Brevet FR3061534A1 — publié le 20180706

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de réchauffement d'un vaporiseur atmosphérique à l'aide d'un gaz provenant d'une unité de séparation cryogénique de l'air. Dans une unité de séparation cryogénique de l'air (ASU), un système de secours peut être nécessaire pour fournir un produit gazeux, par exemple de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon en cas d'arrêt de l'ASU durant une période limitée. Le système de secours est généralement composé d'un stockage de liquide cryogénique et d'un système de vaporisation du liquide. Différents systèmes de vaporisation peuvent être utilisés en fonction des conditions atmosphériques, de la capacité de production, etc. (e.g. un échangeur avec un fluide caloporteur tel que la vapeur ou de l'eau, un vaporiseur de type piscine chauffée par vapeur, un vaporiseur atmosphérique, ...). Un système de vaporisation atmosphérique constitue une option économique et offre l'avantage d'utiliser de la chaleur « gratuite » pendant son service. Mais son inconvénient principal est d'avoir un temps de service limité à cause du givrage sur la surface extérieure du vaporiseur en raison de la présence d'humidité dans l'air. Le dégivrage d'un vaporiseur atmosphérique peut s'effectuer de manière naturelle si la température de l'air est suffisamment chaude, par exemple supérieure à 0°C). Cependant, si la température ambiante peut rester froide durant une longue période (par exemple quelques semaines voire quelques mois), l'installation d'un système de chauffage pour le dégivrage du vaporiseur peut s'avérer nécessaire. Les méthodes classiques de dégivrage consistent à installer soit un réchauffeur dédié (généralement électrique) en ligne soit un réchauffeur électrique à l'extérieur du vaporiseur mais dans une enceinte fermée, combiné avec une ventilation forcée. Ces moyens de dégivrage présentent un surcoût important et dans le cas d'un réchauffeur électrique en ligne pour un vaporiseur d'oxygène, il existe également un risque potentiel de feu oxygène à haute température. Dans cette invention, nous proposons des solutions plus économiques et plus faciles à mettre en oeuvre, qui ne nécessitent pas d'installation de réchauffeur dédié. 3061534 2 Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de réchauffement, voire de dégivrage, d'un vaporiseur atmosphérique dans lequel un liquide cryogénique ayant comme composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon provenant d'une source se vaporise par échange de chaleur avec l'air ambiant dans le vaporiseur atmosphérique et dans 5 lequel pour réchauffer, voire dégivrer le vaporiseur on n'y envoie plus le liquide cryogénique de la source vers le vaporiseur atmosphérique mais on y envoie à la place un gaz à une température d'au moins 0°C, de préférence d'au moins à 20°C, ce gaz provenant d'un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, le gaz étant i) Soit un débit d'air épuré en eau et en dioxyde de carbone prélevé sur l'air 10 d'alimentation de l'appareil de séparation d'air ii) Soit un gaz provenant d'une colonne de l'appareil de séparation d'air réchauffé dans un échangeur de chaleur par de l'air destiné à la distillation. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - le gaz a le même composant principal que le liquide cryogénique. 15 - le gaz à une température d'au moins 0°C et le liquide cryogénique contiennent au moins 70% mol. d'oxygène, voire au moins 90% mol. d'oxygène - le gaz à une température d'au moins 0°C et le liquide cryogénique contiennent au moins 85% mol. d'azote, voire au moins 90% mol. d'azote - le gaz à une température d'au moins 0°C et le liquide cryogénique contiennent au 20 moins 85% mol. d'argon, voire au moins 90% mol. d'argon - selon la variante ii le gaz provenant d'une colonne de l'appareil est divisé en deux parties, une première partie étant envoyée dans le vaporiseur atmosphérique et une deuxième partie étant détendue mais n'étant pas envoyée dans le vaporiseur atmosphérique, la deuxième partie détendue étant mélangée avec la première partie en aval du vaporiseur atmosphérique. 