WO2004090445A1 - Procede et installation de fourniture de gaz sous pression - Google Patents

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Frédéric Staine
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to methods and installations for supplying at least one pressurized gas, in particular those used to supply customers with gaseous products (nitrogen, oxygen, argon) from cryogenic separation devices (such as air separation devices, designated ASU) which are backed up by cryogenic storage.
  • gaseous products nitrogen, oxygen, argon
  • cryogenic separation devices such as air separation devices, designated ASU
  • the invention also applies to installations for the supply of other cryogenic liquids such as hydrogen, helium, carbon monoxide.
  • the invention is particularly applicable to methods of supplying a gas from several industrial installations.
  • EP-A-0452177 An emergency vaporization device is illustrated in EP-A-0452177 where liquid nitrogen from a storage is vaporized in an exchanger by heat exchange with ambient air.
  • EP-A-0628778 describes a storage of cryogenic liquid, the liquid of which is pumped and then vaporized in a vaporizer before being sent to the customer.
  • the exchanger can use as circulating fluid to vaporize the pressurized liquid, for example air, steam, hot water, combustion fumes.
  • the time necessary for the emergency system to reach, in a stable manner, 100% of its capacity is of the order of 5 minutes which decompose in 1 to 2 minutes to start the pump and 2 to 3 minutes to warm up the vaporization exchanger.
  • a judicious choice of architecture and arrangements of the various elements allows this time to be reduced to approximately 3 minutes.
  • this time of 3 minutes is still too long vis-à-vis the constraints of pressure fluctuations authorized in the pipeline: in this case, as described above, a solution consists in installing downstream of the exchanger gas buffer capacities (at 200 bars for example) sized to supply production for 1 to 3 minutes, until the pump and vaporizer system reaches its normal operating speed.
  • the disadvantage of this solution is its high price (large volume installed, high pressure, pump to fill the buffer capacities ).
  • One of the aims of the invention is to avoid having such costly systems for immediate recovery.
  • cryogenic liquid from an appliance which can also be used to supply LOX on the bulk market and therefore whose purity can be determined not only by the 'gas user
  • another object of the invention is to allow it to be isolated from the storage and therefore not to pollute it, and to continue or not, depending on the constraints of the client, the production coming from this device, production of other devices is not affected.
  • the latter provides a method of supplying a gas under pressure by vaporization of a cryogenic liquid from at least two cryogenic separation devices, each device comprising a heat exchanger and a column system where, in each apparatus: a) a compressed and purified gas mixture is cooled in the heat exchanger to produce a compressed, purified and cooled gas mixture b) the compressed, purified and cooled gas mixture is separated in the column system c) a cryogenic liquid is withdrawn from the column system, and in a first operating mode a first part of the cryogenic liquid is vaporized under pressure in the heat exchanger to supply a part of the gas under pressure, and d) the gas under pressure is supplied from each apparatus, or the gas under pressure is mixed with the cryogenic separation apparatuses, and where e) according to the first operating mode, a second part of the cryogenic liquids from each apparatus is sent cryogenic separation in a repository, and f) according to the first operating mode, cryogenic liquid is sent from the repository to each heat exchanger
  • the second part of the cryogenic liquid is not pressurized upstream of the storage and / or the first part of the cryogenic liquid is pressurized upstream of the heat exchanger for each cryogenic separation device;
  • cryogenic liquid is sent from storage to the exchanger of at least one cryogenic separation device, preferably to the exchanger of at least two cryogenic separation devices, and the cryogenic liquid is vaporized in this exchanger (these exchangers) to supply part of the gas under pressure;
  • the cryogenic liquid is pressurized downstream of the common storage and upstream of the exchanger; - in the event of a cryogenic separation device stopping, according to a second mode of operation, the common storage feeds a common vaporizer, preferably after a pressurization step, where the cryogenic liquid from the common storage is vaporized by exchange of heat with circulating fluid to supply all or part of the gas under pressure;
  • each cryogenic separation device all the gas mixture intended for the separation is cooled in the exchanger by heat exchange with at least one cryogenic liquid and at least one gas coming from the column system; - the first part of the cryogenic liquid is pressurized by means of at least one pump and according to a third operating mode in the event of at least one of the pumps of a cryogenic separation device being stopped, it is increased in order to compensate loss of compressed liquid following the stopping of this pump, the second part of the cryogenic liquid sent to storage in relation to the flow rate when the pump is running and in the event that there remains a pump in the device in on the cryogenic liquid flow from the column system is increased and sent to the exchanger of this cryogenic separation device compared to the flow when the pump is running; - if at least one pump of a cryogenic separation device is stopped, the first part of the cryogenic liquid is increased relative to the flow rate when the pump is running for at least one other air separation device, the pump (
  • the second part of the cryogenic liquid sent is reduced from at least one cryogenic separation device to the common storage relative to the flow rate when the device is in operation, preferably to zero, the first part of the cryogenic liquid sent to the exchanger is increased relative to the flow rate when the apparatus is in operation for at least one cryogenic separation apparatus remaining in operation;
  • cryogenic liquid is sent from the storage to an emergency vaporizer.
  • pressurization means are used to pressurize the liquid coming from the storage and intended to be vaporized in the exchanger of at least an apparatus for cryogenic separation and for pressurizing the liquid coming from the storage and intended to be vaporized in the vaporizer, these means of pressurization can operate permanently since they are used both when the apparatus is in working order (first mode of operation with vaporization of liquid sent directly and indirectly to the exchanger) and off (second mode of operation with vaporization of liquid in a vaporizer replacing the gas produced by at least one device).
