Brevet FR2578532A1 — publié le 19860912

"PROCEDE ET INSTALLATION DE PRODUCTION D'AZOTE" 2578532 La présente invention est relative à la production d'azote par distillation d'air. Elle concerne en premier lieu un procédé de production d'azote sous une pression dite haute presseion, du type dans lequel de l'air, cciprimé sous une pression voisine de la haute pression et refroidi au voisinage de son point de rosée, est introduit à la base d'une colonne de distillation fonctionnant sous ladite haute pression, le liquide riche recueilli en cuve de cette colonne est détendu à une moyenne pression intermédiaire entre la haute pression et la pression atnmosphérique et utilisé pour refroidir un condenseur de tête de la colonne, et l'azote gazeux produit est soutiré en tête de la colonne en vue de son utilisation. Dans les installations de production d'azote sous pression, l'azote est généralement produit directement à la pression d'utilisation, par exemple comprise entre 5 et 10 bars. De l'air épuré, campriré légèrement audessus de cette pression, est distillé pour produire l'azote en tête de colonne, et le reflux est assuré par détente du "liquide riche" (liquide de cuve de la colonne, constitué par de l'air enrichi en oxygène) et refroidissement du condenseur de tête de la colonne au moyen de ce liquide détendu. Le liquide riche se vaporise ainsi sous une pression comprise entre 3 et 6 bars environ. Si la taille de l'installation le justifie, le liquide riche vaporisé est passé dans une turbine de détente pour assurer la tenue en froid de l'installation mais, souvent, cette production frigorifique est excédentaire, ce qui correspond à une perte d'énergie. Dans l'hypothèse inverse, la tenue en froid est assurée par un appoint en azote liquide provenant d'une source extérieure, et le liquide riche vaporisé est simplement détendu dans une vanne puis traverse la ligne d'échange thermique servant au refroidissement de l'air de départ. Par suite, là encore, une partie de l'énergie du liquide riche vaporisé est perdue. L'invention a pour but de fournir un procédé qui permet de fournir à l'installation la quantité de froid exactement nécessaire à l'équilibre thermique tout en mettant à profit dans tous les cas l'énergie contenue dans le liquide riche vaporisé. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que l'on introduit le liquide riche détendu en un erplacement intermédiaire d'une colonne auxiliaire fonctionnant sous ladite moyenne pression, on refroidit ledit condenseur au moyen du liquide de cuve de cette colonne auxiliaire, on détend une partie de ce liquide à une pression basse pour refroidir un condenseur de tête de la colonne auxiliaire, on soutire du liquide en tête de la colonne auxiliaire, on pçmpe ce liquide jusqu'à la haute pression, et on l'injecte en tête de la colonne principale. L'invention a également pour objet une installation de production d'azote sous pression destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une colonne de distillation alimentée à sa base par de l'air cauprimé au voisinage de la haute pression et refroidi au voisinage de son point de rosée, cette colonne comportant des moyens pour détendre sous une moyenne pression intermédiaire entre la haute pression et la pression atmosphérique son liquide de cuve en vue de refroidir son condenseur de tête, et des moyens de soutirage d'azote gazeux en tête de la colonne et d'envoi de cet azote vers un utilisateur, est caractérisée en ce qu'elle coeprend: une colonne auxiliaire fonctionnant sous ladite moyenne pression et catçortant des moyens pour introduire le liquide de cuve de la première colonne, après détente, en un emplacement intermédiaire de cette colonne auxiliaire; des moyens pour alimenter le condenseur de tête de la première colonne avec le liquide de cuve de la colonnre auxiliaire; des moyens pour détendre une partie du liquide de cuve de la colonne auxiliaire afin d'alimenter le condenseur de tête de cette mnme colonne; des moyens pour soutirer du liquide en tête de la colonne auxiliaire; une pompe pour amener ce liquide à la haute pression; et des tyens pour injecter le liquide ainsi cocprimé en tête de la première colonne. Deux exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma d'une installation suivant l'invention dépourvue de turbine de détente; et - la figure 2 est un schéma d'une installation suivant l'invention équipée d'une turbine de détente. L'installation de production d'azote pur schématisée à la figure 1 est une installation de taille relativement petite dépourvue de toute turbine de détente. Elle comprend une ligne d'échange thermique 1 et une double colonne de distillation 2. Cette dernière est constituée d'une colonne principale inférieure 3 fonctionnant sous haute pression, c'est-à-dire sous la pression de production de l'ordre de 8 à 10 bars, et d'une colonne auxiliaire supérieure 4 fonctionnant sous une moyenne pression de l'ordre de 4 à 5 bars. Chacune de ces colonnes cormporte un condenseur de tête, 5, 6 respectivement. De l'air épuré, cOaprimé à une pression légèrement supérieure à la haute pression, est refroidi au voisinage de son point de rosée à travers la ligne d'échange 1 et introduit à la base de la colonne 3. Le liquide riche en équilibre avec cet air, recueilli en cuve de la colonne 3, est détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 7 et introduit en un point intermédiaire de la colonne 4. Dans celle-ci, le liquide descendant s'enrichit en oxygène et vient, en cuve, refroidir le condenseur principal 5 pour assurer le reflux dans la colonne 3. Une partie du même