Brevet FR3118145A1 — publié le 20220624

Titre : Procédé de redémarrage d’un appareil de séparation d’air Dans un procédé de redémarrage d’un appareil de séparation d’air comprenant un système de colonnes (K1, K2) comprenant au moins une première colonne de distillation (K1) et un échangeur de chaleur (3) disposé en dessous de la première colonne avec son axe principal à la verticale et avec son bout froid adjacent à la cuve de la première colonne, pendant le redémarrage, on envoie de l’air à l’échangeur et on envoie au moins une partie (5) de l’air refroidi à l’atmosphère. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Procédé de redémarrage d’un appareil de séparation d’air La présente invention est relative à un procédé de redémarrage d’un appareil de séparation d’air. Elle est également relative à un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique capable d’être démarré par le procédé selon l’invention. L’air est souvent séparé en utilisant une double colonne de distillation concernant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression. La cuve de la deuxième colonne est chauffée par le gaz de tête de la première colonne qui s’y condense dans un condenseur. L’air destiné à la distillation est refroidi dans un échangeur de chaleur par échange de chaleur avec au moins un fluide provenant d’au moins une des première et deuxième colonnes. Cet échangeur principal est installé verticalement, le bout chaud en haut et le bout froid en bas. Ainsi, lors d’un arrêt, le gaz froid, plus dense, reste en partie basse, et on évite ainsi la migration de froid vers le haut, qui peut être gênante lors d’un redémarrage à froid. L’inconvénient est que cela impose des choix d’architecture, avec en général l’échangeur à côté de la colonne, ce qui grossit la taille de la boite froide, posant des problèmes de limite de transport ou des difficultés si on cherche à faire une boite froide sous vide. Il est connu de WO2019/126927 de disposer cet échangeur de chaleur de refroidissement d’air d’alimentation en dessous de la première colonne. Ici l’échangeur est mis à l’envers comparé à la disposition habituelle, avec son bout froid en haut et bout chaud en bas. Ceci permet d’installer l’échangeur sous le système de colonnes, tout en minimisant le tracé des tuyauteries : les tuyauteries au bout froid sont au plus près du système de colonne, et les tuyauteries au bout chaud sont situées en bas, au plus près du point d’interconnexion avec la partie chaude (épuration, production). Ceci permet de faire une boite froide de faible section, ce qui est intéressant en terme de transport et en cas d’isolation sous vide. Lors d’un arrêt, on a le risque de migration du froid vers la partie chaude. Celui est mitigé par le fait que les sorties de l’échangeur vers l’épuration ou la production ont des vannes qui sont fermées à l’arrêt. On appelle « redémarrage à froid » un redémarrage dans le cas où l’appareil n’a pas beaucoup chauffé, soit parce que l’arrêt était court soit parce que l’appareil a été maintenu froid grâce à un rajout de frigories. Lors d’un redémarrage à froid, ces vannes de sortie de l’échangeur vers l’épuration ou la production s’ouvrent forcément, et il y a un risque de migration de froid (fragilisation cryogénique) en phase transitoire, le temps que l’échangeur se stabilise thermiquement. Dans ce cas, on doit utiliser de l’acier inoxydable comme matériau pour les vannes et les tuyauteries pour mitiger ce risque, ce qui est couteux. L’invention consiste à ajouter une mise à l’atmosphère au bout froid de l’échangeur sur l’air entrant dans le système de distillation, de façon à déséquilibrer provisoirement l’échange thermique dans l’échangeur, et ainsi à repousser le front froid vers le haut (coté froid) de l’échangeur. L’invention propose de forcer la thermalisation rapide de l’échangeur au redémarrage à froid, en le déséquilibrant provisoirement thermiquement en ayant un débit global de fluides chauds bien plus important que le débit global de fluides froids. Cela est fait en ajoutant une mise à l’atmosphère au bout froid de l’échangeur sur au moins un des fluides chauds ou froids, de façon « à jeter » du froid à l’atmosphère, pour un débit d’au moins 5%, préférentiellement 10% du débit global de fluides chauds (ou froids). L’invention concerne également le cas où le système de colonnes utilisé pour la distillation n’est pas une double colonne mais une simple colonne. