FR2872262A1 - Procede et installation de fourniture de secours d'un gaz sous pression - Google Patents

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Abstract

Dans un procédé de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé, ce gaz étant normalement fourni par vaporisation de liquide dans un premier échangeur (1) d'un appareil de séparation d'air à pompe, lors de la mise en marche d'un deuxième échangeur (2) pour produire le gaz d'appoint, du liquide pressurisé (33) et de l'air haute pression (8) continuent à être envoyés au premier échangeur.

Description

Cette invention concerne les procédés et les installations de fourniture
de secours d'un gaz sous pression par vaporisation de liquides cryogéniques, en particulier ceux utilisés pour fournir les clients en produits gazeux (azote, oxygène, argon) lorsque les installations industrielles (tels que les appareils de
séparation d'air) ne peuvent assurer que partiellement, ou pas du tout, la fourniture du produit (par exemple dans le cas de déclenchement, de réduction de charge pour contrainte de tarif électrique...). L'invention s'applique également aux stockages d'autres liquides cryogéniques tels que l'hydrogène, l'hélium, le monoxyde de carbone.
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 15 client.
Large Oxygen Plant Economics and Reliability de W.J.Scharle, Bulletin Y-143, National Fertilizer Division Center, Tennessee Valley Authority, Muscle Shoals, Ala. et Oxygen Facilities for Synthetic Fuel Projects W.J.Scharle et K.Wilson, Journal of Engineering for Industry, novembre 1981, Vol.103, pp.409-417 décrivent un système de production d'oxygène de secours composé : É d'un stockage contenant une quantité de produit sous forme liquide É de plusieurs pompes (ici deux pour raison de fiabilité) qui soutirent le liquide contenu dans le stockage pour le comprimer à la pression normalement 25 délivrée aux clients (pression dans la canalisation) É d'un échangeur dont la fonction est de vaporiser le liquide sous pression.
En sortie de cet équipement, 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, cet 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 important 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 oeuvre la pompe si la pompe doit être mise en froid (environ 15-20 minutes d'après les articles de W.J. Scharle notés ci-dessus).
Classiquement, si la pompe de vaporisation est maintenue en permanence à température cryogénique, et que la distance entre la pompe et l'épingle de vaporisation est très courte, le temps nécessaire au système de secours pour atteindre de façon stable, 100% de sa capacité est de l'ordre de 2 minutes qui se décomposent en 1 minute pour le démarrage de la pompe et 1 minute pour la montée en régime de l'échangeur de vaporisation. Dans certains cas, ce temps de 2 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, pression haute, pompe pour remplir les capacités-tampon...).
FR-A-2825136 décrit un procédé de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé dans lequel on stocke le liquide à pressuriser dans un stockage, on soutire du liquide du stockage et on le pressurise et on vaporise au moins une partie du liquide pressurisé dans un vaporiseur pour produire le gaz de secours sous pression et si le débit de gaz sous pression n'est pas requis, on soutire du liquide du stockage et on le pressurise, on vaporise une partie du liquide pressurisé dans un vaporiseur et on renvoie le reste du liquide pressurisé au stockage après dépressurisation.
Les réacteurs d'oxydation partielle demandent une fourniture d'oxygène haute pression (70bar et plus) avec une pression stabilisée à +1- 1 % de la valeur nominale. Les unités de séparation d'air fournissant l'oxygène doivent donc respecter cette contrainte quel que soit leur mode de fonctionnement et en particulier en cas d'arrêt de l'unité de séparation d'air.
Pendant la durée de mise en service de l'unité de vaporisation de secours la pression du réseau du client va baisser suivant une courbe dont la pente dépends du volume en eau du réseau et du débit consommé. Donc la limite de pression basse (-1%) peut être rapidement atteinte (inférieur à 5 secondes) si la longueur du réseau du client est inférieure au kilomètre.
