Appareil de vaporisation-condensation pour double colonne de distillation d'air

La présente invention est relative aux installations de distillation d'air à double colonne comportant un appareil de vaporisation d'oxygène et de condensation d'azote du type comprenant au moins un échangeur de chaleur principal disposé dans la cuve de la colonne basse pression, cet échangeur étant du type à ruissellement et comportant des passages d'oxygène, des moyens pour faire ruisseler l'oxygène liquide en excès dans ces passages, des moyens d'évacuation de la totalité de l'oxygène vaporisé et de l'excès d'oxygène liquide par l'extrémité inférieure des mêmes passages, des passages d'azote en relation d'échange thermique indirect avec les passages d'oxygène, des moyens d'alimentation des passages d'azote en azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression, des moyens pour renvoyer l'azote condensé dans la colonne moyenne pression.

Dans les installations de distillation d'air du type à double colonne, l'oxygène liquide qui se trouve en cuve de la colonne basse pression est vaporisé par échange de chaleur avec l'azote gazeux prélevé en tête de la colonne moyenne pression. Pour une pression de fonctionnement donnée de la colonne basse pression, l'écart de température entre l'oxygène et l'azote rendu nécessaire par la structure de l'échangeur de chaleur impose la pression de fonctionnement de la colonne moyenne pression. Il est donc souhaitable que cet écart de température soit le plus faible possible, afin de minimiser les dépenses liées à la compression de l'air à traiter injecté dans la colonne moyenne pression.

Les vaporiseurs-condenseurs du type à ruissellement sont très avantageux par leurs excellentes performances d'échange thermique, et peuvent être réalisés de façon fiable et économique grâce à la technologie décrite dans le EP-A-130 122 au nom de la demanderesse.

Toutefois, le problème suivant se pose.

Lors d'un arrêt de l'installation de distillation d'air consécutive à un incident (coupure momentanée d'électricité, incident de machine, etc...) ou programmée, les liquides stockés sur les plateaux de la colonne supérieure (colonne basse pression) et éventuellement dans la colonne de mixture argon associée à la double colonne, voire les liquides stockés sur les plateaux de la colonne inférieure (colonne moyenne pression) si aucune mesure n'est prise quant à la manoeuvre de la vanne de remontée de liquide riche, vont se retrouver déversés dans la cuve de la colonne basse pression, précisément là où est installé le vaporiseur-condenseur.

Avec des unités pour lesquelles des hautes puretés et des rendements d'extraction élevés sont demandés, le nombre de plateaux est considérable et la "charge en oeuvre" ou "hold-up" de liquide ainsi brusquement déversé dans la cuve de la colonne basse pression lors d'un arrêt, représentera une hauteur de plusieurs mètres. Lorsque l'échangeur est disposé dans la cuve de la colonne basse pression lors d'un arrêt, représentera une hauteur de plusieurs mètres. Lorsque l'échangeur est disposé dans la cuve de la colonne base pression et lorsque la sortie d'oxygène, tant gazeux que liquide, ne peut s'effectuer que par le bas de l'échangeur, ce dernier, étant alors au moins partiellement immergé, est incapable de se réamorcer lors du redémarrage de l'installation.

La remise en service de l'unité après quelques instants, quelques heures, voire même quelques jours d'arrêt nécessite donc une purge préalable du liquide encore présent dans la cuve, alors que ce liquide est le bienvenu puisqu'il permet de recharger instantanément les plateaux des diverses colonnes dont il constituait la "charge en oeuvre".

Pour pouvoir réamorcer le vaporiseur condenseur sans purger le liquide rassemblé en cuve, on pourrait penser soit à installer l'échangeur à une hauteur suffisante à partir du fond de cuve de colonne pour que le liquide recueilli n'atteigne pas la partie inférieure de cet échangeur, soit à installer à l'extérieur de la colonne, ou en appendice ou en verrue de la cuve de la colonne, une capacité de rétention de ce liquide. Cependant, ces solutions imposeraient de réaliser un espace de grandes dimensions ne servant à rien en fonctionnement normal, ce qui représenterait un coût excessif en investissement.

L'invention a pour but de résoudre le problème du réamorçage de l'échangeur de chaleur de façon relativement économique.

Selon l'invention, l'échangeur de chaleur principal est disposé de façon à être au moins partiellement immergé lors d'un arrêt de fonctionnement de la double colonne, et l'appareil comprend au moins un échangeur de chaleur auxiliaire adapté pour assurer seul la vaporisation de liquide lorsque l'échangeur principal est au moins partiellement immergé.

