CA2048432A1

CA2048432A1 - Appareil de production d'azote

Info

Publication number: CA2048432A1
Application number: CA002048432A
Authority: CA
Inventors: Gilbert Chevalier; Christiane Muller; Frederic Rousseau; Laurent Savinel; Jean-Yves Thonnelier
Original assignee: Individual
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1990-08-07
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1992-02-08
Also published as: JPH05149680A; US5144809A; FR2665755A1; FR2665755B1

Abstract

L'appareil comprend une ligne d'échange thermique, un déphlegmateur refroidi par du liquide riche et un tronçon d'enrichissement adiabatique en azote de l'air entrant, l'ensemble étant intégré dans un unique échangeur de chaleur parallélipipédique du type à plaques et ailettes. Application à la production d'azote à pureté moyenne.

Description

La présente invention est reLative ~ un appareiL de production d'~zote du type comprenant des moyens de refro1dissement d'air comprimé épuré en eau et en anhydride carbonique, des moyens ascendants d'enrichissement progressif de cet air en azote, et un condenseur adapte pour refroidir La partie superieure de ces moyens ascend3nts par va~orisation de Liquide riche de maniere a y créer un refLux ELLe s'appLique pLus particuLiërement ~ La production d'azote de pure-te moyenne, c~est-a-dire comprise typiquement entre 90 et 99 % environ ; La production d'a20te s'effectue actueLLe-ment au moyen de coLonnes de distiLLation d'air Si L'on n~a pas besoin d'a~ote tr~s pur, on peut penser à
~15 réduire Le nombre de pLateaux de La coLonne de disti~Lation, mais Le gain ecGnomique est faibLe ;?uant ~ La production par des voies non cryogéniques ~adsorption seLective, perméation seLective), eLLe nëcessite un grand nombre de moduLes en paraLLëLe, ce qui est souvent inaccepta~Le L'invention a pour but de fournir un appa-reiL trës économique capabLe de produire de L'azote de purete moyenne A cet effet, L'invention a pour objet un -5 app~reiL du type précitë, caractérisé en ce que Les-dits moyens ascendants sont constitues par des pre-miers passages pLats d'un échangeur de chaLeur du type pLaques et aiLettes, et en ce que Le condenseur comprend des deuxiëmes passages pLats du meme echangeur disposes en reLation d'echange thermique ; avec au moins La partie supérieure des premiers passages et reLiés via une conduite equipee d'une vanne de d~tente ~ une bo~te coLLectrice de Liquide riche prévue à L'extrémité inférieure de ces premiers .~

