Brevet FR3110686A1 — publié le 20211126

Titre : Procédé de fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique Dans un procédé de fourniture d’oxygène ainsi que d’argon à une zone géographique, qui comprend n appareils de séparation d’air par distillation cryogénique dont un premier appareil et n-1 deuxièmes appareils produisant de l’oxygène mais ne produisant pas d’argon, l’oxygène pour au moins certains clients provient d’au moins un des n-1 deuxièmes appareils ne produisant pas d’argon et de l’argon pour ces clients provient du premier appareil, le premier appareil comprenant un système de colonnes comprenant une double colonne, une colonne de production d’argon et une colonne de mélange (6), on alimente la colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d’azote gazeux provenant de la double colonne, et en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé dans la partie inférieure d’une colonne basse pression (4) de la double colonne, et on soutire en tête de la colonne de mélange (6) de l'oxygène impur. Figure de l’abrégé : Figure 1 Procédé de fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique La présente invention est relative à un procédé de fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique par des appareils de distillation cryogénique d’air. La montée de la proportion d'énergies renouvelables et intermittentes (solaire, éolienne,...) donne de la valeur à la capacité d'effacer les consommations d'électricité d’installations énergivores comme les unités de séparation d'air (ASU). Malheureusement lorsque ces unités produisent de l'argon, leurs caractéristiques dynamiques rendent leur effacement peu efficace, car le retour aux conditions nominales de la principale colonne de production d'argon, prend beaucoup de temps. Il existe des solutions pour réduire ce temps (EP3604994). Il existe aussi des procédés permettant d'effacer une part significative de l'énergie nominale sans changer le régime de fonctionnement des colonnes de distillation. L'objet de l'invention est une autre voie: dans une région à l’intérieur de laquelle il est économique de transporter de l'argon liquide (typiquement d'un rayon de 1000 km) et où plusieurs (n) appareils de séparation d’air par distillation d’air répartis sont nécessaires pour alimenter le marché en oxygène et en azote, on installe un premier appareil produisant de l’argon et des deuxièmes n-1 appareils de séparation d’air par distillation d’air ne produisant pas l'argon. De préférence la durée de retour au régime stationnaire après arrêt de ces deuxièmes n-1 appareils est inférieure à 4h (de préférence inférieure à 2h). L’argon est également facile à transporter sur de longues distance, ce qui n’est pas le cas de l’oxygène et l’azote. Un premier appareil de séparation d’air par distillation d’air traite un débit d'air permettant de couvrir la totalité des besoins d'argon de la zone, ce débit étant de préférence très excédentaire par rapport aux besoins d'oxygène et d’azote du site sur lequel l’appareil se trouve. L’oxygène et l’azote séparés et non vendus sont re-mélangés par un système comptant au moins une colonne de mélange, dans le but de récupérer une partie de l'énergie correspondante sous forme de produits liquéfiés ou comprimés. Cet appareil traite un débit d’air sensiblement constant, quelles que soient les conditions de disponibilité de l’énergie, tandis que les deuxièmes n-1 appareils sont arrêtés quand les conditions de disponibilité de l’énergie le rendent souhaitable ou nécessaire. La combinaison d’un tel ensemble avec une ou des ASU correspondant aux solutions décrites en introduction est aussi revendiquée. La combinaison de ces solutions avec d’autres ASU quelconques, préexistant ou à construire, doit aussi être protégée. Il est connu de séparer de l’air en utilisant une colonne de mélange, alimentée en cuve par de l’azote gazeux et en tête par de l’oxygène liquide, par exemple de WO8700609. Les deux phases, liquide et gazeux, se mélangent dans la colonne, d’où son nom. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique, la zone géographique comprenant n appareils de séparation d’air par distillation cryogénique dont un premier appareil et n-1 deuxièmes appareils produisant de l’oxygène et/ou de l’azote mais ne produisant pas d’argon, dans lequel l’oxygène et/ou l’azote pour au moins certains clients provient d’au moins 1 des n-1 deuxièmes appareils ne produisant pas d’argon et de l’argon pour ces clients provient du premier appareil, le premier appareil comprenant au moyen d’un système de colonnes comprenant une double colonne composée par une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, une colonne de production d’argon et une colonne de mélange, dans lequel on alimente la colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d’azote gazeux provenant de la première ou