Brevet FR3017698A1 — publié le 20150821

La présente invention est relative à une colonne de séparation d'air par distillation cryogénique, à un appareil de séparation d'air comportant une telle colonne et à un procédé de fabrication d'une telle colonne. Il est parfois nécessaire de modifier les dessins d'un appareil de séparation d'air en cours de conception, en fonction d'un changement des besoins du client. Par exemple, le client peut s'apercevoir qu'il aura besoin d'une production d'argon alors que l'appareil est déjà conçu sans production d'argon, voire existe sans colonne d'argon. Une façon de résoudre ce problème est de concevoir l'appareil avec une colonne capable de produire de l'argon mais qui déverse le gaz épuré en argon dans l'azote résiduaire quand l'argon n'est pas requis. Il est également possible d'augmenter les dimensions de la colonne basse pression. Ces deux solutions nécessitent d'augmenter les coûts d'investissement. Une installation de distillation d'air permettant la production d'argon est généralement constituée d'une colonne moyenne pression, fonctionnant typiquement sous environ 6 bars absolus, surmontée d'une colonne basse pression fonctionnant typiquement légèrement au-dessus de la pression atmosphérique et à laquelle est couplée une colonne de production d'argon impur. Un condenseur-vaporiseur met en relation d'échange thermique la vapeur de tête de la colonne moyenne pression, constituée d'azote à peu près pur, et le liquide de cuve de la colonne basse pression, constitué d'oxygène à peu près pur. La colonne basse pression comprend un tronçon de distillation, immédiatement au-dessus de celui-ci, un premier tronçon de distillation intermédiaire, et plusieurs tronçons au-dessus du premier tronçon de distillation intermédiaire, généralement entre deux et trois. Chacun des tronçons de distillation est constitué par des blocs de garnissage structuré du type « ondulé-croisé ». Comme il est bien connu, un bloc de garnissage ondulé-croisé est constitué d'un paquet de lamelles ondulées disposées chacune dans un plan général vertical et accolées les unes aux autres, chaque lamelle ayant une forme générale rectangulaire. Les lamelles sont 5 ondulées en oblique, et le sens d'inclinaison des ondes est inversé d'une lamelle à la suivante. Toutes les lamelles ont la même hauteur, tandis que leur longueur, ou dimension horizontale, augmente d'une valeur minimale, pour une lamelle extrême, à une valeur maximale pour la lamelle médiane, puis diminue jusqu'à la même 10 valeur minimale pour l'autre lamelle extrême. Chacun des tronçons est un tronçon de garnissage continu, c'est-à-dire un tronçon constitué d'un empilement direct de blocs élémentaires les uns sur les autres, sans aucun dispositif de redistribution de fluide intermédiaire, chaque bloc élémentaire étant 15 tourné de 90°, autour de l'axe de la colonne, par rapport aux deux couches adjacents. Le premier tronçon de distillation intermédiaire, comme décrit dans EP-A-0664144, a une section plus petite que celle des autres tronçons et se trouve donc au milieu de la colonne basse pression 20 avec un espace à section annulaire entre le bord du tronçon et la virole principale de la colonne. La colonne est conçue de sorte que la vapeur plus riche en argon puisse être soutirée dans cette espace à section annulaire en dessous d'une baffe qui divise l'espace en une section inférieure et une section supérieure verticalement. Cette 25 vapeur alimente ensuite la colonne argon. Le liquide de cuve de la colonne argon est également renvoyé dans la section inférieure d'où est soutirée la vapeur la plus riche en argon. Le liquide riche vaporisé provenant du condenseur de tête de la colonne argon est envoyé en la section supérieure de l'espace. 