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passages .
~ Suivant d'autres caractéristiques de L'in-vention :
- Le~ moyens de refr~idissement d'air, de S préf~rence dlspos~ au-dessus de~ premiers Qt deuxi~~
me~ passages, comprennent des passages pLats de L'é-changeur de chaLeur sltués dans Le proLongement de ces premiers et deuxiemes passages, 'a savoir des troisie-mes passages aLimentés par L'air entrant et disposes en reLation d'échange thermique d'une part avec des quatriemes passages reLiés a L!'extrémité supérieure des premiers passagesi et d'autre part avec de~
cinquiemes passages reLi~s a L'extrémité supérieure des deuxiemes passages ;
; 15 - Le condenseur comprend un réservoir auxi-Liaire de Liquide riche juxtaposé a L'échangeur de chaLeur et dont Les parties inferieure et supérieure sont reLiées respectivement 3 La partie inférieure et a La partie sup~rieure des deuxiëmes passages ;
~0 - dans un autre mode de réa~isation, Le con-denseur est du type a ruisse~L~ment de Liquide riche et ~ pompe de remontée au sommet du condenseur de L'exc~s d~ Liquide riche non vaporisé ; un teL conden-seur peut comprendre un réservoir auxiLiair~ juxtaposé
~5 a ~'éch~ngeur dæ chaLeur, assurant ~'aLimentatlon en Liquide riche du condenseur et 3~imenté Lui~-méme d'une part par Ladite conduitey d'autre part par La pompe ;
ce condenseur peut notamment comprendre un distribu-teur de Liquide en deux ~tapes dispos~ 3 L'extrémité
sup~rieure des deuxiemes passages ;
- Les deuxiemes passa~es 5' étendent sur tou-te La hau~eur de~ premiers p~ssages ou, en variante~
iLs ne s'étendent que sur une fraction de La hauteur des premier~ passages et sont pro~ong~s vers Le bas .
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par des espaces fermés a ~eur extremité inferieure ou~
au contraire~ communiquant par cette extrémite avec Les premiers passages [)es exemp~es de réa~isation de ~'invention vont maintenant etre décrits en regard des dessins annexés, sur LesqueLs :
- ~a Fig. 1 repr~sente schematiquement un appareiL de production d~azote conforme a L'invention;
- ~a Fig~ est une vue en perspective de cet appareiL ;
- ~es Fig 3 a 7 sont des vues en coupe Long;tudinaLe pr;ses ~ travers différents passages de ~'appareiL des Fig. 1 et ~ ; et - Les Fig. ~ a 1~ sont des vues anaLogues a Ia Fig. l de diverses variantes.
L'appareiL de production d'azote repr~senté
aux Fig. 1 et ~ destine a produire des débits de 'or-dre de l 000 ~ ~ 000 Nm3~h d'azote de purete de ~'or dre de 95 ~ et appareiL est constitue essentieL~e-~Q ment d'un échangeur de chaLeur paraL~éLipipédique 1 du type 3 pLaques et aiLettes en aLuminium brasé. Comme iL est bien connu dans La technique, et comme on Le voit mieux aux Fig 3 ~ 7, un te~ échangeur est form~
d'un grand nom~re de p~aques rectanguLaires ~ en '5 aLuminium, verticaLes en service, empi~ées Les unes a c~té des autres avec interposition d'ondes en a~umi--nium 3 formant entretoi~es et ai~ettes~ Entre ces p~a-ques se trouvent des espaces pLats contenant Les ai-~ettes. Ces espaces sont déLimites Latera~ement et en hauteur par des barres vertica~es 4 et horizontaLes 5 disposées entre ~es pLaques correspondantes aux emp~a-cements d~sires. La pLupart de ces espaces forment des passages de circuLation verticaLe de f~uides Pour introduire un f~uide 3 une extremite d'une serie de . .
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' passages, on uti~ise une bofte d'entrée semi-cyLindri-que ~ fixée ~ ~'extrémité inférieure ou supérieure de L'echangeur ou ~atéra~ement et communiquant avec ces passages par des interva~Les Laisses ouverts entre ~es S pLaques ~ correspondantes. ~es distributeurs à ~ndes obliques 7 de configuration appropriée permettent de répartir sur toute la largeur des passages les fluides introduits latéralement De même, des distributeurs à
ondes ob~iques permettent d'evacuer un fLuide soit LatéraLement (Fig 3 et 5 a 7? . soit vertica~ement ~Fig. 4), par L'interm~diaire d'une boqte de sortie semi-cyLindrique q Comme ~n ~e verra pLus L~in, ~'echangeur 1 comporte égaLement une bo1te ~15 semi-cy~indrique 10 servant a La fois ~ L'évacuation d'un fLuide d~une serie de passages et a son introduction dans une autre sërie de passages Pour La reaLisation d'un teL echangeur, Les eLéments ~ 3 5, 7 et ~ sont positionnés, L'ensemb~e ~0 est assembL~ par brasage au four, puis Les bo9tes 6, 9 et 10 sont fixëes par soudage~
P~us particuLièrement, ~'échangeur 1 est constitu~ de deux section5 superposées, séparées her-métiquement par un ensembLe de barrettes 5 schématisé
~'5 par Le trait p~ein 11 aux Fig. 1 et ~ : une section inférieure ~ diYis~e eL~e-meme en un tronçon infé-rieur 13 d'echange de matiere adiabatique et en un tron~on superieur 14 formant déph~egmateur, et une section supérieure 15 formant Ligne d'~change thermi-que.
La section 1~ est constitu~e de deux s~riesde passages :
- des premiers passages 1~ ~Fig. ~'~ s'éten-dant sensib~ement sur toute ~a hauteur de ~a section, ! ' , . . ' .,; ~ ~ . ' :