  • an installation for supplying a gas under pressure by vaporization of a cryogenic liquid from at least two cryogenic separation devices, each device comprising a heat exchanger and a column system comprising, in each apparatus: a) means for sending a compressed and purified gas mixture into the heat exchanger to produce a compressed, purified and cooled gas mixture b) means for sending the compressed, purified gas mixture and cooled to the column system c) means for withdrawing from the column system a cryogenic liquid, and means for sending at least a first part of the cryogenic liquid under pressure to the heat exchanger to supply a part of the gas under pressure d ) optionally means for mixing the pressurized gas from at least two cryogenic separation devices to supply the pressurized gas and comprising
  • the installation does
  • a pressurization means downstream of the column system and upstream of the exchanger preferably having an outlet connected to both the exchanger and the common storage and / or an inlet connected to the column system and the storage;
  • a common vaporizer means for supplying the common vaporizer from the common storage, preferably pressurization means downstream of the common storage and upstream of the common vaporizer and means for allowing a heat exchange with a circulating fluid and the cryogenic liquid in the vaporizer;
  • the same pressurization means are connected downstream of the common storage and upstream of the common vaporizer and to at least one exchanger of a cryogenic separation device (typically to the exchanger of each cryogenic separation device).
  • cryogenic liquid vaporized in the common vaporizer comes only from the common storage.
  • a cryogenic liquid pipe can connect the column system with the heat exchanger without going through the common storage and a cryogenic liquid pipe can connect the column system and the heat exchanger to through common storage.
  • the installation may include means for regulating the flow rates of liquid sent from at least one cryogenic separation device to the common storage and / or means for regulating the flow rates of liquid sent from the common storage to the exchanger of said separation devices cryogenic.
  • the vaporizer is adapted to allow the exchange of heat between the cryogenic liquid and a circulating fluid which is not intended for cryogenic separation, such as steam or atmospheric air.
  • the liquid is pressurized by at least one pump for the liquid sent directly to the exchanger and by at least one other pump for the liquid coming from the storage.
  • This same at least one other pump also serves to pressurize the liquid sent to the vaporizer in the event of a second operating mode and thus the at least one other pump is in permanent operation according to the first and second operating modes.
  • the common storage can be inside a cold box of one of the separation devices.
  • liquid oxygen 4A is withdrawn from the bottom of the low pressure column 3A and divided into two.
  • a first part of the liquid oxygen 4A for example 80% of the withdrawn flow is compressed by, for example, two pumps in parallel 7A, 8A which are advantageously each dimensioned at 50% of the capacity of a train each of which receives half of the first part of the liquid oxygen and which each work for example at 80% of their capacity, that is to say in our example at 40% of the liquid oxygen capacity of the separation unit.
  • the two pumps 7A, 8A can be replaced by a single pump whose capacity would then be for example 100% of a train and which pressurizes all the first part of the liquid oxygen.
  • the common line can be replaced by a dedicated line for each train.
  • the pumps 20 and 22 are always at the same speed 80%, and the liquid pumped by these pumps 20 and 22 is redistributed always in the same way as it was brought from each ASU, ie in our example 50% of the flow of oxygen drawn from ASU A to ASU A of 7A, and 10% of the flow of oxygen drawn to each of the others. If all the pumps of the same device stop, then transfer
  • Each air separation device preferably has its cold box, the storage being located inside one of these cold boxes or having its own insulation.
  • an air separation device has a single cryogenic liquid pump, when this pump stops, all the liquid is sent to the common storage, pumped by pumps 20, 22 or a pump single and sent to the cold end of the exchanger of the separation device whose pump stopped to supply the production of this ASU.
  • the installation in Figure 2 includes all the elements of Figure 1 but differs from it in the following way:

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Abstract

Dans un procédé de fourniture d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide cryogénique à partir d'au moins deux appareils de séparation cryogénique (A, B, C, D), chaque appareil comprenant un échangeur de chaleur (1) et un système de colonnes (2, 3), dans chaque appareil de séparation cryogénique, on soutire du système de colonnes un liquide cryogénique, en un premier mode de fonctionnement on en pressurise (7, 8) au moins une partie pour former un liquide cryogénique sous pression (9) et on vaporise au moins une partie du liquide cryogénique sous pression dans l'échangeur de chaleur (1) pour fournir une partie du gaz sous pression (10), on envoie (6) un liquide cryogénique des appareils de séparation cryogénique dans un stockage commun (12) et on vaporise au moins un liquide (28A, 28B, 28C, 28D) provenant du stockage dans la ligne d'échange (1) d'au moins un des appareils de séparation cryogénique.

Description

PROCEDE ET INSTALLATION DE FOURNITURE DE GAZ SOUS PRESSION
La présente invention concerne les procédés et les installations de fourniture d'au moins un gaz sous pression, en particulier ceux utilisés pour fournir les clients en produits gazeux (azote, oxygène, argon) à partir d'appareils de séparation cryogéniques (tels que les appareils de séparation d'air, désignés ASU) qui sont secourus par des stockages cryogéniques.