25 - selon la variante ii) le gaz provenant de la colonne est pressurisé en amont du vaporiseur atmosphérique. - le liquide cryogénique provient de l'appareil de séparation d'air. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de réchauffement, voire de dégivrage, d'un vaporiseur atmosphérique comprenant un vaporiseur dans lequel un liquide 30 cryogénique ayant comme composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon provenant d'une source se vaporise par échange de chaleur avec l'air ambiant, des moyens pour arrêter l'envoi de liquide cryogénique vers le vaporiser et des moyens pour envoyer un gaz à une température d'au moins 0°C, de préférence d'au moins à 20°C, ce gaz provenant d'un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique pour réchauffer, voire dégivrer le 3061534 3 vaporiser, ce gaz étant soit un débit d'air épuré en eau et en dioxyde de carbone prélevé sur l'air d'alimentation de l'appareil de séparation d'air soit un gaz provenant d'une colonne de l'appareil de séparation d'air réchauffé dans un échangeur de chaleur par de l'air destiné à la distillation. 5 Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend : - des moyens pour diviser le gaz provenant d'une colonne de l'appareil en deux parties, des moyens pour envoyer une première partie du gaz dans le vaporiseur atmosphérique, des moyens pour détendre une deuxième partie du gaz et de le mélanger avec la première partie en aval du vaporiseur atmosphérique. 10 - des moyens pour pressuriser le gaz provenant de la colonne en amont du vaporiseur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant un appareil de réchauffement tel que décrit ci-dessus, au moins une colonne de distillation à température cryogénique et des moyens pour envoyer le liquide cryogénique au vaporiseur depuis la colonne. 15 L'appareil de séparation d'air peut comprendre des moyens pour réchauffer le gaz à une température d'au moins 0°C autrement que dans le vaporiseur ou par échange de chaleur avec l'air destiné à la distillation. L'invention concerne, entre autres, un vaporiseur atmosphérique destiné à fournir du gaz pendant une période limitée, en cas de panne d'une unité d'ASU. 20 Dans certains cas, le gaz est fourni pendant un arrêt programmé de l'appareil de séparation d'air. Dans d'autres cas, quand la température ambiante est en dessous de zéro, le vaporiseur atmosphérique se recouvre de glace et ne peut être utilisé tant que la température ambiante ne remonte pas suffisamment. Dans ce cas, il faut trouver un moyen de dégivrer le vaporiseur. - 25 La conception et le dimensionnement du vaporiseur atmosphérique doivent garantir la fourniture du gaz pendant une durée prédéfinie avant la formation massive de givres. Le procédé selon l'invention sera décrit de manière plus détaillée en se référant aux figures. La Figure 1 montre le procédé de réchauffage d'un vaporiseur atmosphérique en 30 utilisant de l'air provenant d'un appareil de séparation d'air. En opération normale, un liquide cryogénique 1 ayant comme composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon est soutiré d'un stockage S. Le liquide est envoyé à travers une vanne V1 à un vaporiseur V par une conduite 5. Le liquide se vaporise dans le vaporiseur 3061534 4 par échange de chaleur avec l'air et le gaz formé est envoyé à travers la vanne V3 à une conduite 11 par laquelle il fournit un client. Dans le cas où le vaporiseur se couvre de givre, il est nécessaire de chauffer le vaporiseur V et pour ceci, l'envoi du liquide 1 vers le vaporiseur est arrêté. 