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aLiment~s par Le bas et avec évacuation LatéraLe a ~eur e~trémité superieure ; et - des deuxiemes passages 17 ~Fig 7~ adja-cents aux precedents et s'etendant sensib-ement sur La hauteur du tron~on 14, c'est-a-dire sur une fraction seu~ement de La hauteur des passages 16 a partir de L'e~trémite supérieure de ceux-ci~ Ces passages 17 ont une aLimentation LateraLe a Leur e~trëmité inférieure et une evacuation LateraLe, du meme c~te, a ~eur extremité sup~rieure. Les bo9tes ~ et 9 correspondantes ~Fig~ 1 et ~) sont reLiees respectivement ~ L~extremité inférieure et a L'extremit~ sup~rieure d'un r~servoir auxiLiaire 1 situé 3 c8té de L'echangeur 1, au meme niveau que Le lS tronçon 14 et ayant une hauteur Légerement superieure a ceLui-ci.
[~es espaces 19 CFig. 7~ proLongent vers Le bas chaque passage 17 ILs peuvent 50i t etre fermés a Leur extr@mité inférieure, comme représenté, soit etre ~0 ouverts vers Le bas et, dans ce cas1 communiquer avec Les passages 1~ dans un but d'égaLisation de pres-sions.
La partie superieure du réservoir 1~ est re-Liee au fond de La bo9te 6 d'entrée des premiers pas-~S ~ages 1~ par une conduite _~0 munie d'une vanne de dé-tente ~1~
La section supérieure 15 de L'~changeur 1 comprend trois series de passages qui s'étendent sur sensibLement toute sa h~uteur :
- des troisi~mes passages 2 J de refroidisse-ment d'air (Fig. ~ ayant une aLimentation La~éraLe à
Leur extrémité supérieure et une évacuation LatéraLe, de L'autre c~té, a Leur extrémité inf~rieure ;
- des quatriemes passages ~3 de réchauffe-, ~.

ment d'a~ote ~Fig 4~ ayant une aLimentation LatéraLe Leur e~trémit@ inF~rieure et une ~vacuation vertica-~e, en position médiane, a Leur e~trémité supér1eure ;
et - des cinquiemes passages ~4 de réchauffe-ment de ~iquide riche vaporisë (Fig 5~ ayant une a~imentation La~erale a ~eur extremité inférieure et une evacuation LatéraLe, du coté oppose, à ~eur extremité superieure ~)ans La section 15, chaque passage ~ est dispos~ en sandwich entre un passage ~3 et un passage ~41 afin d'@changer de La cha~eur avec eux La bo1te lD re~ie La sortie des premiers passases 1~ 3 ~'entrée des quatrieme passages ~3 lS L'appareiL ainsi décrit fonctionne de La maniere suivante L'air a traiter~ comprime vers 6 bars abso-Lus et epuré en eau en anhydride carbonique~ est in--troduit dans Les passages 2~ et en ressort au voisi-~0 nage de son point de rosée~ IL passe ensuite~ via une conduite 25, dans La bo~te k inférieure de L'échangeur 1~ et de La dans Les passages lb~
Le Liqùide riche tair enrichi en oxygene) recueiL~i dans La bo~te h inferieure est d~tendu dans ~5 La vanne de détente ~1 et envoy~ via La conduite ~'0 dans Le réservoir 1~ e La, La phase Liquide passe dans Les passages ~7 du tron~on 14~ Par échange de ch3Leur entre Le6 passages 1~ et 17, du Liquide riche est vaporisé dans Les passages 17 et cr~e un refLux dans ~es passages 16 IL se produit ainsi dans ces derniers des échanges de mati~re, de fa~on adiabatique dans Le tron~on inférieur 13 et de fa~on non adiabati-qùe dans Le tronçon supérieur 14, et ces ~changes de - mati~re conduisent a un enrichissement progressif en .

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azote de ~a vap~ur montante FinaLem~nt~ c'est de ~'a~ote ~ pureté moyenne qui sort des passages ~6 par ~a botte 10 et, de ~3, penetre dans Les passages ~3 pour en ressortir au voisinage de ~a temperature ambiante par La botte 9 superieure Le Liqu1de riche vaporisé dans Les passages 17 passe, en entra~nant du Liquide, dans Le réservoir 1~, et ~a phase vapeur passe du sommet de ce réser-voir9 via une conduite `~, dans Les passages '-~4, pour en ressortir au voisinage de La temperature ~mbiante C)n voit que Le tronçon 14 de L'échangeur joue Le roLe de condenseur et de coLonne de distiLLa-tion pour ~'air ~ traiter et forme ainsi un déphLeg-mateur.
15En varia~te, Le tron~on 14 pourrait s'éten-dre sur toute ~a hauteur de La section 1~, auqueL cas La totaLit~ de La séparation de Lrair s'effectuerait par déph-egmation L'appareiL des Fig. 1 a 7 convient pour une ~0purete de L'a20te de L'ordre de 90 a 95 % Par contre, si L'on recherche une puret~ p~us éLevée, par exempLe de L'ordre de ~ ~/., on a besoin d'une hauteur~ pour La section 1~, qui conduit à une hauteur totaLe de L'~-changeur dépassant Les possibi~ites des fours de bra-~5 sage actueLs, LesqueLs permettent au maximum La fa-brication d'échangeurs de six mètres de Long.
[)ans ce cas, iL faut aLors avoir recours à
La variante de La Fig. ~ ou a ceLLe de La Fig. 9~ qui ne diffèrent du mode de réa~isation des Fig. 1 à 7 que par Le fait que La Ligne d'~change thermique est cons-tituée par un échangeur à p~aques distinct 15A reLie par des conduites appropriées 3 L'échangeur principaL
l~A correspondant à La section 1~ des Fig~ 1 3 7.
~ans ~a variante de La Fig. ~, Le réservoir .... ,~. ~, i .. . . . . .. . . .