Il faut donc un système de fourniture d'oxygène pour assurer le débit nécessaire au client pendant le démarrage de l'épingle de vaporisation (les pompes étant déjà en fonctionnement. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé dans lequel i) pendant une première marche a) on comprime un premier débit d'air au moyen d'un compresseur 20 et on l'épure dans une unité d'épuration b) on comprime au moins une partie de l'air à une haute pression qui permet la vaporisation du liquide pressurisé c) on envoie au moins une partie de l'air à la haute pression à un premier échangeur d) on envoie au moins une partie de l'air refroidi dans le premier échangeur à un système de colonnes de distillation e) on soutire d'une des colonnes du système au moins un liquide, on pressurise le liquide et on l'envoie au premier échangeur où il se vaporise pour former un gaz sous pression f) on envoie un débit dudit liquide à un deuxième échangeur (2) où il se vaporise pour former un débit d'appoint du gaz sous pression caractérisé en ce que pendant une deuxième marche au moins dans un premier temps on envoie de l'air à la haute pression et du liquide pressurisé provenant d'une colonne du système au premier échangeur et ensuite on réduit, éventuellement à zéro, le débit d'air haut pression envoyée à l'échangeur et on réduit, éventuellement à zéro, le débit de liquide pressurisé envoyé au premier échangeur.
Selon d'autres aspects facultatifs: - pendant au moins une partie de la deuxième marche, on envoie de l'air d'un stockage d'air gazeux au premier échangeur et ensuite au système de colonnes et éventuellement pendant la première marche, on envoie de l'air surpressé à un stockage d'air où il est stocké sous forme gazeuse; tout l'air est comprimé à la haute pression et ensuite épuré dans l'unité d'épuration, l'unité d'épuration constituant le stockage d'air; - on utilise uniquement comme passages d'air haute pression des passages du premier échangeur qui sont les plus proches des passages de vaporisation dudit liquide, ceci par la séparation des boites de sortie d'air liquide au bout froid de l'échangeur principal et par l'adjonction d'une vanne d'air liquide par boite de sortie d'air liquide supplémentaire qui permet de détendre ce liquide vers les colonnes; on stocke tout le liquide à pressuriser dans un deuxième stockage; pendant la première marche on envoie un débit dudit liquide, plus petit que le débit envoyé pendant la deuxième marche, au deuxième échangeur où il se vaporise pour former du gaz sous pression; au moins une des liquides à pressuriser est riche en oxygène, en argon, en azote, en hydrogène, en hélium, en méthane ou en monoxyde de carbone; le liquide est pressurisé au moyen d'au moins une pompe (7) ; pendant la deuxième marche, on envoie de l'air directement du premier stockage au premier échangeur; pendant une troisième marche, on envoie du liquide pressurisé uniquement au deuxième échangeur et on n'envoie plus d'air au premier échangeur; pendant la deuxième marche au moins une partie de la chaleur 5 nécessaire à la vaporisation du liquide provient de l'inertie thermique du premier échangeur.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une Installation de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé comprenant: i) un premier stockage ii) une pompe iii) un premier échangeur iv) un deuxième échangeur v) un compresseur vi) une unité d'épuration vii) un surpresseur viii) des moyens pour envoyer de l'air au compresseur, des moyens pour envoyer de l'air comprimé l'unité d'épuration et des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air épuré au surpresseur ix) des moyens pour envoyer de l'air à une colonne d'un système de colonnes x) des moyens pour soutirer au moins un liquide du système de colonnes, éventuellement après l'avoir stocké dans un stockage xi) des moyens pour envoyer le liquide à la pompe pour le pressuriser xii) des moyens pour envoyer le liquide pressurisé au premier échangeur xiii) des moyens pour prélever le liquide vaporisé du premier échangeur xiv) des moyens pour envoyer le liquide pressurisé au deuxième échangeur caractérisé en ce qu'il comprend un stockage d'air gazeux sous pression 30 relié à la sortie du surpresseur d'air.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures 1 à 5. Les Figures 1 et 5 représentent un appareil de séparation d'air selon l'invention et les Figures 2 à 4 montrent les débits d'air et d'oxygène pendant diverses marches du procédé selon l'invention.
Les Figures désignées A montrent les débits d'air haute pression et oxygène pressurisé dans le premier échangeur alors que les Figures désignées B montrent le débit oxygène pressurisé dans le deuxième échangeur. Les Figures 1 montrent les débits dans les échangeurs pendant la première marche, les Figures 3 montrent les débits de la troisième marche quand tout l'oxygène est produit par le deuxième échangeur et les Figures 2 montrent la deuxième marche qui est l'état de transition entre les deux autres marches.