liquide est de nouveau détendue, jusqu'à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, dans une vanne de détente 8, puis sert à refroidir le condenseur auxilaire 6 pour assurer le reflux dans la colonne 4. Le mnoe liquide, après vaporisation, est envoyé à contre-courant par une conduite 9 à travers la ligne d'échange 1, pour constituer le gaz résiduaire de l'installation. La vapeur qui monte dans la colonne 4 s'enrichit progressivement en azote, et c'est de l'azote pur qui est condensé par le condenseur supérieur 6. Une fraction du débit condensé est recueillie par une rigole 10, soutirée de la colonne 4, ramenée par une pompe 11 à la haute pression et réinjectée au soamet de la colonne 3. L'azote gazeux est soutiré en tête de cette dernière et envoyé à contre-courant par une conduite 12 à travers la ligne d'échange 1, en vue de son utilisation. La tenue en froid de l'installation est assurée par un envoi complémentaire d'azote liquide sous haute pression, en provenance d'une source extérieure 13, en tête de la colonne 3. L'énergie contenue dans le liquide riche sous haute pression est utilisée non seulement pour assurer la distillation dans cette colonne 3, caome il est usuel, mais également pour distiller ce liquide dans la colonne 4 et, ainsi, augmenter la production d'azote au moyen de la quantité soutirée en tête de cette dernière. L'installation de la figure 2 ne diffère de celle de la figure 1 que par la manière dont est réalisé l'appoint en froid: il s'agit d'une installation de grande taille équipée d'une turbine de détente 14, tandis que la source extérieure d'azote liquide 13 de la figure 1 est supprimée. Du gaz est prélevé dans la partie inférieure de la colonne 4, est envoyé via une conduite 15 à contre-courant de la ligne d'échange 1, jusqu'au niveau de température approprié, puis sorti de cette ligne d'échange, détendu dans la turbine 14 et injecté dans la conduite 9 sous basse pression en amont de la ligne d'échange. On voit qu'avec un tel agencement, on peut régler le débit turbiné à la valeur juste nécessaire pour assurer l'équilibre thermique, indépendamment de la haute pression. Bien entendu, plus le débit turbiné est élevé, moins on pourra soutirer d'azote liquide en tête de la colonne 4, pour une pureté donnée de l'azote. Par ailleurs, si l'on ne cherche pas à produire de l'azote à haute pureté, on peut augmenter le débit soutiré en tête de la colonne 4. REVENDICAIONS 1. - Procédé de production d'azote sous une pression dite haute presseion, du type dans lequel de l'air, comprimé sous une pression voisine de la haute pression et refroidi au voisinage de son point de rosée, est introduit à la base d'une colonne de distillation (3) fonctionnant sous ladite haute pression, le liquide riche recueilli en cuve de cette colonne est détendu à une moyenne pression interdiaire entre la haute pression et la pression atmosphérique et utilisé pour refroidir un condenseur de tête (5) de la colonne, et l'azote gazeux produit est soutiré en tête de la colonne en vue de son utilisation, caractérisé en ce que l'on introduit le liquide riche détendu en un emplacement intermédiaire d'une colonne auxiliaire (4) fonctionnant sous ladite moyenne pression, on refroidit ledit condenseur (5) au tmoyen du liquide de cuve de cette colonne auxiliaire, on détend une partie de ce liquide à une pression basse pour refroidir un condenseur de tête (6) de la colonne auxiliaire (4), on soutire du liquide en tête de la colonne auxiliaire, on poape ce liquide jusqu'à la haute pression, et on l'injecte en tête de la colonne principale (3). 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit dans la colonne principale (3) un appoint d'azote liquide provenant d'une source extérieure (13). 3. - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on détend dans une turbine (14), pour produire du froid, du gaz prélevé dans la colonne auxiliaire (4). 4. - Installation de production d'azote sous pression dite haute pression, du type caoprenant une colonne de distillation (3) alimentée à sa base par de l'air ccmprimé au voisinage de la haute pression et refroidi au voisinage de son point de rosée, cette colonne camportant des moyens (7) pour détendre sous une moyenne pression intermiédiaire entre la haute pression et la pression atmosphérique son liquide de cuve en vue de refroidir son condenseur de tête (5), et des tmoyens (12) de soutirage d'azote gazeux en tête de la colonne et d'envoi de cet azote vers un utilisateur, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend: une colonne auxiliaire (4) fonctionnant sous ladite moyenne pression et caportant des tmoyens pour introduire le liquide de cuve de la première colonne (3), après détente, en un emplacement intermédiaire de cette colonne auxiliaire; des moyens pour alimenter le condenseur de tête (5) de la première colonne (3) avec le liquide de cuve de la colonne auxiliaire (4); des moyens (8) pour détendre une partie du liquide de cuve de la colonne auxiliaire (4) afin d'alimenter le condenseur de tête (6) de cette même colonne (4); des moyens (11) pour soutirer du liquide en tête de la colonne auxiliaire (4) une pompe (11) pour amener ce liquide à la haute pression; et des moyens pour injecter le liquide ainsi comprimé en tête de la première colonne (3). 5. - Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une source extérieure d'azote liquide (13) reliée au soamet de la colonne principale (3). 6. - Installation suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine de production frigorifique (14) alimentée par du gaz provenant de la colonne auxiliaire (4).