Brevet FR2983287A1 — publié le 20130531

Dans un certain nombre de pays, les réseaux électriques ne sont pas suffisamment « solides » et maillés pour éviter des perturbations importantes sur la fréquence de leur réseau lors de fortes demandes ou lors de grosses chaleurs, les deux étant d'ailleurs souvent concomitantes. Les appareils de séparation d'air (ASU) qui se trouvent sur de tels réseaux se trouvent fortement perturbés. Pour pouvoir continuer à produire aux spécifications demandées en terme de débit, pression, voire pureté sur l'oxygène comme sur l'azote, il est nécessaire lors de leur conception d'intégrer dans le choix des différentes machines ces contraintes de fréquence, ce qui est très pénalisant en terme de rendement du compresseur sur le point nominal même, plusieurs points de rendements peuvent être ainsi perdus, ce qui induit une mauvaise énergie spécifique sur les produits sortant de l'ASU. L'invention permet, par exemple lorsque le client est une industrie sidérurgique, de continuer de produire le débit d'oxygène et/ou d'azote demandé, même lors des changements importants de fréquence, tout en ayant une conservation d'une bonne énergie spécifique sur les produits sortants. L'invention présente également un intérêt particulier dans les cas où la pression de production de gaz par l'appareil de séparation n'est pas la même que la pression d'utilisation du gaz par le client, par exemple, grâce à la présence interposée d'une capacité-tampon. Dans ce contexte, « riche en oxygène » veut dire que le fluide contient au moins 70% mol d'oxygène. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel i) un débit d'air est comprimé dans un compresseur, est refroidi d'une ligne d'échange et envoyé à un système de colonnes où il se sépare pour former un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène ii) le compresseur est entraîné par un moteur alimenté par de l'électricité ayant une première fréquence iii) un débit liquide est soutiré du système de colonnes, pressurisé à une première pression par une pompe et soit vaporisé par échange de chaleur indirect avec de l'air provenant du compresseur pour produire un produit gazeux substantiellement à la première pression soit, dans le cas d'un débit liquide riche en oxygène, envoyé à la première pression à la tête d'une colonne auxiliaire alimentée en cuve par de l'air provenant du compresseur, de l'oxygène gazeux étant soutiré en tête de la colonne comme produit et un liquide intermédiaire de la colonne auxiliaire de la colonne auxiliaire étant envoyé au système de colonnes. caractérisé en ce que iv) si la fréquence de l'électricité passe en dessous d'un seuil donné inférieur à la première fréquence, le débit liquide est pressurisé à une deuxième pression inférieure à la première pression. Selon des caractéristiques optionnelles : - le compresseur comprime de l'air depuis la pression atmosphérique. - le compresseur comprime de l'air à partir d'une pression supérieur à 2 bars. - le débit liquide se vaporise dans la ligne d'échange. - le débit liquide riche en oxygène est envoyé à la première pression à la tête de la colonne auxiliaire alimentée en cuve par de l'air provenant du compresseur, de l'oxygène gazeux étant soutiré en tête de la colonne comme produit et au moins un liquide étant envoyé de la colonne auxiliaire au système de colonnes. - si la fréquence est égale à la première fréquence, le débit liquide a un débit V et si la fréquence est inférieure au seuil donné inférieur à la première 25 fréquence à la première fréquence le débit liquide au moins égale à 0,9V, voire au moins égale à 0,95V ou même égale à V. - on baisse la pression de pressurisation du liquide si le débit d'air mesuré passe en dessous d'un seuil par rapport au débit d'air requis pour atteindre la valeur nominale du débit liquide à la première pression de 30 pressurisation. - on baisse la pression de pressurisation du liquide si la pression d'air mesurée passe en dessous d'un seuil par rapport à la pression d'air requise pour atteindre la valeur nominale du débit liquide à la première pression de pressurisation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un compresseur , une ligne d'échange, un système de colonnes, un moteur électrique pour entraîner le compresseur , une conduite pour soutirer un liquide du système de colonnes, une pompe pour pressuriser le liquide soutiré et des moyens pour permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre de l'air comprimé par le compresseur et le liquide pressurisé, éventuellement les moyens permettant également un échange de masse si le liquide pressurisé est riche en oxygène, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour réguler la pression du liquide pressurisé dans la pompe en fonction de la fréquence de l'électricité alimentant le moteur électrique. Eventuellement l'installation comprend : - des moyens pour réguler la pression du liquide pressurisé par action du système de contrôle sur le débit et/ou la pression de sortie de la pompe. - des moyens pour mesurer la fréquence alimentant le moteur électrique, les moyens pour réguler la pression de pressurisation du liquide étant capable d'être mis en marche si la fréquence passe en dessous d'un seuil. - un surpresseur, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur au surpresseur et du surpresseur à la ligne d'échange, le surpresseur étant entraîné par le ou un moteur alimenté par de l'électricité ayant une ou la fréquence. - une ligne d'échange où le liquide pressurisé se vaporise contre de l'air à séparer - une colonne auxiliaire alimenté par un liquide pressurisé riche en oxygène et de l'air. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui illustre schématiquement un appareil selon l'invention. L'appareil de séparation comprend un compresseur 100, une ligne d'échange 4, un surpresseur 7, une turbine 27, une pompe 6 et une double colonne de distillation 1 comprenant une colonne moyenne pression 2 et une colonne basse pression 3. Il sera compris que la double colonne pourrait être remplacée par une triple colonne ou que d'autres colonnes pourraient être rajoutées tells qu'une colonne de mixture argon etc. Le moyen de couplage thermique montré est de chauffer la cuve de la colonne basse pression au moyen d'azote de la colonne moyenne pression, mais d'autres moyens de couplage thermique peuvent être envisagés. Le surpresseur illustré est un surpresseur froid ayant une température d'entrée inférieure à celle du bout chaud de la ligne d'échange 4. L'invention s'applique également aux cas utilisant un surpresseur ayant une température d'entrée égale ou supérieure à celle du bout chaud de la ligne d'échange 4. De l'air est comprimé dans le compresseur 100, qui est entraîné par un moteur électrique alimentée par une source d'électricité ayant une fréquence nominale, par exemple 50Hz (en Europe) ou 60Hz (aux Etats-Unis). L'air comprimé est refroidi et épuré pour former le débit 19 puis envoyé à la ligne d'échange 4. L'air se refroidit dans la ligne d'échange puis est divisé en deux, une partie 20 poursuivant son refroidissement jusqu'au bout froid de l'échangeur et étant envoyé à la colonne moyenne pression 2 sous forme gazeuse. Le reste de l'air 21 est envoyé à un surpresseur froid 7, est surpressé à une pression élevée puis renvoyé à la ligne d'échange en tant que débit 22. Une partie de l'air surpressée 23 est détendue dans une turbine 27 et envoyé à la colonne moyenne pression alors que le reste de l'air surpressé poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid, est détendu dans une vanne 28 et envoyé à la colonne moyenne pression. Du liquide riche 11 est envoyé de la cuve de la colonne moyenne pression via la vanne 12 et les sous-refroidisseurs 5A, 5B et de l'azote liquide 13 est envoyé en tête de la colonne basse pression 3 via la vanne 14. De l'azote basse pression 15 se réchauffe dans les sous-refroidisseurs 5A, 5B et la ligne d'échange 4. De l'oxygène liquide 16 est soutiré en cuve de la colonne basse pression 3, pressurisé par la pompe 6 et vaporisé à une première haute pression dans la ligne d'échange 4. Le surpresseur 7 est également entraîné par un moteur électrique M alimenté par un courant électrique. Si la fréquence de l'électricité alimentant un des deux moteurs entraînant le compresseur ou le surpresseur, le débit et/ou la pression de l'air comprimé peut être insuffisant pour vaporiser l'oxygène à la première haute pression. Dans ce cas, selon l'invention, la pression de pressurisation de la pompe 6 5 est réduite pour vaporiser l'oxygène à une pression plus basse. Le déclenchement de cette réduction de pression peut être fait en mesurant la fréquence de l'électricité alimentant le moteur et/ou en mesurant le débit d'air comprimé 19, 22 et/ou la pression du débit d'air comprimé 19, 22. Ainsi si la fréquence et/ou le débit et/ou la pression passe en dessous d'un seuil donné (de seuils donnés), la 10 pression de l'oxygène peut être réduite tout en conservant un débit de production « proche » du débit nominal. Ainsi l'appareil peut toujours fonctionner malgré la fréquence réduite, au prix de produire de l'oxygène vaporisé à pression moins élevée. L'invention s'applique également à la vaporisation d'azote liquide. 15 Comme illustré dans la Figure 2, il est également possible d'effectuer un échange de chaleur et de masse entre l'air et l'oxygène pressurisé dans une colonne auxiliaire appelée « colonne de mélange ». Ici l'oxygène liquide 16 provenant de la pompe 6 est envoyé en tête d'une colonne 33. La colonne auxiliaire 33 est alimentée en bas par un débit d'air 31 à la pression de la colonne 20 moyenne pression. Toutefois, d'autres pressions d'opération plus élevées ou plus basses peuvent être utilisées. Un débit d'oxygène gazeux 37 est soutiré en tête de la colonne 33 et réchauffé dans l'échangeur 4. Un liquide 37 enrichi en oxygène est soutiré de la cuve de la colonne 33, détendu dans une vanne 43 et envoyé à la colonne basse pression 3. Il est également nécessaire de soutirer un 25 liquide 39 à un niveau intermédiaire de la colonne auxiliaire 33, de le détendre dans une vanne 41 et de l'envoyer au système de colonnes. Dans ce cas, en cas de fréquence réduite, la colonne de mélange 33 opère à une pression réduite, pour compenser la réduction de pression du débit d'air 31. La réduction de la fréquence, pour tous les cas d'application de l'invention, 30 peut durer quelques minutes, quelques heures, voire quelques jours. Il va de soi que la décision de baisser la pression de pressurisation sera prise en fonction des besoins du client et si une réduction de produit dû à la réduction de fréquence peut être tolérée, ce ne sera pas forcément nécessaire d'utiliser le procédé de procédé de l'invention. Une fois la fréquence normale rétablie, la pression de pressurisation est de nouveau augmentée en inversant les actions prises pour réduire la pression en cas de réduction de fréquence. Idéalement le débit liquide pressurisé restera constant, quelle que soit la fréquence, mais une baisse de jusqu'à 5%, voire jusqu'à 10% du débit à fréquence normale peut parfois être tolérée. La réduction de la pression de pressurisation en cas de baisse de fréquence peut être déclenchée en détectant qu'un débit d'air à séparer baisse. 