La Figure 1 montre un appareil de séparation d'air avec double colonne 15, 17, les colonnes moyenne et basse pression étant reliées thermiquement par un condenseur 21.
Un débit d'air est comprimé à la moyenne pression par un compresseur 3 et ensuite épuré dans l'unité d'épuration 5. Le débit épuré est divisé en deux.
Une partie est envoyée à un surpresseur 7 où il est surpressé à une pression élevée d'entre 20 et 100 bars. Le reste de l'air 13 est envoyé au premier échangeur 1 où il se refroidit avant d'être envoyé à la colonne moyenne pression 15.
Les débits de reflux ne sont pas illustrés pour simplifier la figure.
Un débit d'oxygène liquide 27 est soutiré en cuve de la colonne basse pression 17 et envoyé au stockage 19.
Un débit d'azote gazeux 23 est soutiré en tête de la colonne basse pression 17 et utilisé pour régénérer l'unité d'épuration 5.
Pendant une première marche qui constitue le fonctionnement ordinaire 25 de l'appareil de séparation d'air, une petite partie de l'air surpressé est envoyée au stockage 9 afin de le remplir par la conduite 25.
Sinon l'air surpressé restant est envoyé au premier échangeur 1 où il se condense avant d'être envoyé à la double colonne.
De l'air soutiré du stockage 19 est pressurisé par la pompe 39 et envoyé 30 au premier échangeur 1 par la conduite 33 où il se vaporise pour former l'oxygène gazeux sous pression.
Eventuellement un petit débit d'oxygène peut être envoyé en permanence pendant la première marche au deuxième échangeur 2 où il se vaporise par échange de chaleur avec un fluide calorigène indépendant de l'appareil de séparation d'air, tel que de la vapeur ou l'air ambiant.
Quand on souhaite arrêter l'appareil de séparation d'air, on passe à la deuxième marche et le débit d'oxygène liquide envoyé vers le premier échangeur 1 est réduit progressivement alors que le débit envoyé vers le deuxième échangeur 2 est augmenté de manière progressive afin d'assurer une transition douce vers le deuxième échangeur 2. Afin d'assurer la vaporisation de l'oxygène liquide dans le premier échangeur 1, la vanne d'air liquide 41 sur la conduite 11 reste ouverte pilotée en fonction du débit d'oxygène et de la pression d'air. Cette pression d'air baisse doucement de la pression nominale à la sortie du surpresseur 7 jusqu'à une valeur proche de la colonne moyenne pression 15.
La Figure 2A montre les débits d'oxygène et d'air surpressé envoyés au premier échangeur pendant la deuxième marche dans le cas où aucun débit d'oxygène ne serait envoyé au deuxième échangeur pendant la première marche.
L'envoi d'air du stockage 9 vers le premier échangeur 1 est déclenché aussitôt que le compresseur 3 et /ou le compresseur 7 est (sont) arrêté(s) . Le débit d'air surpressé est augmenté instantanément, pour compenser les autres débits calorigènes manquants (car il n'y a plus d'air moyenne pression 13), par ouverture de la vanne d'air liquide 41.Ainsi dans un premier temps, le débit d'air surpressé augmente au-delà de la valeur nominale pendant la première marche (100%) et puis réduit au fur et à mesure en fonction de la réduction du débit d'oxygène vaporisé, de même la pression du passage air surpressé de l'échangeur diminue contrôlé par l'appoint du stockage gaz, de même la pression du stockage d'air diminue. Le débit d'air surpressé est réduit linéairement par fermeture de la vanne air liquide 41 en fonction du débit d'oxygène gazeux haute pression qui lui aussi est réduit linéairement quand le débit d'oxygène envoyé vers le deuxième échangeur est lui augmenté linéairement. II se passe une minute entre le déclenchement au débit d'air provenant du stockage et la réduction à zéro de l'air surpressé envoyé au premier échangeur. Une partie de chaleur nécessaire à la vaporisation de l'oxygène liquide provient de l'inertie thermique de l'échangeur principal.