L'invention s'applique également aux installations de fourniture d'autres liquides cryogéniques tels que l'hydrogène, l'hélium, le monoxyde de carbone. L'invention s'applique particulièrement aux procédés de fourniture d'un gaz à partir de plusieurs installations industrielles.
Un appareil de vaporisation de secours est illustré dans EP-A-0452177 où de l'azote liquide provenant d'un stockage est vaporisé dans un échangeur par échange de chaleur avec de l'air ambiant. EP-A-0628778 décrit un stockage de liquide cryogénique dont le liquide est pompé et ensuite vaporisé dans un vaporiseur avant d'être envoyé chez le client.
Les articles : « Large Oxygen Plant Economies and Reliability » de
W.J.Scharie, Bulletin Y-143, National Fertilizer Division Center, Tennessee Valley Authority, Muscle Shoals, Ala. et « Oxygen Facilities for Synthetic Fuel
Projects » W.J.Scharie et K.Wilson, Journal of Engineering for Industry, novembre 1981, Vol.103, pp.409-417 décrivent des systèmes de production d'oxygène de secours composés essentiellement :
• d'un stockage contenant une quantité de produit sous forme liquide • de plusieurs pompes (ici deux pour raison de fiabilité) qui soutirent le liquide contenu dans le stockage pour le comprimer à la pression normalement délivrée aux clients (pression dans la canalisation),
• d'un échangeur dont la fonction est de vaporiser le liquide sous pression. En sortie de ces équipements d'appoint, le gaz est en général proche de la température ambiante et est envoyé vers le client. En fonction des sources d'énergie disponibles sur le site et de leurs coûts, l'échangeur peut utiliser comme calorigène pour vaporiser le liquide sous pression par exemple de l'air, de la vapeur d'eau, de l'eau chaude, des fumées de combustion.
Une des caractéristiques principales de ces installations de secours est leur temps de démarrage. Celui-ci est particulièrement critique car il conditionne la qualité et la continuité de la fourniture de gaz aux clients. Un temps de démarrage trop long après un déclenchement de l'unité de production, peut générer une trop forte baisse de pression dans la canalisation et générer des disfonctionnements dans les procédés des clients et l'arrêt de son installation. Dans le cas des systèmes de production d'oxygène décrits dans les articles ci-dessus, une capacité-tampon d'oxygène gazeux est prévue pour fournir le produit pressurisé pendant le temps nécessaire pour mettre en œuvre la pompe (environ 15-20 minutes d'après les articles de W.J. Scharle ci-dessus mentionnés).
Classiquement, si la pompe de vaporisation est maintenue en permanence à température cryogénique, le temps nécessaire au système de secours pour atteindre, de façon stable, 100% de sa capacité est de l'ordre de 5 minutes qui se décomposent en 1 à 2 minutes pour le démarrage de la pompe et 2 à 3 minutes pour la montée en régime de l'échangeur de vaporisation. Un choix judicieux de l'architecture et des agencements des différents éléments (tuyauteries courtes entre la pompe et le stockage et entre la pompe et l'échangeur) permet de réduire ce temps à environ 3 minutes. Dans certains cas, ce temps de 3 minutes est encore trop long vis-à-vis des contraintes de fluctuations de pression autorisées dans la canalisation : dans ce cas, comme décrit ci-dessus une solution consiste à installer en aval de l'échangeur des capacités-tampon de gaz (à 200 bars par exemple) dimensionnées pour fournir la production pendant 1 à 3 minutes, le temps que le système de la pompe et du vaporiseur atteigne son régime normal de fonctionnement. L'inconvénient de cette solution en est son prix élevé (gros volume installé, pression haute, pompe pour remplir les capacités-tampon...). Un des buts de l'invention est d'éviter d'avoir de tels systèmes coûteux de reprise immédiate.
Des problèmes particuliers se posent quand un gaz sous pression doit être fourni à partir de plusieurs appareils de séparation cryogéniques. Pour de grands projets, par exemple quatre ou cinq appareils de séparation d'air sont requis, chacun utilisant par exemple deux pompes d'oxygène liquide ou une seule pompe d'oxygène liquide, qui peuvent tomber en panne. Afin d'obtenir une disponibilité acceptable, on peut être amené à prévoir sur chaque appareil une pompe de réserve installée, ce qui occasionne une multiplicité des pompes. Un autre but de l'invention est d'éviter un trop grand nombre de pompes, tout en proposant une disponibilité comparable à celle obtenue en ayant une redondance des pompes pour chaque appareil. On peut prévoir que tout le liquide de chaque appareil transite vers un stockage commun avant d'être pompé et redistribué aux appareils pour être vaporisé dans les lignes d'échange de chaque appareil. Dans ce cas toutefois, en cas de perte de pureté d'un appareil, on ne peut pas l'isoler des autres appareils et on ne peut pas séparer sa production de celle des autres appareils. Si la production de liquide cryogénique d'un appareil est polluée, il est important d'éviter de polluer le stockage (qui peut par ailleurs servir à la fourniture de LOX sur le marché vrac et donc dont la pureté peut être fixée pas seulement par l'utilisateur gaz) et l'ensemble de la production. En cas de perte de pureté sur un appareil, un autre but de l'invention est de permettre de l'isoler du stockage et donc de ne pas le polluer, et de continuer ou non, suivant les contraintes du client, la production venant de cet appareil, la production des autres appareils n'étant pas affectée. Selon un aspect de l'invention, celle-ci propose un procédé de fourniture d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide cryogénique à partir d'au moins deux appareil s de séparation cryogénique, chaque appareil comprenant un échangeur de chaleur et un système de colonnes où, dans caque appareil : a) on refroidit un mélange gazeux comprimé et épuré dans l'échangeur de chaleur pour produire un mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi b) on sépare le mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi dans le système de colonnes c) on soutire du système de colonnes un liquide cryogénique, et en un premier mode de fonctionnement on vaporise une première partie du liquide cryogénique sous pression dans l'échangeur de chaleur pour fournir une partie du gaz sous pression, et d) on fournit le gaz sous pression à partir de chaque appareil, ou on mélange le gaz sous pression des appareils de séparation cryogénique, et où e) selon le premier mode de fonctionnement, on envoie une deuxième partie des liquides cryogéniques de chaque appareil de séparation cryogénique dans un stockage, et f) selon le premier mode de fonctionnement on envoie du liquide cryogénique du stockage vers chaque échangeur de chaleur pour qu'il s'y vaporise. De préférence, selon le premier mode de fonctionnement autant de liquide rentre dans le stockage qu'il en sort, de façon à ce que le niveau de liquide dans le stockage soit sensiblement constant.
