Brevet FR3010779A1 — publié le 20150320

La présente invention concerne un vaporiseur à bain pour appareil de séparation d'air, une colonne de séparation et un procédé d'opération d'un vaporiseur à bain. L'air est souvent séparé par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne inférieure opérant à moyenne pression et une colonne supérieure opérant à basse pression. Les deux colonnes sont thermiquement reliées et l'azote de tête de la colonne moyenne pression sert à vaporiseur l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression. Pour vaporiser l'oxygène de cette manière, on utilise souvent un vaporiseur à 15 bain du type décrit dans « Cryogenic Engineering » de Hands, Academic Press, 1986, page 213. Ce vaporiseur principal d'un appareil de séparation d'air vaporise de l'oxygène liquide en condensant l'azote. La différence de température de cet échangeur entre l'oxygène qui se vaporise et l'azote qui se condense va 20 déterminer la pression de la colonne moyenne pression. Ceci a donc un impact important sur la consommation énergétique de l'appareil de séparation d'air. La réduction de la différence de température (AT) d'un vaporiseur demande l'installation de plus de surface d'échange en ajoutant des corps et par conséquence une augmentation de la taille de la virole. 25 Il est difficile et coûteux d'augmenter le nombre de corps par étage. Pour réduire le AT, il est nécessaire d'ajouter de la surface en forme d'un étage additionnel. Les vaporiseurs à bain multi-étage sont habituellement installés avec une circulation en cascade. Ainsi tout le liquide à vaporiser est introduit dans le bain 30 supérieur. L'excès de liquide de cet étage déborde dans l'étage en dessous et ainsi successivement. Dans la configuration en cascade à 3 étages : - Le 3eme étage (étage supérieur) reçoit la totalité du liquide à vaporiser : les tuyaux et l'espace de recirculation sont dimensionnés pour 100% du liquide. Il vaporise un tiers de ce liquide et envoie le reste vers l'étage en dessous. Si la colonne permet une production d'oxygène liquide en cuve, le 3ème étage reçoit également une partie de l'oxygène liquide à produire, le 2ème étage recevant le reste de l'oxygène liquide à produire. Ainsi la 3ème étage peut recevoir tout le liquide à vaporiser dans les trois étage ainsi que une partie (par exemple la moitié) de l'oxygène liquide qui ne sera pas vaporisé. - Le 2eme étage (étage intermédiaire) reçoit deux tiers du liquide total à vaporiser envoyé au troisième étage : tuyaux et espace de recirculation sont dimensionnés pour 66% du liquide. L'invention consiste en repartir le liquide à vaporiser entre les deux étages supérieurs. L'excès de liquide de ces deux étages déborde dans le premier étage (étage inférieur). L'avantage de telle configuration est une meilleure utilisation de l'espace de la virole : les tuyaux liquides et l'espace de recirculation du premier et deuxième étage sont réduits en volume car ils sont dimensionnés pour 50% du débit liquide total à vaporiser. Selon un objet de l'invention, il est prévu un vaporiseur à bain pour appareil de séparation d'air comprenant au moins trois étages d'échangeurs de chaleur, disposés sur un axe commun, de sorte que lors de l'usage le premier étage se trouve en dessous du deuxième étage et le deuxième étage se trouve en dessous du troisième étage, une conduite pour envoyer un liquide à vaporiser au troisième étage, une conduite pour envoyer un liquide à vaporiser au deuxième étage, des moyens pour envoyer le liquide à vaporiser du deuxième étage au premier étage, des moyens pour envoyer un gaz à condenser à chaque étage et des moyens pour soutirer un gaz condensé de chaque étage caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer le liquide à vaporiser du troisième étage au premier étage sans passer par le deuxième étage. Selon d'autres aspects facultatifs : - le vaporiseur ne comprend aucun moyen pour envoyer du liquide qui ne s'est pas vaporisé dans le troisième étage du troisième étage au deuxième étage - les deuxième et troisième et éventuellement premier étages ont substantiellement le même volume. - chaque étage est en forme de cuboïde. - chaque étage est un échangeur de chaleur en forme en cuboïde. - les conduites pour envoyer le liquide à vaporiseur au troisième et au deuxième étages ont substantiellement la même section. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une colonne de distillation comprenant une virole et un fond et un vaporiseur tel que décrit ci-dessus disposé dans la cuve de la colonne. La colonne peut comprendre des moyens pour soutirer un produit liquide riche en oxygène en cuve de la colonne. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne telle que décrite ci-dessus. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé d'opération d'un vaporiseur tel que décrit ci-dessus, dans lequel on envoie un premier débit de liquide à vaporiser au troisième étage et un deuxième débit de liquide à vaporiseur au deuxième étage, le deuxième débit différant du premier d'au plus 20%. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention - une partie du premier débit se vaporise dans le troisième étage et sort sous forme gazeuse du troisième étage, le reste du premier débit étant envoyé du troisième étage au premier étage sans traverser le deuxième étage. - une partie du deuxième débit se vaporise dans le deuxième étage et sort sous forme gazeuse du deuxième étage, le reste du deuxième débit étant envoyé du deuxième étage au premier étage. - les premier et deuxième liquides ont substantiellement la même composition. La conséquence est une réduction de la taille de la virole pour un AT donné (ou une réduction du AT pour un même diamètre de virole). L'invention sera décrite en plus de détails en se référant à la figure qui illustre un vaporiseur selon l'invention. Le vaporiseur V se trouve à l'intérieur d'une virole 5 de colonne de distillation d'air. La colonne est la colonne basse pression d'une double colonne de séparation d'air. En dessous de cette colonne se trouve une colonne moyenne pression qui produit de l'azote gazeux à condenser dans le vaporiseur V. Le vaporiseur comprend trois étages superposés : le premier étage 1 situé en cuve de la colonne, le deuxième étage 2 situé à un niveau intermédiaire et le troisième étage 3 situé au dessus des deux autres. Les trois étages ont substantiellement la même forme de cuboïde et le même volume puisqu'ils doivent traiter le même volume de fluide. Chaque étage est alimenté par de l'azote gazeux GAN provenant de la colonne moyenne pression. L'azote GAN se condense dans les trois étages et est renvoyé à la colonne moyenne pression sous forme liquide. L'oxygène liquide LOX provenant de la distillation dans la colonne basse pression est divisé en deux parties formant un premier liquide et un deuxième liquide de substantiellement la même composition. Une conduite 7 amène un débit du premier liquide au troisième étage 3 où il se vaporise partiellement. Le débit dans la conduite 7 constitue la moitié de l'oxygène liquide à vaporiser. Le gaz formé GOX, constituant un tiers de l'oxygène vaporisé dans le vaporiseur, sort du troisième étage pour se trouver dans la colonne. Le liquide restant est envoyé directement au premier étage sans passer par le deuxième étage 2 et s'y vaporise. Une conduite 11 amène un débit du deuxième liquide au deuxième étage 2 où il se vaporise partiellement. Le débit dans la conduite 11 constitue la moitié de l'oxygène liquide à vaporiser. Le gaz formé GOX, constituant un tiers de l'oxygène 25 vaporisé dans le vaporiseur, sort du deuxième étage pour se trouver dans la colonne. Le liquide restant est envoyé directement au premier étage et s'y vaporise. Le premier étage 1 se trouve dans un bain de liquide au fond de la colonne. De l'oxygène gazeux GOX est produit dans le premier étage et un débit d'oxygène liquide LOX est soutiré en cuve de la colonne en tant que produit. Cette 30 production de liquide n'est pas essentielle. Aucun moyen n'existe dans le vaporiseur selon l'invention pour envoyer du liquide à vaporiser du troisième étage 3 au deuxième étage 2. Comme le troisième étage ne reçoit qu'une partie du liquide à vaporiser (et éventuellement uniquement une partie de l'oxygène liquide à produire comme produit liquide) et non pas la totalité du liquide à vaporiser (et éventuellement tout l'oxygène liquide à produire comme produit liquide) comme dans l'art antérieur, son volume est d'autant plus réduit, permettant une réduction du diamètre de virole. REVENDICATIONS1. Vaporiseur à bain pour appareil de séparation d'air comprenant au moins trois étages d'échangeurs de chaleur (1, 2, 3), disposés sur un axe commun, de sorte que lors de l'usage le premier étage (1) se trouve en dessous du deuxième étage (2) et le deuxième étage se trouve en dessous du troisième étage (3), une conduite (7) pour envoyer un liquide à vaporiser au troisième étage, une conduite (11) pour envoyer un liquide à vaporiser au deuxième étage, des moyens pour envoyer le liquide à vaporiser du deuxième étage au premier étage, des moyens pour envoyer un gaz à condenser à chaque étage et des moyens pour soutirer un gaz condensé de chaque étage caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer le liquide à vaporiser du troisième étage au premier étage sans passer par le deuxième étage. 2. Vaporiseur selon la revendication 1, dans lequel les deuxième et troisième et éventuellement premier étages (1, 2, 3), ont substantiellement le même volume. 3. Vaporiseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque étage (1, 2, 3), est en forme de cuboïde. 4. Vaporiseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les conduites pour envoyer le liquide à vaporiseur au troisième et au deuxième étages (2, 3), ont substantiellement la même section. 5. Colonne de distillation comprenant une virole (5) et un fond et un vaporiseur (V) selon l'une des revendications précédentes disposé dans la cuve de la colonne. 6. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne selon la revendication 5. 7. Procédé d'opération d'un vaporiseur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on envoie un premier débit de liquide à vaporiser au troisième étage (3) et un deuxième débit de liquide à vaporiseur au deuxième étage (2), le deuxième débit différant du premier d'au plus 20%. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel une partie du premier débit se vaporise dans le troisième étage (3) et sort sous forme gazeuse du troisième étage, le reste du premier débit étant envoyé du troisième étage au premier étage (1) sans traverser le deuxième étage (2). 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel une partie du deuxième débit se vaporise dans le deuxième étage (2) et sort sous forme gazeuse du deuxième étage, le reste du deuxième débit étant envoyé du deuxième étage au premier étage (1). 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les premier et deuxième liquides ont substantiellement la même composition.