La Figure 2B montre la variation du débit d'oxygène envoyé au deuxième échangeur avec le temps. On constate que l'oxygène est envoyé pour la première fois à cet échangeur en même temps que l'envoi d'air depuis le stockage.
La Figure 3A montre la variation des débits d'oxygène et d'air surpressé envoyés au premier échangeur avec le temps T pendant la deuxième marche dans le cas où un débit d'oxygène serait envoyé au deuxième échangeur pendant la première marche.
La Figure 3B montre que pendant la deuxième marche le débit d'oxygène 10 vaporisé dans le deuxième échangeur 2 part d'une valeur de Y% qui est la valeur du débit envoyé pendant la première marche et monte à 100% avec un temps de transition de seulement 15 secondes.
La Figure 4A montre que pendant la troisième marche, aucun débit d'air ou d'oxygène n'est envoyé au premier échangeur 1. La Figure 4B montre que pendant la troisième marche, tout l'oxygène pressurisé est envoyé au deuxième échangeur.
Dans les exemples des Figures 1 à 4, le premier stockage d'air 9 est à une pression plus haute que la pression de sortie du surpresseur 7 donc il a été gonflé par un système auxiliaire, par exemple un petit compresseur à piston qui aspirerait l'air à la sortie du surpresseur ou par une pompe liquide à piston haute pression qui vaporise dans un échangeur de chaleur atmosphérique, l'air liquide venant de la double colonne. Avec ce système plus haut en pression par exemple à entre 150 et 200 bar on peut maintenir la pression dans le passage surpressé à la valeur nominale ou la laisser baisser. On a donc besoin d'une vanne de détente entre le stockage d'air gazeux 9 et le passage air haute pression 8 du premier échangeur 1.
Dans l'appareil de la Figure 5 qui est moins coûteux que celui de la Figure 1, il n'y a pas de système de gonflage de lu premier stockage 9. Le premier stockage 9 est raccordé directement à la sortie du surpresseur 7 et donc au passage haute pression 8 du premier échangeur 1 sans vanne intermédiaire. Cela revient à dire qu'elle est partie intégrante de la tuyauterie de liaison entre surpresseur et échangeur.
Quand le compresseur 3 et/ou le surpresseur 7 est (sont) arrêté(s), le procédé de fourniture de gaz d'appoint est le même que décrit précédemment: on augmente immédiatement le débit d'air surpressé par ouverture de la vanne air liquide HP 41 puis on le diminue en fonction de la diminution du débit d'oxygène et de la pression d'air qui diminue.
II est évidemment possible que l'appareil soit du type GOK avec tout l'air destiné à la distillation étant comprimé à une pression unique, épuré, envoyé au premier échangeur où il échange de la chaleur avec l'oxygène et ensuite envoyé en partie à la distillation, le reste de l'air étant détendu dans une turbine Claude. Dans ce cas l'air surpressé est séparé depuis le bout chaud du premier échangeur en deux circuits dédiés, un premier qui regroupe les passages de l'échangeur principal en air surpressé qui sont proches des passages utilisés par le liquide haute pression à vaporiser, un deuxième qui regroupe les autres passages d'air surpressé, ceci par une séparation des boites de sortie d'air liquide au bout froid du premier échangeur et par l'adjonction d'une vanne d'air liquide supplémentaire par boite de sortie au bout froid du premier échangeur. Au moment de la deuxième marche, seuls les passages du premier circuit reste en fonctionnement, les autres sont isolés.
L'appareil de séparation d'air peut comprendre un colonne d'argon, une 20 colonne de mélange, une simple colonne ou une triple colonne. Le procédé est particulièrement adapté pour alimenter des unités de type Fischer-Tropsch.

