Pour les grands projets industriels dans les secteurs de la sidérurgie, de la chimie, de l’électronique et dans des secteurs similaires, un approvisionnement continu et stable en gaz industriels en vrac est essentiel à la production. Les unités de séparation cryogénique de l'air (ASU) sur site-sont devenues le choix privilégié pour ces projets. Par rapport à l’achat d’oxygène/azote liquide ou à l’utilisation d’adsorption modulée en pression (PSA) pour la génération d’azote, la technologie de séparation cryogénique de l’air offre des avantages irremplaçables dans trois dimensions : capacité volumique, cohérence de la pureté et économie de fonctionnement.
Principaux défis de l'approvisionnement en gaz pour les grands projets
Les projets à grande échelle-ont plusieurs exigences distinctes en matière de gaz : un volume de consommation élevé, des spécifications de pression et de pureté fixes et une tolérance extrêmement faible en cas d'interruption d'approvisionnement. Pour une unité de séparation d'air produisant plus de 10 000 Nm³/h d'oxygène, si elle dépend de l'oxygène ou de l'azote liquide acheté, l'investissement dans des réservoirs de stockage, des camions-citernes et des vaporisateurs au seul stade du transport est considérable-sans parler des coûts de transport continus des liquides et de la volatilité de la chaîne d'approvisionnement.
Un autre problème souvent négligé est celui du point de rosée et des impuretés. Certaines réactions chimiques ou certains gaz de protection de qualité électronique-ont des limites extrêmement strictes en matière d'humidité, de dioxyde de carbone et d'hydrocarbures. Le processus de distillation cryogénique élimine naturellement ces impuretés, ce qui constitue un avantage caché de la production de gaz sur-site.
Comment la technologie de séparation d’air cryogénique gère des débits élevés
Le principe de base de la technologie de séparation cryogénique de l'air utilise les différences de point d'ébullition des composants de l'air (oxygène -183 degrés, azote -196 degrés) à travers des étapes séquentielles : compression, pré-refroidissement, purification, réfrigération par expansion et séparation par colonne de distillation. Pour des demandes de gaz élevées de l'ordre de dizaines de milliers de mètres cubes par heure, le diamètre de la colonne et la conception du plateau de la colonne de distillation à plusieurs étages déterminent l'efficacité de la séparation. Les unités cryogéniques à grande échelle utilisent généralement un processus à double colonne (pression de colonne inférieure d'environ 0,5 à 0,6 MPa, colonne supérieure proche de la pression atmosphérique), atteignant des taux d'extraction d'oxygène supérieurs à 95 %, nettement supérieurs aux 50 à 70 % du PSA.
En ingénierie réelle, une unité KDON-20 000 (20 000 Nm³/h d'oxygène, 40 000 Nm³/h d'azote) consomme environ 0,45 à 0,55 kWh par Nm³ d'oxygène. Le coût total de la vaporisation de l’oxygène liquide acheté à la même échelle est généralement 30 à 40 % plus élevé. C’est la logique économique qui explique pourquoi les grands projets choisissent finalement des unités cryogéniques sur site.
Répondre à l'adéquation de l'alimentation et du niveau de pression de plusieurs-produits co-
Les grands projets nécessitent souvent simultanément de l’oxygène, de l’azote, de l’argon et même des gaz rares à différents niveaux de pureté. Le flux de distillation de la technologie de séparation de l'air cryogénique permet une production simultanée via des ports de soufflage latéraux : oxygène de procédé d'une pureté de 99,6 %, azote de pureté de 99,999 % et argon brut ou raffiné. Une configuration courante comprend de l'oxygène pour la combustion ou la gazéification, et de l'azote divisé en deux flux -un flux à basse-pression pour la purge et l'inertage, et un autre flux à moyenne-pression (1,0-1,5 MPa) pour l'air d'instrument ou l'appoint de pression.
