Brevet FR2951532A1 — publié le 20110422

La présente invention est relative à un procédé de régulation d'une colonne de séparation d'argon, cette colonne faisant partie d'un appareil de distillation cryogénique d'air. Elle est également relative à un appareil de séparation d'air comportant une colonne de séparation d'argon ainsi régulée. Un appareil de séparation d'air produisant de l'argon comprend, en plus d'une double colonne alimentée par de l'air, une colonne de séparation d'argon, souvent séparée en deux colonnes connectées en série, à cause du nombre élevé d'étages de séparation. La colonne de séparation d'argon est alimentée en bas de la colonne par un débit enrichi en argon provenant de la colonne basse pression. L'argon impur produit en tête de la colonne de séparation d'argon est souvent extrait sous forme liquide, et généralement épuré dans une colonne de déazotation. Tous les pourcentages concernant des puretés sont des pourcentages molaires. Un tronçon de colonne de distillation est composé d'une série de modules de garnissages superposés, chaque module reposant sur un autre module. Chaque tronçon est séparé du ou des tronçons adjacents par une espace qui peut contenir un distributeur. Une colonne de séparation d'argon comprend souvent 8 tronçons, de sorte que quand la colonne est scindée en une première et une deuxième colonne, une colonne comprend 3, 4 ou 5 tronçons et l'autre 5, 4 ou 3 tronçons. Il est commun de réguler le débit d'argon impur provenant de la colonne de séparation d'argon en mesurant la teneur en argon à un niveau environ 25% de la hauteur de la colonne au dessus de la cuve de la colonne (50% de la hauteur s'il s'agit de deux colonnes reliées entre elles comme pour la Figure 1). Cette teneur modifie ensuite le point de consigne du débit d'argon impur extrait en haut de la colonne envoyé vers la colonne de déazotation. La colonne de séparation d'argon réagit parfois lentement aux changements du fait de sa très grande inertie. Ainsi la teneur en oxygène mesuré au niveau de 25% de la hauteur de la colonne varie parfois très peu (valeur constante et assez faible par exemple 3% d'oxygène) ou parfois varie énormément et de manière non-linéaire (la valeur mesurée pouvant par exemple varier entre 5 et 50% d'oxygène avec des cycles pouvant être par exemple de 2 heures). Cette région de la colonne est appelée le front de distillation. De ce fait, il est nécessaire : 1) soit d'accorder beaucoup de marge de fonctionnement, pour être sûr 5 d'épurer suffisamment l'argon impur mais ceci a comme inconvénient de rendre la distillation inefficace, 2) soit d'accepter d'avoir une production d'argon impur qui fluctue en permanence avec les conséquences sur la colonne de déazotation, et le risque d'obtenir un produit hors spécification. 10 Il a été découvert qu'il est plus intéressant de mesurer la teneur en oxygène en tête de la colonne et/ou un, deux ou trois tronçons de garnissages en dessous de la tête de la colonne. Cette teneur (ou ces teneurs) est (sont) ensuite utilisée(s) pour modifier le point de consigne du débit d'argon impur extrait en haut de la colonne envoyé vers la colonne de déazotation. 15 La teneur en oxygène en tête de colonne est autour de 0 ppm et varie parfois de manière non-linéaire. Il est donc utile de combiner les deux mesures en tête et légèrement plus bas dans la colonne. En particulier, il peut être avantageux de modifier le débit d'argon impur également en fonction de la teneur en oxygène mesurée, beaucoup plus bas 20 dans la colonne, mais de pondérer la façon de modifier le débit, de sorte qu'un changement de teneur dans les tronçons plus bas a moins d'effet sur le débit qu'un changement de teneur dans les tronçons supérieurs. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un débit enrichi en argon par rapport à de l'air dans lequel : 25 i) un débit enrichi en argon est envoyé en cuve d'une colonne de séparation ou dans la cuve de la première de deux colonnes de séparation, le ou les colonnes contenant des tronçons de garnissages structurés ; ii) le cas échéant, un gaz est envoyé de la tête de la première des deux colonnes de séparation à la cuve de la deuxième des deux colonnes de 30 séparation et un liquide est envoyé de la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation à la tête de la première des deux colonnes de séparation ; iii) un débit d'argon impur est soutiré en tête de la colonne de séparation ou, le cas échéant, de la tête de la deuxième des deux colonnes de séparation ; caractérisé en ce que l'on mesure la teneur en oxygène à un point en tête de la colonne de séparation (le cas échéant en tête de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point en tête de la colonne et/ou on mesure la teneur en oxygène à au moins un point au plus trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. Eventuellement : - on mesure la teneur en oxygène à un point au moins un tronçon en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point intermédiaire ; - on mesure la teneur en oxygène à un point en tête de la colonne de séparation (le cas échéant en tête de la deuxième colonne de séparation) et à au moins un point au plus trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction des teneurs en oxygène à ces points ; - on mesure la teneur en oxygène à au moins un point inférieur se trouvant à plus que trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point ; - la modification du débit d'argon impur suite à un changement de teneur en oxygène donné au point plus que trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) est inférieure à la modification du même débit suite au changement de teneur en oxygène donné identique en relatif au point au plus trois tronçons en dessous de le tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) ; - le point inférieur est situé dans la partie inférieure de la colonne de séparation ou, le cas échéant, dans la première colonne ; - on mesure la teneur en oxygène à un point, de préférence où cette teneur est entre 2 et 10 ppm dans la colonne de séparation, de préférence dans la partie supérieure de celle-ci (le cas échéant dans la deuxième colonne de séparation, de préférence dans la partie supérieure de celle-ci) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un système de colonnes de séparation d'un débit enrichi en argon par rapport à l'air comprenant a) au moins une colonne, b) une conduite d'entrée d'un débit enrichi en argon par rapport à de l'air reliée à une cuve d'une colonne de séparation ou dans une cuve de la première de deux colonnes de séparation, le ou les colonnes contenant des tronçons de garnissages structurés, c) le cas échéant, une conduite d'envoi de gaz reliée à la tête de la première des deux colonnes de séparation et à la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation et une conduite d'envoi de liquide reliée à la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation et à la tête de la première des deux colonnes de séparation d) une conduite de soutirage d'un débit d'argon impur reliée à la tête de la colonne de séparation ou, le cas échéant, de la tête de la deuxième des deux colonnes de séparation caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mesurer la teneur en oxygène à un point en tête de la colonne de séparation (le cas échéant en tête de la deuxième colonne de séparation) et des moyens pour réguler le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point en tête de la colonne et/ou des moyens pour mesurer la teneur en oxygène à au moins un point au plus trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et des moyens pour réguler le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. Selon un autre objet de l'invention il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une colonne de séparation d'air , un système de séparation d'un débit enrichi en argon tel que décrit ci-dessus et une conduite pour envoyer le débit enrichi en argon de la colonne de séparation d'air vers le système de séparation du débit enrichi en argon. L'invention sera maintenant décrite en plus détail en se référant aux figures qui montrent des dessins schématiques de procédés de régulation d'une colonne de séparation d'un débit enrichi en argon par rapport à de l'air intégré dans un appareil de séparation d'air, selon l'invention. Dans la Figure 1, de l'air comprimé 1 est envoyé à la colonne haute pression K1 d'une double colonne comprenant des colonnes haute et basse pression K1, K2 superposées et communiquant thermiquement par un échangeur oxygène/azote R1 appelé vaporiseur-condenseur. Dans la colonne haute pression, l'azote est séparé de l'air en créant du liquide riche en oxygène au fond de la colonne et du liquide et de la vapeur riche en azote en haut de la colonne. Ces produits sont extraits et quelques-uns sont alimentés séparément à la colonne basse pression K2. De l'azote pratiquement pur est formé en haut de la colonne basse pression K2, de l'oxygène pratiquement pur est formé en bas de la colonne basse pression K2 et du gaz enrichi en argon est extrait à un point intermédiaire de la colonne K2. Le débit 9, enrichi en argon, souvent appelé de l'argon brut, est soutiré de la colonne basse pression K2 et alimente une première colonne de mixture K10-1 dans le but de produire in fine de l'argon. La première colonne de mixture K10-1 ne comprend ni condenseur de tête ni rebouilleur de cuve. Le débit enrichi en argon est rectifié en un reflux riche en oxygène 11 (qui est par la suite envoyé à la colonne basse pression K2) et en un gaz enrichi en argon 13. Le gaz enrichi en argon est envoyé en cuve d'une deuxième colonne de mixture K10-2 comprenant