EP0567360B2 - Procédé et installation de transfert de liquide - Google Patents

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EP0567360B2
EP0567360B2 EP19930400745 EP93400745A EP0567360B2 EP 0567360 B2 EP0567360 B2 EP 0567360B2 EP 19930400745 EP19930400745 EP 19930400745 EP 93400745 A EP93400745 A EP 93400745A EP 0567360 B2 EP0567360 B2 EP 0567360B2
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column
pressure
liquid
point
expansion valve
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EP0567360B1 (fr
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Bernard Darredeau
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a method of transfer of a liquid, via a riser fitted an expansion valve, a first column of distillation operating at a first press, typically relatively high, to equipment, especially to a second distillation column, operating at a second press, typically relatively low, less than the first press.
  • Apparatuses for the separation of gases from air by distillation cryogenic most often use the scheme classic double column. Liquids produced in tank (liquid rich in oxygen), in the middle (lean liquid) and at the top (liquid nitrogen) of the column medium pressure (or MP column), are sent at an intermediate point or at the top of the column low pressure (or BP column). Most of the time, for economic reasons, the low pressure column is placed above the medium pressure column. It is therefore necessary to send liquids to a point located higher than the point where they are taken. Conventionally, the pressure difference between the average column pressure and the low pressure column is higher at hydrostatic pressure of the liquid column between the sampling point in the column MP and the end point of the BP column.
  • the invention aims to allow, in a simple way and efficient, safe transfer of liquids, without use of a pump.
  • the method according to the invention is characterized by injecting it into the riser, downstream of the expansion valve, a lightening gas available at a pressure higher than the pressure created by a column of said liquid between the injection point of the gas and the point of introduction of the liquid into said equipment.
  • the invention relates to a process for transferring a liquid, via a pipe rising fitted with an expansion valve, a first distillation column operating at a first pressure on equipment, especially one second distillation column, operating at a second pressure, less than first pressure, characterized in that the liquid is sub-cooled before its expansion, at except for a minority fraction of this liquid, so as to produce a controlled amount of gas from flash, this flash gas is injected downstream of the expansion valve and serves as a lightening gas for the liquid.
  • this installation also relates to an installation distillation intended for the implementation of such a process.
  • this installation of type comprising a first distillation column operating at first pressure, equipment, in particular a second distillation column, operating at a second press, less than the first pressure, and a riser fitted with a expansion valve and connecting a liquid withdrawal point from the first column to an introduction point of liquid in said equipment, is characterized in that that it includes means of injection into the pipe rising, downstream of the expansion valve, by a lightening gas available at higher pressure at the pressure created by a column of said liquid between the gas injection point and the point of introduction of the liquid in said equipment.
  • the invention relates to an installation according to claim 10.
  • the air distillation installation shown in the figure 1 essentially comprises a double column distillation 1.
  • This includes a medium column pressure 2 surmounted by a low pressure column 3.
  • a vaporizer-condenser 4 puts in exchange relation thermal steam at the top of column 2, consisting practically pure nitrogen, and the tank liquid column 3, consisting of oxygen at a determined purity.
  • Porture liquid (impure nitrogen) is drawn off in one intermediate point of column 2 via line 11 equipped with an expansion valve (not shown) and, after sub-cooling and expansion, is introduced in an intermediate point in column 3. Liquid nitrogen practically pure is withdrawn at the head of column 3 via a pipe 12 fitted with an expansion valve 13, sub-cooled in a sub-cooler 14 upstream of this expansion valve, relaxed in the latter and introduced at the top of column 3.
  • an air line 19 is tapped into supply line 5 and splits into two branches 20, 21.
  • Each of these branches is equipped with an expansion valve 22, 23 and joined respectively lines 6 and 9 just downstream of their expansion valves 7 and 10.
  • a pipe 24 gas equipped with a relief valve 25 starts from the top from column 2 and joins line 12 just by downstream of the expansion valve 13.
  • Another line for gas 26, fitted with an expansion valve (not shown), starts from a location in column 2 next to the point of withdrawal of the poor liquid (line 11) and joined this pipe 11 just downstream of the expansion valve of it.
  • a low flow of conveyed air at the supply pressure of column 2, through the pipe 19, 20, is expanded in the expansion valve 22 and injected into the newly expanded rich liquid in the expansion valve 7.
  • the air bubbles lighten the rich liquid and reduce the pressure required for bring up to column 2.
  • a low air flow conveyed by line 19, 21 is relaxed in the expansion valve 23 and injected into the rich liquid which has just been expanded in the expansion valve 10.
  • the total diverted air flow via line 19 is weak, typically less than 1 % of the air flow entering the installation.