Selon d'autres aspects particuliers de l'invention :
- on ne pressurise pas la deuxième partie du liquide cryogénique en amont du stockage et/ou on pressurise la première partie du liquide cryogénique en amont de l'échangeur de chaleur pour chaque appareil de séparation cryogénique ;
- en premier mode de fonctionnement on envoie du liquide cryogénique provenant du stockage à l'échangeur d'au moins un appareil de séparation cryogénique, de préférence à l'échangeur d'au moins deux appareils de séparation cryogénique, et on vaporise le liquide cryogénique dans cet échangeur (ces échangeurs) pour fournir une partie du gaz sous pression ;
- le liquide cryogénique est pressurisé en aval du stockage commun et en amont de l'échangeur ; - en cas d'arrêt d'un appareil de séparation cryogénique, selon un deuxième mode de fonctionnement, le stockage commun alimente un vaporiseur commun, de préférence après une étape de pressurisation, où se vaporise le liquide cryogénique provenant du stockage commun par échange de chaleur avec un fluide calorigène pour fournir tout ou une partie du gaz sous pression ;
- le liquide cryogénique vaporisé dans le vaporiseur commun provient uniquement du stockage commun ; - dans chaque appareil de séparation cryogénique, tout le mélange gazeux destiné à la séparation se refroidit dans l'échangeur par échange de chaleur avec au moins un liquide cryogénique et au moins un gaz provenant du système de colonnes ; - on pressurise la première partie du liquide cryogénique au moyen d'au moins une pompe et selon un troisième mode de fonctionnement en cas d'arrêt d'au moins une des pompes d'un appareil de séparation cryogénique, on augmente, afin de compenser la perte de liquide comprimé suite à l'arrêt de cette pompe, la deuxième partie du liquide cryogénique envoyé vers le stockage par rapport au débit quand la pompe est en marche et dans le cas où il resterait une pompe de l'appareil en état de marche on augmente le débit de liquide cryogénique provenant du système de colonnes et envoyé vers l'échangeur de cet appareil de séparation cryogénique par rapport au débit quand la pompe est en marche ; - en cas d'arrêt d'au moins une pompe d'un appareil de séparation cryogénique, on augmente la première partie du liquide cryogénique par rapport au débit quand la pompe est en marche pour au moins un autre appareil de séparation d'air dont la ou les pompe(s) fonctionne(nt) et on réduit la deuxième partie du liquide cryogénique envoyé vers le stockage par rapport au débit quand la pompe est en marche pour au moins un autre appareil de séparation d'air dont la ou les pompe(s) fonctionne(nt) ;
- en cas d'arrêt d'un appareil de séparation cryogénique, on réduit la deuxième partie du liquide cryogénique envoyé d'au moins un appareil de séparation cryogénique vers le stockage commun par rapport au débit quand l'appareil est en marche, de préférence à zéro, on augmente la première partie du liquide cryogénique envoyé à l'échangeur par rapport au débit quand l'appareil est en marche pour au moins un appareil de séparation cryogénique restant en fonctionnement ;
- uniquement en cas d'arrêt d'au moins un appareil de séparation cryogénique, on envoie du liquide cryogénique du stockage vers un vaporiseur de secours.
Si les mêmes moyens de pressurisation servent à pressuriser le liquide provenant du stockage et destiné à être vaporisé dans l'échangeur d'au moins un appareil de séparation cryogénique et à pressuriser le liquide provenant du stockage et destiné à être vaporisé dans le vaporiseur, ces moyens de pressurisation peuvent fonctionner en permanence car il servent à la fois quand l'appareil est en état de marche (premier mode de fonctionnement avec vaporisation de liquide envoyé directement et indirectement à l'échangeur) et en arrêt (deuxième mode de fonctionnement avec vaporisation de liquide dans un vaporiseur remplaçant le gaz produit par au moins un appareil).
