La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique.
L'invention propose en particulier une méthode et décrit un appareil de production transitoire d'un gaz à partir d'un appareil produisant en marche normale de l'oxygène et azote gazeux et de l'oxygène et azote liquides. L'appareil comprend une double colonne ayant une première colonne opérant à une première pression dite moyenne pression (MP) et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression dite basse pression (BP), plus basse que la première pression.
Ce gaz, produit en mode transitoire, peut par exemple être de l'azote pur et sous pression et utilisé lors de phases d'inertage de procédés pétrochimiques nécessitant en continu de grandes quantités d'azote sur plusieurs jours avant de nécessiter les besoins gazeux de la marche normale.
Cet azote transitoire ne pouvant pas être fourni intégralement par le(s) stockage(s) d'azote liquide, la présente invention propose une disposition d'échangeurs de chaleur en corps dédiés permettant de produire spécifiquement le besoin gazeux pendant la phase transitoire, et produire également le besoin du ou des autres gaz (e.g. l'oxygène) ; les productions d'azote et d'oxygène liquides peuvent être réduites voire nulles pendant la phase transitoire. La disposition des corps d'échange permet ensuite de produire en marche normale les besoins de gaz et de liquides.
La flexibilité demandée à l'échangeur principal de l'appareil de séparation est d'autant plus grande que les productions demandées (en termes de pression et débit) entre différents modes de marche sont éloignées. Le dimensionnement de l'échangeur résultant des différentes marches opératoires s'éloigne ainsi d'un optimum technico-économique pour une marche donnée.
Le recours à une ou plusieurs lignes d'échange dédiée(s) à un ou plusieurs cas de marche transitoire(s) permet d'atteindre la flexibilité requise par ces cas de marche, tout en assurant l'optimum technico-économique des marches concernées.
Par exemple, un appareil de séparation d'air produisant des gaz industriels pour un complexe pétro-chimique sera amené à produire des quantités très différentes, à des pressions différentes, selon les opérations spécifiques des unités consommatrices. Habituellement, les stockages de liquides (azote, oxygène, argon) permettent d'améliorer la flexibilité du schéma de production de l'appareil de séparation d'air. Le recours aux stockages de liquides est cependant limité par la capacité du stockage. Lorsque des marches inhabituelles des unités consommatrices nécessitent de grands volumes sur plusieurs jours, il peut être préférable de produire directement à partir de l'appareil de séparation d'air plutôt que de dimensionner le stockage pour cette marche transitoire. La flexibilité de production de l'appareil de séparation d'air requise par cette marche peut alors être apportée par la présente invention, sans toutefois dégrader l'efficacité des marches normales.
Une solution alternative est la production d'azote gazeux moyenne pression à partir d'une colonne moyenne pression (MP) et compression par compresseur. Si le soutirage gazeux à partir de la colonne MP est insuffisant, la vaporisation d'azote liquide stocké sera alors nécessaire.
Pour produire plus d'azote gazeux que ce qui peut être soutiré à la colonne MP, sans recours à la vaporisation du liquide stocké, l'azote peut être produit par les étages supérieurs d'une colonne basse pression puis également comprimé par un compresseur.
Dans les deux cas, un compresseur d'azote est nécessaire, voire également une section à diamètre réduit en tête de la colonne basse pression.
La présente invention propose une disposition d'échangeurs en corps dédiés comportant une ligne d'échange transitoire dédiée permettant de produire spécifiquement le besoin gazeux pendant la phase transitoire.
Le gaz transitoire considéré dans cet exemple est l'azote mais l'invention s'applique aussi aux autres gaz produits par l'appareil de séparation d'air.
Pendant cette phase transitoire, la production d'oxygène gazeux est maintenue mais les productions d'azote et d'oxygène liquides peuvent être réduites voire nulles.
L'azote transitoire est pompé de la première colonne (colonne MP) et vaporisé à travers une ligne dédiée d'échangeur (appelée ici ligne d'échange transitoire) contre de l'air à haute pression (HP) venant du refoulement d'un surpresseur éventuellement entraîné par une turbine ; simultanément, l'oxygène pompé est vaporisé à travers une autre ligne dédiée d'échangeurs contre de l'air HP venant du refoulement du même surpresseur ou d'un deuxième surpresseur. La production d'azote gazeux, qui est normalement produit à partir de la colonne MP et réchauffé contre de l'air MP venant de l'unité d'épuration d'air dans une troisième ligne d'échange dédiée, est arrêtée.