  • the lightening gas corresponding in line 24 must be nitrogen practically pure.
  • the compositions of the liquid rich and poor liquid are not critical, so that the corresponding lightening gases can have somewhat different compositions from these liquids, provided that they do not pollute them, all the more more than the flow of these gases is very low.
  • the main expansion valves 7, 10 and 13 are placed as low as possible to guarantee feeding them with frank liquid, and we introduce gas bubbles just downstream of these valves trigger to assist the upward propulsion of liquids in question. More specifically, the pressure of lightening gas must be sufficient to overcome the height of liquid above the injection point of the gas, and this pressure is obtained, in the example shown, thanks to the fact that every gas, which is available at the pressure of column 3, is injected above the point of withdrawal of the associated liquid.
  • FIGS 2 and 3 illustrate, in the case of the ascent liquid nitrogen via line 12, two variants obtaining lightening gas. In these two variants, the pipe 24 and the expansion valve 25 are eliminated.
  • a minority flow control of liquid nitrogen conveyed by line 12 bypass the sub-cooler 14 via a bypass pipe 24A fitted, preferably at its lowest point, an expansion valve 25A and ending downstream of the expansion valve 13.
  • the expansion valve 25A is deleted, and there is provision, in line 12, a three-way valve 27 having an input connected to the line 12 upstream of the sub-cooler 14, an outlet connected to the input of this subcooler and another output connected to the 24A bypass line.
  • this pipe 24A ends upstream of the expansion valve 13.

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Description

La présente invention est relative à un procédé de transfert d'un liquide, via une conduite montante équipée d'une vanne de détente, d'une première colonne de distillation fonctionnant à une première pression, typiquement relativement élevée, à un équipement, notamment à une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une deuxième pression, typiquement relativement basse, inférieure à la première pression.
Elle s'applique en particulier à la remontée de liquides à partir de la colonne moyenne pression d'une double colonne de distillation d'air, en direction de la colonne basse pression, surmontant cette colonne moyenne pression, de la double colonne, et/ou du condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon couplée à la colonne basse pression.
Les appareils de séparation des gaz de l'air par distillation cryogénique utilisent le plus souvent le schéma classique de la double colonne. Les liquides produits en cuve (liquide riche en oxygène), en partie intermédiaire (liquide pauvre) et au sommet (azote liquide) de la colonne moyenne pression (ou colonne MP), sont envoyés en un point intermédiaire ou au sommet de la colonne basse pression (ou colonne BP). Le plus souvent, pour des raisons économiques, la colonne basse pression est placée au-dessus de la colonne moyenne pression. Il faut donc envoyer des liquides en un point situé plus haut que le point où ils sont prélevés. De façon classique, la différence de pression entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression est supérieure à la pression hydrostatique de la colonne de liquide comprise entre le point de prélèvement dans la colonne MP et le point d'arrivée de la colonne BP.
L'évolution récente de la technologie des colonnes de distillation d'air a vu apparaítre d'une part des colonnes à garnissages, à faible perte de charge, d'autre part, des vaporiseurs-condenseurs à faible écart de température entre les deux fluides mis en relation d'échange thermique (azote gazeux et oxygène liquide). Ces deux perfectionnements vont dans le sens d'une réduction de la pression de marche de la colonne moyenne pression, en vue de réduire la dépense d'énergie, et également d'une augmentation de la hauteur des colonnes, l'optimum économique se déplaçant vers une distillation plus poussée.
En revanche, une conséquence défavorable de cette évolution réside dans une difficulté accrue de remonter les liquides par simple effet hydrostatique. En effet, dans certains cas, la pression disponible dans la colonne MP n'est plus suffisante pour faire remonter les liquides vers la colonne BP, particulièrement quand l'appareil doit pouvoir fonctionner également en marche réduite, c'est-à-dire avec une pression de la colonne MP plus basse qu'au régime nominal.
L'état de l'art permet de résoudre ce problème en utilisant des pompes qui refoulent les liquides à des pressions suffisantes. Les inconvénients en sont évidents : coût énergétique, coût d'investissement, fiabilité dégradée de l'appareil, plus grande complexité d'exploitation, etc.
L'invention a pour but de permettre ,de façon simple et efficace, un transfert sûr des liquides, sans utilisation d'une pompe.
A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'on injecte dans la conduite montante, en aval de la vanne de détente, un gaz d'allégement disponible à une pression supérieure à la pression créée par une colonne dudit liquide entre le point d'injection du gaz et le point d'introduction du liquide dans ledit équipement.