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de Liquide riche 1~ et Les passages de L~quide riche 17 s'etendent sur toute ~a hauteur d2s passages de s~parati~n d'air 1~, tandls que dans ceLLe de La flgO
q, iLs ne s~etendent que 5U)^ une fraction de Leur S hauteur, a La partie supérieure de L'echangeur 1A, pour La raison expLiquée ci-dessus en regard du mode de réaLisation des Fig 1 ~ 7 La Fig 10 represente une variante de L'ap-pareiL des Fig~ 1 a 7 qui n~en differe que sou~ deu~
aspects d'une part~ par Le fait que Le déphLegmateur 14B s'etend sur toute La hauteur de ~a section 1~e~ de L'ëchangeur le, et d'autre part par La mani~re dont Le Liquide riche est utiLisQ dans Les passages 17e ~En effet, dans ce cas, Le déphLegmateur est ;15 refroidi par vaporisation de Liquide riche que L'on fait ruisseLer sous La forme d~un fiLm mince sur Les surfaces contenues dans Les passages 17e ~pLaques et ondes~ r Pour ceL~, on peut prevoir au sommet des pas-sages 17e~ un distributeur ~7 de Liquide en deu~ ~tapes ~0 conforme ~ ce qui est decrit dans Le EP-A-0 1~0 1~ au nom de La Demanderesse Comme d~crit dans ce document, Le distributeur 27 peut notamment comprendre une ran-gée d'orifices de predistribution du Liquide dans ~es passages 17e~ et sur toute La ~ongueur de ceux-ci, ces ~5 orifices d~bouchant sur un garnissage de distribution fine du Liquide sur toute la Longueur des m~mes passa-ges, garnissage connu sous Le nom de "serr~ted" et disposé de La mani~re couramment appeLée "hard-way"
Le distributeur ~7 est aLimente par simp~e gravité par Le réservoir au~iLiaire 1~B, et un débit de Liquide riche a peu pr~s doubLe du débit vaporisé
dans Les passages 17~ ruisse-Le dans ce6 derniers -~L'excës de Liquide riche est remonte jusque dans Le réservoir i~ par une pompe ~ de sorte que ce ré-,~