un condenseur de tête R2. Là il se sépare en un flux très riche en argon 21 (souvent appelé « mixture argon ») qui ne contient pratiquement plus d'oxygène (la teneur en oxygène dans la mixture argon est classiquement inférieure à 3 ppm 02). Cette mixture argon 21 est envoyée dans une colonne de déazotation K11 sous forme liquide ou gazeuse afin d'éliminer l'azote par rebouillage. La colonne de déazotation a un rebouilleur de cuve R4 et un condenseur de tête R3. En pied de colonne de déazotation K11, de l'argon pur 23 est soutiré sous forme liquide et est envoyé dans un stockage d'argon liquide (non-illustré). La colonne de « mixture argon » est peut être constituée par deux colonnes, comme illustrée ici afin de réduire la taille de la boîte froide, ou peut être constituée par une colonne unique. Chacune de colonnes K10-1, K10-2 comprend quatre tronçons de garnissages structurés. Un analyseur de pureté Al placée en haut de la colonne K10-2, au-dessus de tout tronçon de garnissages, analyse la pureté du fluide à l'intérieur de la colonne et envoie un signal pour fixer le point de consigne (SP) de dispositif de commande et de régulation (FIC) du débit 21. Un deuxième analyseur de pureté A2 placée trois tronçons en dessous du haut de la colonne K10-2 analyse la pureté du fluide à l'intérieur de la colonne et envoie un signal pour fixer le point de consigne (SP) de dispositif de commande et de régulation (FIC) du débit 21. Un troisième analyseur de pureté A3 est situé deux tronçons au-dessus de la cuve de la colonne K10-1, à mi-hauteur de celle-ci. Il analyse la pureté du fluide à l'intérieur de la colonne et envoie un signal pour fixer le point de consigne (SP) de dispositif de commande et de régulation (FIC) du débit 21. Le troisième analyseur n'est pas nécessairement présent et le deuxième analyseur peut remplacer le premier ou vice versa. Pour le cas où la colonne de mixture est constituée par une seule colonne K10, l'appareil est représenté par la Figure 2. De l'air comprimé 1 est envoyé à la colonne haute pression K1 d'une double colonne comprenant des colonnes haute et basse pression K1, K2 superposées et communiquant thermiquement par un échangeur oxygène/azote R1 appelé vaporiseur-condenseur. Dans la colonne haute pression, l'azote est séparé de l'air en créant du liquide riche en oxygène au fond de la colonne et du liquide et de la vapeur riche en azote en haut de la colonne. Ces produits sont extraits et quelques-uns sont alimentés séparément à la colonne basse pression K2. De l'azote pratiquement pur est formé en haut de la colonne basse pression K2, de l'oxygène pratiquement pur est formé en bas de la colonne K2 et du gaz riche en argon 9 à un point intermédiaire de la colonne K2. Le débit intermédiaire 9, enrichi en argon, souvent appelé de l'argon brut, est soutiré de la colonne basse pression K2 et alimente la colonne de mixture K10 dans le but de produire in fine de l'argon. La colonne de mixture K10 a un condenseur de tête R2 mais pas de rebouilleur de cuve. L'argon brut est rectifié en un reflux riche en oxygène 11 (qui est par la suite envoyé à la colonne basse pression K2) et en un gaz très riche en argon 21.qui ne contient pratiquement plus d'oxygène (la teneur en oxygène dans la mixture argon est classiquement inférieure à 3 ppmO2). Cette mixture argon 21 est envoyée dans une colonne de déazotation K11 sous forme liquide ou gazeuse afin d'éliminer l'azote par rebouillage. En pied de colonne de déazotation K11, de l'argon pur 23 est soutiré sous forme liquide et est envoyé dans un stockage d'argon liquide (non-illustré). Un analyseur de pureté Al placée en haut de la colonne K10, au-dessus de tout tronçon de garnissages, analyse la pureté du fluide à l'intérieur de la colonne et envoie un signal pour fixer le point de consigne (SP) de dispositif de commande et de régulation (FIC) du débit 21. Un deuxième analyseur de pureté A2 placée trois tronçons en dessous du haut de la colonne K10 analyse la pureté du fluide à l'intérieur de la colonne et envoie un signal pour fixer le point de consigne (SP) de dispositif de commande et de régulation (FIC) du débit 21. Un troisième analyseur de pureté A3 est situé deux tronçons au-dessus de la cuve de la colonne K10, à 25% de la hauteur de celle-ci. Il analyse la pureté du fluide à l'intérieur de la colonne et envoie un signal pour fixer le point de consigne (SP) de dispositif de commande et de régulation (FIC) du débit 21. Le troisième analyseur n'est pas nécessairement présent et le deuxième analyseur peut remplacer le premier ou vice versa. La méthode MVPC (Multi-Variable Predictive Control = Control Multivariable et Prédictif) est bien adaptée pour ce type de colonne à distiller et, plus particulièrement, pour ce système que proposé concernant le contrôle des colonnes de distillation d'argon