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de redémarrage d’un appareil de séparation d’air comprenant un système de colonnes comprenant au moins une première colonne de distillation et un échangeur de chaleur par échange de chaleur indirect pour refroidir l’air destiné à être séparé dans la première colonne en l’envoyant à une extrémité de l’échangeur de chaleur appelé bout chaud et en le sortant de l’autre extrémité de l’échangeur de chaleur appelée bout froid, l’échangeur servant également à réchauffer au moins deux fluides provenant du système de colonnes, l’échangeur de chaleur étant disposé en dessous de la première colonne avec son axe principal à la verticale et son bout froid adjacent à la cuve de la première colonne pendant le fonctionnement normal, on envoie au moins une partie de l’air refroidi dans l’échangeur de chaleur et destiné à être distillé vers le système de colonnes, par exemple vers la première colonne, et on envoie au moins deux fluides du système de colonnes vers l’échangeur de chaleur pendant l’arrêt de l’appareil, on n’envoie plus d’air refroidi dans l’échangeur de chaleur vers le système de colonnes et on n’envoie plus de fluides du système de colonne vers l’échangeur de chaleur et pendant le redémarrage, on envoie de l’air au bout chaud de l’échangeur de chaleur et du bout froid de l’échangeur de chaleur vers le système de colonnes pour s’y séparer et on envoie au moins un fluide soutiré du système de colonnes vers l’échangeur de chaleur, caractérisé en ce que : on divise l’au moins une partie de l’air provenant du bout froid en deux, on en envoie une première portion au système de colonnes et on en envoie une deuxième portion à l’atmosphère et/ou on envoie au moins une partie d’un fluide soutiré du système de colonnes à l’atmosphère. Selon d’autres aspects facultatifs : pendant le redémarrage, on envoie à l’atmosphère au bout froid de l’échangeur un débit d’air refroidi correspondant à au moins 5%, préférentiellement à au moins 10% du débit global de fluides refroidis dans l’échangeur de chaleur en fonctionnement normal. pendant le redémarrage, on envoie à l’atmosphère au bout froid de l’échangeur un débit de gaz provenant du système de colonnes correspondant à au moins 5%, préférentiellement à au moins 10% du débit global de fluides à réchauffer dans l’échangeur de chaleur en fonctionnement normal. le fluide soutiré du système de colonne est enrichi en azote ou en oxygène ou en argon. l’échangeur de chaleur est un échangeur brasé à plaques et à ailettes. en fonctionnement normal, un premier débit d’air à une première pression et un deuxième débit d’air à une deuxième pression plus basse que la première pression se refroidissent dans l’échangeur de chaleur et sont envoyés respectivement à la première colonne du système de colonne et une deuxième colonne du système de colonnes opérant à une pression plus basse que la première pendant le redémarrage, le premier débit est plus petit par rapport celui envoyé pendant le fonctionnement normal, voire nul et le deuxième débit est divisé en deux, une portion étant envoyée à la deuxième colonne et l’autre portion étant envoyée à l’atmosphère. le système de colonnes comprend une seule colonne qui est la première colonne, en fonctionnement normal tout l’air à séparer est envoyé à la première colonne, à l’arrêt aucun débit d’air n’est envoyé à la première colonne et pendant le redémarrage, on divise l’air provenant du bout froid en deux, on en envoie une première portion à la première colonne et on en envoie une deuxième portion à l’air. en fonctionnement normal et/ou lors du redémarrage et/ou lors d’un arrêt, une partie de l’air ou d’un fluide soutiré du système de colonnes est envoyée à l’atmosphère si la pression dans une colonne du système de colonnes dépasse un seuil. Ainsi la conduite du gaz sert à deux usages différents. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant au moins une première colonne de distillation, un échangeur de chaleur par échange de chaleur indirect pour refroidir l’air destiné à être séparé dans la première colonne, des moyens pour envoyer de l’air à une extrémité de l’échangeur de chaleur appelé bout chaud, des moyens pour sortir l’air refroidi de l’autre extrémité de l’échangeur de chaleur appelée bout froid, ces moyens étant reliés au système de colonnes, des moyens pour envoyer au moins deux fluides provenant du système de colonnes se réchauffer dans l’échangeur, l’échangeur de chaleur étant disposé en dessous de la première colonne avec son axe principal à la verticale et son bout froid adjacent à la cuve de la première colonne caractérisé en ce qu’il comprend des moyens pour envoyer à l’atmosphère : de l’air refroidi dans l’échangeur de chaleur, les moyens pour envoyer à l’atmosphère étant reliés aux moyens pour sortir l’air refroidi de l’autre extrémité de l’échangeur de chaleur et/ou au moins une partie d’un fluide produit par le système de colonnes en amont de l’échangeur de chaleur. L’appareil peut comprendre des moyens pour traiter l’air à distiller comprenant une unité d’épuration, des moyens pour envoyer au moins un produit du système