Brevet FR2961586A1 — publié le 20111223

La présente invention concerne une installation et un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique. Dans une installation de séparation d'air comprenant un ou plusieurs trains de compresseurs d'air et une ou plusieurs boites froides, les compresseurs d'air ont des fonctions fixes qui ne varient pas suivant les marches de l'installation. En particulier, un compresseur d'air comprime de l'air à partir de la pression atmosphérique jusqu'à une pression de refoulement sensiblement égale à celle de la colonne à distiller ayant la plus haute pression. Un surpresseur comprime de l'air à partir de cette pression de refoulement du compresseur d'air à une pression de refoulement définie par une combinaison de la pression de vaporisation de l'oxygène/et ou de l'azote liquide, et de la quantité de produits liquide à produire. Un but de l'invention est de pallier les désavantages des procédés connus. En particulier, le procédé selon l'invention peut permettre de : - Réduire le nombre de machines : s'il y a toujours autant de compresseurs principaux, il n'y a plus de surpresseurs d'air. - Réduire la taille des unités d'épuration en épurant l'air à la pression la plus élevée possible. Maximiser la récupération de la chaleur de compression (d'habitude on ne peut pas récupérer la chaleur basse température du surpresseur). Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant au moins deux compresseurs d'air recevant de l'air à une pression sensiblement atmosphérique, au moins deux unités d'épuration d'air et une ou plusieurs boites froides, au moins un compresseur étant relié à chacune des unités d'épuration pour y envoyer de l'air comprimé, les unités d'épuration étant reliées à la ou les boîtes froides, un premier des compresseurs étant adapté pour produire de l'air à une première pression et pour envoyer l'air à la première pression à une ou des conduites d'air haute pression de la ou les boîtes froides, un deuxième des compresseurs étant adapté pour produire de l'air à une deuxième pression inférieure à la première pression et pour envoyer l'air à la deuxième pression à une ou des conduites d'air moyenne pression de la ou les boîtes froides, des moyens pour modifier le fonctionnement du deuxième compresseur pour augmenter la pression de l'air produit à une pression supérieure à la deuxième pression et, de préférence, égale à la première pression, le refoulement du deuxième compresseur étant relié à la ou les conduites d'air haute pression de la ou les boîtes froides. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - au moins un des compresseurs possède des étages axiaux ; - les moyens pour modifier le fonctionnement du deuxième compresseur sont constitués par un dispositif couplé au deuxième compresseur adapté à avoir une vitesse de rotation variable ; - le dispositif est une turbine à vapeur ou un moteur haute vitesse ; - l'installation ne comporte aucun compresseur d'air entraîné par turbine à vapeur ou moteur électrique avec une pression d'aspiration sensiblement supérieure à la pression atmosphérique ; - l'installation ne comporte aucun compresseur d'air avec une pression d'aspiration sensiblement supérieure à la pression atmosphérique ; - le nombre de compresseurs est un multiple de 3 ; - le nombre d'unités d'épuration est un multiple de 3 ; - le premier compresseur est adapté pour produire de l'air à seulement la première pression ; - le nombre de boites froides est un multiple de 2 ; - l'installation comprend seulement deux compresseurs, deux unités d'épuration et une seule boîte froide, le premier compresseur étant adapté pour produire de l'air à seulement la première pression, le deuxième compresseur étant adapté pour produire de l'air à la première et la deuxième pression, le deuxième compresseur étant relié à la boîte à travers une première conduite sans moyen de détente et une deuxième conduite avec moyen de détente. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air utilisant au moins deux compresseurs d'air alimentés par de l'air à la pression atmosphérique, au moins deux unités d'épuration d'air et au moins une boîte froide de séparation d'air dans lequel selon une première marche de l'air haute pression est envoyé d'un premier des compresseurs à une première unité d'épuration et de la première unité d'épuration à la boîte froide et de l'air moyenne pression est envoyé d'un deuxième des compresseurs à la deuxième unité d'épuration et de la deuxième unité d'épuration à la boîte froide et selon une deuxième marche le deuxième compresseur produit de l'air à la haute pression qui est épuré et envoyé à la ou les boîtes froides et éventuellement le premier compresseur est arrêté et/ou la première unité d'épuration est arrêtée,. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - lors de la deuxième marche, le premier compresseur comprime moins d'air que pendant la première marche ; - lors de la deuxième marche, l'air du deuxième compresseur est épuré dans la deuxième unité d'épuration ; - lors de la deuxième marche l'air du deuxième compresseur est épuré dans la première unité d'épuration ; - le premier compresseur d'air produit de l'air entre 3,5 bar et 10 bar abs., préférentiellement entre 3,5 et 5 bar abs, ou encore entre 4 et 5 bar abs, et le deuxième compresseur produit de l'air pendant la première marche à entre 2,5 et 5 bar abs., préférentiellement 3 bar et 4 bar et pendant la deuxième marche à entre 3,5 bar et 10 bar abs., préférentiellement entre 3,5 et 5 bar abs, ou encore entre 4 et 5 bar abs ; - la différence de pression entre la haute pression et la moyenne pression n'excède pas 5 bars, de préférence n'excède pas 3 bars ; - la première marche est la marche nominale, et la seconde marche est une marche de secours, pouvant correspondre au déclenchement d'un des compresseurs ou d'une des unités d'épuration ; - la première marche est la marche nominale de production par séparation d'air, et la seconde marche est une marche réduite de production par séparation d'air ; - on envoie de l'oxygène provenant de la ou des boîtes froides à une chaudière d'oxycombustion. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, dans lesquels la Figure 1 montre une installation selon l'invention et la Figure 2 montre une boîte froide typique pouvant être intégrée dans l'installation comme appareil de séparation d'air. Dans la Figure 1, on voit qu'il y a un compresseur d'air 1 et deux compresseurs d'air 3B, 3C, tous recevant de l'air à la pression atmosphérique. On note l'absence de tout surpresseur d'air recevant de l'air à une pression supérieur à la pression atmosphérique. Le compresseur 1 est relié à une unité d'épuration d'air 5A, et les compresseurs 3B, 3C sont reliés aux unités d'épuration 5B, 5C pour les alimenter en air. Les boîtes froides 25, 27 contiennent chacune les échangeurs et les colonnes d'un appareil de séparation d'air. L'appareil est alimenté en chaque cas par une conduite d'air haute pression et une conduite d'air moyenne pression. Les termes « haute pression » et « moyenne pression » signifient simplement que la haute pression est plus élevée que la moyenne pression, la différence entre les deux pouvant être relativement petite. Le premier compresseur d'air 1 produit de l'air à entre 3,5 bar et 10 bar abs., préférentiellement entre 3,5 et 5 bar abs, ou encore entre 4 et 5 bar abs à, et le deuxième compresseur produit de l'air à une pression variable, pendant la première marche à une moyenne pression entre 2,5 et 5 bar abs., préférentiellement entre 3 bar et 4 bar. Ainsi une conduite moyenne pression 17 et une conduite haute pression 21 alimentent la boîte froide 25 et une conduite moyenne pression 19 et une conduite haute pression 23 alimentent la boîte froide 27. L'air dans les conduites haute pression doit servir ultérieurement à vaporiser l'oxygène liquide sous pression de l'appareil de séparation d'air. Selon une première marche de l'appareil, correspondant par exemple à la marche nominale, l'air 9A de l'épuration 5A circule dans une conduite reliée à la conduite haute pression 21 et la conduite haute pression 23 pour alimenter les boîtes froides 25, 27 en air haute pression. La vanne 13A est fermée et la vanne 11A est ouverte. Les compresseurs 3B, 3C produisent de l'air à la moyenne pression qui est épuré dans les unités d'épuration 5B, 5C. L'air épuré moyenne pression dans la conduite 9B est envoyé par la vanne 13B ouverte aux conduites moyenne pression 17, 19. L'air épuré dans la conduite 9C est envoyé par la vanne 13C ouverte aux