EP0410832A1 - Appareil de vaporisation-condensation pour double colonne de distillation d'air - Google Patents

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EP0410832A1
EP0410832A1 EP90401934A EP90401934A EP0410832A1 EP 0410832 A1 EP0410832 A1 EP 0410832A1 EP 90401934 A EP90401934 A EP 90401934A EP 90401934 A EP90401934 A EP 90401934A EP 0410832 A1 EP0410832 A1 EP 0410832A1
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EP
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liquid
auxiliary
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Maurice Grenier
Pierre Petit
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • Y10S62/903—Heat exchange structure

Definitions

  • the present invention relates to vaporizers-condensers for air distillation installations. It relates firstly to an apparatus for vaporizing oxygen and for condensing nitrogen for a double air distillation column of the type comprising at least one main heat exchanger disposed in the tank of the low pressure column, this exchanger being of trickling type and having oxygen passages, means for causing excess liquid oxygen to flow in these passages, means for evacuating all of the vaporized oxygen and excess liquid oxygen by means of the the lower end of the same passages, nitrogen passages in indirect heat exchange relationship with the oxygen passages, means for supplying the nitrogen passages with nitrogen gas coming from the medium pressure column, and means for return the condensed nitrogen to the medium pressure column.
  • the liquid oxygen which is in the bottom of the low pressure column is vaporized by heat exchange with the nitrogen gas taken off at the head of the medium pressure column.
  • the temperature difference between oxygen and nitrogen made necessary by the structure of the heat exchanger imposes the operating pressure of the medium pressure column. It is therefore desirable that this temperature difference is as small as possible, in order to minimize the expenses linked to the compression of the air to be treated injected into the medium pressure column.
  • Drip type vaporizers are very advantageous due to their excellent heat exchange performance, and can be achieved reliably and economically using the technology described in EP-A-130 122 in the name of the applicant.
  • the liquids stored on the trays of the upper column bottom column are pressure
  • the argon mixture column associated with the double column or even the liquids stored on the trays of the lower column (medium pressure column) if no action is taken regarding the operation of the liquid ascent valve rich, will end up poured into the tank of the low pressure column, precisely where the vaporizer-condenser is installed.
  • the object of the invention is to solve the problem of re-initiating the heat exchanger relatively economically.
  • the subject of the invention is a vaporizer-condenser of the aforementioned type, characterized in that the main heat exchanger is arranged so as to be at least partially submerged during an operation stop of the double column, and in that the apparatus comprises at least one auxiliary heat exchanger adapted to ensure only the vaporization of liquid when the main exchanger is at least partially submerged.
  • the auxiliary exchanger is a flow type exchanger comprising oxygen passages, means for causing excess liquid oxygen to flow in these passages, nitrogen passages in relation to indirect heat exchange with oxygen passages, means for supplying passages from nitrogen to nitrogen gas coming from the medium pressure column, and means for returning the condensed nitrogen to the medium pressure column, the auxiliary exchanger being situated entirely above the maximum level of the liquid in the tank of the column low pressure, and means are provided for raising this liquid to the top of the oxygen passages of the auxiliary exchanger as well as means for returning liquid from the lower end of the auxiliary exchanger to the top of the passages main exchanger oxygen.
  • the auxiliary exchanger is an exchanger of the same type as the main exchanger and is disposed substantially at the same level as the latter in the tank of the low pressure column, the top of the oxygen passages of the 'auxiliary exchanger being supplied exclusively by a pipe for raising the liquid contained in this tank.
  • the auxiliary heat exchanger is a bath type exchanger arranged below the main exchanger in the tank of the low pressure column.
  • the invention also relates to a double column air distillation installation, comprising a vaporization-condensation apparatus as defined above.
  • each column comprising distillation trays 3 or an equivalent structure of heat and material exchange.
  • Column 1 which operates at around 6 bar absolute, is limited by a cylindrical ferrule 4, and column 2, which operates a little above atmospheric pressure, by a cylindrical ferrule 5.
  • the two columns are separated by a bottom 6 curved upwards.