de colonnes réchauffé dans l’échangeur de chaleur à l’extérieur, l’échangeur de chaleur étant relié aux moyens pour traiter l’air et aux moyens pour envoyer au moins un produit du système à l’extérieur et des moyens pour empêcher tout transfert de fluide entre l’échangeur de chaleur et les moyens pour traiter l’air et entre l’échangeur de chaleur et les moyens pour envoyer au moins un produit du système à l’extérieur en cas d’arrêt de la distillation. L’appareil peut comprendre un sous-refroidisseur pour refroidir au moins un liquide soutiré du système de colonnes contre un gaz provenant du système de colonnes. Ce sous-refroidisseur peut être disposé entre l’échangeur de chaleur et la première colonne ou à côté de l’échangeur de chaleur pour réduire la hauteur totale. Dans le cas où l’air à distiller est envoyé en partie à moyenne pression dans la première colonne (colonne MP), en partie directement à basse pression dans la deuxième colonne (colonne BP), on a intérêt à envoyer à l’atmosphère uniquement l’air basse pression sans mettre en route le système de distillation (c’est à dire sans envoyer d’air MP dans la première colonne). Ceci permet d’accentuer le déséquilibre thermique et donc d’accélérer la remise en température de l’échangeur. Par exemple, si l’air basse pression représente 30% du débit d’air total (=débit global fluides chauds), si on rejette à l’atmosphère 10% du débit d’air total, cela permet d’avoir 30% du débit global chaud qui passe dans l’échangeur, pour 20% du débit global froid, soit un rapport froid/chaud de 2/3, au lieu de 9/10 si le système de colonnes est mis en route. Ceci permet d’aller plus vite et de réduire la taille de la mise à l’atmosphère. Dans cette configuration, la mise à l’atmosphère peut aussi être utilisée pour maintenir une pression maximale admissible dans la deuxième colonne, du fait des entrées thermiques qui vaporisent une partie du liquide stocké en cuve de colonne BP. Cela évite de solliciter des soupapes. A noter que les schémas sont simplifiés : ils peuvent notamment comporter une turbine, un sous-refroidisseur ou un compresseur. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures où : et représentent chacune un appareil selon l’invention illustré schématiquement. illustre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant au moins une première colonne de distillation. Ici le système comprend une double colonne comprenant une première colonne K1 opérant à une première pression et une deuxième colonne K2 opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression. La cuve de la deuxième colonne est chauffée par le gaz de tête de la première colonne qui s’y condense dans un condenseur. L’appareil peut comprendre des moyens pour traiter l’air à distiller comprenant une unité d’épuration. Ces moyens permettent d’épurer l’air en eau et en dioxyde de carbone de manière connue. L’appareil peut également comprendre des moyens pour envoyer au moins un produit du système de colonnes réchauffé dans l’échangeur de chaleur à l’extérieur, par exemple à un client, à un stockage. Ces moyens ne sont pas essentiels à l’appareil car ils peuvent être rajoutés à l’appareil de séparation, une fois que celui-ci est installé sur site. Un échangeur de chaleur par échange de chaleur indirect 3 de type à plaques et à ailettes sert à refroidir l’air destiné à être séparé, ici l’air 1 étant envoyé uniquement dans la première colonne K1. L’échangeur de chaleur refroidit l’air épuré en eau et en dioxyde de carbone par échange de chaleur avec au moins deux fluides différents provenant du système de colonnes, qui sont un gaz enrichi en azote et un gaz enrichi en oxygène dans cet exemple mais qui peuvent comprendre d’autres fluides. L’échangeur de chaleur est disposé en dessous de la première colonne K1 de sorte que son axe principal est à la verticale et de préférence correspond à l’axe principale de la première colonne K1. L’échangeur peut comprendre un seul corps comme illustré ici ou plusieurs corps reliés en parallèle. De préférence, aucun autre échangeur de chaleur (tel que par exemple un condenseur de gaz du système de colonnes) ne se trouve entre l’échangeur de chaleur 3 et la première colonne K1. L’air, ayant déjà été épuré en eau et en CO2 dans une unité d’épuration, rentre au bout chaud de l’échangeur 3. L’échangeur de chaleur est disposé en dessous de la première colonne K1 avec son axe principal à la verticale et son bout froid adjacent à la cuve de la première colonne. L’air monte dans l’échangeur de chaleur en fonctionnement normal et se refroidit pour sortir au bout froid du côté de la cuve de la première colonne. Il est séparé dans cette colonne K1, ensuite des fluides de la colonne K1 sont envoyés à la colonne K2 de manière connue et la distillation de la colonne K2 