5 En fonctionnement normal, de l'air est envoyé à un appareil de séparation d'air ASU où il est épuré en eau et en dioxyde de carbone dans un appareil de purification. A la sortie de l'appareil de purification il est refroidi et envoyé à une colonne de distillation pour être séparé. Quand le vaporiseur V est à réchauffer, à la sortie de l'appareil de purification l'air est 10 divisé en deux parties. Une première partie est refroidie et envoyée à une colonne de distillation pour être séparée. Une deuxième partie 3 est chauffée à au moins 0°C , peut-être à au moins 20°C, et de préférence à au moins 50°C dans un réchauffeur R, par exemple un réchauffeur électrique ou à vapeur d'eau. Cet air est envoyé à l'atmosphère par la vanne V3, V5 et la conduite 9 après avoir 15 circulé dans le vaporiseur V pour le réchauffer. L'inconvénient principal de cette solution est la nécessité de remettre en teneur les vaporiseurs V après l'opération de dégivrage. Selon le procédé de la Figure 2, le réchauffage du vaporiseur est réalisé avec un gaz produit par distillation dans l'appareil de séparation d'air ASU, de préférence ayant le même 20 composant principal que le liquide cryogénique. En opération normale, un liquide cryogénique 1 ayant comme composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon est soutiré d'un stockage S. Le liquide est envoyé à travers une vanne V1 à un vaporiseur V par une conduite 5. Le liquide se vaporise dans le vaporiseur par échange de chaleur avec l'air et le gaz formé est envoyé à travers la vanne V3 25 à une conduite 11 par laquelle il fournit un client. Dans le cas où le vaporiseur se couvre de givre, il est nécessaire de chauffer le vaporiseur V et pour ceci, l'envoi du liquide 1 vers le vaporiseur est arrêté. En fonctionnement normal, de l'air est envoyé à un appareil de séparation d'air ASU où il est épuré en eau et en dioxyde de carbone dans un appareil de purification. A la sortie de 30 l'appareil de purification il est refroidi et envoyé à une colonne de distillation pour être séparé pour former un gaz ayant comme composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon 2. Le gaz est soit sorti d'une colonne de distillation sous forme gazeuse et réchauffé dans un échangeur de chaleur où se refroidit l'air d'alimentation soit sorti d'une colonne de distillation sous forme liquide et vaporisé et réchauffé dans un échangeur de chaleur où se refroidit l'air 3061534 5 d'alimentation. De cette façon, il se trouve à une température minimale de 0°C dans la plupart des cas. Quand le vaporiseur V est à réchauffer, à la sortie de l'appareil de purification, au moins une partie du gaz 3 est envoyée au vaporiseur pour le réchauffer et de préférence le 5 dégivrer, éventuellement après réchauffement dans un réchauffeur (non illustré). Si le composant principal du gaz 3 et celui du liquide 1 sont les mêmes, le gaz 3 peut être envoyé au client par la conduite 11. Sinon il peut être rejeté à l'atmosphère. Dans un cas particulier illustré dans la Figure 2, le gaz 2 est divisé en deux parties 3,13. Une première partie à au moins 0°C, peut-être à au moins 20°C, de préférence à au moins 10 50°C est envoyé réchauffer le vaporiseur V. Le gaz 3 peut au besoin être réchauffé en amont du vaporiseur V. La deuxième partie du gaz 13 est détendue dans une vanne V2 et se mélange avec le gaz 3 ayant servi au réchauffage de V en aval de la vanne V3. Ainsi les deux parties 3,13 sont envoyées au client par la conduite 11. Une vanne V4 peut être fermée afin d'envoyer le gaz qui a servi pour le réchauffement à 15 l'air via la conduite 15. Dans ce cas, il est possible de réchauffer voire dégivrer le vaporiseur V et de mettre à l'atmosphère le gaz de réchauffement, voire de dégivrage, tandis qu'une partie de la production 13 est envoyée au client. Les avantages principaux de cette solution sont : que le produit n'est pas perdu durant la période de dégivrage, 20 que la remise en teneur n'est pas nécessaire, contrairement à la solution de la Figure 1 présentée ci-dessus. L'inconvénient principal est la nécessité d'augmenter la pression du gaz produit afin de compenser la perte de charge des vaporiseurs. Ceci peut s'avérer difficile lorsque le gaz est produit à basse pression par exemple de l'azote provenant de la colonne basse pression d'une 25 double