  • the head nitrogen of column 1 is condensed by vaporizing liquid oxygen reaching the tank of column 2, by means of an indirect heat exchanger 7 of the trickle type.
  • the exchanger 7 is essentially constituted by a large parallelepiped block, for example 1 to 1.5 square meters of horizontal section and 3 to 6 meters in height, formed of a stack of a large number of parallel vertical plates in aluminum which define between them flat passages.
  • Each of these passages contains aluminum waves forming spacers and fins and is delimited by vertical or horizontal bars.
  • Part of these passages, for example one passage in two, is an oxygen passage, and the remaining passages are nitrogen passages.
  • the oxygen passages are supplied from above with liquid oxygen by means of a liquid retention 8 formed at the top of the changer, closed laterally and open downwards.
  • the nitrogen passages are closed on all sides and are supplied laterally with gaseous nitrogen, near their upper end, by means of a semi-cylindrical box 9 with a horizontal axis, which communicates with the top of the column 1 by 1 'through a pipe 10.
  • Condensed nitrogen is collected laterally at the bottom of the same passages by another semi-cylindrical box 11 with a horizontal axis and, from there, is returned to column 1 by a pipe 12.
  • the latter opens out in a channel 13 which ensures a guard of liquid nitrogen.
  • the block of the exchanger 7 is assembled by brazing in the furnace.
  • a liquid oxygen bath 14 is present in the tank of the column 2, and its level N is located below the lower end of the exchanger 7, at a small distance from the latter.
  • a pump 15 raises via a line 16 a flow D of liquid oxygen in the reservoir 8, which also receives a flow D of liquid oxygen from the plates of the column 2.
  • a flow D of oxygen is vaporized in the exchanger 7 , so that a flow D of excess liquid oxygen falls into the bath 14. The flows can deviate more or less from the value D in practice.
  • the pump 15 can be replaced by any other means for raising the liquid, for example by a thermosyphon or "extraction” with the gas constituted by an indirect heat exchanger 15A heated by a suitable fluid, which can be "rich liquid ". from the tank in column 1, as is conventional in the art.
  • a suitable fluid which can be "rich liquid ". from the tank in column 1, as is conventional in the art.
  • this variant is shown in dashed lines, and there is also shown a pipe 17 for withdrawing gaseous oxygen from column 2 and a pipe 18 for withdrawing liquid nitrogen from column 1.
  • level N is provided a short distance below the exchanger 7, as indicated above.
  • the "load in use” of numerous trays collects in the tank of column 2, and the liquid rises to a level N1 for which the exchanger 7 is partially submerged.
  • a certain height of liquid is present in the lower part of the oxygen passages of this exchanger.
  • the tank of the column 2 contains two main heat exchangers 7 arranged in parallel at the same level as in FIG. 1, that is to say with their lower end very close to the bottom 6, just above the level N of the liquid oxygen bath.
  • the reservoir 8 is common to the two exchangers.
  • the installation includes an auxiliary ferrule liaire 19 containing an auxiliary heat exchanger 20.
  • This exchanger is also of the trickle type and has the same constitution as the exchanger 7.
  • the shell 19 is closed at the top by an upper bottom 21 and at the bottom by a bottom bottom 22, which is located above the level of the reservoir 8 of the exchangers 7.
  • the pipe 16 for raising the liquid emerges at the top of the shell 19; a pipe 23 connects the bottom 22 to the retainer 8, and pipes 24 and 24A respectively connect the space located just below the exchanger 20 and the space located below the bottom 21 to the region of the shell 5 located just above the reservoir 8.
  • the pump 15 rises liquid oxygen from the bath 14 to the top of the shell 19 to maintain an auxiliary retention 25 of liquid at the top of the exchanger 20. About half of this liquid flow is vaporized in this exchanger, and the excess of liquid oxygen as well as the vaporized oxygen pass into the ferrule 5 via the lines 23 and 24. The excess of liquid oxygen is added to the liquid oxygen falling from the plates of the column 2 in the reservoir 8, and approximately half of the total flow of liquid oxygen supplying the latter is vaporized in the exchangers 7, the excess liquid being taken up by the pump 15.
  • the tank liquid in column 2 rises to level N1 as in Fig. 1.
  • the pump 15 rises the liquid at the top of the auxiliary exchanger 20, which, by its position, has remained in operating condition. Part of the liquid flow is therefore vaporized by the only exchanger 20, and the excess liquid as well as the vaporized liquid passes as previously into the shell 15, via the lines 23 and 24.
  • the level of the liquid gradually decreases in column 2, and when the level N is almost restored, the exchangers 7 can operate again.