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' servoir est aLimente a La fois par cette pompe et par La conduite 70.
Le schéma de La Fig. 10 correspond a L'uti-Lisation d'un distributeur de Liquide du type de ce~ui iLLustrè a La Fig 6 du EP-A pr~cité, a savoir agencé
de fa~on a permettre L'ev3cuation du Liquide riche va-porise dans Les passages ~7e par Le haut de ces passa-ges. Ce Liquide riche vaporisé est sorti de L'échan-geur via une bofte de sortie LatéraLe 9e et une con-duite 9 aboutissant dans La ~onduite ~6.
Les Fig. 11 et 1~ montrent comment une vapo-risation de Liquide riche par ruisseLLe~ent peut s'a-dapter 3 La configuration en deux échangeurs distincts de La Fig. a .
15La Fig~ 11 correspond au cas o~ Le d;stribu-; teur ~7 C de Liquide riche ne permet pas L'évacuation par Le haut du Liquide riche vaporis~ et o~, par con-séquent, ce Liquide riche vaporisè et ~'exces de Li-quide non vaporis~ sont tous deux ëvacues par une bo9-`-'0 te de sortie LatéraLe infèrieure 9C de L'echangeur 17C. ~)e5 exempLes de teLs distributeurs sont décrits aux Fig~ 1 a 5 du EP-A precité Le meLange diphasique is~u de La boqte 9C pènëtre dans un pot séparateur ~0~
et La seuLe phase Liquide est remont~e au distributeur ~5 par ~a pompe ~8 La Fig. 1~ se rapporte de nouveau~au cas ou Le Liquide riche vaporise s'evacue par Le;haut des passages 17C3 de L'echangeur principaL 1~[)~ via une bo~te de sortie LatéraLe 9Ci correspondant à La bo~te ;~ 30 q~ ~e La Fig. 10.
C~ans Les vari~ntes des Fig. 11 et 1~, L'échangeur l~C, 1~) est surmonté d'une bo9te mixte lOC, lOC) qui sert a La fois 3 L'entr~e du Liquide riche remonté par La pompe ~ L'entrée du Liquide :; .
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riche dipha~ique v~hicuLe par La conduite ~0 et a ~'~vacuation de ~a phase vapeur issue de ce Liquide riche diphasique La canduite ~6 part de c~tte bo~te 1~C, 10~
5~)ans Les variantes des Fig. 11 et 1~, on remarque que ~e reservoir 1~e de ~a Fig 1D est sup-prime, un bain de Liquide riche a niveau constant -etant directement maintenu au sommet du distributeur ~7 C ou ~7 10Il est a noter que dans Les agencements a ruisseL~ement de Liquide riche, La vaporisation, comme représentQ aux Fig. 10 a 1~, peut s'étendre sur tou~e La hauteur de La section 1~ ou de L'échangeur 1~C, ~ ou bien s'etendre uniquement sur sa partie 15 supérieure comme aux Fig. 1 a 7 et q~ -Par aiL~eurs, dans ch~que mode de réa~isa-tion, Le maintien en froid peut ~tre assuré par L'une queLconque des mëthodes connues : instaLLation d'une - -turbine de détente sur L~une des conduites véhicuLant ~0 un fLuide sous pres~ion Cair, azote ou Liquide ri~he vaporise), ou injection directe d'a~ote L;quide a un empLacement approprie :
- a L'entree des passages d'à~ote ~3 ou a La ~ -sortie des passages 16, soit au moyen de tuhes perfo-'5 rés disposes dans ces passages, soit dans La ~o~te 10 ; ou - dans Le rQservoir auxiLiaire 1~ ou 1~B, ce qui est pLus simpLe a r~aLiser mais ne permet pas La récupération de ~'a~ote de maintien en froid ; ou encore - a L'entree de pass2ges d'a~ote suppLémen-taires prévus ~ cet effet dans ~a ~igne d'échange thermique .......... ... .

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Claims

1. Appareil de production d'azote, du type comprenant des moyens de refroidissement d'air comprimé épuré en eau et en anhydride carbonique, des moyens ascendants d'enrichissement progressif de cet air en azote, et un condenseur adapté pour refroidir la partie supérieure de ces moyens ascendants par vaporisation de liquide riche de manière à y créer un reflux, caractérisé en ce que lesdits moyens ascendants sont constitués par des premiers passages plats d'un échangeur de chaleur parallélipipédique du type à plaques, et en ce que le condenseur comprend des deuxièmes passages plats du même échangeur disposés en relation d'échange thermique avec au moins la partie supérieure des premiers passages et reliés via une conduite équipée d'une vanne de détente à une boîte collectrice de liquide riche prévue à l'extré-mité inférieure de ces premiers passages.

2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroi-dissement d'air comprennent des passages plats dudit échangeur de chaleur situés dans le prolongement des premiers et deuxièmes passages, à savoir des troisièmes passages alimentés par l'air entrant et disposés en relation d'échange thermique d'une part avec des quatrièmes passages reliés à l'extrémité
supérieure des premiers passages, et d'autre part avec des cinquièmes passages reliés à l'extrémité supé-rieure des deuxièmes passages.

3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroi-dissement d'air sont disposés au-dessus des premiers et deuxièmes passages.

4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le condenseur comprend un réservoir auxiliaire de liquide riche juxtaposé à l'échangeur de chaleur et dont les parties inférieure et supérieure sont reliées respec-tivement à la partie inférieure et à la partie supérieure des deuxièmes passages.

5. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le condenseur est du type à
ruissellement de liquide riche et à pompe de remontée au sommet du condenseur de l'excès de liquide riche non vaporisé.

6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le condenseur comprend un réservoir auxiliaire juxtaposé à l'échangeur de chaleur, assurant l'alimentation en liquide riche du condenseur et alimenté lui-même d'une part par ladite conduite, d'autre part par la pompe.

7. Appareil suivant la revendication ou 6, caractérisé en ce que le condenseur comprend un distributeur de liquide en deux étapes disposé à l'extrémité supérieure des deuxièmes passages.

8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deuxièmes passages s'étendent sur toute la hauteur des premiers passages.

9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deuxièmes passages ne s'étendent que sur une fraction de la hauteur des premiers passages et sont prolongés vers le bas par des espaces fermés à leur extrémité
inférieure.

10. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deuxièmes passages ne s'étendent que sur une fraction de la hauteur des premiers passages et sont prolongés vers le bas par des espaces qui communiquent avec les premiers passages par leur extrémité inférieure.