cryogénique avec la particularité de respecter plusieurs consignes à la fois (p.ex. aussi bien le teneur oxygène au niveau du front de distillation que la teneur de 02 en tête ou un peu plus bas dans la colonne). Nous n'allons pas donner les détails de l'approche MVPC car la littérature est abondante. Nous donnons seulement quelques définitions, pour rappel : - MV : Variables Manipulées, les variables que le contrôleur manipule (le plus souvent des débits tels le débit d'air, le débit d'oxygène et d'azote, d'argon, le débit turbiné, etc.) pour atteindre les objectifs de contrôle (pour que les variables contrôlées se trouvent au plus proche de leurs points de consigne). - CV : Variables Contrôlées : les variables qui doivent être, à la solution, le plus proche possible de leurs points de consigne respectifs. Le plus souvent, les systèmes MVPC n'utilisent pas un point de consigne unique pour chacune de ces variables mais plutôt une limite haute et une limite basse (voire même, en plus, une limite très haute et une limite très basse) de point de consigne. Si, pour chaque variable CV, sa valeur se trouve entre ces limites haute et basse, l'objectif de contrôle est considéré comme atteint. - DV : les variables de perturbation : elles influencent le contrôle de l'appareil mais le contrôleur MVPC ne les manipule pas directement, elles sont en quelque sorte « subies » pour ce système de contrôle. Si la colonne de distillation d'argon cryogénique est vue comme un sous-système indépendant au niveau du contrôle des procédés, une matrice simplifiée de contrôle MVPC est la suivante (sans que ce système soit 100% exhaustif) : Variables manipulées (MV) MV1 : le débit riche en argon 21 Variables Contrôlées (CV) CV1 : La teneur en oxygène, en ppm, en tête de colonne (ou dans un des premiers tronçons de la tête de colonne où cette teneur devient significative et contrôlable, comme décrit dans l'esprit de la présente invention) mesuré par l'analyseur Al ou A2. CV2: La teneur en oxygène au niveau du front de distillation (la teneur en oxygène, en %, environ 25% de la hauteur de la colonne au dessu de la 20 cuve, comme expliqué auparavant). CV3 : un « objectif de bilan de matière » (ou objectif) de production d'argon, le plus souvent correspondant à un bilan de matière d'argon Variables de perturbation (DV) DV1 : Le débit du liquide riche vaporisé 23, sortant du vaporiseur de la 25 colonne argon K10, K10-2. DV2 : La teneur en 02 (%) du ventre argon de la colonne basse pression au niveau du soutirage 9. Le bon fonctionnement du système de contrôle, dépend du bon choix: 1) des limites de consigne des variables CV1 et CV2 30 2) des pénalités accordées aux variables CV En ce qui concerne les limites de consignes des variables CV : - CV1 (teneur 02 en tête de colonne) : limites haute et basse relativement peu éloignées entre elles (par exemple. si la valeur qui optimise le système (et au-delà de laquelle la colonne ne peut plus fonctionner correctement)) est de 4 ppm, cette valeur doit correspondre à la limite haute et la limite basse doit correspondre, par exemple, à 3.5 ppm de teneur en oxygène). Ce contrôle « serré » aidera l'optimisation du système car la colonne fonctionnera le plus près possible de la limite de 02 possible en tête de colonne. - CV2 (teneur oxygène au niveau du front de distillation) : limites haute et basse les plus éloignées possibles entre elles. La limite Haute de la CV2 doit exprimer la limite au-delà laquelle la colonne ne peut plus fonctionner, p.ex., 50%, 70% de teneur en oxygène, voire plus dans certains cas. La limite basse, également, doit correspondre à une limite en dessous de laquelle la colonne ne pourrait plus fonctionner, p.ex. 2%, voire 10/0 de 02. Au niveau des pénalités, le rapport entre pénalités qui est important est le suivant : La pénalité de limite haute de la CV2 est supérieure à celle de la limite basse de la CV1. La pénalité limite basse de la CV1 est très faible, juste pour permettre l'optimisation. Ca signifie que si la valeur de la teneur oxygène au niveau du front de distillation devient supérieure à sa limite haute et que la valeur de la teneur en tête de colonne devient inférieure à sa limite basse, le système MVPC va diminuer le débit de la variable MV1 (afin de permettre à la teneur en oxygène au niveau du front de distillation de baisser). La pénalité de la CV3 (objectif bilan matière) est la plus faible des toutes, juste pour permettre une optimisation. On constate donc que la teneur en oxygène au niveau du front de distillation devient une variable de contrôle « d'appoint », avec des limites de contrôle très larges, laissant le contrôle précis à la teneur 02 en tête de colonne, qui permet de mieux contrôler et optimiser la colonne. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'un débit enrichi en argon par rapport à de l'air dans lequel : i) un débit enrichi en argon est envoyé en cuve d'une colonne de séparation (K10) ou dans la cuve de la première de deux colonnes de séparation (K10-1, K10-2), la ou les colonnes contenant des tronçons de garnissages structurés ; ii) le cas échéant, un gaz est envoyé de la tête de la première des deux colonnes de séparation à la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation et un liquide est envoyé de la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation à la tête de la première des deux colonnes de séparation ; iii) un débit d'argon impur est soutiré en tête de la colonne de séparation (K10) ou, le cas échéant, de la tête de la deuxième des deux colonnes de séparation ; caractérisé en ce que l'on mesure la teneur en oxygène à un point en tête de la colonne de séparation (le cas échéant en tête de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point en tête de la colonne et/ou on mesure la teneur en oxygène à au moins un point au plus trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on mesure la teneur en oxygène à un point au moins un tronçon en dessous de la tête de la colonne de séparation (K10) (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point intermédiaire. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'on mesure la teneur en oxygène à un point en tête de la colonne de séparation (le cas échéant en tête de la deuxième colonne de séparation (K10-1, K10-2)) et à aumoins un point au plus trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction des teneurs en oxygène à ces points. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'on mesure la teneur en oxygène à au moins un point inférieur se trouvant à plus que trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (K10) (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation (K10-2)) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la modification du débit d'argon impur suite à un changement de teneur en oxygène donné au point plus que trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (K10) (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation (K10-2)) est inférieure à la modification du même débit suite au changement de teneur en oxygène donné identique en relatif au point au plus trois tronçons en dessous de le tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation). 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel le point inférieur est situé dans la partie inférieure de la colonne de séparation ou, le cas échéant, dans la première colonne. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on mesure la teneur en oxygène à un point, de préférence le point intermédiaire, où cette teneur est entre 2 et 10 ppm dans la colonne de séparation (le cas échéant dans la deuxième colonne de séparation) et on régule le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le point intermédiaire est situé dans la partie supérieure de la colonne de séparation ou, le cas échéant, dans la deuxième colonne. 9. Système de colonnes de séparation d'un débit enrichi en argon par rapport à l'air comprenant : a) au moins une colonne (K10, K10-1,K10-2), b) une conduite d'entrée d'un débit enrichi en argon par rapport à de l'air reliée à une cuve d'une colonne de séparation ou dans une cuve de la première de deux colonnes de séparation, le ou les colonnes contenant des tronçons de garnissages structurés, c) le cas échéant, une conduite d'envoi de gaz reliée à la tête de la première des deux colonnes de séparation et à la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation et une conduite d'envoi de liquide reliée à la cuve de la deuxième des deux colonnes de séparation et à la tête de la première des deux colonnes de séparation, d) une conduite de soutirage d'un débit d'argon impur (21) reliée à la tête de la colonne de séparation ou, le cas échéant, de la tête de la deuxième des deux colonnes de séparation, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (Al) pour mesurer la teneur en oxygène à un point en tête de la colonne de séparation (le cas échéant en tête de la deuxième colonne de séparation) et des moyens pour réguler le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point en tête de la colonne et/ou des moyens (A2) pour mesurer la teneur en oxygène à au moins un point au plus trois tronçons en dessous de la tête de la colonne de séparation (le cas échéant de la deuxième colonne de séparation) et des moyens pour réguler le débit d'argon impur en fonction de la teneur en oxygène à ce point. 10. Appareil de séparation d'air comprenant une colonne de séparation d'air (K1,K2), un système de séparation d'un débit enrichi en argon selon la revendication 9 et une conduite pour envoyer le débit enrichi en argon de la colonne de séparation d'air vers le système de séparation du débit enrichi en argon.