30 Le premier tronçon de distillation intermédiaire est séparé des tronçons adjacents par des distributeurs. Ainsi les soutirages et l'alimentation de gaz dans la colonne, liés à la production d'argon, ne rajoutent pas à la hauteur de la colonne. Le diamètre réduit pour ce premier tronçon de distillation intermédiaire est possible, sans augmenter le diamètre de la colonne parce que ce tronçon n'est pas dimensionnant. En effet, une quantité de gaz assez important passe à la colonne argon et donc ne transite pas par ce tronçon. Quand l'installation est conçue pour ne pas produire de l'argon, ce tronçon à section réduite n'est pas installé, selon l'art antérieur. Un des buts de la présente invention est de concevoir une colonne basse pression qui convient à une production avec ou sans argon. L'idée est d'utiliser une colonne avec premier tronçon de distillation intermédiaire à section réduite, avec ou sans production 15 d'argon, et de modifier la densité du garnissage dans ce tronçon, avec une densité plus basse pour le cas sans production d'argon et une densité plus élevée pour le cas avec production d'argon. L'invention permet d'avoir un modèle standardisé pour la colonne basse pression, avec ou sans production d'argon. Ceci 20 permet de plus de standardiser l'architecture de la boîte froide, y compris les conduites d'amenée de fluides. Le temps de livraison au client peut donc être réduit car il est possible de fabriquer la colonne avant de statuer sur la nécessité de production d'argon ou pas. Il est connu d'augmenter la capacité d'un tronçon de garnissage en 25 modifiant la géométrie des garnissages, tel que décrit dans EP-A0707885. Selon un objet de l'invention, il est prévu une colonne de séparation d'air par distillation cryogénique ayant une virole et au moins quatre tronçons de distillation, chaque tronçon étant composé d'un 30 empilement de blocs de garnissage organisé, du genre ondulé-croisé, chaque bloc comprenant un paquet de lamelles ondulées rectangulaires, au moins un premier tronçon intermédiaire de distillation de la colonne basse pression étant entouré d'une virole auxiliaire autour de laquelle est délimité un espace divisé en une section inférieure et une section supérieure dans le sens du rayon de la colonne, le ou les tronçons intermédiaire(s) étant situé(s) dans une partie intermédiaire de la colonne basse pression caractérisée en ce que la capacité du premier tronçon intermédiaire est supérieure à celle(s) d'au moins un tronçon adjacent, voire à celle(s) des autres tronçons de la colonne. Selon un autre objet de l'invention, la colonne comprend : - des ouvertures dans la virole prévues pour relier la section supérieure et la section inférieure avec l'extérieur de la colonne qui ont été condamnées. - un deuxième et un troisième tronçons intermédiaires de distillation disposés de sorte qu'en usage le deuxième tronçon se trouve au-dessus du premier tronçon intermédiaire et le troisième tronçon se trouve au-dessus du deuxième tronçon intermédiaire et comprenant une première ouverture dans l'espace entre le premier et le deuxième tronçon intermédiaire, une deuxième ouverture dans l'espace entre le deuxième et le troisième tronçon intermédiaire et une troisième ouverture dans l'espace au-dessus du troisième tronçon, les première, deuxième et troisième ouvertures étant adaptées à être reliées à une conduite d'arrivée de liquide, la première ou la troisième ouverture étant condamnée et la deuxième ouverture étant ouverte. - le garnissage dans le premier tronçon intermédiaire a une densité 25 inférieure d'au moins 50 m2/m3 à celle d'au moins un des tronçons adjacents. -le garnissage dans le premier tronçon intermédiaire a une géométrie différente à celle d'au moins un des tronçons adjacents. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de 30 séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression reliée thermiquement à une colonne basse pression tel que décrit ci-dessus ne comprenant pas de moyens pour envoyer un fluide intermédiaire de la colonne basse pression à une autre colonne pour y être séparé. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de fabrication d'une colonne d'un appareil de séparation d'air dans lequel on construit une colonne ayant une virole principale et on y installe plusieurs tronçons de distillation, chaque tronçon étant composé d'un empilement de blocs de garnissage organisé du genre ondulé-croisé, chaque bloc comprenant un paquet de lamelles ondulées rectangulaires, au moins un premier tronçon intermédiaire de distillation de la colonne basse pression étant entouré d'une virole auxiliaire autour de laquelle est délimité un espace divisé en une section inférieure et une section supérieure dans le sens du rayon de la colonne, le ou les tronçons intermédiaire(s) étant situé(s) dans