Brevet FR2651035A1 — publié le 19910222

La présente invention concerne un procédé de production d'azote gazeux sous basse pression, à partir d'un mélange à séparer, tel que de l'air, contenant principalement de l'azote et de l'oxygène. Pour produire de l'azote à partir d'air atmosphérique par exemple, on connait déjà un procédé selon lequel: - on comprime à une pression. au moins égale à la basse pression le mélange à traiter, de l'ordre de 3 à 5 bars, - on refroidit le mélange comprimé, - on soumet le mélange refroidi à une distillation fractionnée, sous la basse pression, pour obtenir en pied une fraction enrichie en oxygène et en tête une fraction enrichie en azote, - on soutire au moins une partie de la -fraction enrichie en azote, sous forme gazeuse, constituant l'azote gazeux sous basse pression, - on soutire une fraction enrichie en oxygène, sous forme liquide, et, pour au moins une partie de ladite fraction, on la détend à une pression inférieure à la basse pression, et on la vaporise en échange de chaleur avec la fraction enrichie en azote en condensation, - on recycle une partie de l'azote réchauffé, que l'on comprime et refroidit pour l'introduire dans un échangeur de pied de colonne, pour condensation, puis après détente on l'introduit en tête de colone. La présente invention a pour objet un procédé tel que défini et décrit précédemment, permettant tout à la fois un bon rendement d'extraction en azote, et une tenue en froid de l'unité de production, par détente dans une turbine d'un gaz pauvre en oxygène. Selon la présente invention, la production de froid nécessaire au procèdé est assurée par détente d'au moins un flux gazeux, frigorigène, dont la teneur en oxygène est inférieure à 50 % molaire, obtenu à partir d'une partie des courants suivants, à savoir d'une part le mélange à traiter comprimé, et d'autre part un courant d'azote recyclé, dérivé de l'azote gazeux produit, comprimé à une pression relativement haute, -refroidi et détendu. Selon une forme de mise en oeuvre le flux gazeux frigorigène est au moins une partie du mélange à traiter, détendu avant son introduction dans la colonne et selon une variante, le flux gazeux frigorifique est une partie du mélange à traiter détendu à pression inférieure à la basse pression puis réchauffé. Dans une forme particulière de mise en oeuvre, le flux gazeux frigorifique est réuni au flux gazeux enrichi en oxygène avant réchauffement. Selon une autre forme de mise en oeuvre, le flux gazeux frigorifique est une partie de l'azote recyclé, qui est détendue jusqu'à une pression au plus égale à la basse pression avant d'être réchauffé dans l'échangeur, puis recomprimée et selon une variante, le flux gazeux frigorifique est, après détente, réuni au flux riche en azote extrait de la colonne. On peut également prévoir que le flux gazeux frigorifique est comprimé, refroidi, détendu dans un ensemble turbine "booster". Selon une autre mise en oeuvre, la distillation fractionnée est effectuée en deux étages, le premier à température relativement basse, et le second à température relativement haute pour séparer une fraction relativement lourde, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz riche en azote est comprimé, refroidi et condensé en échange de chaleur avec la fraction en cuve du deuxième étage de distillation, puis détendu et introduit en tête dudit étage, un flux de production relativement lourd étant soutiré de l'étage, puis réchauffé. Selon une forme de mise en oeuvre, une partie condensée du gaz de cycle est dérivée vers une capacité-tampon, avec prélèvement et réintroduction dans la colonne en cas d'accroissement du débit de la production d'azote, tandis qu'une partie du courant de liquide riche en oxygène est envoyée vers une capacité tampon., pour être réinjecté dans le condenseur de tête de colonne, en cas de réduction de la production d'azote. Dans une réalisation particulière, on associe les actions du flux frigorigène d'origine gaz à traiter avec le flux frigorifique de gaz de recyclage. L'invention concerne également un procédé de production d'azote gazeux (X/Y) à partir d'un mélange à traiter contenant principalement de l'azote et de l'oxygène, par exemple de l'air, selon lequel: - on comprime à une pression au moins égale à la basse pression le mélange à traiter,- - on refroidit le mélange comprimé, - on soumet le mélange refroidi à une distillation fractionnée, sous la basse pression, pour obtenir une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote, - on soutire au moins une partie de la fractioni enrichie en azote, sous forme gazeuse, constituant l'azote gazeux sous basse pression, - on soutire une fraction enrichie en oxygène, sous forme liquide, et pour au moins une partie de ladite fraction, on la détend à une pression inférieure à la basse