FR2697620A1 - Procédé et installation de production d'azote gazeux à débit variable. - Google Patents

Procédé et installation de production d'azote gazeux à débit variable. Download PDF

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Abstract

Dans ce procédé du type HPN à bascule azote liquide/liquide riche, la liaison entre la tête de la colonne (4) et le stockage d'azote liquide (7) est réalisée, pour les deux sens d'écoulement de l'azote liquide, par une conduite unique (12) équipée d'un organe déprimogène (13). Le sens et le débit de l'écoulement de l'azote liquide sont commandés par les variations de la pression de la colonne, les stockages d'azote liquide et de liquide riche étant maintenus à des pressions constantes.

Description

La présente invention est relative à un procédé de production d'azote
gazeux à débit variable et à teneur sensiblement constante, du type dans lequel: on refroidit jusqu'au voisinage de son point de rosée de l'air comprimé épuré en eau et en CO 2, et on l'introduit en cuve d'une colonne de rectification qui produit en tête l'azote gazeux de production et en cuve un liquide, dit liquide riche, constitué d'air enrichi en oxygène; on liquéfie une partie de l'azote de tête de la colonne par vaporisation dans un condenseur de tête de la colonne de liquide riche détendu à une basse pression; lorsque la demande en azote gazeux est supérieure à la demande nominale, on envoie de l'azote liquide en tête de colonne à partir d'un stockage d'azote liquide, et on stocke du liquide riche dans un stockage de liquide riche relié d'une part à la cuve de la colonne et d'autre part audit condenseur de tête; et lorsque la demande en azote gazeux est inférieure à la demande nominale, on envoie de l'azote liquide de la tête de colonne au stockage d'azote liquide et on réduit le niveau du liquide riche du stockage de
liquide riche.
Dans les procédés de ce type, dits "procédé HPN à bascule azote liquide/liquide riche", la colonne et la ligne d'échange thermique sont dimensionnées pour une production nominale d'azote gazeux Pour les petites installations, le maintien en froid est généralement assuré, dans la marche nominale, par "biberonnage" d'azote liquide du stockage d'azote liquide vers la tête de la colonne Pour les grosses installations, au contraire, le maintien en froid est généralement assuré par détente de gaz résiduaire (liquide riche vaporisé)
dans une turbine.
Par exemple, pour produire 100 Nm 3/h d'azote gazeux à 1 vpm (partie par million en phase vapeur) d'oxygène, il faut comprimer 240 Nm 3/h d'air envoyé,
après épuration et refroidissement dans la ligne d'échan-
ge, en cuve de colonne, et biberonner environ 5 Nm 3/h
d'azote liquide.
Pour une demande accrue en azote, l'excédent de production est pris sur l'azote gazeux envoyé au condenseur, de sorte que le débit d'azote liquéfié est moindre Le reflux de la colonne est donc réduit, et le nombre de plateaux théoriques devient insuffisant pour assurer la teneur désirée en tête IL faut donc envoyer de l'azote liquide en tête de colonne pour rétablir le reflux qui satisfait à la teneur désirée Pour rétablir le bilan thermique, déséquilibré du fait qu'on envoie du liquide froid dans la colonne, en envoie du liquide riche en quantité équivalente dans le stockage de liquide
riche.
Pour une demande réduite en azote, l'excès d'azote est liquéfié dans le condenseur, de sorte que le reflux augmente et que la teneur de tête est meilleure que celle désirée On ajuste donc le reflux à la teneur désirée de l'azote de tête en envoyant l'excédent de liquide au stockage d'azote liquide Le bilan thermique est rétabli en envoyant une quantité équivalente de liquide riche du stockage de liquide riche se vaporiser
dans le condenseur de tête de la colonne.
Il faut donc pouvoir faire circuler tant l'azote liquide que le liquide riche dans les deux sens à partir des stockages correspondants et vers ces stockage Dans la technique classique, la pression de la colonne est maintenue constante en permanence En stockant le liquide riche à une pression intermédiaire entre la pression de la colonne et la basse pression, aucune pompe n'est nécessaire pour la circulation du liquide riche de la cuve de la colonne au stockage et de
celui-ci au condenseur de tête.
En revanche, il est nécessaire de disposer deux conduites entre la tête de colonne et le stockage d'azote liquide, et d'équiper une de ces conduites d'une
pompe, qu'il faut doubler par sécurité.