Dans un premier mode de réalisation, l'échangeur auxiliaire est un échangeur du type à ruissellement comportant des passages d'oxygène, des moyens pour faire ruisseler de l'oxygène liquide en excès dans ces passages, des passages d'azote en relation d'échange thermique indirect avec les passages d'oxygène, des moyens d'alimentation des passages d'azote en azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression, et des moyens pour renvoyer l'azote condensé dans la colonne moyenne pression, l'échangeur auxiliare étant situé entièrement au-dessus du niveau maximal du liquide dans la cuve de la colonne basse pression, et il est prévu des moyens de remontée de ce liquide 'au sommet des passages d'oxygène de l'échangeur auxiliaire ainsi que des moyens de renvoi de liquide de l'extrémité inférieure de l'échangeur auxiliaire au sommet des passages d'oxygène de l'échangeur principal.

Dans un second mode de réalisation, l'échangeur auxiliaire est un échangeur du même type que l'échangeur principal et est disposé sensiblement au même niveau que ce dernier dans la cuve de la colonne basse pression, le sommet des passages d'oxygène de l'échangeur auxiliaire étant alimenté exclusivement par une conduite de remontée du liquide contenu dans cette cuve.

Dans un troisième mode de réalisation, l'échangeur de chaleur auxiliaire est un échangeur du type à bain disposé au-dessous de l'échangeur principal dans la cuve de la colonne basse pression.

Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :

• la Fig. 1 représente schématiquement la structure et le fonctionnement d'un échangeur de chaleur du type à ruissellement et à sortie d'oxygène exclusivement par le bas ; et
• les Fig. 2 à 5 représentent schématiquement une partie d'une installation de distillation d'air suivant l'invention, selon plusieurs modes de réalisation différents de l'appareil de vaporisation-condensation.

On voit sur chacune des figures le sommet de la colonne moyenne pression 1 et la cuve de la colonne basse pression 2 d'une installation de distillation d'air à double colonne, chaque colonne comportant des plateaux de distillation 3 ou une structure équivalente d'échange de chaleur et de matière. La colonne 1, qui fonctionne sous environ 6 bars absolus, est limitée par une virole cylindrique 4, et la colonne 2, qui fonctionne un peu au-dessus de la pression atmosphérique, par une virole cylindrique 5. Les deux colonnes sont séparées par un fond 6 bombé vers le haut. L'azote de tête de la colonne 1 est condensé en vaporisant de l'oxygène liquide parvenant à la cuve de la colonne 2, au moyen d'un échangeur de chaleur indirect 7 du type à ruissellement.

L'échangeur 7 est essentiellement constitué par un bloc parallélépipédique de grandes dimensions, par exemple 1 à 1,5 mètre carré de section horizontale et 3 à 6 mètres de hauteur, formé d'un empilement d'un grand nombre de plaques verticales parallèles en aluminium qui définissent entre elles des passages plats. Chacun de ces passages contient des ondes en aluminium formant entretoises et ailettes et est délimité par des barrettes verticales ou horizontales. Une partie de ces passages, par exemple un passage sur deux, est un passage d'oxygène, et les passages restants sont des passages d'azote. Les passages d'oxygène sont alimentés par le haut en oxygène liquide au moyen d'une retenue de liquide 8 formée au sommet de l'échangeur, fermés latéralement et ouverts vers le bas. Les passages d'azote sont fermés de tous côtés et sont alimentés latéralement en azote gazeux, au voisinage de leur extrémité supérieure, au moyen d'une boite semi-cylindrique 9 à axe horizontal, qui communique avec le sommet de la colonne 1 par l'intermédiaire d'une conduite 10. L'azote condensé est collecté latéralement au bas des mêmes passages par une autre boite semi-cylindrique 11 à axe horizontal et, de là, est renvoyé dans la colonne 1 par une conduite 12. Cette dernière débouche dans une rigole 13 qui assure une garde d'azote liquide. Le bloc de l'échangeur 7 est assemblé par brasage au four.

En fonctionnement normal, un bain d'oxygène liquide 14 est présent dans la cuve de la colonne 2, et son niveau N se trouve au-dessous de l'extrémité inférieure de l'échangeur 7, à une petite distance de celui-ci. Une pompe 15 remonte via une conduite 16 un débit D d'oxygène liquide dans la retenue B, laquelle reçoit également un débit D d'oxygène liquide des plateaux de la colonne 2. Un débit D d'oxygène est vaporisé dans l'échangeur 7, de sorte qu'un débit D d'oxygène liquide en excès tombe dans le bain 14. Les débits peuvent s'écarter plus ou moins de la valeur D en pratique.