une partie intermédiaire de la colonne basse pression caractérisé en ce que si la colonne doit faire partie d'un appareil ne produisant pas de débit riche en argon, on installe un garnissage pour le premier tronçon intermédiaire, le garnissage étant choisi de sorte que la capacité du premier tronçon intermédiaire est supérieure à celle(s) d'au moins un tronçon adjacent , voire à celle(s) des autres tronçons de la colonne. Selon d'autres aspects facultatifs : - on perce au moins une ouverture dans la virole principale permettant un accès à la section inférieure et/ou à la section supérieure et on obture au moins une ouverture dans le cas où la colonne doit faire partie d'un appareil ne produisant pas de débit riche en argon. - on perce au moins une ouverture de reflux dans la virole principale à un point entre deux tronçons adjacents, à un niveau entre le premier tronçon et la tête de la colonne et on obstrue l'ouverture de reflux si la colonne doit faire partie d'un appareil ne produisant pas de débit riche en argon. - on perce au moins une ouverture de reflux dans la virole principale à un point entre deux tronçons adjacents, à un niveau entre le premier tronçon et la tête de la colonne et on obstrue l'ouverture de reflux si la colonne doit faire partie d'un appareil de produisant un débit riche en argon. Le terme « liquide riche » utilisé ici est un terme de l'art pour désigner un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air. De manière générale, il est intéressant de concevoir une version standardisée de la colonne moyenne pression ainsi que le bas de la colonne basse pression (au moins un tronçon) , quelles que soient les produits requis et de concevoir le reste de la colonne basse pression en fonction des besoins du client Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexes, sur lesquels : - la Figure 1 représente schématiquement une colonne basse pression d'un appareil de distillation d'air selon l'invention 15 adaptée pour un usage sans production d'argon - la Figure 2 représente schématiquement une colonne basse pression d'un appareil de distillation d'air selon l'invention adaptée pour un usage avec production d'argon L'installation de distillation d'air dont la colonne basse pression 20 est représentée à la Figure 1 est constituée d'une colonne moyenne pression 1, fonctionnant typiquement sous environ 6 bars absolus, surmontée de la colonne basse pression 2 fonctionnant typiquement légèrement au-dessus de la pression atmosphérique. On note l'absence de toute colonne de production d'argon impur ou 25 pur. Un condenseur-vaporiseur 4 met en relation d'échange thermique la vapeur de tête de la colonne 1, constituée d'azote à peu près pur, et le liquide de cuve de la colonne 2, constitué d'oxygène à peu près pur. La colonne 1 reçoit de l'air pressurisé et épuré à séparer et produit 30 un débit liquide enrichi en oxygène et un débit liquide enrichi en azote, qui sont envoyés tous deux à la colonne basse pression 2. L'illustration de la Figure 1 est très schématique et a essentiellement pour but de montrer les entrées/sorties de fluides de l'installation, ainsi que les tronçons de distillation qu'elles définissent. La virole principale de la colonne basse pression 2 comprend six tronçons de distillation, à savoir : - un tronçon de distillation inferieur 24 compris entre la cuve de la colonne avec sa sortie de liquide 10 et le premier tronçon de distillation intermédiaire 25 - immédiatement au-dessus du tronçon 24 avec un distributeur (non-illustré) entre les deux, le premier tronçon de distillation intermédiaire 25 en dessous de l'entrée de liquide 6, la section du premier tronçon de distillation intermédiaire étant inférieure à celle du tronçon inférieur - un deuxième tronçon de distillation intermédiaire 26 entre le premier et troisième tronçon de distillation intermédiaire - un troisième tronçon de distillation intermédiaire 27 entre le deuxième tronçon intermédiaire et un tronçon de distillation supérieur 28, - un tronçon de distillation supérieur 28 compris entre le 20 troisième tronçon de distillation intermédiaire et un tronçon de minaret - le tronçon de minaret 29 qui a une section inférieure à celle du tronçon de distillation supérieur. La section du premier tronçon de distillation