la deuxième colonne, et en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé dans la partie inférieure de la colonne basse pression, et on soutire en tête de la colonne de mélange de l'oxygène impur constituant un gaz de production, on alimente la colonne de production d’argon avec un débit gazeux enrichi en argon provenant de la deuxième colonne et on soutire un produit riche en argon de la colonne de production d’argon. Selon d’autres objets de l’invention : l’argon pour au moins ces au moins certains clients provient uniquement du premier appareil. au moins certains des n-1 deuxièmes appareils sont arrêtés si le prix de l’électricité dépasse un seuil. le premier appareil n’est pas arrêté si le prix de l’électricité dépasse le seuil. le temps de retour à l’état stationnaire après arrêt pour un, voire chacun, de n-1 deuxièmes appareils est inférieur à celui pour le premier appareil le premier appareil n’alimente pas les clients qu’il alimente en argon en oxygène. le premier appareil alimente tous les clients d’une zone en argon et/ou constitue le seul appareil alimentant les clients d’une zone en argon. le premier appareil reçoit un débit d’air à séparer supérieur à celui nécessaire pour produire un débit d’oxygène qu’il produit comme produit final. l’ensemble d’appareils est situé en dehors de la zone géographique au moins un appareil de l’ensemble est situé dans la zone géographique. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un ensemble d’appareils de séparation d’air par distillation cryogénique pour la fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique, l’ensemble comprenant n appareils de séparation d’air par distillation cryogénique dont un premier appareil et n-1 deuxièmes appareils produisant de l’oxygène et/ou de l’azote mais ne produisant pas d’argon, des moyens pour transporter l’oxygène et/ou l’azote pour au moins certains clients depuis au moins 1 des n-1 deuxièmes appareils ne produisant pas d’argon et des moyens pour transporter de l’argon pour ces clients depuis le premier appareil, le premier appareil comprenant au moyen d’un système de colonnes comprenant une double colonne composée par une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, une colonne de production d’argon et une colonne de mélange (6), des moyens pour alimenter la colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d’azote gazeux provenant de la première ou la deuxième colonne, et des moyens pour alimenter la colonne de mélange en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé dans la partie inférieure de la colonne basse pression, et des moyens pour soutirer en tête de la colonne de mélange de l'oxygène impur constituant un gaz de production, des moyens pour alimenter la colonne de production d’argon avec un débit gazeux enrichi en argon provenant de la deuxième colonne et des moyens pour soutirer un produit riche en argon de la colonne de production d’argon. Des exemples de mise en œuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexes, sur lesquels : représente schématiquement un mode de réalisation d’un procédé de distillation d'air utilisé dans un procédé conforme à l'invention, représente schématiquement un mode de réalisation du procédé de fourniture d’argon et d’oxygène conforme à l'invention. représente schématiquement un procédé de distillation d'air destiné à produire par exemple de l'oxygène impur, par exemple ayant une pureté de 80 à 97% et de préférence de 85 à 95 percent ainsi que de l’argon dans un premier appareil utilisé dans le procédé selon l’invention. L'installation comprend essentiellement une ligne d'échange thermique 1, une double colonne de distillation 2 comprenant elle-même une première colonne dite colonne moyenne pression 3 opérant à une première pression, une colonne basse pression 4 opérant à la deuxième pression inférieure à la première pression et un condenseur-vaporiseur principal. Elle comprend également une colonne de mélange 6. Les colonnes 3 et 4 fonctionnent typiquement sous environ 6 x 10 Pa et environ 1 x 10 Pa, respectivement. La pression d’opération de la colonne de mélange peut être en dessous, au-dessus ou égale à la deuxième pression. Comme explique en détail dans le document US-A-4.022.030, une colonne de mélange est une colonne qui a la même structure qu'une colonne de distillation mais qui est utilisée pour mélanger de façon proche de la réversibilité un gaz relativement volatil, introduit à sa base, et un liquide moins volatil, introduit à son sommet. Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet donc de réduire la consommation d'énergie liée à la distillation. Dans le cas présent, ce mélange est mis à profit, en outre, pour produire directement de l'oxygène impur sous la pression P ainsi que de l’argon comme cela sera décrit ci-dessous. L'air à séparer par distillation, comprime à 6 x 10 Pa et convenablement épuré, est achemine vers la base de la colonne moyenne pression 3 par une conduite 7. La majeure partie de cet air est refroidie dans la ligne d'échange 1 et introduite à la base de la colonne moyenne pression 3, et le reste, surpressé en 8 puis refroidi, est détendu a la basse pression dans une turbine 9 couplée au surpresseur 8, puis insufflé en un point intermédiaire de la colonne basse pression 4. Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène), prélevé en cuve de la colonne 3 est, après détente dans une vanne de détente 10, introduit dans la colonne 4, à peu près au point d'insufflation de l'air. Du "liquide pauvre" (azote impur) prélevé en un point intermédiaire 11 de la colonne 3 est, après détente dans une vanne de détente 12, introduit au sommet de la colonne 4, constituant le gaz résiduaire de l'installation, et l'azote gazeux pur sous la moyenne pression produit en tête de la colonne 3, sont réchauffes dans la ligne d'échange 1 et évacues de l'installation. Ces gaz sont indiqués respectivement par NI et NG sur la figure 1. De l'oxygène liquide, plus ou moins pur suivant le réglage de la double colonne 2, est soutire en cuve de la colonne 4, porte par une pompe 13 a une pression P1, légèrement supérieure a la pression P précitée pour tenir compte des pertes de charge (P1-P inferieur a 1 x 10 Pa), et introduit au sommet de la colonne 6. P1 est donc avantageusement égale à la première pression dans cet exemple. De l'azote gazeux 13 à la même pression P1, refroidi dans le sous-refroidisseur 21, est introduit à la base de la colonne de mélange 6. De cette dernière sont soutires trois courants de fluide: à sa base, du liquide voisin du liquide riche et réuni à ce dernier via une conduite 15 munie d'une vanne de détente 15A; en un point intermédiaire, un mélange essentiellement constitue d'oxygène et d'azote, qui est renvoyé en un point intermédiaire de la colonne basse pression 4 via une conduite 16 munie d'une vanne de détente 17; et à son sommet de l'oxygène impur qui, après réchauffement dans la ligne d'échange thermique, est évacue, sensiblement a la pression P, de l'installation via une conduite 18 en tant que gaz de production 0I. On a également représenté sur la figure 1 des échangeurs de chaleur auxiliaires 19, 20, 21 assurant la récupération du froid disponible dans les fluides en circulation dans l'installation. L’installation comprend en outre une colonne 25 de production d'argon impur couplée, de façon classique, a la colonne basse pression 4. Ainsi, l'invention permet de produire simultanément, dans des conditions particulièrement économiques d'investissement et de consommation d'énergie, de l'oxygène pur ou à peu près pur, de l'oxygène impur et de l'argon. montre un procédé selon l’invention pour fournir de l’oxygène et de l’argon à une zone comprenant deux clients C1, C2. La figure illustre l’invention pour n appareils de séparation d’air ASU1, ASU2, ASU3, n’étant donc égal à 3. Les appareils ASU1, ASU2, ASU3 sont des appareils de séparation d’air par distillation cryogéniques qui peuvent dans la zone ou en dehors de la zone. L’appareil ASU1 est un premier appareil et les appareils ASU2 et ASU3 sont des deuxièmes appareils L’appareil ASU2 et l’appareil ASU3 ne produisent pas d’argon et de préférence ne comprennent pas de colonne de production d’argon ou de colonne de mélange. Ils peuvent être constitués tous deux par une double colonne composée par une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, opérant à une deuxième colonne, opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression. Chacun des appareils ASU2 et ASU3 envoie de l’oxygène liquide à chacun des deux clients C1, C2 dans la zone Z en forme de pentagone. Ils n’envoient pas d’argon à ces deux clients. Les deux clients C1,C2 sont livrés en argon liquide provenant du premier appareil ASU1. Le premier appareil ASU1 fonctionne selon le procédé illustré à la et comprend une double colonne composée par une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, opérant à une deuxième colonne, opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression une colonne de production d’argon et une colonne de mélange 6. L’appareil ASU1 produit de l’oxygène pour un client C mais les colonnes et le débit d’air sont dimensionnés pour une production bien supérieure à celle requise pour le client C. L’oxygène liquide et l’azote gazeux supplémentaires alimentent la colonne de mélange pour produire des frigories. La colonne d’argon produit de l’argon liquide qui est livré aux clients C1,C2 et éventuellement au client C sur le site de l’ASU1. Si le prix de l’électricité devient excessif, et dépasse un seuil donné les appareils ASU2, ASU3 sont arrêtés mais l’appareil ASU1 continue à fonctionner. Cet appareil ASU1 traite un débit d’air sensiblement constant, quelles que soient