conduites moyenne pression 17, 19 et ainsi les boîtes froides 25, 27 sont alimentées en air moyenne pression, les vannes 11B, 11C étant fermées. Selon une deuxième marche de l'appareil, si le compresseur 1 est en panne, pour continuer à produire de l'air haute pression, le fonctionnement du compresseur 3B est modifié de sorte qu'il produise de l'air à la haute pression au lieu de produire de l'air à la moyenne pression. Ceci peut être fait en modifiant la vitesse d'une turbine à vapeur ou un moteur 28 qui l'entraîne. L'air haute pression produit est épuré dans l'épuration 5B qui peut supporter de traiter une telle pression. La vanne 13B étant fermée et la vanne 11B ouverte, l'air de la conduite 9B passe dans les conduites haute pression 17, 19 pour fournir les boîtes froides 25, 27 en air haute pression. Optionnellement une partie de l'air haute pression peut être redétendue vers les conduites d'air moyenne pression 17, 19 (s'il y a un excédent d'air haute pression). Le compresseur 3C continue de produire de l'air à la moyenne pression et envoie de l'air à l'unité d'épuration 5C. L'air épuré dans la conduite 9C est envoyé par la vanne 13C ouverte aux conduites moyenne pression 17, 19 et ainsi les boîtes froides 25, 27 sont alimentées en air moyenne pression, la vanne 11C étant fermée. Il serait également possible, même si la figure n'illustre pas les connexions requises, en cas de panne du compresseur 1, d'envoyer l'air haute pression du compresseur 3B à l'épuration 5A et ensuite aux conduites 17, 19 à travers la vanne 13A, la vanne 11A étant fermée. Dans ce cas, moins de tolérance de variation de pression pour l'unité d'épuration est requise. L'avantage de la disposition de la Figure 1 est qu'elle permet de contourner l'unité d'épuration 5A en cas de dysfonctionnement de celle-ci. Les compresseurs 1, 3B, 3C peuvent avoir des étages axiaux. L'installation peut comprendre des moyens de récupération de chaleur en aval d'au moins un 20 des compresseurs 1, 3B, 3C. En cas de réduction de production ou de panne d'un des compresseurs 3B, 3C, il est possible de dévier de l'air du compresseur 1 à travers la vanne 13A qui détend l'air de la haute pression à la moyenne pression pour l'envoyer aux conduites 21, 23. 25 La deuxième marche de l'appareil peut correspondre à un arrêt de l'unité de l'épuration 5A associée au compresseur 1, à une réduction de débit produit par le compresseur 1 ou l'unité d'épuration 5A, ou à une réduction de la quantité de produit(s) devant être produit par les boîtes froides 25, 27. Par exemple, en cas de réduction du débit d'oxygène pressurisé à vaporiser avec l'air haute pression, il 30 peut être avantageux d'utiliser le compresseur 3B à la place du compresseur 1 pour produire la plus petite quantité d'oxygène requise. Réduit à son cas le plus simple, la Figure 1 ne comprendrait plus que les compresseurs 1 et 3A, les épurations 5A, 5B et une boîte froide 25, la boîte froide 27 et le compresseur 3B étant supprimés. Selon la première marche, le compresseur 1 produirait de l'air haute pression à épurer dans l'unité d'épuration 5A et le compresseur 3B produirait de l'air moyenne pression à épurer dans l'unité d'épuration 5B. Selon la deuxième marche, le compresseur 1 serait arrêté, et le compresseur 3B produirait de l'air haute pression dont une partie serait redétendue en air moyenne pression par la vanne 13B. Ainsi le compresseur 3B produirait les deux pressions d'air requises pour la boîte froide 25. La Figure 2 montre un appareil de séparation d'air tel que l'on pourrait installer dans au moins une des boîtes froides 25, 27. Alimenté par de l'air haute pression 21 et de l'air moyenne pression 17 venant d'un des compresseurs, l'appareil produit de l'oxygène basse pression 39 destiné à une unité d'oxycombustion. L'oxygène pompé à une pression d'entre 1,2 bar abs et 2 bar abs par la pompe 35, est vaporisé dans un vaporiseur dédié 37. L'appareil comprend une double colonne 41 avec une colonne moyenne pression reliée thermiquement avec une colonne basse pression au moyen de deux rebouilleurs 43, 45. Le rebouilleur de cuve 43 est chauffé par de l'air de la conduite 17 à la moyenne pression et le rebouilleur intermédiaire 45 est chauffé par de l'azote de la colonne moyenne pression. Une autre partie