intermédiaire étant 25 inférieure à celles du tronçon inférieur, du tronçon supérieur et des deuxième et troisième tronçons intermédiaires. Le tronçon 29 est montré en pointillés car sa présence n'est pas essentielle. Le premier tronçon intermédiaire 25 est un corps cylindrique composé de garnissages entouré d'une virole auxiliaire de plus 30 petit diamètre que la virole de la colonne. Il est disposé à l'intérieur de la virole de la colonne et entouré d'une espace à section annulaire délimité par la virole de la colonne et la virole auxiliaire entourant les garnissages. Un organe d'étanchéité annulaire 71 relie à joint étanche la virole de la colonne et la virole auxiliaire, et le sommet du tronçon 26 est espacé du distributeur 29C par des entretoises 72. Chacun des tronçons de distillation 23 à 29 est constitué par des blocs de garnissage organisé du type « ondulé-croisé ». Comme il est bien connu, un bloc de garnissage ondulé-croisé est constitué d'un paquet de lamelles ondulées disposées chacune dans un plan général vertical et accolées les unes aux autres, chaque lamelle ayant une forme générale rectangulaire. Les lamelles sont ondulées en oblique, et le sens d'inclinaison des ondes est inversé d'une lamelle à la suivante. Toutes les lamelles ont la même hauteur, tandis que leur longueur, ou dimension horizontale, augmente d'une valeur minimale, pour une lamelle extrême, à une valeur maximale pour la lamelle médiane, puis diminue jusqu'à la même valeur minimale pour l'autre lamelle extrême. Chacun des tronçons 23 à 29 est un tronçon de garnissage continu, c'est-à-dire un tronçon constitué d'un empilement direct de couches (en anglais « packs ») élémentaires les uns sur les autres, sans aucun dispositif de redistribution de fluide intermédiaire, chaque couche élémentaire étant tourné de 90°, autour de l'axe de la colonne, par rapport aux deux couches adjacents. Ceci est rendu possible, malgré la grande hauteur de certains tronçons, notamment des tronçons 23, 24 et 28, qui peuvent comporter respectivement 40, 38 et 50 plateaux théoriques, grâce à plusieurs caractéristiques qui apparaitront dans la suite. Les tronçons de distillation 24 et 25 d'une part, 25 et 26 d'autre part, 26 et 27, 27 et 28, enfin 28 et 29, sont séparés les uns des autres par un distributeur. Alors que la colonne basse pression n'est pas destinée à être reliée à une colonne de production d'argon, elle contient néanmoins le tronçon 25 à section réduite qui est généralement utilisé pour les colonnes basse pression alimentant une colonne de production d'argon. Alors que dans une colonne basse pression alimentant une colonne de production d'argon, les garnissages utilisés pour les cinq tronçons 24 à 28 sont identiques, les garnissages utilisés pour le premier tronçon intermédiaire 25 sont moins denses que ceux des tronçons 24, 26, 27,28 et éventuellement 29. La présence du tronçon 29 n'est pas essentielle. Ceci veut dire qu'en construisant la colonne, la décision de la capacité de garnissage à installer dans le premier tronçon intermédiaire peut être prise très tardivement, dès que la décision est prise de produire de l'argon ou pas. La virole principale et les connexions extérieures peuvent être fabriquées et seule l'installation du tronçon 25 détermine l'usage ultime que l'on fera de la colonne 2. Afin de modifier la capacité du garnissage du tronçon 25, plusieurs possibilités s'ouvrent. Comme proposé dans EP-A-0707885, il est possible de modifier les bords du tronçon de garnissage afin de réduire la résistance au passage de gaz dans la partie inférieure et/ou supérieure du tronçon par rapport à l'intérieur du tronçon. Il est également possible de choisir un garnissage moins dense d'au moins 50m2/m3 pour le tronçon 25 que pour les tronçons 24 et 26. Ainsi le tronçon pour le garnissage peut avoir une densité moyenne de 350 m2/m3 alors que la densité moyenne des garnissages pour les tronçons 24 et 26 sera de 500 m2/m3. Le but est de choisir, pour le cas sans argon, un tronçon qui a une limite d'engorgement plus élevée que pour le cas avec argon. Cette différence de limite peut être obtenue de divers moyens, par exemple en choisissant des tronçons faits de garnissages de géométries différentes, avec ou sans un bord bas modifié pour réduire la résistance