L'invention a pour but de simplifier le procédé connu de manière à éliminer toute pompe de
circulation d'azote liquide.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on fait passer l'azote liquide de la colonne au stockage d'azote liquide et vice-versa via une conduite unique équipée d'un organe déprimogène, et on maintient à des valeurs constantes la pression des stockages d'azote liquide et
de liquide riche.
Suivant un mode de mise en oeuvre, on surveille la pureté de l'azote de production, et on corrige éventuellement cette pureté par action sur un organe de détente du liquide riche vaporisé dans le
condenseur de tête.
L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cette installation, du type comprenant des moyens de compression d'air; des moyens d'épuration en eau et en C 02 de l'air comprimé; une colonne de rectification équipée d'un condenseur de tête et produisant en tête l'azote gazeux de production et en cuve un liquide, dit liquide riche, constitué d'air enrichi en oxygène;
une ligne d'échange thermique pour re-
froidir l'air épuré jusqu'au voisinage de son point de rosée et réchauffer des produits sortant de la colonne; un stockage de liquide riche, une première conduite équipée d'une vanne de détente et reliant la cuve de la colonne à ce stockage, et une deuxième conduite équipée d'une vanne de détente et reliant le stockage de liquide riche au condenseur de tête; et un stockage d'azote liquide, et des moyens pour envoyer de l'azote liquide de la tête de colonne à ce stockage et vice et versa; est caractérisée en ce que la tête de colonne est reliée au stockage d'azote liquide par une conduite de liaison unique équipée d'un organe déprimogène, et en ce que l'installation comporte des moyens pour maintenir chacun
des deux stockages à une pression constante.
Suivant d'autres caractéristiques l'organe déprimogène est symétrique par rapport aux deux-sens d'écoulement dans la conduite de liaison et est notamment un orifice calibré, une vanne manuelle en position fixe ou un venturi; l'installation comprend un organe réglable de détente du liquide riche vaporisé dans le condenseur de tête, et un analyseur de la pureté de l'azote de production commandant cet organe de détente; l'organe déprimogène est dissymétrique par rapport aux deux sens d'écoulement de la conduite de liaison, et est notamment un convergent suivi d'une vanne
manuelle en position fixe.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel: la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'azote gazeux conforme à l'invention; et la Figure 2 est un diagramme illustrant le
fonctionnement de cette installation.
L'installation représentée sur la Figure 1 est destinée à produire de l'azote gazeux sous une
pression de l'ordre de 8 bars absolus, nettement supé-
rieure à la pression d'utilisation Elle comprend essentiellement un compresseur d'air 1, un adsorbeur 2,
une ligne d'échange thermique 3, une colonne de rectifi-
cation 4 équipée d'un condenseur de tête 5, un stockage
de liquide riche 6 et un stockage d'azote liquide 7.
Une première conduite 8 équipée d'une vanne
de détente 9 relie la cuve de la colonne au stockage 6.
Une deuxième conduite 10 équipée d'une vanne de détente
Il relie le fond du stockage 6 au condenseur 5.
Par ailleurs, une conduite de liaison unique 12 équipée d'un organe déprimogène 13 relie le fond du stockage 7 à une goulotte de recueil d'azote liquide
prévue en tête de la colonne 4 L'organe 13 est symétri-
que par rapport aux deux sens d'écoulement possibles dans la conduite 12; il peut être constitué par un orifice calibré, par une vanne manuelle en position fixe ou par
un convergent-divergent ou venturi.
Le stockage 6 est maintenu à une pression constante comprise entre celle de la colonne 4 et celle du condenseur 5 par une vanne pilotée 14 montée dans une conduite 15, laquelle part du sommet du stockage 6 De même, le stockage 7 est maintenu à une pression constante par une vanne de mise à l'air 16 montée dans une conduite 17. En fonctionnement nominal, l'air comprimé en 1 aux environs de 8 bars absolus est épuré en eau et en C 02 en 2 et refroidi en 3 jusqu'au voisinage de son point de rosée, puis introduit via une conduite 18 en cuve de la colonne, o il est séparé en azote à la pureté désirée, dont une partie est soutirée en tête de colonne via une conduite 19 pour être réchauffée dans la ligne d'échange thermique puis récupérée via une conduite 20 en tant que produit, et en "liquide riche" (air enrichi en oxygène) qui se rassemble en cuve L'azote non soutiré est condensé dans le condenseur 5 pour assurer le reflux de la colonne Le refroidissement de ce condenseur est obtenu en y envoyant du liquide riche prélevé dans le stockage 6 via la conduite 10 et détendu dans la vanne de détente 11 Le liquide riche vaporisé constitue le gaz
résiduaire W de l'installation et est évacué du conden-
seur 5 via une conduite 21 pour être réchauffé dans la ligne d'échange thermique puis évacué de l'installation via une conduite 22 équipée d'une vanne 23 à ouverture réglable. Pendant ce fonctionnement nominal, un faible débit d'azote liquide est envoyé en permanence en tête de colonne, à partir du stockage 7, via la conduite 12, pour assurer le maintien en froid de l'installation Ce "biberonnage" s'obtient par un choix judicieux de la section de passage de l'organe 13 et de la pression de consigne de la vanne 16 En effet, le débit d'azote liquide dans la conduite 17 est Q = k S V Pl-P 2, avec k = constante caractéristique de l'organe 13 et du liquide S = section de passage de l'organe 13 Pl et P 2 = pressions en amont et en aval de l'organe 13.