D'autres détails concernant la structure et Le fonctionnement d'un tel vaporiseur-condenseur à ruissellement sont décrits dans le EP-A-130 122 précité.

En variante, la pompe 15 peut être remplacée par tout autre moyen de remontée de liquide, par exemple par un thermosiphon ou "gas-lift" constitué par un échangeur de chaleur indirect 15A chauffé par un fluide approprié, qui peut être du "liquide riche" provenant de la cuve de la colonne 1, comme il est classique dans la technique. Sur la Fig. 1, on a représenté cette variante en traits mixtes, et on a également représenté une conduite 17 de soutirage d'oxygène gazeux de la colonne 2 et une conduite 18 de soutirage d'azote liquide de la colonne 1.

Pour réduire au maximum la hauteur de la colonne basse pression, le niveau N est prévu à une faible distance au-dessous de l'échangeur 7, comme indiqué ci-dessus. En cas d'arrêt de l'installation, comme expliqué plus haut, la "charge en oeuvre" de nombreux plateaux se rassemble en cuve de la colonne 2, et le liquide monte jusqu'à un niveau N1 pour lequel l'échangeur 7 est partiellement immergé. En particulier, une certaine hauteur de liquide est présente dans la partie inférieure des passages d'oxygène de cet échangeur. Lorsque l'installation redémarre, une petite quantité d'oxygène est vaporisée, mais comme les passages d'oxygène ne sont ouverts que vers le bas, un état d'équilibre est vite atteint, et l'échangeur ne peut pas continuer à fonctionner. Les Fig. 2 à 5, sur lesquelles les conduites relatives à l'azote ont été omises pour la clarté du dessin, montrent comment l'installation peut être modifiée suivant l'invention pour permettre le réamorçage de l'échangeur 7.

Dans la solution de la Fig. 2, la cuve de la colonne 2 contient deux échangeurs de chaleur principaux 7 disposés en parallèle au même niveau qu'à la Fig. 1, c'est-à-dire avec leur extrémité inférieure très proche du fond 6, juste au-dessus du niveau N du bain d'oxygène liquide. La retenue 8 est commune aux deux échangeurs.

L'installation comporte une virole auxiliaire 19 contenant un échangeur de chaleur auxiliaire 20. Cet échangeur est également du type à ruissellement et a la même constitution que l'échangeur 7. La virole 19 est fermée en haut par un fond supérieur 21 et en bas par un fond inférieur 22, lequel se trouve au-dessus du niveau de la retenue 8 des échangeurs 7. La conduite 16 de remontée de liquide débouche au sommet de la virole 19 ; une conduite 23 relie le fond 22 à la retenue 8, et des conduites 24 et 24A relient respectivement l'espace situé juste au-dessous de l'échangeur 20 et l'espace situé au-dessous du fond 21 à la région de la virole 5 située juste au-dessus de la retenue 8.

En fonctionnement normal, la pompe 15 remonte de l'oxygène liquide du bain 14 au sommet de la virole 19 pour maintenir une retenue auxiliaire 25 de liquide en haut de l'échangeur 20. A peu près la moitié de ce débit de liquide est vaporisée dans cet échangeur, et l'excès d'oxygène liquide ainsi que l'oxygène vaporisé passent dans la virolé 5 via les conduites 23 et 24. L'excès d'oxygène liquide s'ajoute à l'oxygène liquide tombant des plateaux de la colonne 2 dans la retenue 8, et à peu près la moitié du débit total d'oxygène liquide alimentant cette dernière est vaporisée dans les échangeurs 7, l'excès de liquide étant repris par la pompe 15.

Lors d'un arrêt de l'installation, le liquide de cuve de la colonne 2 monte jusqu'au niveau N1 comme à la Fig. 1. Pour redémarrer l'installation, la pompe 15 remonte du liquide au sommet de l'échangeur auxiliaire 20, lequel, de par sa position, est resté en état de fonctionnement. Une partie du débit de liquide est donc vaporisée par le seul échangeur 20, et l'excès de liquide ainsi que le liquide vaporisé passe comme précédemment dans la virole 15, via les conduites 23 et 24. Par suite, le niveau du liquide baisse progressivement dans la colonne 2, et lorsque le niveau N est à peu près rétabli, les échangeurs 7 peuvent fonctionner de nouveau. L'échangeur 20 est dimensionné de façon à permettre à l'installation de traiter le débit d'air nécessaire à l'amorçage des plateaux afin que leur "charge en oeuvre" soit reconstituée, ce débit d'air étant inférieur au débit correspondant au fonctionnement normal de l'installation.