au passage de gaz etc. Entre le premier et le deuxième tronçon intermédiaire, une arrivée de liquide riche (liquide enrichi en oxygène) est prévue. En amont de la colonne, le liquide est détendu pour se vaporiser partiellement et ce sont un débit liquide 6 et un débit gazeux 6A qui sont envoyés à l'espace entre les deux tronçons. Entre le deuxième et le troisième tronçon intermédiaire, une arrivée d'air liquéfié est prévue. En amont de la colonne, le liquide est détendu pour se vaporiser partiellement et ce sont un débit liquide 8 et un débit gazeux 8A qui sont envoyés à l'espace entre les deux tronçons. Entre le tronçon supérieur 28 et le tronçon de minaret 29 (optionnel), une arrivée d'azote liquide 17 est prévue ainsi qu'une arrivée d'azote liquide 18 en tête de tronçon de minaret. En cas d'absence de minaret, l'azote liquide est envoyé en tête de colonne. La Figure 1 illustre donc la colonne standardisée 2 reliée pour fonctionner comme la colonne basse pression d'une double colonne sans production d'argon. S'il est décidé d'utiliser la même colonne 2 pour être la colonne alimentant une colonne de production d'argon, les garnissages du tronçon 25 auront la même densité que ceux des tronçons 24, 26,27, 28 et éventuellement 29 (par exemple 500 m2/m3). Par contre, il va falloir prévoir des ouvertures dans la colonne comme illustré pour la Figure 2. L'intérieur de la colonne sera donc identique à celui de la Figure 1 à part la capacité du tronçon 25. Au niveau du tronçon 25, une conduite est reliée à la section inférieure en dessous de la barrière 71 pour amener un gaz enrichi en argon vers la colonne de séparation d'argon. Le liquide de cuve de cette colonne arrive dans la section inférieure via la conduite 21. Le liquide riche vaporisé dans le condenseur de tête de la colonne argon arrive par la conduite 13 dans la section supérieure. Pour les débits de reflux, le liquide riche 6 et le liquide riche vaporisé 6A arrivent entre les deuxième et troisième tronçons intermédiaires 26, 27 et l'air liquéfié 8 et l'air liquéfié vaporisé 8A arrivent entre le troisième tronçon intermédiaire 27 et le tronçon supérieur 28. Les arrivées d'azote sont identiques à celles de la Figure 1. Ainsi avant de savoir si la colonne 2 servira pour produire de l'argon ou pas, des ouvertures peuvent être percées entre les premier et deuxième tronçons intermédiaires 25, 26, les deuxième et troisième tronçons intermédiaires 26, 27 et entre le troisième tronçon intermédiaire 27 et le tronçon supérieur 28. La colonne est donc fabriquée avec des ouvertures permettant la connexion ultérieure de conduites de fluides destinés à ou provenant de la colonne argon et également celles permettant la connexion à la colonne moyenne pression dans le cas de production d'argon ou pas. Une bride pleine, ou un autre système sera alors mis pour condamner les entrées et sorties inutilisées dans le cas de production sans argon et pour condamner d'autres entrées et sortie inutilisées dans le cas de production avec argon. En cas de production d'argon, l'ouverture entre les premier et deuxième tronçons intermédiaires 25, 26 sera bouchée, l'ouverture entre les deuxième et troisième tronçons intermédiaires 26, 27 permettra l'arrivée de liquide riche et entre le troisième tronçon intermédiaire 27 et le tronçon supérieur 28 d'air liquéfié. En l'absence de production d'argon, l'ouverture entre les premier et deuxième tronçons intermédiaires 25, 26 permettra l'arrivée de liquide riche, l'ouverture entre les deuxième et troisième tronçons intermédiaires 26, 27 permettra l'arrivée d'air liquéfié et l'ouverture entre le troisième tronçon intermédiaire 27 et le tronçon supérieur 28 d'air sera bouchée. Il est néanmoins possible qu'il y ait d'autres différences entre la colonne 2 conçue pour une production d'argon et la colonne 2 conçue pour ne pas produire de l'argon. En particulier, le type ou les dimensions des distributeurs peuvent varier d'une colonne à l'autre. REVENDICATIONS1. Colonne de séparation d'air (2) par distillation cryogénique ayant une virole et au moins quatre tronçons de distillation (24, 25, 26, 27, 28, 29), chaque tronçon étant composé d'un empilement de blocs de garnissage organisé, du genre ondulé-croisé, chaque bloc comprenant un paquet de lamelles ondulées rectangulaires, au moins un premier tronçon io intermédiaire (25) de distillation de la colonne basse pression étant entouré d'une virole auxiliaire autour de laquelle est délimité une espace divisée en une section inférieure et une section supérieure dans le sens du rayon de la colonne, le ou les tronçons intermédiaire(s) étant situé(s) dans une partie intermédiaire de la colonne basse pression caractérisée 15 en ce que la capacité du premier tronçon intermédiaire est supérieure à celle(s) d'au moins un tronçon adjacent, voire à celle(s) des autres tronçons de la colonne. 