Claims (14)

- 10-REVENDICATIONS
1. Procédé de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé dans lequel i) pendant une première marche a) on comprime un premier débit d'air au moyen d'un compresseur (3) et on l'épure dans une unité d'épuration (5) b) on comprime au moins une partie de l'air à une haute pression qui permet la vaporisation du liquide pressurisé c) on envoie au moins une partie de l'air à la haute pression à un premier échangeur (1) d) on envoie au moins une partie de l'air refroidi dans le premier échangeur à un système de colonnes de distillation (15, 17) e) on soutire d'une des colonnes du système au moins un liquide (27), on pressurise le liquide et on l'envoie au premier échangeur où il se vaporise pour former un gaz sous pression f) on envoie un débit dudit liquide à un deuxième échangeur (2) où il se vaporise pour former un débit d'appoint du gaz sous pression caractérisé en ce que pendant la deuxième marche au moins dans un premier temps on envoie de l'air à la haute pression et du liquide pressurisé provenant d'une colonne du système au premier échangeur et ensuite on réduit, éventuellement à zéro, le débit d'air haut pression envoyée à l'échangeur et on réduit, éventuellement à zéro, le débit de liquide pressurisé envoyé au premier échangeur.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, pendant au moins une partie de la deuxième marche, on envoie de l'air d'un stockage d'air gazeux (5, 9) au premier échangeur et ensuite au système de colonnes et éventuellement pendant la première marche, on envoie de l'air surpressé au stockage d'air où il est stocké sous forme gazeuse.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel tout l'air est comprimé à la haute pression et ensuite épuré dans l'unité d'épuration (5), l'unité d'épuration constituant le stockage d'air.
4. Procédé selon la revendication 3 où on utilise uniquement comme passages d'air haute pression des passages du premier échangeur (1) dédiés à l'air haute pression qui sont les plus proches des passages de vaporisation dudit liquide, ceci par la séparation des boites de sortie d'air liquide au bout froid de l'échangeur principal et par l'adjonction d'une vanne d'air liquide par boite de sortie d'air liquide supplémentaire qui permet de détendre ce liquide vers les colonnes.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on stocke tout le liquide à pressuriser dans un deuxième stockage (19).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant la première marche on envoie un débit dudit liquide, plus petit que le débit envoyé pendant la deuxième marche, au deuxième échangeur (2) où il se vaporise pour former du gaz sous pression.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une des liquides (27) à pressuriser est riche en oxygène, en argon, en azote, en hydrogène, en hélium, en méthane ou en monoxyde de carbone.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide est pressurisé au moyen d'au moins une pompe (39).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel, pendant la deuxième marche, on envoie de l'air directement du premier stockage (5, 9) au premier échangeur (1).
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant une troisième marche, on envoie du liquide pressurisé uniquement au deuxième échangeur (2) et on n'envoie plus d'air au premier échangeur (1).
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant la deuxième marche au moins une partie de la chaleur nécessaire à la vaporisation du liquide provient de l'inertie thermique du premier échangeur (1).
12. Installation de fourniture de secours d'un gaz sous pression par vaporisation d'un liquide pressurisé comprenant i) un premier stockage(5, 9) ii) une pompe (39) iii) un premier échangeur (1) iv) un deuxième échangeur(2) v) un compresseur (3) vi) une unité d'épuration (5) vii) un surpresseur (7) viii) des moyens pour envoyer de l'air au compresseur, des moyens pour envoyer de l'air comprimé l'unité d'épuration et des moyens pour envoyer au moins une partie de l'air épuré au surpresseur ix) des moyens pour envoyer de l'air à une colonne d'un système de colonnes (17, 19) x) des moyens pour soutirer au moins un liquide (27) du système de colonnes, éventuellement après l'avoir stocké dans un stockage xi) des moyens pour envoyer le liquide à la pompe pour le pressuriser xii) des moyens pour envoyer le liquide pressurisé au premier échangeur xiii) des moyens pour prélever le liquide vaporisé du premier échangeur xiv) des moyens pour envoyer le liquide pressurisé au deuxième échangeur caractérisée en ce qu'elle comprend un stockage d'air gazeux (9) sous pression relié à la sortie du surpresseur d'air.
13. Installation selon la revendication 12 dans laquelle le stockage (9) est relié à la sortie du surpresseur d'air à travers une vanne de détente.
14. Installation selon la revendication 12 dans laquelle il n'y aucun moyen de 5 détente entre le stockage (9) et la sortie du surpresseur d'air.
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