colonne. . Dans ce cas, la solution de la Figure 1 est à privilégier. Dans le cas des deux figures, le stockage S peut être alimenté à partir de l'appareil de séparation d'air ASU ou pas. Le gaz de réchauffement 3 peut être utilisé en complément d'un réchauffeur . REVENDICATIONS1. Procédé de réchauffement, voire de dégivrage, d'un vaporiseur atmosphérique (V) dans lequel un liquide cryogénique ayant comme composant principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon provenant d'une source (S) se vaporise par échange de chaleur avec l'air ambiant dans le vaporiseur atmosphérique et dans lequel pour réchauffer, voire dégivrer le vaporiseur on n'y envoie plus le liquide cryogénique de la source vers le vaporiseur atmosphérique mais on y envoie à la place un gaz (3) à une température d'au moins 0°C, de préférence d'au moins à 20°C, ce gaz provenant d'un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique (ASU), le gaz étant i) Soit un débit d'air épuré en eau et en dioxyde de carbone prélevé sur l'air d'alimentation de l'appareil de séparation d'air ii) Soit un gaz provenant d'une colonne de l'appareil de séparation d'air réchauffé dans un échangeur de chaleur par de l'air destiné à la distillation. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz (3) a le même composant principal que le liquide cryogénique. 20 3. Procédé selon la revendication 2 selon la variante ii dans lequel le gaz provenant d'une colonne de l'appareil est divisé en deux parties, une première partie (3) étant envoyée dans le vaporiseur atmosphérique (V) et une deuxième partie (13) étant détendue mais n'étant pas envoyée dans le vaporiseur atmosphérique, la deuxième partie détendue étant 25 mélangée avec la première partie en aval du vaporiseur atmosphérique. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes selon la variante ii) dans lequel le gaz provenant de la colonne est pressurisé en amont du vaporiseur atmosphérique. 30 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique provient de l'appareil de séparation d'air (ASU). 6. Appareil de réchauffement, voire de dégivrage d'un vaporiseur atmosphérique (V) comprenant un vaporiseur dans lequel un liquide cryogénique ayant comme composant 3061534 7 principal de l'oxygène, de l'azote ou de l'argon provenant d'une source (S) se vaporise par échange de chaleur avec l'air ambiant, des moyens pour arrêter l'envoi de liquide cryogénique vers le vaporiser et des moyens pour envoyer un gaz (3) à une température d'au moins 0°C, de préférence d'au moins à 20°C, ce gaz provenant d'un appareil de séparation d'air par 5 distillation cryogénique pour réchauffer, voire dégivrer le vaporiser, ce gaz étant soit un débit d'air épuré en eau et en dioxyde de carbone prélevé sur l'air d'alimentation de l'appareil de séparation d'air soit un gaz provenant d'une colonne de l'appareil de séparation d'air réchauffé dans un échangeur de chaleur par de l'air destiné à la distillation. 10 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens pour diviser le gaz provenant d'une colonne de l'appareil en deux parties, des moyens pour envoyer une première partie du gaz (3) dans le vaporiseur atmosphérique et des moyens (V2) pour détendre une deuxième partie du gaz (13) et de le mélanger avec la première partie en aval du vaporiseur atmosphérique. 15 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant des moyens pour pressuriser le gaz provenant de la colonne en amont du vaporiseur (V). 9. Appareil de séparation d'air comprenant un appareil de réchauffement selon l'une des revendications 6 à 8 et comprenant au moins une colonne de distillation à température cryogénique et des moyens pour envoyer le liquide cryogénique au vaporiseur depuis la colonne. 10. Appareil de séparation d'air comprenant des moyens (R ) pour réchauffer le gaz à une température d'au moins 0°C autrement que dans le vaporiseur ou par échange de chaleur avec l'air destiné à la distillation, les moyens étant par exemple un réchauffeur électrique.