Selon un autre objet de l'invention, il est proposé une installation de fourniture d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide cryogénique à partir d'au moins deux appareil s de séparation cryogénique, chaque appareil comprenant un échangeur de chaleur et un système de colonnes comprenant, dans chaque appareil : a) des moyens pour envoyer un mélange gazeux comprimé et épuré dans l'échangeur de chaleur pour produire un mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi b) des moyens pour envoyer le mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi au système de colonnes c) des moyens pour soutirer du système de colonnes un liquide cryogénique, et des moyens pour envoyer au moins une première partie du liquide cryogénique sous pression à l'échangeur de chaleur pour fournir une partie du gaz sous pression d) éventuellement des moyens pour mélanger le gaz sous pression d'au moins deux appareils de séparation cryogénique pour fournir le gaz sous pression et comprenant en outre un stockage commun et des moyens pour envoyer une deuxième partie du liquide cryogénique des appareils de séparation cryogénique dans le stockage commun, et des moyens pour envoyer du liquide cryogénique provenant du stockage à l'échangeur de chaque appareil de séparation cryogénique. De préférence, l'installation ne comprend aucun moyen de pressurisation en aval du système de colonnes et en amont du stockage commun. Selon d'autres aspects particuliers de l'invention, l'installation peut comprendre :
- un moyen de pressurisation en aval du système de colonnes et en amont de l'échangeur, de préférence ayant une sortie reliée à la fois à l'échangeur et au stockage commun et/ou une entrée reliée au système de colonnes et au stockage ;
- des moyens pour envoyer du liquide cryogénique provenant du stockage commun à l'échangeur d'au moins un appareil de séparation cryogénique ; - des moyens pour pressuriser le liquide cryogénique en aval du stockage commun et en amont de l'échangeur ;
- un vaporiseur commun, des moyens pour alimenter le vaporiseur commun à partir du stockage commun, de préférence des moyens de pressurisation en aval du stockage commun et en amont du vaporiseur commun et des moyens pour permettre un échange de chaleur avec un fluide calorigène et le liquide cryogénique dans le vaporiseur ;
- les mêmes moyens de pressurisation sont reliés en aval du stockage commun et en amont du vaporiseur commun et à au moins un échangeur d'un appareil de séparation cryogénique (typiquement à l'échangeur de chaque appareil de séparation cryogénique).
De préférence le liquide cryogénique vaporisé dans le vaporiseur commun provient uniquement du stockage commun.
Pour le ou chaque appareil de séparation cryogénique une conduite de liquide cryogénique peut relier le système de colonnes avec l'échangeur de chaleur sans passer par le stockage commun et une conduite de liquide cryogénique peut relier le système de colonnes et l'échangeur de chaleur à travers le stockage commun.
L'installation peut comprendre des moyens pour réguler les débits de liquide envoyé d'au moins un appareil de séparation cryogénique vers le stockage commun et/ou des moyens pour réguler les débits de liquide envoyé du stockage commun vers l'échangeur desdits appareils de séparation cryogénique. Le vaporiseur est adapté pour permettre l'échange de chaleur entre le liquide cryogénique et un fluide calorigène qui n'est pas destiné à la séparation cryogénique, tel que de la vapeur ou l'air atmosphérique.
Selon le premier mode de fonctionnement pour un appareil unique, l'appareil de séparation produit du liquide qui se vaporise dans un échangeur, une partie du liquide étant envoyé directement à l'échangeur et le reste étant envoyé à l'échangeur à travers un stockage.
Dans le cas où l'appareil ne fonctionnerait pas, d'après un deuxième mode de fonctionnement pour l'appareil unique, il n'y a plus de liquide envoyé à l'échangeur et le liquide du stockage alimente un vaporiseur où il est vaporisé.
De préférence selon le premier mode de fonctionnement le liquide est pressurisé par au moins une pompe pour le liquide envoyé directement à l'échangeur et par au moins une autre pompe pour le liquide provenant du stockage. Cette même au moins une autre pompe sert également pour pressuriser le liquide envoyé vers le vaporiseur en cas de deuxième mode de fonctionnement et ainsi l'au moins une autre pompe est en fonctionnement permanent selon les premier et deuxième modes de fonctionnement.
Selon un troisième mode de fonctionnement pour l'appareil unique si une des pompes qui pressurise le liquide envoyé directement vers l'échangeur ne fonctionne pas, on continue d'envoyer une partie du liquide directement à l'échangeur en le pressurisant avec la ou les pompes restant en marche et le reste est envoyé à l'échangeur à travers un stockage.
Le stockage commun peut se trouver à l'intérieur d'une boîte froide d'un des appareils de séparation. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures.
Les Figures 1 et 2 sont des dessins schématiques d'un mode de réalisation d'une installation selon l'invention.
Dans le mode de réalisation de la Figure 1 , quatre appareils de séparation d'air A, B, C, D fournissent de l'oxygène gazeux sous pression à au moins un client commun. Les quatre appareils sont sensiblement identiques et comprennent chacun un échangeur de chaleur principal 1A, 1B, 1C, 1D et une double colonne comprenant une colonne moyenne pression 2A, 2B, 2C, 2D et une colonne basse pression 3A,3B,3C,3D. Les débits d'oxygène liquide 4A,4B,4C,4D soutiré de chaque ASU sont substantiellement identiques.