Lors de la phase normale, la production d'azote transitoire est arrêtée tandis que la production normale d'azote gazeux à partir de la colonne MP est établie. La production d'oxygène gazeux est maintenue, et les productions liquides sont ajustées à leurs consignes normales.
La ligne d'échange dédiée à la production d'azote gazeux transitoire ne fait ici intervenir que des fluides qui vont changer d'état à son passage: l'azote liquide (LIN) se vaporise en azote haute pression (HP GAN) contre de l'air HP qui se liquéfie. L'absence de troisième fluide, habituellement de l'azote résiduaire permettant de réduire l'écart au bout chaud afin de gagner en efficacité énergétique de l'appareil de séparation d'air, permet ici d'améliorer fortement la compacité de l'échangeur transitoire pour une même quantité de chaleur échangée (ou 'charge') ; cela permet aussi d'utiliser des ondes plus denses. Dans le cas de la présente invention, le gain attendu en compacité est conséquent car, pour une même 'charge' échangée, le volume d'échange peut être inférieur de moitié au volume habituellement nécessaire en présence d'un troisième fluide sans changement d'état. Soit, (Volume/Charge)échangeur transitoire < 0,5 x (Volume/Charge)échangeur classique.
Cette solution permet également de produire spécifiquement l'azote nécessaire selon la marche demandée par le client par une redistribution des flux sur les corps d'échanges concernés par la production. Lors de la phase transitoire, seul l'azote transitoire est produit et le passage du corps d'échange utilisé pour l'azote normal est à l'arrêt. Pendant la phase normale, seul l'azote normal est produit et le corps d'échange transitoire est à l'arrêt. Le document
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un premier gaz sous pression ainsi qu'un deuxième gaz de manière ponctuelle par distillation cryogénique de l'air dans une double colonne comprenant une première colonne et une deuxième colonne, la deuxième colonne fonctionnant à plus basse pression que la première colonne dans lequel :
Selon d'autres caractéristiques facultatives :
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne comprenant une première colonne et une deuxième colonne, la deuxième colonne fonctionnant à plus basse pression que la première colonne, un premier échangeur de chaleur, un deuxième échangeur de chaleur.capable de, et relié à des conduites d'alimentation pour, permettre un échange de chaleur indirect entre seulement deux fluides, un troisième échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un débit d'air à une première pression substantiellement égale à la pression d'opération de la première colonne au premier échangeur et du premier échangeur à la première colonne, des moyens pour diviser de l'air à une deuxième pression supérieure à la première pression en une première et une deuxième fractions, des moyens pour envoyer la première fraction à la deuxième pression au deuxième échangeur à travers une première des conduites d'alimentation, une vanne pour empêcher l'envoi de la première fraction vers le deuxième échangeur, des moyens pour envoyer la deuxième fraction à la deuxième pression au troisième échangeur, éventuellement d'autres moyens pour envoyer un débit d'air à une pression supérieure à la première pression au troisième échangeur, des moyens pour envoyer un liquide pressurisé de la double colonne se vaporiser dans le troisième échangeur, des moyens pour envoyer un liquide requis ponctuellement de la double colonne se vaporiser dans le deuxième échangeur à travers une deuxième des conduites d'alimentation, une vanne pour empêcher l'envoi de liquide requis ponctuellement de la double colonne vers le deuxième échangeur, des moyens pour envoyer un gaz riche en azote de la première colonne se réchauffer dans le premier échangeur, une vanne pour empêcher l'envoi de gaz riche en azote de la première colonne vers le premier échangeur, des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote de la double colonne vers le premier échangeur et des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote de la double colonne vers le troisième échangeur.
Eventuellement au moins le premier et le troisième échangeur de chaleur sont des échangeurs à plaques et à ailettes en aluminium brasés.