  • the exchanger 20 is dimensioned so as to allow the installation to process the air flow rate necessary for priming the plates so that their "charge in use" is reconstituted, this air flow rate being less than the flow rate corresponding to the normal operation of the installation.
  • the additional shell 19 and the auxiliary exchanger 20 are constantly used as an additional heat exchange surface, which improves the thermal performance of the installation.
  • the exchanger 20 could be arranged at a level lower than the reservoir 8 or even than the level N1, with an additional pump fitted to the pipe 23.
  • the shell 19 can be constituted by the exchanger block itself in its current part.
  • the exchangers 7 are three in number and are arranged as in FIG. 2, side by side and just above the bath 14, with a common retainer 8.
  • the auxiliary exchanger consists of three exchangers 20A identical to the exchangers 7 and arranged in column 2, just above these.
  • the pipe 16 comprises a branch 16A opening into the retaining 25A of the exchangers 20A, and a branch 16B opening into the retaining 8 of the exchangers 7. These pipes are equipped with respective stop valves 26A, 26B.
  • the liquid oxygen bath 14 is at level N.
  • the valve 26A is closed and the valve 26B is open.
  • Auxiliary exchangers 20A are supplied with liquid oxygen only by the plates of column 2, vaporize approximately half of this flow and supply the rest to the reservoir 8.
  • a flow of the same order is raised by the pump 15 to the reservoir 8, half of the total flow is vaporized in the exchangers 7, and the rest falls into the bath 14.
  • exchangers 20 of FIG. 2 and 20A of FIG. 3 could be made so as to allow the evacuation of the liquid vaporized from above, as described in the abovementioned EP-A.
  • two main exchangers 7 and two auxiliary exchangers 20B are provided side by side in the shell 5.
  • the four exchangers have their lower ends located a short distance above level N; they are all identical, with one difference: the two exchangers 7 have a common retainer 8 open upwards as in the previous examples, while the two exchangers 20B have a common retainer 25B hermetically covered by a horizontal horizontal feed box -cylindrical 27 into which the pipe 16 opens.
  • a pipe 27A starts from the top of the box 27, leaves the ferrule 5, is fitted outside of the latter with a valve 27B and opens into the ferrule 5, at - above level N.
  • valve 27B In normal operation of the installation, the valve 27B is open. The same flow reaches the reservoir 8 coming from the plates and the reservoir 25B via the pipe 16. Each exchanger vaporizes approximately a quarter of this flow, and the excess liquid falls into the bath 14 to be raised by the pump 15.
  • Fig. 5 shows a solution which can be considered as a variant of FIG. 2: the ferrule 19 is at a lower level than in FIG. 2, the bottom 22 being approximately at the level of the bottom 6 of the double column.
  • the pipe 24 connects as in FIG. 2 the space located just below the exchanger 20 at the region of the shell 5 located above the reservoir 8.
  • the pipe 24A is equipped with a valve 24B.
  • valves 29 and 24B are open, and the level N is established in the two ferrules 5 and 19.
  • the exchanger 20 constitutes an additional evaporator-condenser supplied with liquid oxygen by line 16 while the exchanger 7 is supplied with liquid oxygen by the plates 3 only.
  • valve 29 is closed simultaneously with the pump stopping, which prevents immersion of the exchanger 20.
  • liquid is vaporized by the only exchanger 20 , and it is two-phase fluid which returns to column 2 via line 24.
  • valve 29 Another possibility is to leave the valve 29 open.
  • the exchanger 20 is then partially submerged like the exchanger 7 during the stops of the installation, and the restart is carried out by closing the valve 24B and creating by means of the pump 15 an overpressure in the upper bottom of the shell. 19, analogously to what has been described with reference to FIG. 4.
  • This restart mode with the submerged exchanger 20 can also be carried out with the valve 29 closed.
  • the level N is such that the exchangers 20C are almost entirely submerged.
  • the reservoir 8 of the exchangers 7 is supplied only with liquid oxygen coming from the plates. About half of the flow is vaporized in these exchangers, and the rest falls into the bath 14. The exchangers 20C vaporizing this excess flow, it is therefore not in principle necessary to flow the liquid back to the reservoir 8.
  • bath vaporizers have a lower yield than trickle vaporizers, it may be preferable to size the 20C exchangers so that they vaporize only a small fraction of the flow of liquid oxygen, the excess flow then being raised in reservoir 8 as before.
  • the solution of FIG. 6 is more particularly suitable for cases where relatively moderate heat exchange performance is acceptable, for example a temperature difference of the order of 1 ° C. between the medium pressure nitrogen and the liquid oxygen.