produit un gaz enrichi en azote 13 en tête de colonne et un gaz enrichi en oxygène 9 en cuve de colonne. Ces deux gaz sont envoyés se réchauffer en fonctionnement normal dans l’échangeur 3 pour émerger au bout chaud ayant échangé de la chaleur indirectement avec l’air 1. Evidemment l’échangeur peut être plus complexe, de l’air peut être sorti de l’échangeur pour être détendu dans une turbine, comprimé dans un surpresseur froid etc. Quand la distillation est arrêtée, des vannes ferment les conduites pour empêcher tout transfert de fluide entre l’échangeur de chaleur et la partie de l’installation en amont de l’échangeur de chaleur, en particulier des moyens pour traiter l’air à distiller comprenant une unité d’épuration, des moyens pour envoyer au moins un produit du système de colonnes réchauffé dans l’échangeur de chaleur à l’extérieur. Pendant cette période, l’appareil peut être tenu en froid simplement par isolation qui l’entoure ou aussi par un rajout d’azote liquide. Les fluides restant au bout froid dans l’échangeur de chaleur qui y était présents lors de la distillation en fonctionnement normal, plus lourds que les fluides au bout chaud, ont tendance à migrer vers le bas de l’échangeur de chaleur, c’est-à-dire le bout chaud. Lors du redémarrage on ouvre les vannes pour permettre le transfert de fluide (air)vers l’échangeur de chaleur et le système de colonnes. On ouvre également des vannes pour permettre l’envoi de fluides produits par la distillation à un client ou à la régénération de l’épuration de l’air. L’air rentre dans l’échangeur de chaleur et s’y refroidit. Pour réduire le risque de migration de froid, on peut envoyer à l’atmosphère une partie de l’air refroidi dans l’échangeur de chaleur 3 en ouvrant la vanne V1 pour ouvrir la conduite 5 reliée à l’extérieur de l’enceinte d’isolation pour envoyer l’air refroidi à l’atmosphère. Une autre partie7 de l’air alimente la première colonne K1. En plus de ou à la place de cet envoi d’air de l’atmosphère, on peut envoyer à l’atmosphère au moins une partie d’au moins un des gaz produits par le système de colonnes. Ici c’est le débit enrichi en azote qui est divisé en deux en ouvrant la vanne V2 pour ouvrir la conduite 15, laissant le reste du débit 17 se réchauffer dans l’échangeur de chaleur. Le débit enrichi en oxygène se réchauffe dans l’échangeur de chaleur en entier mais une partie de ce gaz pourrait également être envoyé à l’atmosphère. Dans certains cas, un débit entier de gaz produit pourrait être envoyé à l’atmosphère par exemple dans le cas d’un débit d’argon impur produit uniquement pour avoir une production plus pure d’oxygène. diffère de la en ce que deux débits d’air 1,2 sont envoyés à la distillation en fonctionnement normal. Un premier débit 1 à une première pression se refroidit dans l’échangeur de chaleur 3 et est envoyé à la première colonne K1. Un deuxième débit 2 à une deuxième pression plus basse que la première pression se refroidit dans l’échangeur de chaleur 3 et est envoyé à la deuxième colonne K2. Le reste du fonctionnement normal et de l’arrêt se passent comme pour le cas précédent. Pour le redémarrage, seul un des débits d’air est rétabli, à savoir celle à la pression plus basse le débit 2. Ce débit est divisé en deux, une partie étant envoyée à l’atmosphère en ouvrant la vanne V1 dans la conduite 4. Le reste 6 est envoyé directement à la deuxième colonne K2. La conduite 4 avec sa vanne V1 peut également servir pour dépressuriser la colonne K2 si la pression y devient excessive, en fonctionnement normal, pendant le démarrage ou pendant l’arrêt. Procédé de redémarrage d’un appareil de séparation d’air comprenant un système de colonnes (K1, K2) comprenant au moins une première colonne de distillation (K1) et un échangeur de chaleur (3) par échange de chaleur indirect pour refroidir l’air destiné à être séparé dans la première colonne en l’envoyant à une extrémité de l’échangeur de chaleur appelé bout chaud et en le sortant de l’autre extrémité de l’échangeur de chaleur appelée bout froid, l’échangeur servant également à réchauffer au moins deux fluides (9, 17) provenant du système de colonnes, l’échangeur de chaleur étant disposé en dessous de la première colonne avec son axe principal à la verticale et son bout froid adjacent à la cuve de la première colonne pendant le fonctionnement normal, on envoie au moins une partie de l’air (1, 2) refroidi dans l’échangeur de chaleur et destiné à être distillé vers le système de colonnes, par exemple vers la première colonne, et on envoie au moins deux fluides (9, 13) du système de colonnes vers l’échangeur de chaleur pendant l’arrêt de l’appareil, on n’envoie plus d’air refroidi dans l’échangeur de chaleur vers le système de colonnes et on n’envoie plus de fluides du système de colonne vers