Comme le fonctionnement et la disposition de chaque appareil est sensiblement le même, un seul appareil A sera décrit dans le détail. De l'air comprimé et épuré est refroidi dans l'échangeur 1A par échange de chaleur avec au moins un gaz de la colonne basse pression 3A et de l'oxygène liquide 4A. L'air refroidi est envoyé à la colonne moyenne pression 2A sous forme gazeuse. Une partie de l'air est liquéfiée par échange de chaleur avec l'oxygène liquide qui se vaporise et est ensuite dirigée vers la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression. La tenue en froid de l'appareil peut être assurée par tout moyen connu, tel qu'une turbine Claude et/ou une turbine d'insufflation et/ou une turbine d'azote et/ou par biberonnage. Les conduites de remontée de reflux habituelles entre les colonnes moyenne et basse pression ne paraissent pas dans les figures, de même que les soutirages de fluides enrichis en azote.
Dans le mode de réalisation décrit, en mode de fonctionnement normal, de l'oxygène liquide 4A est soutiré en cuve de la colonne basse pression 3A et divisé en deux. Une première partie de l'oxygène liquide 4A par exemple 80 % du débit soutiré est comprimée par, par exemple, deux pompes en parallèle 7A, 8A qui sont avantageusement chacune dimensionnées à 50 % de la capacité d'un train dont chacune reçoit la moitié de la première partie de l'oxygène liquide et qui marchent chacune par exemple à 80 % de leur capacité c'est à dire dans notre exemple à 40 % de la capacité en oxygène liquide de l'unité de séparation. Evidemment les deux pompes 7A, 8A peuvent être remplacées par une pompe unique dont la capacité serait alors par exemple 100 % d'un train et qui pressurise toute la première partie de l'oxygène liquide. Le débit d'oxygène liquide pompé est envoyé par la conduite 9A à l'échangeur 1 A où il se vaporise pour former du gaz sous pression 10A adressable au client. Ce gaz rejoint typiquement les gaz de sortie 10B, 10C, 10D provenant des autres appareils B, C, D.
Une deuxième partie de l'oxygène liquide, constituant le reste de l'oxygène soutiré, soit dans notre exemple 20 %, transite par une conduite 5A pour rejoindre une conduite commune 6 menant à un stockage commun 12 où est stocké de l'oxygène des appareils de séparation, la conduite commune 6 étant alimentée d'une façon similaire par les autres ASU. La conduite commune peut être remplacée par une ligne dédiée pour chaque train.
Le stockage est ainsi alimenté en permanence par l'ensemble (ou au moins une partie, la répartition donnée n'étant qu'un exemple) des ASU en mode normal, et ses pompes 20 et 22 sont donc constamment en fonctionnement « procédé », proche de leur régime normal. Elles redistribuent vers chaque ASU le liquide dans les mêmes proportions que ce liquide est venu de chaque ASU (dans notre exemple 20 % de l'oxygène liquide soutiré par ASU). De cette manière le liquide qui se vaporise dans l'échangeur 1 constitue 100 % du débit d'oxygène soutiré, dont 80 % viennent directement des pompes 7,8 et dont 20 % a transité par le stockage 12 et les pompes 20, 22. Ces pompes 20, 22 sont ainsi en régime pour une reprise immédiate en cas d'arrêt d'une ASU auquel cas elles passeront immédiatement en fonction « vaporisation de secours » (alors qu'avec le fonctionnement qui vient d'être décrit, elles sont en premier mode de fonctionnement ).
Lorsqu'une pompe d'une ASU ayant deux pompes à oxygène en parallèle s'arrête, par exemple 7A, alors 8A monte en régime à 50 % du débit d'oxygène soutiré par cette ASU, le transfert d'oxygène liquide 5A allant vers la stockage commun 12 et venant de cette ASU monte à 50 % du débit d'oxygène soutiré de l'ASU A, et les autres pompes des autres ASU B, C, D montent par exemple (d'autres points de fonctionnement sont envisageables) chacune à 45 % du débit d'oxygène soutiré de chaque ASU B, C, D (pour pomper 90 % de l'oxygène soutiré), et le liquide des autres ASU qui transite par le stockage est diminué à 10 % du débit d'oxygène soutiré pour chaque ASU. Les pompes 20 et 22 sont toujours au même régime 80 %, et le liquide pompé par ces pompes 20 et 22 est redistribué toujours de la même façon qu'il a été amené de chaque ASU, soit dans notre exemple 50 % du débit d'oxygène soutiré de l'ASU A vers l'ASU A de 7A, et 10 % du débit d'oxygène soutiré vers chacune des autres. Si toutes les pompes d'un même appareil s'arrêtent, on transfert alors
100 % du liquide de cet appareil vers le stockage, et les autres appareils fonctionnent en « isolé » du stockage. Dans le cas d'un arrêt d'une des pompes d'un autre appareil, alors on transfert 50 % du liquide de chaque appareil n'ayant plus qu'une pompe en fonctionnement et les autres appareils fonctionnent en isolé. Les pompes du liquide provenant du stockage fonctionnent alors à 100 % de leur capacité et renvoient 50 % de liquide à chaque appareil n'ayant plus qu'une pompe en état de fonctionnement. La conduite 24 en aval des pompes 20 et 22 de liquide cryogénique provenant du stockage 12 est reliée à un vaporiseur 34 à travers une conduite 32. Ce vaporiseur sert à vaporiser le liquide cryogénique par échange de chaleur avec un fluide calorigène, par exemple de l'air, de la vapeur d'eau, de l'eau chaude, des fumées de combustion. Lorsqu'une ASU s'arrête, alors les pompes 7 et 8 des autres ASU se mettent à 50 % rendant ainsi chaque ASU « isolé » du stockage et il n'y a plus besoin de faire transiter du liquide vers le stockage 12 par la conduite 6. Les pompes 20 et 22 du stockage 12 pompent alors du liquide 14 pris dans la réserve du stockage 12. Le liquide pompé se vaporise dans la vaporisation de secours 34. Elles consomment alors le liquide du stockage, alors que dans les fonctionnements précédemment décrits, elles ne faisaient que pomper la même quantité de liquide que celle venant des ASU, de sorte que le niveau de liquide dans le stockage ne baisse substantiellement pas. Le fait que les pompes 20, 22 étaient déjà en régime (et proche de leur plein régime) permet d'assurer une reprise quasi immédiate par la vaporiseur de secours, sans investissement supplémentaire du type stockage-tampon à haute pression etc..