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Abstract

La double colonne (1, 2) comporte un appareil de vaporisation d'oxygène et de condensation d'azote qui comprend d'une part un échangeur de chaleur principal (7) à ruissellement d'oxygène partiellement immergé lors des arrêts de l'installation, et d'autre part un échangeur de chaleur auxiliaire (20) qui assure seul la vaporisation de liquide lors du redémarrage de l'installation.

Description

  • La présente invention est relative aux vapo­riseurs-condenseurs des installations de distillation d'air. Elle concerne en premier lieu un appareil de vaporisation d'oxygène et de condensation d'azote pour double colonne de distillation d'air 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, et 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 bas se 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" 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 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 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.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un vaporiseur-condenseur du type précité, caractérisé en ce que 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 en ce que 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.
  • L'invention a également pour objet une ins­tallation de distillation d'air à double colonne, comprenant un appareil de vaporisation-condensation tel que défini ci-dessus.
  • 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'-­ changeur, 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 boîte 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 boîte semi-cylindrique 11 à axe horizontal et, de la, 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 8, 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 "extraction" au gaz cons­constituée 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 auxi­ liaire 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 n-­ cessaire.
  • 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.

Claims (9)

1. Appareil de vaporisation d'oxygène et de condensation d'azote pour double colonne de distilla­tion d'air, du type comprenant au moins un échangeur de chaleur principal (7) disposé dans la cuve de la colonne basse pression (2), cet échangeur étant du type à ruissellement et comportant des passages d'oxy­gène, des moyens (8) pour faire ruisseler de 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 (9, 10) d'alimentation des passages d'azote en azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression (1), et des moyens (11, 12) pour renvoyer l'azote condensé dans la colonne moyenne pression, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur principal (7) est disposé de façon à être au moins partiellement immergé lors d'un arrêt du fonctionnement de la double colonne et en ce que l'appareil comprend au moins un échangeur de chaleur auxiliaire (20 ; 20A ; 20B ; 20C) adapté pour assurer seul la vaporisation de liquide lorsque l'échangeur principal est au moins partiellement immergé.
2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur auxiliaire (20, Fig.2 ; 20A) est un èchangeur du type à ruissellement comportant des passages d'oxygène, des moyens (25 ; 25A) 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 (1), et des moyens pour renvoyer l'azote condensé dans la colonne moyenne pression, et en ce qu'il est prévu des moyens (15, 16) de remontée du liquide contenu dans la cuve de la colonne basse pres­sion au sommet des passages d'oxygène de l'échangeur auxiliaire ainsi que des moyens (23) de renvoi de li­quide de l'extrémité inférieure de l'échangeur auxi­liaire au sommet des passages d'oxygène de l'échangeur principal (7).
3. Appareil suivant la revendication 2, ca­ractérisé en ce que l'échangeur auxiliaire est situé entièrement au-dessus du niveau maximal (N1) du liqui­de dans la cuve de la colonne basse pression (2).
4. Appareil suivant la revendication 3, Caractérisé en ce que l'échangeur auxiliaire (20; 20A) est disposé entièrement au-dessus du sommet de l'échangeur principal (7).
5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'échan­geur auxiliaire (20) est disposé à l'extérieur de la colonne basse pression (2).
6. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur auxiliaire (20A) est disposé dans la virole (5) de la colonne basse pres­sion (2), au-dessus de l'échangeur principal (7).
7. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur auxiliaire (20, Fig. 5 ; 20B) est un échangeur du même type que l'échan­geur principal (7) et est disposé sensiblement au même niveau que ce dernier, le sommet des passages d'oxygè­ne de l'échangeur auxiliaire étant recouvert par une boîte d'alimentation hermétique (21, Fig. 5 ; 27) ali­mentée exclusivement par une conduite (16) de remontée du liquide contenu dans ladite cuve.
8. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur auxi­liaire (20C) est un échangeur du type à bain disposé au-dessous de l'échangeur principal (7) dans la cuve de la colonne basse pression (2).
9. Installation de distillation d'air à double colonne, caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil de vaporisation d'oxygène et de condensation d'azote suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8.
EP90401934A 1989-07-28 1990-07-04 Appareil de vaporisation-condensation pour double colonne de distillation d'air Expired - Lifetime EP0410832B1 (fr)

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