuxième échangeur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui représente un appareil de séparation ayant un échangeur de chaleur selon l'invention. Ici, l'échangeur principal comprend deux échangeurs de chaleur 1,3 mais io il sera compris que l'échangeur principal pourrait comprendre plus d'échangeurs. L'échangeur principal décrit est relié à deux turbines mais il sera compris qu'il pourra être relié à une seule turbine. Les échangeurs 1 et 3 sont des échangeurs à plaques et à ailettes 15 brasés. La hauteur des ailettes dépasse 6 mm puisque aucun liquide ne doit se vaporiser dans les échangeurs 1,3. L'échangeur 1 reçoit comme seul gaz chaud de l'air 5 à une moyenne pression de l'ordre de 4 bars abs. L'échangeur 3 reçoit comme gaz chaud de l'air 9 à une pression plus élevée que la moyenne pression, cette pression étant 20 de l'ordre de 6 bars abs. Ainsi le deuxième échangeur reçoit de l'air à plus haute pression que le premier échangeur. Après refroidissement partiel dans l'échangeur 1, le débit d'air 5 est divisé en deux parties 6,7. La partie 6 poursuit son refroidissement dans l'échangeur 1 et la partie 7 est envoyée à travers une vanne à un niveau intermédiaire de l'échangeur 3 où elle se refroidit jusqu'au 25 bout froid. La régulation de la partie 7 permet d'équilibrer les deux échangeurs. Les deux débits d'air 6,7 sont envoyés à un système de colonnes 41. Au moins un des débits d'air 6, 7, 9 peut se condenser seulement partiellement dans un des échangeurs. De l'oxygène gazeux basse pression 11 et de l'azote résiduaire 13 sont 30 envoyés du système de colonnes 41 à l'échangeur 1 pour s'y réchauffer, de préférence aucun débit d'oxygène ou d'azote résiduaire n'étant envoyé à un autre échangeur. L'oxygène gazeux peut être produit par vaporisation de liquide dans un vaporiseur situé en dehors des échangeurs 1,3. De l'azote moyenne pression 15 est envoyé à l'échangeur 3. Une partie 17 de l'azote moyenne pression sort de l'échangeur 3 par un piquage intermédiaire à un niveau intermédiaire, est détendue dans une turbine 19 et rejoint l'échangeur 3 par un piquage intermédiaire à une température intermédiaire plus froide de l'échangeur pour former le débit 29. Une autre partie 23 de l'azote moyenne pression 33 sort de l'échangeur par un piquage intermédiaire à une température plus élevée que la partie 17, est détendue dans une turbine 25 et renvoyée à l'échangeur 1 par un piquage intermédiaire comme le débit détendu 27 pour être mélangé avec l'azote basse pression 29 ainsi formant le débit 31. On peut constater dans ce cas que chaque échangeur reçoit un débit io d'air à la moyenne pression et seul l'échangeur 3 reçoit de l'air à une pression plus élevée que la moyenne pression. L'échangeur 1 comprend une sortie intermédiaire d'air et l'échangeur 3 comprend deux sorties intermédiaires d'azote, deux entrées intermédiaire d'azote et une entrée intermédiaire d'air. La pression de chaque fluide envoyé aux premier et deuxième 15 échangeurs 1,2 est inférieure à 15 bars abs (préférablement inférieure à 8 bars abs, voire inférieure à 5.5 bar abs.) Le procédé pourrait opérer sans le débit 7 envoyé de l'échangeur 1 à l'échangeur 3 et dans ce cas, l'échangeur 1 ne comprendrait aucun piquage intermédiaire. 20 Un piquage intermédiaire est une entrée ou sortie de gaz situé à au moins 40cm, de préférence au moins 60 cm, voire à au moins 1 m d'une extrémité de l'échangeur. On remarque que le premier échangeur comporte un seul piquage intermédiaire, prévu pour l'équilibrage alors que le deuxième échangeur en 25 compte cinq. L'idée de base de l'invention est d'avoir deux échangeurs recevant et produisant essentiellement des débits gazeux à relativement basse pressions, un des échangeurs (deuxième échangeur) étant relié à une ou des turbines, par un ou des piquages intermédiaires, la turbine pouvant être une turbine 30 détendant l'air à la pression de la colonne moyenne pression d'une double colonne, la colonne basse pression d'une double colonne ou une turbine d'azote. L'autre échangeur (premier échangeur) sert à chauffer un débit d'oxygène à relativement basse pression (moins de 3 bars abs). L'avantage de cette façon de procéder est d'avoir un seul échangeur qui sera plus cher et plus long à fabriquer que le ou les autres échangeurs. Ceci permet de réduire les coûts globaux puisque la complexité est concentrée sur un seul échangeur.5 REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement d'air destiné à un appareil de séparation d'air dans un échangeur comprenant un premier échangeur (1) et un deuxième échangeur (3), dans lequel on envoie de l'air à refroidir au premier