Chaque appareil de séparation d'air a de préférence sa boîte froide, le stockage étant situé à l'intérieur d'une de ces boîtes froides ou ayant sa propre isolation. Pour le cas, non-illustré, où un appareil de séparation d'air a une seule pompe de liquide cryogénique, quand cette pompe s'arrête, tout le liquide est envoyé au stockage commun, pompé par les pompes 20, 22 ou une pompe unique et envoyé au bout froid de l'échangeur de l'appareil de séparation dont la pompe s'est arrêtée pour fournir la production de cet ASU. L'installation de la Figure 2 comprend tous les éléments de la Figure 1 mais diffère de celle-ci de la manière suivante :
Le liquide envoyé au stockage commun 12 par la ligne commune 6 provient non pas des conduites 4A-4D amenant le liquide vers les pompées dédiées 7A, 8A, mais de conduites dédiées 30A-30D reliant la cuve des colonnes basse pression 3A-3D avec la conduite commune 6. Evidemment les liquides cryogéniques des conduites 4A et 30A ont sensiblement la même composition. Des lignes dédiées reliant chaque ASU avec le stockage peuvent remplacer la conduite commune 6.
Le procédé fonctionne sensiblement de la même manière que celui de la Figure 1.
Pour les deux modes de réalisation des figures 1 et 2, on comprendra que les pompes 7, 8 ne seront pas nécessaires si les colonnes basse pression 3 fonctionnent à une pression suffisamment élevée.
Le liquide pressurisé, vaporisé et mélangé pour former le gaz sous pression peut être de l'azote ou de l'argon.
Le système de colonnes peut comprendre une double colonne classique, une double colonne à double vaporiseur dans la colonne basse pression ou une triple colonne. Une colonne argon peut en outre également être présente sur au moins un des appareils.
L'oxygène gazeux peut se vaporiser dans la ligne d'échange principale de l'appareil de séparation ou peut se vaporiser dans un échangeur dédié par échange de chaleur avec de l'air. D'autres modifications et variantes apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fourniture d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide cryogénique à partir d'au moins deux appareils de séparation cryogénique (A, B, C, D), le ou chaque appareil comprenant un échangeur de chaleur (1) et un système de colonnes (2, 3) où, dans chaque appareil de séparation, a) on refroidit un mélange gazeux comprimé et épuré dans l'échangeur de chaleur pour produire un mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi, b) on sépare le mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi dans le système de colonnes, c) on soutire du système de colonnes un liquide cryogénique et, en un premier mode de fonctionnement, on vaporise une première partie (4, 9) du liquide cryogénique sous pression dans l'échangeur de chaleur pour fournir une partie du gaz sous pression, et d) on fournit le gaz sous pression à partir de chaque appareil, et où, selon le premier mode de fonctionnement : e) on envoie une deuxième partie des liquides cryogéniques de chaque appareil de séparation cryogénique dans un stockage commun (12), et f) on envoie du liquide cryogénique du stockage vers chaque échangeur de chaleur pour qu'il s'y vaporise.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on ne pressurise pas la deuxième partie du liquide cryogénique en amont du stockage et/ou on pressurise la première partie du liquide cryogénique en amont de l'échangeur de chaleur (1 ) pour le ou chaque appareil de séparation cryogénique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel en premier mode de fonctionnement on envoie du liquide cryogénique provenant du stockage (12) à l'échangeur (1) d'au moins un appareil de séparation cryogénique (A, B, C, D), de préférence à l'échangeur d'au moins deux appareils de séparation cryogénique, et on vaporise le liquide cryogénique dans cet échangeur (ces échangeurs) pour fournir une partie du gaz sous pression (10).
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le liquide cryogénique est pressurisé en aval du stockage commun (12) et en amont de l'échangeur
(1)-
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel en cas d'arrêt d'un appareil de séparation cryogénique, selon un deuxième mode de fonctionnement, le stockage commun (12) alimente un vaporiseur commun (34), de préférence après une étape de pressurisation, où le liquide cryogénique provenant du stockage commun est vaporisé par échange de chaleur avec un fluide calorigène pour fournir tout ou une partie du gaz sous pression.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le liquide cryogénique vaporisé dans le vaporiseur commun (34) provient uniquement du stockage commun (12).