De plus, les débits de liquide riche traver-
sant les vannes 9 et 11 sont régulés respectivement pour maintenir des niveaux constants en cuve de la colonne et
dans le condenseur 5.
Lorsque la demande en azote gazeux devient supérieure à la valeur nominale, un débit supplémentaire de gaz est soutiré en tête de colonne Le débit d'azote à condenser diminue d'autant, et donc également le débit
de liquide riche vaporisé dans le condenseur 5.
Par ailleurs, l'accroissement de la demande en azote dans les conduites 19 et 20 réduit la pression de la colonne, de sorte qu'un débit additionnel d'azote liquide passe du stockage 7 à la tête de colonne, via la conduite 12 et l'organe déprimogène 13. Au total, ceci se traduit par une élévation
du niveau du liquide riche dans le stockage 6.
Si le débit d'azote liquide ne suffit pas pour compenser le déficit d'azote condensé en 5, le reflux de la colonne ne permet pas de maintenir la pureté de l'azote produit à la valeur désirée Cette baisse de pureté est détectée par un analyseur 24 branché sur la conduite 19, lequel augmente l'ouverture de la vanne 23 pour accroître le débit de liquide riche vaporisé et donc
le débit d'azote condensé dans le condenseur 5.
Dans le cas d'une installation de plus grande taille maintenue en froid non plus par biberonnage mais par détente du liquide riche vaporisé dans une turbine, l'analyseur 24 agirait sur l'inclinaison des aubages de cette turbine pour maintenir la pureté de l'azote produit. Inversement, pour des raisons analogues, lorsque la demande en azote gazeux devient inférieure à la valeur nominale, l'augmentation de pression dans la colonne a pour effet de réduire le débit d'azote liquide de biberonnage, ou, si la baisse de la demande est suffisante, de faire passer de l'azote liquide de la tête de la colonne jusque dans le stockage 7, via la conduite 12 et l'organe 13 Il en résulte une baisse du niveau
du liquide riche dans le stockage 6.
Dans ce mode de fonctionnement, de nouveau, l'analyseur peut intervenir sur l'ouverture de la vanne 23 (ou sur les aubages de la turbine) pour maintenir à
la valeur désirée la pureté de l'azote produit.
La Figure 2 représente la courbe C de variation de la pression de la colonne (en ordonnées) en
fonction de la demande en azote gazeux, et plus précisé-
ment du rapport (débit d'azote moins débit nominal d'azote)/(débit nominal d'azote) en % La forme en S de la courbe peut s'expliquer en tenant compte du fait que, en cas de forte demande en azote, la réduction de pression expliquée plus haut favorise la distillation, alors que, inversement, en cas de faible demande en azote, l'augmentation de pression expliquée plus haut
rend plus difficile la distillation.
En variante, on peut adopter une régulation simplifiée permettant d'obtenir en permanence une pureté
d'azote supérieure ou égale à la valeur désirée.
Pour cela, l'analyseur 24 est supprimé; on utilise un orifice calibré 23 ou une vanne à ouverture fixe (ou une turbine à aubages fixes), et une colonne ayant un nombre de plateaux plus élevé, suffisant pour
donner une marge de sécurité sur la distillation.
La détente du liquide riche vaporisé dans cet
orifice 23 étant sonique, le débit de ce gaz est propor-
tionnel à la pression dans la condenseur 5, laquelle est liée à la pression de la colonne par le fonctionnement
du condenseur.
On peut ainsi, au moyen d'un orifice calibré 13 dissymétrique, obtenir deux droites de fonctionnement Dl, D 2, respectivement pour des demandes en azote inférieures et supérieures au débit nominal, situées entièrement au-dessous de la courbe C, comme indiqué en trait mixte à la Figure 2 Ceci garantit l'obtention d'une pureté d'azote au moins égale à la valeur désirée, puisqu'une réduction de pression de la colonne favorise
la distillation.