2. Colonne selon la revendication 1 comprenant des ouvertures 20 dans la virole prévues pour relier la section supérieure et la section inférieure avec l'extérieur de la colonne qui ont été condamnées. 3. Colonne selon l'une des revendications 1 et 2 comprenant un deuxième et un troisième tronçons intermédiaires de distillation disposés 25 de sorte qu'en usage le deuxième tronçon (26) se trouve au-dessus du premier tronçon intermédiaire et le troisième tronçon (27) se trouve au-dessus du deuxième tronçon intermédiaire et comprenant une première ouverture dans l'espace entre le premier et deuxième tronçons intermédiaires, une deuxième ouverture dans l'espace entre le deuxième 30 et troisième tronçons intermédiaires et une troisième ouverture dans l'espace au-dessus du troisième tronçon, les première, deuxième ettroisième ouvertures étant adaptées à être reliées à une conduite d'arrivée de liquide, la première ou la troisième ouverture étant condamnée et la deuxième ouverture étant ouverte. 4. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel le garnissage dans le premier tronçon intermédiaire (25) a une densité inférieure d'au moins 50 m2/m3 à celle d'au moins un des tronçons adjacents (24, 26). 5. Appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression (1) reliée thermiquement à une colonne basse pression (2) selon l'une des revendications 1 à 4 ne comprenant pas de moyens pour envoyer un fluide intermédiaire de la colonne basse pression à une autre colonne pour y être séparé. 6. Procédé de fabrication d'une colonne (2) d'un appareil de séparation d'air dans lequel on construit une colonne ayant une virole principale et on y installe plusieurs tronçons de distillation (24, 25, 26, 27, 28, 29), chaque tronçon étant composé d'un empilement de blocs de garnissage organisé du genre ondulé-croisé, chaque bloc comprenant un paquet de lamelles ondulées rectangulaires, au moins un premier tronçon intermédiaire (25) de distillation de la colonne basse pression étant entouré d'une virole auxiliaire autour de laquelle est délimité un espace divisé en une section inférieure et une section supérieure dans le sens du rayon de la colonne, le ou les tronçons intermédiaire(s) étant situé(s) dans une partie intermédiaire de la colonne basse pression caractérisé en ce que si la colonne doit faire partie d'un appareil ne produisant pas de débit riche en argon, on installe un garnissage pour le premier tronçon intermédiaire, le garnissage étant choisi de sorte que la capacité du premier tronçon intermédiaire est supérieure à celle(s) d'au moins un tronçon adjacent (24,26) , voire à celle(s) des autres tronçons de lacolonne. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on perce au moins une ouverture dans la virole principale permettant un accès à la section inférieure et/ou à la section supérieure et on obture l'au moins une ouverture dans le cas où la colonne doit faire partie d'un appareil de produisant pas de débit riche en argon. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7 dans lequel on perce au moins une ouverture de reflux dans la virole principale à un point entre deux tronçons adjacents, à un niveau entre le premier tronçon et la tête de la colonne et on obstrue l'ouverture de reflux si la colonne doit faire partie d'un appareil ne produisant pas de débit riche en argon. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7 dans lequel on perce au moins une ouverture de reflux dans la virole principale à un point entre deux tronçons adjacents, à un niveau entre le premier tronçon et la tête de la colonne et on obstrue l'ouverture de reflux si la colonne doit faire partie d'un appareil de produisant un débit riche en argon.