l’échangeur de chaleur et pendant le redémarrage, on envoie de l’air au bout chaud de l’échangeur de chaleur et du bout froid de l’échangeur de chaleur vers le système de colonnes pour s’y séparer et on envoie au moins un fluide soutiré du système de colonnes vers l’échangeur de chaleur, caractérisé en ce que : on divise l’au moins une partie de l’air provenant du bout froid en deux, on en envoie une première portion (6, 7) au système de colonnes et on en envoie une deuxième portion (4,5) à l’atmosphère et/ou on envoie au moins une partie (15) d’un fluide soutiré du système de colonnes à l’atmosphère. Procédé selon la revendication 1 dans lequel pendant le redémarrage, on envoie à l’atmosphère au bout froid de l’échangeur un débit d’air refroidi (7) correspondant à au moins 5%, préférentiellement à au moins 10% du débit global de fluides refroidis dans l’échangeur de chaleur en fonctionnement normal. Procédé selon la revendication 1 dans lequel pendant le redémarrage, on envoie à l’atmosphère au bout froid de l’échangeur un débit de gaz (15) provenant du système de colonnes correspondant à au moins 5%, préférentiellement à au moins 10% du débit global de fluides à réchauffer dans l’échangeur de chaleur en fonctionnement normal. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le fluide (13) soutiré du système de colonnes (K1, K2) est enrichi en azote ou en oxygène ou en argon. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’échangeur de chaleur (3) est un échangeur brasé à plaques et à ailettes. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel en fonctionnement normal, un premier débit d’air (1) à une première pression et un deuxième débit d’air (2) à une deuxième pression plus basse que la première pression se refroidissent dans l’échangeur de chaleur (3) et sont envoyés respectivement à la première colonne du système de colonne (K1) et une deuxième colonne (K2) du système de colonnes opérant à une pression plus basse que la première et pendant le redémarrage, le premier débit est plus petit par rapport celui envoyé pendant le fonctionnement normal, voire nul et le deuxième débit est divisé en deux, une portion (6) étant envoyée à la deuxième colonne et l’autre portion (4) étant envoyée à l’atmosphère. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le système de colonnes comprend une seule colonne qui est la première colonne, en fonctionnement normal tout l’air à séparer est envoyé à la première colonne, à l’arrêt aucun débit d’air n’est envoyé à la première colonne et pendant le redémarrage, on divise l’air provenant du bout froid en deux, on en envoie une première portion à la première colonne et on en envoie une deuxième portion à l’air. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel en fonctionnement normal et/ou lors du redémarrage ou lors d’un arrêt, une partie de l’air ou d’un fluide soutiré du système de colonnes (K1, K2) est envoyée à l’atmosphère si la pression dans une colonne du système de colonnes dépasse un seuil. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant au moins une première colonne de distillation (K1), un échangeur de chaleur (3) par échange de chaleur indirect pour refroidir l’air destiné à être séparé dans la première colonne, des moyens pour envoyer de l’air(1, 2) à une extrémité de l’échangeur de chaleur appelé bout chaud, des moyens pour sortir l’air refroidi de l’autre extrémité de l’échangeur de chaleur appelée bout froid, ces moyens étant reliés au système de colonne, des moyens pour envoyer au moins deux fluides (9, 13) provenant du système de colonnes se réchauffer dans l’échangeur, l’échangeur de chaleur étant disposé en dessous de la première colonne avec son axe principal à la verticale et son bout froid adjacent à la cuve de la première colonne caractérisé en ce qu’il comprend des moyens pour envoyer à l’atmosphère : de l’air refroidi (4, 5) dans l’échangeur de chaleur, les moyens pour envoyer à l’atmosphère étant reliés aux moyens pour sortir l’air refroidi de l’autre extrémité de l’échangeur de chaleur et/ou au moins une partie (15) d’un fluide produit par le système de colonnes en amont de l’échangeur de chaleur. Appareil selon la revendication 9 comprenant des moyens pour traiter l’air à distiller comprenant une unité d’épuration, des moyens pour envoyer au moins un produit du système de colonnes réchauffé dans l’échangeur de chaleur à l’extérieur, l’échangeur de chaleur (3) étant relié aux moyens pour traiter l’air et aux moyens pour envoyer au moins un produit du système à l’extérieur et des moyens pour empêcher tout transfert de fluide entre l’échangeur de chaleur et les moyens pour traiter l’air et entre l’échangeur de chaleur et les moyens pour envoyer au moins un produit du système à l’extérieur en cas d’arrêt de la distillation.