Brevet FR2977303A1 — publié le 20130104

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de production d'azote par distillation cryogénique. Il est parfois nécessaire de fournir de l'azote gazeux (GAN) à une température cryogénique (par exemple entre -150 et -200°C) pour certaines applications industrielles, par exemple les essais de matériaux. Une solution pour produire de l'azote gazeux cryogénique serait de mélanger dans des proportions équivalentes de l'azote gazeux à température ambiante (GAN) avec de l'azote liquide (LIN). La chaleur latente de vaporisation de l'azote liquide correspond environ à l'énergie frigorifique nécessaire pour refroidir l'azote gazeux de la température ambiante par exemple à -180°C. Cette solution nécessite l'installation d'un générateur d'azote ainsi que d'un liquéfacteur indépendant, l'investissement est donc conséquent et les coûts d'exploitation élevés. Dans un générateur d'azote classique, tel qu'illustré dans la Figure 1, de l'air comprimé 1, préalablement purifié via des adsorbeurs R01, R02 et éliminé de toute trace de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, est refroidi au travers d'un échangeur à plaque E01 jusqu'à son point de rosée afin d'être distillé dans la colonne K01. L'azote gazeux 9 est produit en tête de colonne et le liquide enrichi en oxygène 5 en pied, ce liquide étant vaporisé en gaz résiduaire 7 via le vaporiseur-condenseur 10. L'azote 9 produit par la distillation ainsi que le gaz résiduaire 7 sont alors réchauffés jusqu'à température ambiante dans l'échangeur par l'air comprimé circulant à contre-courant. Cet échange de calories entre l'air (fluide chaud) ainsi que l'azote et le gaz résiduaire (fluides froids) est nécessaire afin de satisfaire le bilan frigorifique du système. Une production de froid est néanmoins requise (via une turbine D01 de liquide riche en oxygène vaporisé) lors du démarrage afin de refroidir l'air, puis en fonctionnement normal afin de compenser les différentes pertes thermiques. Ce procédé classique n'est donc pas conçu pour permettre la production d'azote gazeux à température cryogénique. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'azote par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans un échangeur dans une colonne de distillation ayant un condenseur de tête ii) on envoie un liquide enrichi en oxygène de cuve de la colonne vers le condenseur de tête iii) on vaporise le liquide dans le condenseur pour produire un gaz et on réchauffe le gaz enrichi en oxygène dans l'échangeur iv) on détend un fluide du procédé dans une turbine pour fournir du froid v) on soutire un premier débit d'azote gazeux de la tête de la colonne à une première température et on le fournit à un client à une température froide substantiellement égale à la première température ou inférieure à la première température. Selon d'autres objets facultatifs : - on détend le premier débit d'azote gazeux dans une vanne pour le refroidir jusqu'à une température inférieure à la première température. - la colonne opère à au moins 7 bars et le premier débit d'azote gazeux est fourni au client à une pression au plus égale à celle de la colonne. - on soutire un deuxième débit d'azote gazeux de la colonne et on le réchauffe dans l'échangeur pour former un produit d'azote gazeux à température ambiante. - dans une première marche on produit de l'azote gazeux uniquement à la température froide et dans une deuxième marche on produit de l'azote gazeux uniquement à température ambiante, dans les deux marches, on produit du froid en détendant le gaz enrichi en oxygène après réchauffage dans l'échangeur, dans la première marche on réchauffe le gaz détendu dans un premier et un deuxième circuit de l'échangeur et dans la deuxième marche on réchauffe le gaz détendu dans le premier circuit uniquement et on réchauffe l'azote gazeux dans le deuxième circuit. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'azote par distillation cryogénique comprenant une colonne ayant un condenseur de tête, un échangeur, une turbine, une conduite pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi de l'échangeur à la colonne, une conduite pour envoyer du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne au condenseur, une conduite pour envoyer le liquide vaporisé dans le condenseur à l'échangeur, une conduite pour envoyer un fluide de l'appareil à la turbine, et une première conduite d'azote pour envoyer de l'azote gazeux soutiré en tête de la colonne à un client, la première conduite d'azote n'étant pas reliée à un moyen de réchauffage. Eventuellement l'appareil peut comprendre une vanne de détente reliée à la première conduite d'azote pour envoyer de l'azote gazeux de la colonne au client. L'appareil peut ne pas comprendre de compresseur relié à la première conduite d'azote. Eventuellement l'appareil comprend : - une deuxième conduite d'azote reliée à la tête de la colonne et à un circuit de l'échangeur pour permettre le réchauffage d'un deuxième débit d'azote. - la conduite pour envoyer un fluide à la turbine est reliée au condenseur pour amener le liquide vaporisé à la turbine et comprenant une conduite reliée pour deux circuits de réchauffage de l'échangeur, dont un est également relié à la deuxième conduite d'azote et un système de vannes pour permettre d'envoyer le gaz détendu