Un tel orifice 13 dissymétrique peut en particulier être constitué par un convergent de section décroissant vers la colonne, suivi d'une vanne de
laminage manuelle.
Dans ce cas, l'orifice 23 est de préférence
constitué par une vanne manuelle en position fixe.
Dans tous les cas, on prévoit dans la conduite 20 une vanne de sécurité (non représentée) qui se ferme en cas de dégradation de la pureté de l'azote produit. Afin d' éliminer 1 ' influence (toujours faible) des variations de la hauteur de liquide dans le stockage 7, la régulation de pression dans celui-ci peut être
réalisée à partir de la pression de cuve de ce stockage.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1 Procédé de production d'azote gazeux à débit variable et à teneur sensiblement constante, du type dans lequel: on refroidit jusqu'au voisinage de son point de rosée de l'air comprimé épuré en eau et en CO 2, et on l'introduit en cuve d'une colonne de rectification ( 4) qui produit en tête l'azote gazeux de production et en cuve un liquide, dit liquide riche, constitué d'air enrichi en oxygène; on liquéfie une partie de l'azote de tête de la colonne par vaporisation dans un condenseur de tête ( 5) de la colonne de liquide riche détendu à une basse pression; lorsque la demande en azote gazeux est supérieure à la demande nominale, on envoie de l'azote liquide en tête de colonne à partir d'un stockage d'azote liquide ( 7), et on stocke du liquide riche dans un stockage de liquide riche ( 6) relié d'une part à la cuve de la colonne et d'autre part audit condenseur de tête; et lorsque la demande en azote gazeux est inférieure à la demande nominale, on envoie de l'azote liquide de la tête de colonne au stockage d'azote liquide ( 7) et on réduit le niveau du liquide riche dans le stockage de liquide riche ( 6), caractérisé en ce qu'on fait passer l'azote liquide de
la colonne ( 4) au stockage d'azote liquide ( 7) et vice-
versa via une conduite unique ( 12) équipée d'un organe
déprimogène ( 13), et on maintient à des valeurs constan-
tes la pression des stockages d'azote liquide ( 7) et de
liquide riche ( 6).
2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on surveille (en 24) la pureté de l'azote de production, et on corrige éventuellement il cette pureté par action sur un organe ( 23) de détente du
liquide riche vaporisé dans le condenseur de tête ( 5).
3 Installation de production d'azote gazeux à débit variable et à teneur sensiblement constante, du type comprenant: des moyens ( 1) de compression d'air; des moyens ( 2) d'épuration en eau et en C 02 de l'air comprimé; une colonne de rectification ( 4) équipée d'un condenseur de tête ( 5) et produisant en tête l'azote gazeux de production et en cuve un liquide, dit liquide riche, constitué d'air enrichi en oxygène; une ligne d'échange thermique ( 3) pour refroidir l'air épuré jusqu'au voisinage de son point de rosée et réchauffer des produits sortant de la colonne; un stockage de liquide riche ( 6), une première conduite ( 8) équipée d'une vanne de détente ( 9) et reliant la cuve de la colonne à ce stockage, et une deuxième conduite ( 10) équipée d'une vanne de détente
( 11) et reliant le stockage de liquide riche au conden-
seur de tête; et un stockage d'azote liquide ( 7), et des moyens pour envoyer de l'azote liquide de la tête de colonne à ce stockage et vice et versa; caractérisée en ce que la tête de colonne est reliée au stockage d'azote liquide ( 7) par une conduite de liaison unique ( 12) équipée d'un organe déprimogène ( 13), et en ce que l'installation comporte des moyens ( 14, 16) pour maintenir chacun des deux stockages ( 6, 7) à une pression
constante.
4 Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que l'organe déprimogène ( 13) est symétrique par rapport aux deux sens d'écoulement dans la conduite de liaison ( 12), et est notamment un orifice calibré, une vanne manuelle en position fixe ou un venturi. Installation suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'elle comprend un organe ( 23) réglable de détente du liquide riche vaporisé dans le condenseur de tête ( 5), et un analyseur ( 24) de la pureté de l'azote de production commandant cet organe de détente. 6 Installation suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe déprimogène ( 13) est dissymétrique par rapport aux deux sens d'écoulement de la conduite de liaison, et est notamment un convergent
suivi d'une vanne manuelle en position fixe.
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