Ainsi, la virole supplémentaire 19 et l'échangeur auxiliaire 20 sont constamment utilisés en tant que surface d'échange de chaleur supplémentaire, ce qui améliore les performances thermiques de l'installation.

En variante, l'échangeur 20 pourrait être disposé à un niveau plus bas que la retenue 8 ou même que le niveau N1, avec une pompe supplémentaire équipant la conduite 23. Par ailleurs, la virole 19 peut être constituée par le bloc d'échangeur lui-même dans sa partie courante.

Dans l'installation de la Fig. 3, les échangeurs 7 sont au nombre de trois et sont disposés comme à la Fig. 2, côte à côte et juste au dessus du bain 14, avec une retenue 8 commune. L'échangeur auxiliaire est constitué par trois échangeurs 20A identiques aux échangeurs 7 et disposés dans la colonne 2, juste au-dessus de ceux-ci. La conduite 16 comporte une branche 16A débouchant dans la retenue 25A des échangeurs 20A, et une branche 16B débouchant dans la retenue 8 des échangeurs 7. Ces conduites sont équipées de vannes d'arrêt respectives 26A, 26B.

En fonctionnement normal, le bain 14 d'oxygène liquide se trouve au niveau N. La vanne 26A est fermée et la vanne 26B est ouverte. Les échangeurs auxiliaires 20A sont alimentés en oxygène liquide uniquement par les plateaux de la colonne 2, vaporisent à peu près la moitié de ce débit et fournissent le reste à la retenue 8. Un débit du même ordre est remonté par la pompe 15 à la retenue 8, la moitié du débit total est vaporisé dans les échangeurs 7, et le reste tombe dans le bain 14.

Lors d'un arrêt de l'installation, la montée du liquide jusqu'au niveau N1 immerge partiellement les échangeurs 7. Au redémarrage, la vanne 26B est fermée, la vanne 26A est ouverte, et la pompe 15 remonte du liquide dans la retenue supérieure 25A. Une partie de ce débit se vaporise, le liquide baisse progressivement en cuve de colonne, et lorsqu'il est revenu à peu près au niveau N, les échangeurs 7 fonctionnent de nouveau. L'avantage de cette solution réside dans le fait qu'il est possible de disposer des échangeurs auxiliaires présentant une surface de chaleur beaucoup plus grande dans la virole de la colonne elle-même, ce qui permet d'améliorer encore les performances d'échange de chaleur en fonctionnement normal, par example d'atteindre un écart de température de l'ordre de 0,5°C entre l'azote moyenne pression et l'oxygène liquide. On remarque de plus que la conduite 17 de soutirage d'oxygène gazeux peut être disposée à n'importe quel emplacement entre le sommet des échangeurs 7 et les plateaux de la colonne 2 sans risquer de véhiculer du liquide.

Il est à noter que les échangeurs 20 de la Fig. 2 et 20A de la Fig. 3 pourraient être réalisés de façon à permettre l'évacuation du liquide vaporisé par le haut, comme décrit dans le EP-A précité.

Dans le mode de réalisation de la Fig. 4, il est prévu côte-à-côte dans la virole 5 deux échangeurs principaux 7 et deux échangeurs auxiliaires 20B. Les quatre échangeurs ont leur extrémité inférieure située à une faible distance au-dessus du niveau N ; ils sont tous identiques, à une différence près : les deux échangeurs 7 comportent une retenue commune 8 ouverte vers le haut comme dans les exemples précédents, tandis que les deux échangeurs 20B comportent une retenue commune 25B recouverte hermétiquement par une boîte d'alimentation horizontale semi-cylindrique 27 dans laquelle débouche la conduite 16. Une conduite 27A part du sommet de la boîte 27, sort de la virole 5, est équipée à l'extérieur de celle-ci d'une vanne 27B et débouche dans la virole 5, au-dessus du niveau N.

En fonctionnement normal de l'installation, la vanne 27B est ouverte. Un même débit parvient à la retenue 8 en provenance des plateaux et à la retenue 25B par la conduite 16. Chaque échangeur vaporise à peu près le quart de ce débit, et l'excès de liquide tombe dans le bain 14 pour être remonté par la pompe 15.