et au deuxième échangeurs, l'air envoyé au premier échangeur pouvant être à plus basse pression que celui envoyé au deuxième échangeur, et on envoie de l'air refroidi dans les échangeurs à un système de colonnes (41) où il se sépare en au moins un débit d'azote et au moins un débit d'oxygène, on envoie un io premier débit d'azote du système de colonnes à réchauffer au premier échangeur, on envoie un deuxième débit d'azote du système de colonnes à réchauffer au deuxième échangeur, on ne soutire aucun fluide à un niveau intermédiaire du premier échangeur ou on soutire un seul fluide (7) à un niveau intermédiaire du premier échangeur, on soutire au moins un fluide à au moins 15 un niveau intermédiaire du deuxième échangeur, on détend le ou les fluides et on renvoie le ou les fluide(s) détendu(s) à un (des) niveau(x) intermédiaire(s) du deuxième échangeur, et on ne renvoie aucun fluide détendu à un niveau intermédiaire du premier échangeur. 20 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on soutire un seul fluide (7) à un niveau intermédiaire du premier échangeur (1) et on envoie ce fluide à un niveau intermédiaire du deuxième échangeur (3). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel tous les fluides (5, 25 9, 11, 13, 15) envoyés aux et/ou provenant des premier et deuxième échangeurs sont gazeux ou au plus 10% mol. liquide. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tous les fluides (9,15) envoyés au deuxième échangeur sont de l'air ou moins 30 riche en oxygène que l'air. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel aucun liquide provenant du système de colonnes ne se vaporise dans lespremier et deuxième échangeurs, de préférence aucun liquide ne se vaporise dans les premier et deuxième échangeurs. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression de chaque fluide envoyé aux premier et deuxième échangeurs est inférieure à 15 bars abs (préférablement inférieure à 8 bars abs, voire inférieure à 5.5 bar abs.). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la io différence entre la pression du fluide ayant la pression plus élevée reçu dans le premier échangeur et la pression du fluide ayant la pression plus élevée reçu dans le deuxième échangeur ne dépasse pas 12 bars, de préférence ne dépasse pas 8 bars, voire ne dépasse pas 5 bars. 15 8. Echangeur principal destiné à être intégré dans un appareil de séparation d'air comprenant un premier échangeur (1) et un deuxième échangeur (3), chaque échangeur étant un échangeur à plaque et à ailettes, la hauteur des ailettes dépassant 6mm, le premier échangeur ne comportant aucun piquage intermédiaire ou comportant un seul piquage intermédiaire, le 20 deuxième échangeur comprenant au moins un piquage intermédiaire de plus que le premier échangeur, de préférence comprenant au moins deux voire trois piquages intermédiaires, des moyens pour envoyer de l'air à refroidir aux premier et deuxième échangeurs, des moyens pour prélever de l'air refroidi des premier et deuxième échangeurs, des moyens pour envoyer un premier débit 25 d'azote à réchauffer au premier échangeur, des moyens pour prélever le premier débit d'azote réchauffé du premier échangeur, des moyens pour envoyer un deuxième débit d'azote à réchauffer au deuxième échangeur et des moyens pour prélever le deuxième débit d'azote réchauffé du deuxième échangeur. 30 9. Echangeur selon la revendication 8 comprenant une conduite (7) pour envoyer l'air du premier échangeur au deuxième échangeur à travers un piquage intermédiaire du premier échangeur et un piquage intermédiaire du deuxième échangeur. 10. Appareil de séparation d'air comprenant un échangeur principal selon l'une des revendications 8 ou 9, au moins une machine tournante (19,25), pouvant être une turbine ou un compresseur, et un système de colonnes (41) dans lequel les moyens pour prélever l'air refroidi des premier et deuxième échangeurs, les moyens pour envoyer le premier débit d'azote à réchauffer au premier échangeur et les moyens pour envoyer le deuxième débit d'azote à réchauffer au deuxième échangeur sont reliés au système de colonnes et comprenant des moyens pour prélever un fluide riche en oxygène dans le io système de colonnes et pour envoyer de l'oxygène gazeux (seulement) au premier échangeur, la ou une des machines tournantes étant reliée à une ou deux piquages intermédiaires du deuxième échangeur et de préférence aucune machine tournante étant reliée à un niveau intermédiaire du premier échangeur. 15 11. Appareil de séparation d'air selon la revendication 10 dans lequel une turbine (17,25) est reliée à au moins un passage d'azote du deuxième échangeur (3).