Suivant des modes particuliers de réalisation de l'invention :
  • le gaz d'allègement est disponible à la pression de ladite première colonne de distillation et est injecté dans le liquide dans la colonne montante, au-dessus du point de soutirage de ce liquide ;
  • on utilise comme gaz d'allègement un gaz soutiré en un point de la première colonne et choisi de façon à ne pas modifier substantiellement la composition du liquide transféré ;
  • pour le transfert du liquide de la cuve de la colonne moyenne pression d'une double colonne de distillation d'air à un point intermédiaire de la colonne basse pression, surmontant cette colonne moyenne pression, de la double colonne, et/ou au condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon couplée à la colonne basse pression, on utilise un faible débit d'air entrant comme gaz d'allègement.
Suivant un second aspect, l'invention a pour objet un procédé de transfert d'un liquide, via une conduite montante équipée d'une vanne de détente, d'une première colonne de distillation fonctionnant à une première pression à un équipement, notamment une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, caractérisé en ce qu'on sous-refroidit le liquide avant sa détente, à l'exception d'une fraction minoritaire de ce liquide, de manière à produire une quantité contrôlée de gaz de flash, ce gaz de flash est injecté en aval de la vanne de détente et sert de gaz d'allègement du liquide.
L'invention a également pour objet une installation de distillation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Suivant un premier aspect, cette installation, du type comprenant une première colonne de distillation fonctionnant à une première pression, un équipement, notamment une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, et une conduite montante équipée d'une vanne de détente et reliant un point de soutirage de liquide de la première colonne à un point d'introduction de liquide dans ledit équipement, est caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'injection dans la conduite montante, en aval de la vanne de détente, d'un gaz d'allégement disponible à une pression supérieure à la pression créée par une colonne dudit liquide entre le point d'injection du gaz et le point d'introduction du liquide dans ledit équipement.
Suivant un second aspect, l'invention a pour objet une installation selon la revendication 10.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel :
  • la figure 1 représente schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'invention ; et
  • la figures 2 illustre une variante de l'invention.
  • la figure 3 illustre une autre variante d'obtention de gaz d'allègement qui n'est pas conforme à l'invention.
L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 comprend essentiellement une double colonne de distillation 1. Celle-ci comprend une colonne moyenne pression 2 surmontée d'une colonne basse pression 3. Un vaporiseur-condenseur 4 met en relation d'échange thermique la vapeur de tête de la colonne 2, constituée d'azote pratiquement pur, et le liquide de cuve de la colonne 3, constitué d'oxygène à une pureté déterminée.
En fonctionnement, de l'air à une pression typiquement de 5 x 105 à 6 x 105 Pa est introduit en cuve de la colonne 2 via une conduite d'alimentation 5. Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) est soutiré en cuve de cette colonne 2 via une conduite 6 équipée d'une vanne de détente 7, sous-refroidi dans un sous-refroidisseur 8 en amont de cette vanne de détente, détendu dans cette dernière à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, et introduit en un point intermédiaire de la colonne BP 3. Entre le sous-refroidisseur 8 et la vanne de détente 7 est piquée une conduite montante 9 équipée d'une vanne de détente 10 et conduisant au condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon (non représentée) couplée à la colonne BP 3 de façon classique.
Du "liquide pauvre" (azote impur) est soutiré en un point intermédiaire de la colonne 2 via une conduite 11 équipée d'une vanne de détente (non représentée) et, après sous-refroidissement et détente, est introduit en un point intermédiaire de la colonne 3. De l'azote liquide pratiquement pur est soutiré en tête de la colonne 3 via une conduite 12 équipée d'une vanne de détente 13, sous-refroidi dans un sous-refroidisseur 14 en amont de cette vanne de détente, détendu dans cette dernière et introduit au sommet de la colonne 3.
On a également représenté sur la figure 1 des conduites 15 de production d'oxygène gazeux partant de la cuve de la colonne 3, 16 de production d'azote pur, partant du sommet de cette colonne 3, 17 d'insufflation d'air en un point intermédiaire de la colonne 3, et 18 d'évacuation de gaz résiduaire (azote impur) de la partie supérieure de cette colonne.
On voit que trois liquides différents doivent être remontés de la colonne inférieure 2 à la colonne supérieure 3 et qu'un liquide doit être remonté en tête de la colonne de séparation oxygène/argon. Si ces colonnes sont du type à garnissages, en particulier structurés, et/ou possèdent de nombreux plateaux théoriques, et/ou si le vaporiseur/condenseur 4 est d'un type à faible écart de température, il peut arriver que la différence de pression entre les deux colonnes 2 et 3 soit à peine suffisante pour assurer ces remontées de liquide.