de l'air 17 alimente directement la colonne moyenne pression. L'appareil produit également de l'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression. Evidemment d'autres types d'appareil de séparation d'air peuvent remplacer celui-ci. REVENDICATIONS1. Installation de séparation d'air comprenant au moins deux compresseurs d'air (1, 3A, 3B) recevant de l'air à une pression sensiblement atmosphérique, au moins deux unités d'épuration d'air (5A, 5B, 5C) et une ou plusieurs boites froides (25, 27), au moins un compresseur étant relié à chacune des unités d'épuration pour y envoyer de l'air comprimé, les unités d'épuration étant reliées à la ou les boîtes froides, un premier des compresseurs (1) étant adapté pour produire de l'air à une première pression et pour envoyer l'air à la première pression à une ou des conduites d'air haute pression (21, 23) de la ou les boîtes froides, un deuxième des compresseurs (3B, 3C) étant adapté pour produire de l'air à une deuxième pression inférieure à la première pression et pour envoyer l'air à la deuxième pression à une ou des conduites d'air moyenne pression (17, 19) de la ou les boîtes froides, un moyen (28) pour modifier le fonctionnement du deuxième compresseur pour augmenter la pression de l'air produit à une pression supérieure à la deuxième pression et, de préférence, égale à la première pression, le refoulement du deuxième compresseur étant relié à la ou les conduites d'air haute pression de la ou les boîtes froides. 2. Installation suivant la revendication 1 telle qu'au moins un des compresseurs (1, 3B, 3C) possède des étages axiaux 3. Installation selon l'une des revendication 1 ou 2 dans lequel les moyens pour modifier le fonctionnement du deuxième compresseur (3B, 3C) sont constitués par un dispositif couplé au deuxième compresseur adapté à avoir une vitesse de rotation variable. 4. Installation selon la revendication 3 dans lequel le dispositif est une turbine à vapeur ou un moteur haute vitesse. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes ne comportant aucun compresseur d'air entraîné par turbine à vapeur ou moteur électrique avec une pression d'aspiration sensiblement supérieure à la pression atmosphérique. 6. Installation suivant une des revendications précédentes telle que le nombre de compresseurs (1, 3A, 3B) est un multiple de 3 et/ou le nombre d'unités d'épuration (5A, 5B, 5C) est un multiple de 3 et/ou le nombre de boites froides (25, 27) est un multiple de 2. 7. Procédé de séparation d'air utilisant au moins deux compresseurs d'air (1, 3B, 3C) alimentés par de l'air à la pression atmosphériques, au moins deux unités d'épuration d'air (5A, 5B, 5C) et au moins une boîte froide (25, 27) de séparation d'air dans lequel selon une première marche de l'air haute pression est envoyé d'un premier des compresseurs (1) à une première unité d'épuration (5A) et de la première unité d'épuration à la boîte froide et de l'air moyenne pression est envoyé d'un deuxième des compresseurs (3B,3C) à la deuxième unité d'épuration (5B,5C)) et de la deuxième unité d'épuration à la boîte froide et selon une deuxième marche le deuxième compresseur produit de l'air à la haute pression qui est épuré et envoyé à la ou les boîtes froides et éventuellement le premier compresseur est arrêté et/ou la première unité d'épuration est arrêtée. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le premier compresseur d'air produit de l'air entre 3,5 bar et 10 bar abs., préférentiellement entre 3,5 et 5 bar abs, ou encore entre 4 et 5 bar abs, et le deuxième compresseur produit de l'air pendant la première marche à entre 2,5 et 5 bar abs., préférentiellement 3 bar et 4 bar et pendant la deuxième marche à entre 3,5 bar et 10 bar abs., préférentiellement entre 3,5 et 5 bar abs, ou encore entre 4 et 5 bar abs. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8 dans lequel la première marche est la marche nominale, et la seconde marche est une marche de secours, pouvant correspondre au déclenchement d'un des compresseurs ou d'une des unités d'épuration. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8 dans lequel la première marche est la marche nominale de production par séparation d'air, et la seconde marche est une marche réduite de production par séparation d'air.