La correspondance des niveaux de pression affecte directement la configuration du compresseur de l'utilisateur. De nombreuses unités cryogéniques peuvent produire directement de l'azote sous pression entre 0,8 et 1,2 MPa, éliminant ainsi le besoin de surpresseurs supplémentaires. L'oxygène nécessite cependant un compresseur d'oxygène ou une pompe à oxygène liquide dimensionné en fonction de la pression du procédé en aval.
Points de sélection clés à partir de projets réels
Lorsqu'un projet de cokéfaction de 2-millions-tonnes-par an sélectionnait son unité de séparation de l'air, l'utilisateur a d'abord envisagé d'acheter de l'oxygène liquide. Après calcul, ils ont constaté que la consommation quotidienne d'oxygène liquide d'environ 180 tonnes nécessitait 3 à 4 camions-citernes en fonctionnement continu, une capacité de réservoir de stockage d'au moins 150 mètres cubes et que la classification de zone dangereuse de la cokerie signifiait une pression de contrôle de sécurité pour l'accès des camions. Ils ont finalement choisi une unité cryogénique KDON-15000 occupant seulement 900 mètres carrés (comprenant la boîte froide, les adsorbeurs à tamis moléculaire et le bâtiment des compresseurs). Après deux ans d’exploitation, le coût par tonne d’oxygène était d’environ 28 % inférieur à celui d’achat.
Autre expérience : lors de la sélection d'un fournisseur ASU ou d'une société d'ingénierie, portez une attention particulière à plusieurs documents techniques :-la sélection du garnissage structuré dans la colonne de distillation (un garnissage à haute-efficacité peut réduire la hauteur de la colonne de 2 à 3 mètres), la configuration des canaux de l'échangeur de chaleur principal et si le détendeur est national ou importé. Ces détails affectent directement le niveau de consommation d'énergie de l'unité et son cycle de fonctionnement continu (les meilleures pratiques de l'industrie permettent d'obtenir plus de deux ans de fonctionnement sans arrêt pour maintenance).
Stratégie d’exploitation, de maintenance et de pièces de rechange
Une fois qu'une unité de séparation d'air cryogénique démarre, la colonne de distillation et la tuyauterie à l'intérieur de la boîte froide restent à des températures cryogéniques. Après un arrêt, le réchauffement et le redémarrage prennent 24 à 48 heures ou plus, et chaque cycle thermique réduit la durée de vie de l'équipement. Par conséquent, les grands projets tentent de maintenir les unités en fonctionnement continu, en s'appuyant sur des conceptions redondantes telles que des compresseurs de service/de secours et des vannes de commutation à tamis moléculaire pour gérer les défauts.
Lors de la signature d'un-contrat de maintenance à long terme, les utilisateurs doivent spécifier plusieurs paramètres : taux de fonctionnement (pas moins de 95 %), plage de fluctuation de la pureté de l'oxygène (± 0,1 %) et consommation d'énergie spécifique maximale. Pour les pièces de rechange, le tamis moléculaire est généralement remplacé tous les 5 à 6 ans, la garniture de la colonne de distillation a une durée de vie nominale de plus de 15 ans et les roulements à expansion et les buses sont des éléments d'usure courante.
La technologie de séparation cryogénique de l'air joue un rôle évident dans les grands projets industriels : lorsque la demande de gaz atteint plus de 10 000 Nm³/h et que le calendrier du projet dépasse trois ans, le coût total de possession d'une unité cryogénique sur site-est inférieur à celui de toute alternative achetée ou non-cryogénique. Ce qu'il fournit va au-delà des gaz -il offre un contrôle sur l'autonomie de la chaîne d'approvisionnement. La clé de la décision réside dans l'analyse des chiffres : additionnez le total sur trois -ans d'achats d'oxygène et d'azote liquides, les coûts de gestion du transport et les investissements de redondance de sécurité, puis comparez cela à l'investissement d'ingénierie plus les coûts d'électricité de fonctionnement d'une unité cryogénique. Les données vous donneront la réponse.