dans la turbine à un seul des circuits et aux deux circuits et pour permettre de fermer la deuxième conduite d'azote en amont de l'échangeur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 2 à 4 qui illustrent des procédés selon l'invention. Dans la Figure 2, une première amélioration du procédé classique de génération d'azote permet de produire de l'azote gazeux à température cryogénique Cette solution consiste, à partir du générateur d'azote, à créer une sortie d'azote froid au niveau de la sortie colonne. Afin de respecter le bilan frigorifique, cette perte de «froid » doit être compensée par une production de froid supplémentaire équivalente. Il s'entend donc, qu'à débit d'air équivalent, la production d'azote de la Figure 2 sera nettement plus faible par rapport à celle du procédé classique. En effet, le débit de gaz résiduaire, détendu à travers la turbine et ainsi utilisé pour la production de froid, doit être suffisant pour compenser ces pertes thermiques. La production d'azote sera donc réduite afin que le débit de gaz résiduaire résultant de la distillation soit suffisant pour compenser ces pertes de froid supplémentaires. En complément, la turbine devra être adaptée de façon à traiter cette nouvelle quantité de gaz résiduaire. Le frein d'huile, relié à la turbine, devra lui-aussi être adapté afin d'apporter une puissance frigorifique suffisante. L'échangeur d'un procédé classique doit également être modifié en supprimant des passages d'azote afin d'éviter la présence de passages morts. L'avantage principal de cette solution est de produire de l'azote gazeux à température cryogénique, par exemple égale ou inférieure à -170°C, ou égale ou inférieure à 180°C, avec un faible coût d'investissement par rapport à l'utilisation du générateur d'azote classique et du liquéfacteur, puisqu'une seule unité est nécessaire. De même les coûts d'exploitation, d'énergie électrique et de maintenance sont réduits, en raison de l'absence de liquéfacteur ou de machine supplémentaire. Dans la Figure 2, de l'air 1 est comprimé dans un compresseur unique C01 pour produire un débit d'air comprimé 3. L'air comprimé 3 est épuré dans les adsorbeurs R01, R02 pour produire de l'air épuré et l'air épuré est refroidi dans l'échangeur E01 par échange de chaleur avec le liquide enrichi en oxygène vaporisé uniquement. L'air refroidi dans l'échangeur E01 est séparé dans une simple colonne de distillation K01 ayant un condenseur de tête 10. Un liquide enrichi en oxygène 5 est soutiré en cuve de la colonne K01, envoyé au condenseur 10 et vaporisé pour former un gaz enrichi en oxygène 7. Le gaz 7 se réchauffe partiellement dans l'échangeur E01, est détendu dans une turbine D01 reliée à un frein d'huile (non-illustré) et le gaz détendu se réchauffe dans l'échangeur E01 avant de servir à la régénération des adsorbants. En haut de la colonne K01 en tant que seul produit, un gaz 9 est soutiré. Si la colonne fonctionne à 7 bars abs, le gaz sera à -174°C. Ce gaz est ensuite envoyé au client sans aucun réchauffage puisque le client souhaite l'utiliser à température cryogénique. Pour obtenir de l'azote plus froid, il suffit de détendre l'azote à la température voulue dans une vanne 11, par exemple à -180°C. En sortant le débit 9 de la colonne K01 à -169°C pour une pression de colonne de 10 bar abs, puis en détendant au travers de la vanne Il, on obtient un débit à -184.5°C en détendant jusqu' à 2 bar abs et un débit de -187°C en détendant jusqu'à 1 bar abs. Comme le gaz 9 n'est pas comprimé dans un compresseur ou autrement réchauffé, il est envoyé au client substantiellement à la température à laquelle il sort de la colonne, avec éventuellement un léger réchauffement dû aux entrées de chaleur accidentelles. De même, le gaz 9 arrive au client substantiellement à la pression de la colonne, aux pertes de charge près. Dans le cas de détente dans la vanne 11, la température et la pression du gaz 9 seront évidemment plus basses à l'arrivée vers le client qu'à la sortie de la colonne. La ligne 13 désigne la partie opérant à températures non-cryogéniques à gauche de la ligne et la partie opérant à températures cryogéniques à droite de la ligne. La Figure 3 montre un procédé alternatif permettant de produire de l'azote gazeux à température cryogénique ainsi que de l'azote gazeux à température ambiante. Cette solution a l'avantage de limiter les modifications par rapport au générateur classique de la Figure 1, l'échangeur E01 n'étant pas modifié. La production d'azote gazeux froid 9 sera néanmoins limitée du fait de la production d'azote gazeux 15 nécessaire afin d'utiliser la totalité des passages de l'échangeur E01. A la différence de la Figure 2, un débit d'azote gazeux froid 17 est soutiré en tête de la colonne K01 et divisé en deux. Une partie 9 sert de produit froid et n'est 20 pas réchauffée avant d'être envoyée au client. Le reste 15 se réchauffe dans l'échangeur E01 et sert de produit à température ambiante. Pour optimiser la production d'azote gazeux à température ambiante ou d'azote gazeux froid avec le même appareil, une troisième amélioration est 25 possible comme illustrée dans la Figure 4. Un aspect de l'invention consiste à repartir de la Figure 1 et d'utiliser les passages d'azote non utilisés en période de production d'azote gazeux froid pour réchauffer le