10 Souvent une réduction par rapport au débit nominal peut être compensée au moins partiellement en réglant les compresseurs. Par contre à un seuil donné en dessous du débit nominal, il sera nécessaire de procéder selon l'invention car la régulation des compresseurs ne peut plus suffire pour combler la baisse de débit. De même, en combinaison avec la méthode ci-dessous ou seul, la 15 réduction de la pression de pressurisation en cas de baisse de fréquence peut être déclenchée en détectant que la pression d'un débit d'air à séparer baisse. Souvent une réduction par rapport à la pression nominale peut être compensée au moins partiellement en réglant les compresseurs. Par contre à un seuil donné en dessous de la pression nominale, il sera nécessaire de procéder selon 20 l'invention car la régulation des compresseurs ne peut plus suffire pour combler la baisse de pression. 25 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel i) un débit d'air est comprimé dans un compresseur (7, 100), est refroidi d'une ligne d'échange (4) et envoyé à un système de colonnes (1) où il se sépare pour former un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène ii) le compresseur (7, 100) est entraîné par un moteur (M) alimenté par de l'électricité ayant une première fréquence iii) un débit liquide (16) est soutiré du système de colonnes, pressurisé à une première pression par une pompe (6) et soit vaporisé par échange de chaleur indirect avec de l'air provenant du compresseur pour produire un produit gazeux substantiellement à la première pression soit, dans le cas d'un débit liquide riche en oxygène, envoyé à la première pression à la tête d'une colonne auxiliaire (33) alimentée en cuve par de l'air provenant du compresseur, de l'oxygène gazeux (37) étant soutiré en tête de la colonne comme produit et un liquide intermédiaire (39) de la colonne auxiliaire de la colonne auxiliaire étant envoyé au système de colonnes. caractérisé en ce que iv) si la fréquence de l'électricité passe en dessous d'un seuil donné inférieur à la première fréquence, le débit liquide est pressurisé à une deuxième pression inférieure à la première pression. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le compresseur (100) comprime de l'air depuis la pression atmosphérique. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le compresseur (7) comprime de l'air à partir d'une pression supérieur à 2 bars. 4. Procédé selon la revendication 1 à 3 dans lequel le débit liquide (16) se vaporise dans la ligne d'échange (4). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le débit liquide riche en oxygène est envoyé à la première pression à la tête de la colonne auxiliaire alimentée en cuve par de l'air provenant du compresseur, de l'oxygène gazeux étant soutiré en tête de la colonne comme produit et au moins un liquide étant envoyé de la colonne auxiliaire au système de colonnes. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel si la fréquence est égale à la première fréquence, le débit liquide a un débit V et si la fréquence est inférieure à la première fréquence le débit liquide est au moins 10 égale à 0,9V, voire au moins égale à 0,95V ou même égale à V. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on baisse la pression de pressurisation du liquide si le débit d'air mesuré passe en dessous d'un seuil par rapport au débit d'air requis pour atteindre la valeur 15 nominale du débit liquide (16) à la première pression de pressurisation. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on baisse la pression de pressurisation du liquide si la pression d'air mesurée passe en dessous d'un seuil par rapport à la pression d'air requise pour atteindre la 20 valeur nominale du débit liquide (16) à la première pression de pressurisation. 9. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un compresseur (7, 100), une ligne d'échange (4), un système de colonnes (1), un moteur électrique (M) pour entraîner le compresseur , une 25 conduite pour soutirer un liquide du système de colonnes, une pompe (6) pour pressuriser le liquide soutiré et des moyens (4, 33) pour permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre de l'air comprimé par le compresseur et le liquide pressurisé, éventuellement les moyens permettant également un échange de masse si le liquide pressurisé est riche en oxygène, caractérisée en ce qu'elle 30 comprend des moyens pour réguler la pression du liquide pressurisé (16) dans la pompe en fonction de la fréquence de l'électricité alimentant le moteur électrique. 10. Installation selon la revendication 9 comprenant des moyens pour réguler la pression du liquide pressurisé (16) par action du système de contrôle sur le débit et/ou la pression de sortie de la pompe (6).5