pression, et on la vaporise en échange de chaleur avec la fraction enrichie en azote en condensation, - on recycle une partie de l'azote réchauffé, que l'on cormprime et refroidit pour l'introduire dans un échangeur de pied de colonne, pour condensation, que l'on détent et que l'on introduit en tête de colonne caractérisé en ce que l'apport de froid est effectué au moins en partie par admission d'azote liquide dans la colonne. Selon une forme de mise en oeuvre, l'apport de froid est effectué au moins en partie par admission d'azote liquide dans le condenseur de -tête de colonne. La présente invention est maintenant décrite par référence aux dessins annexés, dans lesquels: -la figure 1 représente un premier mode d'exécution du procédé selon l'invention - la figure 2 représente un deuxième mode d'exécution du procédé selon l'invention; - la figure 3 représente un troisième mode d'exécution du procédé selon l'invention. Conformément à la figure 1, on comprime (de manière non représentée), à une pression supérieure à la basse pression de la colonne de distillation (4), définie ci-après, un courant de gaz, par exenple d'air préalablement épuré de manière traditionnelle. Dans l'échangeur de chaleur (2), ce courant est refroidi jusqu'à une température intermédiaire représentée par le niveau (2a). Puis ce courant gazeux est détendu à la basse pression de l'ordre de 3 à 5 bars abs. dans la turbine (3), puis introduit dans la colonne de distillation (4), à un niveau intermédiaire entre deux étages de distillation, l'un supérieur (4a) et l'autre inférieur (4b). A la partie inférieure de la colonne (4), on recueille une fraction. liquide enrichieen oxogène (7), laquelle est extraite de la colomnne, le cas échéant sous-refroidie dans l'écmhangeur (10), détendue dans la vame (8) et finalement introduite dans le condenseur de la colonne (4), constitué pour l'essentiel par un échangeur (5) pour la circulation de tout ou partie de la fraction gazeuse disponible en tête de la colonne (4) . Cette fraction enrichie en oxygène est extraite du condenseur précité, sous la fonre d'un courant (9), lequel est, le cas échéant, réchauffé dans l'échangeur (10), puis l'échangeur (2), et finalement utilisé ou évacué à la sortie de l'échangeur précité. Quant à la fraction enrichie en azote disponible en ôete de la colonne (4) , une partie condensée dans l'échangeur (5) assure une partie du reflux de la distillation. Une partie peut être extraite sous forme liquide par le conduit (12). Et une autre partie est extraite, sous forme gazeuse par le conduit (11). Le courant correspondant est réchauffé le cas échéant, dans l'échangeur (10), puis dans l'échangeur (2), pour obtenir à la sortie de ce dernier un courant d'azote gazeux relativement pur, sous la basse pression, dont une partie (X et/ou Y) constitue la production de l'unité de séparation. Dîne autre partie compririe en (13) de ce courant (11), sous. la forme du flux (14), est recyclée dans l'unité de séparation. Ce courant (14) est tout d'abord refroidi dans l'échangeur.(2), au moins en partie condensé au pied de la colonne (4), dans l'échangeur (6), et échange de chaleur avec la fraction riche en oxygène, en cours de;;.:zsation. Puis le courant (20) d'azote condensé est, le cas échéant, sous-refroidi dans l'échangeur (10), détendu dans la vanne (17), et introduit en tête de la colonne (4). Préalablement, une partie (15) peut être dérivée du courant (20) pour constituer une autre fraction d'azote liquide de production. Selon ce premier mode d'exécution, la colonne de distillation (4) travaille sous une pression relativement basse, comprise entre 3 et bars abs. par exemple. Le mode d'exécution selon la figure (2) diffère d- décrit précédemmnent, par les caractéristiques essentielles s. les références numériques coxmunes avec la figure 1 désignant des courants ou composants identiques ou ayant la même fonction. Tout d'abord, la distillation fractionnée est effectuée en deux étages, à'savoir: - un premier étage à température relativement basse, équivalant à la colonne de distillation (4) de la figure 1, - et un second étage (155) à température relativement haute, fonctionnant sous une pression relativement haute, comprise entre 6 et 12 bars. En correspondance avec ce deuxième étage (155), le courant d'azote recyclé (14) est introduit dans ce dernier, au lieu d'erre introduit comme précédemment dans le premier étage (4). Plus précisément, ce courant (14) est condensé au moins en partie au pied de la colonne (155), dans l'échangeur (166), par échange de chaleur avec la fraction riche en azote relativement lourde en cours de vaporisation, toujours au pied de la même colonne. Puis le courant (14) passe éventuellement dans un piège à impuretés - telle CO - du type à adsorption froide (167) représenté en pointillé, détendu