Lors d'un arrêt de l'installation, le liquide monte au niveau N1 et immerge partiellement les quatre échangeurs. Pour le redémarrage, on ferme la vanne 27B ; la pompe remonte du liquide dans la boîte 27 et développe dans celle-ci une surpression qui permet à l'oxygène vaporisé dans les échangeurs 20B de vaincre la poussée du bain de liquide en partie inférieure. Le liquide baisse progressivement en cuve de colonne, la pression dans la boîte 27 baisse également au fur et à mesure, et lorsque le niveau N est à peu près retrouvé, les échangeurs 7 recommencent à fonctionner, et on ouvre la vanne 27B.

L'avantage de cette solution consiste en ce qu'aucune hauteur supplémentaire de la virole 5 ni aucun espace auxiliaire extérieur à la colonne n'est ncessaire.

La Fig. 5 représente une solution qui peut être considérée comme une variante de la Fig. 2 : la virole 19 se trouve à un niveau plus bas qu'à la Fig. 2, le fond 22 étant à peu près au niveau du fond 6 de la double colonne. Une conduite 28 équipée d'une vanne 29, remplaçant la conduite 23, relie les cuves des viroles 5 et 19. La conduite 24 relie comme à la Fig. 2 l'espace situé juste au-dessous de l'échangeur 20 à la région de la virole 5 située au-dessus de la retenue 8. La conduite 24A est équipée d'une vanne 24B.

En fonctionnement normal, les vannes 29 et 24B sont ouvertes, et le niveau N s'établit dans les deux viroles 5 et 19. L'échangeur 20 constitue un vaporiseur-condenseur supplémentaire alimenté en oxygène liquide par la conduite 16 tandis que l'échangeur 7 est alimenté en oxygène liquide par les plateaux 3 uniquement.

Dès l'arrêt de l'installation, on ferme la vanne 29 simultanément à l'arrêt de la pompe, ce qui empêche l'immersion de l'échangeur 20. Lors d'un redémarrage, du liquide est vaporisé par le seul échangeur 20, et c'est du fluide diphasique qui retourne à la colonne 2 via la conduite 24.

Une autre possibilité consiste à laisser la vanne 29 ouverte. L'échangeur 20 est alors noyé partiellement comme l'échangeur 7 pendant les arrêts de l'installation, et le redémarrage s'effectue en fermant la vanne 24B et en créant au moyen de la pompe 15 une surpression dans le fond supérieur de la virole 19, de façon analogue à ce qui a été décrit en regard de la Fig. 4. Ce mode de redémarrage avec l'échangeur 20 noyé peut d'ailleurs aussi s'effectuer avec la vanne 29 fermée.

Dans le mode de réalisation de la Fig. 6, il est prévu trois échangeurs 7 et, juste au-dessous de ceux-ci et juste au-dessus du fond 6, plusieurs, par exemple trois, échangeurs auxiliaires 20C du type à bain ou à thermosiphon. Ces échangeurs diffèrent des échangeurs 7 par le fait que la retenue supérieure 8 n'existe pas, les passages d'oxygène étant librement ouverts vers le haut. De tels échangeurs, classiques dans la technique de distillation d'air, peuvent fonctionner en étant complètement immergés. Par ailleurs, la conduite 16 est supprimée.

En fonctionnement normal de l'installation, le niveau N est tel que les échangeurs 20C sont presqu'entièrement immergés. La retenue 8 des échangeurs 7 est alimentée uniquement par l'oxygène liquide provenant des plateaux. A peu près la moitié du débit est vaporisé dans ces échangeurs, et le reste tombe dans le bain 14. Les échangeurs 20C vaporisant ce débit excédentaire, il n'est donc pas nécessaire en principe de remonter du liquide vers la retenue 8. En variante toutefois, comme les vaporiseurs à bain ont un rendement inférieur aux vaporiseurs à ruissellement, il peut être préférable de dimensionner les échangeurs 20C de façon qu'ils ne vaporisent qu'une petite fraction du débit d'oxygène liquide, le débit excédentaire étant alors remonté dans la retenue 8 comme précédemment.

Lors d'un arrêt de l'installation, le liquide monte au niveau N1, de sorte que les échangeurs 20C sont totalement immergés et les échangeurs 7 partiellement immergés. Le redémarrage s'effectue sans difficulté, d'abord uniquement par la vaporisation assurée par les échangeurs 20C, puis, lorsque le niveau N est à peu près rétabli, également par les échangeurs 7.

Du fait de la présence d'échangeurs à bain, la solution de la Fig. 6 convient plus particulièrement aux cas où des performances d'échange thermique relativement modérées sont acceptables, par exemple un écart de température de l'ordre de 1°C entre l'azote moyenne pression et l'oxygène liquide.