Pour garantir une bonne remontée des liquides, de façon régulière et contrôlée, dans tous les modes de fonctionnement de l'installation, une conduite d'air 19 est piquée sur la conduite d'alimentation 5 et se divise en deux branches 20, 21. Chacune de ces branches est équipée d'une vanne de détente 22, 23 et rejoint respectivement les conduites 6 et 9 juste en aval de leurs vannes de détente 7 et 10. De même, une conduite 24 de gaz équipée d'une vanne de détente 25 part du sommet de la colonne 2 et rejoint la conduite 12 juste en aval de la vanne de détente 13. Une autre conduite de gaz 26, équipée d'une vanne de détente (non représentée), part d'un emplacement de la colonne 2 voisin du point de soutirage du liquide pauvre (conduite 11) et rejoint cette conduite 11 juste en aval de la vanne de détente de celle-ci.
En fonctionnement, un faible débit d'air véhiculé, à la pression d'alimentation de la colonne 2, par la conduite 19, 20, est détendu dans la vanne de détente 22 et injecté dans le liquide riche qui vient d'être détendu dans la vanne de détente 7. Les bulles d'air allègent le liquide riche et réduisent la pression nécessaire pour le faire remonter jusque dans la colonne 2.
Dans le même but, un faible débit d'air véhiculé par la conduite 19, 21 est détendu dans la vanne de détente 23 et injecté dans le liquide riche qui vient d'être détendu dans la vanne de détente 10. Le débit d'air total dévié par la conduite 19 est faible, typiquement inférieur à 1 % du débit d'air entrant dans l'installation.
De même, de l'azote pratiquement pur véhiculé par la conduite 24 est détendu dans la vanne de détente 25 et injecté dans l'azote liquide qui vient d'être détendu dans la vanne de détente 13, et de l'azote impur véhiculé par la conduite 26 est, après détente, injecté dans le liquide pauvre véhiculé par la conduite 11 et détendu.
Il est à noter que, du fait de la pureté de l'azote liquide véhiculé par la conduite 12, le gaz d'allègement correspondant (dans la conduite 24) doit être de l'azote pratiquement pur. En revanche, les compositions du liquide riche et du liquide pauvre ne sont pas critiques, de sorte que les gaz d'allègement correspondants peuvent avoir des compositions quelque peu différentes de ces liquides, pourvu qu'ils ne les polluent pas, d'autant plus que le débit de ces gaz est très faible.
En pratique, les vannes de détente principales 7, 10 et 13 sont placées aussi bas que possible pour garantir leur alimentation par du liquide franc, et l'on introduit des bulles de gaz juste en aval de ces vannes de détente pour assister la propulsion vers le haut des liquides en question. Plus précisément, la pression des gaz d'allègement doit être suffisante pour vaincre la hauteur de liquide qui surmonte le point d'injection du gaz, et cette pression est obtenue, dans l'exemple représenté, grâce au fait que chaque gaz, qui est disponible à la pression de la colonne 3, est injecté au-dessus du point de soutirage du liquide associé.
Les figures 2 et 3 illustrent, dans le cas de la remontée de l'azote liquide via la conduite 12, deux variantes d'obtention du gaz d'allégement. Dans ces deux variantes, la conduite 24 et la vanne de détente 25 sont supprimées.
Dans la variante de la figure 2, un débit minoritaire contrôlé d'azote liquide véhiculé par la conduite 12 by-passe le sous-refroidisseur 14 via une conduite de by-pass 24A équipée, de préférence à son point le plus bas, d'une vanne de détente 25A et aboutissant en aval de la vanne de détente 13.
Le liquide ainsi dérivé, n'étant pas sous-refroidi, produit en se détendant, une quantité de gaz de flash relativement importante et réglable, qui sert de gaz d'allègement.
Dans la variante de la figure 3, la vanne de détente 25A est supprimée, et il est prévu, dans la conduite 12, une vanne trois voies 27 ayant une entrée reliée à la conduite 12 en amont du sous-refroidisseur 14, une sortie reliée à l'entrée de ce sous-refroidisseur et une autre sortie reliée à la conduite de by-pass 24A.
De plus, cette conduite 24A aboutit en amont de la vanne de détente 13.
Ainsi, un débit minoritaire contrôlé d'azote liquide n'est pas sous-refroidi, de sorte qu'une quantité réglable de gaz de flash est produite lors de la détente dans la vanne de détente 13 et sert de gaz d'allégement.
Bien entendu, les variantes selon les figures 2 et 3 s'appliquent également à la remontée des autres liquides.