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel dans chaque appareil de séparation cryogénique, tout le mélange gazeux destiné à la séparation se refroidit dans l'échangeur par échange de chaleur avec au moins un liquide cryogénique et au moins un gaz provenant du système de colonnes.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on pressurise la première partie du liquide cryogénique (4, 9) au moyen d'au moins une pompe (7, 8) et, selon un troisième mode de fonctionnement, en cas d'arrêt d'au moins une des pompes d'un appareil de séparation cryogénique, on augmente, afin de compenser la perte de liquide comprimé suite à l'arrêt de cette pompe, la deuxième partie du liquide cryogénique envoyé vers le stockage (12) par rapport au débit quand la pompe est en marche et dans le cas où il resterait une pompe de l'appareil en état de marche on augmente le débit de liquide cryogénique provenant du système de colonnes et envoyé vers l'échangeur (1) de cet appareil de séparation cryogénique par rapport au débit quand la pompe est en marche.
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel, en cas d'arrêt d'au moins une pompe (7, 8) d'un appareil de séparation cryogénique (A), on augmente la première partie du liquide cryogénique par rapport au débit quand la pompe est en marche pour au moins un autre appareil de séparation d'air (B, C, D) dont la ou les pompe(s) fonctionne(nt), et on réduit la deuxième partie du liquide cryogénique envoyé vers le stockage commun par rapport au débit quand la pompe est en marche pour au moins un autre appareil de séparation d'air (B, C, D) dont la ou les pompe(s) fonctionne(nt).
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel en cas d'arrêt d'un appareil de séparation cryogénique (A), on réduit la deuxième partie du liquide cryogénique envoyé d'au moins un appareil de séparation cryogénique (B, C, D) vers le stockage (12) par rapport au débit quand l'appareil (A) est en marche, de préférence à zéro, on augmente la première partie du liquide cryogénique envoyé à l'échangeur par rapport au débit quand l'appareil (A) est en marche pour au moins un appareil de séparation cryogénique restant en fonctionnement.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel uniquement en cas d'arrêt d'au moins un appareil de séparation cryogénique, on envoie du liquide cryogénique du stockage (12) vers un vaporiseur de secours (34).
12. Installation de fourniture d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide cryogénique à partir d'au moins un appareil de séparation cryogénique (A, B, C, D), le ou chaque appareil comprenant un échangeur de chaleur (1) et un système de colonnes (2, 3) comprenant, dans chaque appareil de séparation cryogénique : a) des moyens pour envoyer un mélange gazeux comprimé et épuré dans l'échangeur de chaleur pour produire un mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi, b) des moyens pour envoyer le mélange gazeux comprimé, épuré et refroidi au système de colonnes, c) des moyens (4) pour soutirer du système de colonnes un liquide cryogénique, et des moyens pour envoyer au moins une première partie (4, 9) du liquide cryogénique sous pression à l'échangeur de chaleur pour fournir une partie du gaz sous pression, d) éventuellement des moyens pour mélanger le gaz sous pression (10) d'au moins deux appareils de séparation cryogénique pour fournir le gaz sous pression, l'installation comprenant en outre un stockage commun (12) et des moyens pour envoyer une deuxième partie (5, 30) du liquide cryogénique des appareils de séparation cryogénique dans le stockage commun, et des moyens pour envoyer du liquide cryogénique provenant du stockage à l'échangeur de chaque appareil de séparation cryogénique.
13. Installation selon la revendication 12 ne comprenant aucun moyen de pressurisation en aval du système de colonnes (2, 3) et en amont du stockage commun (12).
14. Installation selon la revendication 12 ou 13 comprenant un moyen de pressurisation (7, 8) en aval du système de colonnes et en amont de l'échangeur.
15. Installation selon la revendication 12, 13 ou 14 comprenant des moyens pour envoyer du liquide cryogénique provenant du stockage commun (12) à l'échangeur (1) d'au moins un appareil de séparation cryogénique.
16. Installation selon la revendication 15 comprenant des moyens (20,
22) pour pressuriser le liquide cryogénique en aval du stockage commun et en amont de l'échangeur.
17. Installation selon l'une des revendications 10 à 16 comprenant un vaporiseur commun (34), des moyens pour alimenter le vaporiseur commun à partir du stockage commun (12), de préférence des moyens de pressurisation (20, 22) en aval du stockage commun et en amont du vaporiseur commun et des moyens pour permettre un échange de chaleur avec un fluide calorigène et le liquide cryogénique dans le vaporiseur.
18. Installation selon les revendication 16 et 17 dans laquelle les mêmes moyens de pressurisation (20, 22) sont reliés en aval du stockage commun (12) et en amont du vaporiseur commun (34) et à au moins un échangeur (1) d'un appareil de séparation cryogénique.
19. Installation selon la revendication 17 ou 18 dans lequel le liquide cryogénique vaporisé dans le vaporiseur commun (34) provient uniquement du stockage commun (12).
20. Installation selon l'une des revendications 12 à 19 comprenant pour le ou chaque appareil de séparation cryogénique une conduite (9) de liquide cryogénique reliant le système de colonnes (2, 3) avec l'échangeur de chaleur sans passer par le stockage commun (12) et une conduite de liquide cryogénique (6) reliant le système de colonnes et l'échangeur de chaleur à travers le stockage commun.
21. Installation selon l'une des revendications 12 à 20 comprenant des moyens pour réguler les débits de liquide envoyé d'au moins un chaque appareil de séparation cryogénique vers le stockage commun et/ou des moyens pour réguler les débits de liquide envoyé du stockage commun vers l'échangeur d'au moins un des appareils de séparation cryogénique.
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