L'invention sera décrite plus en détail en se référant à la figure qui illustre un procédé selon l'invention. L'appareil utilisé comprend trois échangeurs de chaleur 1, 2, 3 pouvant être des échangeurs à plaques et à ailettes en aluminium brasé. Il comprend également un système de colonnes de distillation 25, comprenant au moins une double colonne de distillation. La double colonne comprend une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, plus basse que la première pression.
L'appareil comprend trois compresseurs d'air, un compresseur principal, un premier surpresseur pour surpresser une partie 13 de l'air provenant du compresseur principal, une partie de l'air du premier surpresseur alimentant une turbine et un deuxième surpresseur pour surpresser une partie 7 de l'air provenant du premier surpresseur, ce deuxième surpresseur étant entraîné par la turbine. Un débit d'air 5 à la première pression est envoyé du compresseur principal à la première colonne sans avoir été surpressé. La partie 7 de l'air est au moins partiellement condensée avant d'être envoyé au système de colonnes.
L'appareil a au moins deux marches d'opération. Selon une première de ces marches, qui est la marche normale du procédé, le débit d'air 5 à la première pression est refroidi dans l'échangeur 1 et envoyé à la première colonne où il est séparé. Un débit d'azote gazeux 23 de la première colonne et d'un débit d'azote résiduaire 21 de la deuxième colonne se réchauffent dans ce premier échangeur 1 : l'échangeur de chaleur 1 permet l'échange entre trois fluides.
Selon cette marche, le deuxième échangeur 2 ne reçoit aucun fluide à refroidir ou à réchauffer. Par contre le troisième échangeur 3 refroidit de l'air 7, 11 provenant du deuxième surpresseur entraîné par la turbine. L'air partiellement condensé 11 est envoyé au système de colonnes 25. Egalement dans cet échangeur 3, l'air 13 du premier surpresseur se refroidit et est envoyé à une température intermédiaire de celui-ci à la turbine et ensuite à la première ou la deuxième colonne.
Le troisième échangeur réchauffe de l'azote résiduaire 17 provenant de la deuxième colonne et de l'oxygène liquide 15 provenant de la deuxième colonne, après une étape de pressurisation. L'oxygène liquide 15 peut être remplacé par de l'oxygène gazeux provenant de la deuxième colonne.
Pendant cette marche, il y a également une production de liquide cryogénique comme produit final 27 pouvant être de l'azote liquide et/ou de l'oxygène liquide.
Pendant une deuxième marche, dite marche transitoire, le débit d'air 5 à la première pression est refroidi dans l'échangeur 1 et envoyé à la première colonne où il est séparé. Un débit d'azote résiduaire 21 de la deuxième colonne se réchauffe dans ce premier échangeur 1 : l'échangeur de chaleur 1 effectue l'échange entre deux fluides seulement, le débit 23 n'étant plus envoyé à l'échangeur 1, la vanne V1 étant fermée.
Selon cette marche, le deuxième échangeur 2 reçoit de l'air 9 à travers une vanne V2 provenant du deuxième surpresseur et de l'azote liquide 19 pressurisé par pompe provenant de la première colonne à travers la vanne V3.
Par contre le troisième échangeur 3 refroidit de l'air 7, 11 provenant du deuxième surpresseur entraîné par la turbine. L'air partiellement condensé 11 est envoyé au système de colonnes 25. Egalement dans cet échangeur 3, l'air 13 du premier surpresseur se refroidit et est envoyé à une température intermédiaire de celui-ci à la turbine, ainsi entraînant le deuxième surpresseur, et ensuite à la première ou la deuxième colonne.
Le troisième échangeur réchauffe de l'azote résiduaire 17 provenant de la deuxième colonne et de l'oxygène liquide 15 provenant de la deuxième colonne, après une étape de pressurisation. L'oxygène liquide 15 peut être remplacé par de l'oxygène gazeux provenant de la deuxième colonne.
Pendant cette marche, soit il n'y aucune production de liquide comme produit final ou il y a également une production de liquide cryogénique 27 comme produit final pouvant être de l'azote liquide et/ou de l'oxygène liquide, la quantité totale de liquide produit comme produit final étant inférieure à celle produite pendant la marche normale.
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