gaz enrichi en oxygène 7 vaporisé dans le condenseur 10. Un système de jeu de vannes permettra de produire soit de l'azote gazeux 30 froid, soit de l'azote gazeux à température ambiante. L'avantage de cette solution est d'utiliser le générateur dans sa version froide, comme dans sa version chaude, par le simple biais de vannes judicieusement positionnées. Quand on souhaite produire uniquement de l'azote gazeux à température ambiante, on soutire le débit 17 de la colonne K01, la vanne 11 étant fermée et la vanne 23 ouverte. L'azote gazeux se réchauffe dans l'échangeur E01 dans le circuit B, la vanne 25 étant fermée, le gaz résiduaire 7 détendu dans la turbine D01 est réchauffé dans l'échangeur E01 au travers d'un seul circuit A de l'échangeur. Quand on souhaite produire uniquement de l'azote gazeux froid, on soutire le débit 17 de la colonne K01, on ferme la vanne 23 et on ouvre la vanne 11 pour sortir l'azote gazeux sans le réchauffer dans l'échangeur E01. Pour produire le froid nécessaire, on détend le gaz 7 dans la turbine D01 et on divise le débit détendu en deux, en ouvrant la vanne 25. Ainsi le gaz détendu 7 passe dans deux circuits différents A, B de l'échangeur E01, ce qui assure un bon échange thermique par l'absence de passage mort dans l'échangeur. De plus en divisant le débit de gaz 7 dans les deux circuits, on réduit les pertes de charge sur le gaz 7 détendu dans l'échangeur E01, la pression en sortie de turbine D01 est donc plus basse, maximisant le taux de détente et donc la production de froid. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'azote par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans un échangeur (E01) dans une colonne de distillation (K01) ayant un condenseur de tête (10), ii) on envoie un liquide enrichi en oxygène (5) de cuve de la colonne vers le condenseur de tête, iii) on vaporise le liquide dans le condenseur pour produire un gaz (7) et on réchauffe le gaz enrichi en oxygène dans l'échangeur, iv) on détend un fluide du procédé dans une turbine (D01) pour fournir du froid, v) on soutire un premier débit d'azote gazeux (9) de la tête de la colonne à une première température et on le fournit à un client à une température froide substantiellement égale à la première température ou inférieure à la première température. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détend le premier débit d'azote gazeux (9) dans une vanne (11) pour le refroidir jusqu'à une température inférieure à la première température. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la colonne (K01) opère à au moins 7 bars et le premier débit d'azote gazeux (9) est fourni au client à une pression au plus égale à celle de la colonne. 25 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on soutire un deuxième débit d'azote gazeux (15) de la colonne (K01) et on le réchauffe dans l'échangeur (E01) pour former un produit d'azote gazeux à température ambiante. 30 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel, dans une première marche, on produit de l'azote gazeux (9) uniquement à la température froide et dans une deuxième marche on produit de l'azote gazeux (15) uniquement à température ambiante, dans les deux marches, on produit du froid en détendant le gaz enrichi en oxygène après réchauffage dans l'échangeur, dans la première20marche on réchauffe le gaz détendu dans un premier et un deuxième circuit (A, B) de l'échangeur et dans la deuxième marche on réchauffe le gaz détendu dans le premier circuit uniquement et on réchauffe l'azote gazeux dans le deuxième circuit. 6. Appareil de production d'azote par distillation cryogénique comprenant une colonne (K01) ayant un condenseur de tête (10), un échangeur (E01), une turbine (D01), une conduite pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi de l'échangeur à la colonne, une conduite pour envoyer du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne au condenseur, une conduite pour envoyer le liquide vaporisé dans le condenseur à l'échangeur, une conduite pour envoyer un fluide de l'appareil à la turbine, et une première conduite d'azote pour envoyer de l'azote gazeux (9) soutiré en tête de la colonne à un client, la première conduite d'azote n'étant pas reliée à un moyen de réchauffage. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant une vanne (11) de détente reliée à la première conduite d'azote pour envoyer de l'azote gazeux de la colonne (K01) au client. 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 ne comprenant pas de compresseur reliée à la première conduite d'azote. 9. Appareil selon la revendication 6, 7 ou 8 comprenant une deuxième conduite d'azote reliée à la tête de la colonne et à un circuit (A, B) de l'échangeur 25 pour permettre le réchauffage d'un deuxième débit d'azote. 10. Appareil selon la revendication 9 dans laquelle la conduite pour envoyer un fluide à la turbine (D01) est reliée au condenseur (10) pour amener le liquide vaporisé à la turbine et comprenant une conduite reliée pour deux circuits (A, B) 30 de réchauffage de l'échangeur (E01), dont un est également relié à la deuxième conduite d'azote et un système de vannes (11, 23, 25) pour permettre d'envoyer le gaz détendu dans la turbine à un seul des circuits et aux deux circuits et pour permettre de fermer la deuxième conduite d'azote en amont de l'échangeur.