les conditions de disponibilité de l’énergie, tandis que les autres deux appareils ASU2, ASU3 sont arrêtés quand les conditions de disponibilité de l’énergie le rendent souhaitable ou nécessaire. De préférence la durée de retour au régime stationnaire après arrêt de ces deuxièmes n-1 appareils ASU2, ASU3 est inférieure à 4h (de préférence inférieure à 2h) pour chacun. Ainsi la plupart des appareils ne produisent pas d’argon et donc peuvent revenir au régime stationnaire relativement rapide. Le nombre d’appareils produisant de l’argon, et donc avec un temps de retour au régime stationnaire de plus de 2h, probablement de plus de 4h, est réduit à un seul. Le premier appareil ASU1 peut produire de l’argon pour d’autres clients que C1 et C2. Procédé de fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique (Z), la zone géographique comprenant n appareils de séparation d’air par distillation cryogénique dont un premier appareil (ASU1) et n-1 deuxièmes appareils (ASU2, ASU3) produisant de l’oxygène et/ou de l’azote mais ne produisant pas d’argon, dans lequel l’oxygène et/ou l’azote pour au moins certains clients (C1, C2) provient d’au moins 1 des n-1 deuxièmes appareils ne produisant pas d’argon et de l’argon pour ces clients provient du premier appareil, le premier appareil comprenant au moyen d’un système de colonnes comprenant une double colonne composée par une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, une colonne de production d’argon et une colonne de mélange (6), dans lequel on alimente la colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d’azote gazeux provenant de la première ou la deuxième colonne, et en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé dans la partie inférieure de la colonne basse pression (4), et on soutire en tête de la colonne de mélange (6) de l'oxygène impur constituant un gaz de production, on alimente la colonne de production d’argon avec un débit gazeux enrichi en argon provenant de la deuxième colonne et on soutire un produit riche en argon de la colonne de production d’argon. 2.Procede suivant la revendication 1, caractérise en ce que l’argon pour ces au moins certains clients (C1, C2) provient uniquement du premier appareil (ASU1). Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que au moins certains des n-1 deuxièmes appareils (AS2, ASU3) sont arrêtés si le prix de l’électricité dépasse un seuil. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le premier appareil (ASU1) n’est pas arrêté si le prix de l’électricité dépasse le seuil. Procédé suivant l’une des revendications 1 à 4 dans lequel le temps de retour à l’état stationnaire après arrêt pour un, voire chacun, de n-1 deuxièmes appareils (ASU2 ; ASU3) est inférieur à celui pour le premier appareil. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le premier appareil (ASU1) n’alimente pas les clients (C1, C2) qu’il alimente en argon en oxygène. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel le premier appareil (ASU1) alimente tous les clients (C1,C2) d’une zone en argon et/ou constitue le seul appareil alimentant les clients d’une zone en argon. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel le premier appareil (ASU1) reçoit un débit d’air à séparer supérieur à celui nécessaire pour produire un débit d’oxygène qu’il produit comme produit final. Ensemble d’appareils de séparation d’air par distillation cryogénique pour la fourniture d’oxygène et/ou d’azote ainsi que d’argon à une zone géographique (Z), l’ensemble comprenant n appareils de séparation d’air par distillation cryogénique dont un premier appareil (ASU1) et n-1 deuxièmes appareils (‘ASU2, ASU3) produisant de l’oxygène et/ou de l’azote mais ne produisant pas d’argon, des moyens pour transporter l’oxygène et/ou l’azote pour au moins certains clients (C1, C2) depuis au moins un des n-1 deuxièmes appareils ne produisant pas d’argon et des moyens pour transporter de l’argon pour ces clients depuis le premier appareil, le premier appareil comprenant au moyen d’un système de colonnes comprenant une double colonne composée par une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, une colonne de production d’argon et une colonne de mélange (6), des moyens pour alimenter la colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d’azote gazeux provenant de la première ou la deuxième colonne, et des moyens pour alimenter la colonne de mélange en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé dans la partie inférieure de la colonne basse pression (4), et des moyens pour soutirer en tête de la colonne de mélange (6) de l'oxygène impur constituant un gaz de production, des moyens pour alimenter la colonne de production d’argon avec un débit gazeux enrichi en argon provenant de la deuxième colonne et des moyens pour soutirer un produit riche en argon de la colonne de production d’argon.