On comprend que la variante de la figure 2, quoique basée sur la même idée que celle de la figure 1, est moins efficace en ce sens qu'elle permet bien d'alléger les liquides montants en limitant à un minimum la production des gaz de flash, lequel est défavorable à la distillation, mais qu'elle ne permet pas le redémarrage de l'installation en cas d'engorgement accidentel des conduites montantes.

Claims (10)

  1. Procédé de transfert d'un liquide, via une conduite montante (6, 9, 11, 12) équipée d'une vanne de détente (7, 10, 13), d'une première colonne de distillation (2), fonctionnant à une première pression, à un équipement (3), notamment une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une pression inférieure à la première pression, caractérisé en ce qu'on injecte dans la conduite montante, en aval de la vanne de détente, un gaz d'allègement disponible à une pression supérieure à la pression créée par une colonne du liquide entre le point d'injection du gaz et le point d'introduction du liquide dans ledit équipement (3).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'allègement est disponible à la pression de ladite première colonne de distillation (2) et est injecté dans le liquide dans la conduite montante au-dessus du point de soutirage de ce liquide.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise comme gaz d'allégement un gaz soutiré en un point de la première colonne (2) et choisi de façon à ne pas modifier substantiellement la composition du liquide transféré.
  4. Procédé selon la revendication 2, pour le transfert du liquide de cuve d'une colonne moyenne pression (2) d'une double colonne de distillation d'air (1) à un point intermédiaire d'une colonne basse pression (3) surmontant cette colonne moyenne pression, et/ou au condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon couplée à la colonne basse pression (3), caractérisé en ce qu'on utilise, comme gaz d'allégement, un faible débit d'air d'alimentation de la double colonne (1).
  5. Procédé de transfert d'un liquide, via une conduite montante (6, 9, 11, 12) équipée d'une vanne de détente (7, 10, 13), d'une première colonne de distillation (2), fonctionnant à une première pression, à un équipement (3), notamment à une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une deuxième pression inférieure à la première pression, caractérisé en ce qu'on sous-refroidit le liquide avant sa détente, à l'exception d'une fraction minoritaire de ce liquide, de manière à produire une quantité contrôlée de gaz de flash, ce gaz de flash est injecté en aval, de la vanne de détente (7,10,13) et sert de gaz d'allégement du liquide.
  6. Installation de distillation, du type comprenant une première colonne de distillation (2) fonctionnant à une première pression, un équipement (3), notamment une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, et une conduite montante (6, 9, 11, 12) équipée d'une vanne de détente (7, 10, 13) et reliant un point de soutirage de liquide de la première colonne (2) à un point d'introduction de liquide dans ledit équipement (3), situé au-dessus du point de soutirage, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen d'injection (19 à 26) dans la conduite montante, en aval de la vanne de détente, d'un gaz d'allégement disponible à une pression supérieure à la pression créée par une colonne dudit liquide entre le point d'injection du gaz et le point d'introduction du liquide dans ledit équipement.
  7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le gaz d'allégement est prélevé dans la première colonne (2) ou à l'entrée de celle-ci, et en ce que ledit moyen d'injection (19 à 26) débouche dans la conduite montante (6, 9, 11, 12) à un niveau au-dessus du point de départ de cette conduite.
  8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit moyen d'injection comprend une conduite de gaz (11, 24) équipée d'une vanne de détente (25) et partant d'un point de la première colonne (2) voisin du point de soutirage dudit liquide.
  9. Installation selon la revendication 7, dans laquelle la première colonne (2) est la colonne moyenne pression (2) d'une double colonne de distillation d'air (1) et ledit équipement est la colonne basse pression (3), surmontant cette colonne moyenne pression, de la double colonne, et/ou le condenseur de tête d'une colonne de séparation oxygène/argon couplée à la colonne basse pression (3), caractérisée en ce que ledit moyen d'injection comprend une conduite (19 à 21) équipée d'une vanne de détente (22, 23) et partant de la conduite (5) d'arrivée de l'air à distiller ou de la cuve de la colonne moyenne pression (2).
  10. Installation de distillation, du type comprenant une première colonne de distillation (2) fonctionnant à une pression relativement élevée, un équipement (3), notamment une seconde colonne de distillation, fonctionnant à une pression relativement basse, et une conduite montante (6, 9, 11, 12) équipée d'une vanne de détente (7, 10, 13) et reliant un point de soutirage de liquide de la première colonne (2) à un point d'introduction de liquide dans ledit équipement (3), caractérisée en ce que la conduite montante (6, 12) traverse un sous-refroidisseur (8, 14) en amont de la vanne de détente (7,13) et est pourvue d'un by-pass (24A) de ce sous-refroidisseur et de la vanne (13), ce by-pass étant équipé d'une vanne de détente (25A).
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