dans une vanne (168), et introduit en tête de la colonne (155). La fraction relativement légère disponible en tête de cette même colonne (155) est en totalité condensée dans l'échangeur (6) existant au pied de la colonne (4) , en échange de chaleur avec la fraction riche en oxygène en cours de vaporisation, disponible au pied de la colonne (4). La fraction relativement lourde disponible au pied de la colonne (155), est évacuée par le conduit (1 sous forme gazeuse, réchauffée dans l'échangeur (2), et évacuée à l'état réchauffé de l'installation. Une fraction relativement lourde disponible sous forme liquide au pied du deuxième étage (155) est soutirée en un courant 177 qui est détendu dans la vanne (169) et introduit en tête du premier étage (4) de distillation. Par ailleurs, le courant d'air comprimé (1) est divisé en deux parties. la première (2a) traitée comme précédemment, c'est-à-dire détendue dans -. turbine (3) et introduite dans la colonne (4), et une seconde et dernière partie poursuivant son refroidissement dans l'échangeur (2) jusqu'à liquéfaction (111), détendue dans la vanne (112) et introduite dans la colonne (4), au dessus du point d'introduction du courant gazeux (1) détendu. La colonne de distillation (4) peut donc être divisée en trois zones, respectivement de haut en bas (4a), (4b) et (4c). Le mode d'exécution conforme à la figure 3 diffère de celui représenté à la figure 1 par les caractéristiques essentielles suivantes. Tout d'abord, comme à la figure 2, le courant d'air comprimé (1) est divisé en deux parties, d'une part une partie (2a) soumise à la détente dans la turbine (3), et d'autre part une partie résiduelle (121), introduite dans la colonne (4). Mais le courant d'air détendu (112) est extrait de l'installation, sans passage dans la colonne de distillation (4), par réunion avec la fraction (9) riche en oxygène et vaporisée, l'ensemble (9-112) étant ensuite réchauffé dans l'échangeur (2) et utilisé ou évacué. Pour le reste, par la technique du "biberonnage", il est possible de stocker les fractions liquides disponibles dans l'installation, pendant des périodes de production relativement faible, et de restituer ces fraction liquides à l'installation, pendant les périodes de production importante. A cette fin, le courant d'azote recyclé peut être. extrait par un conduit (20a) vers une capacité-tampon (20c), et restituée par le conduit (20b) à la colonne (4), en aval de la vanne (17). De la même manière, la fraction riche en oxygène (7) peut être extraite de l'installation par un conduit de dérivation (7a), vers la capacité-tampon (7c), et restituée par le conduit (7b), à la colonne (4), en aval de la vanne (8). Le mode d'exécution conforme à la figure 4 diffère de celui représenté à la figure 1 par les caractéristiques essentielles suivantes: - Le mélange gazeux à traiter est envoyé (1) directement (sans détente) entre les sections (4a) et (4b) de la colonne (4), après passage dans l'échangeur (2). - Une partie (141) du gaz de recyclage riche en azote (14) est en partie soutirée à température intermédiaire (2b) de l'échangeur (2) pour être détendu jusqu'à la basse pression dans une turbine (142), et est, sans passer dans la colonne (4), - réuni au courant riche en azote (11) extrait de la colonne (4), pour former un courant (41) qui est réchauffé dans l'échangeur (2). Le mode d'exécution conforme à la figure 5 diffère de celui représenté à la figure 4 par les caractéristiques essentielles suivantes: - Une partie (142) du gaz de recyclage riche en azote est dérivée avant passage dans l'échangeur (2) pour être admis dans la partie compresseur (52) d'un ensemble turbine (53) - compresseur frein (52), ou "booster" (54), 26 5 1 0 35 et ensuite introduit dans l'échaugeur (2) pour pour être extrait à une température intermédiaire (2c) et envoyé dans la turbine (53) du "booster" (54), le gaz détendu en (56) est réuni, comme précédemment, au courant riche en azote (11). Le mode d'exécution conforme à la figure 6 diffère de celui représenté à la figure 5 par les caractéristiques essentielles suivantes: - le gaz (66) issu de la turbine (53) a été ici détendu à une pression plus basse que celle du courant riche en azote (11). Il est donc réchauffé dans l'échangeur (2) dans des passages qui lui sont propres (67), le courant réchauffé étant ensuite recomprimé en (62) pour être admis à l'aspiration du compresseur (13). Selon la figure 7, on renonce purement et simplement au circuit de gaz recyclé et détendu dans la turbine et on lui substitue un apport d'azote liquide (71) admis en tête de la colonne (4). Selon une variante de réalisation représentée à la figure 4, on peut combiner le procédé décrit avec celui de la figure 1 en prévoyant de dériver à la température 2c une partie (143) du gaz' à traiter pour le détendre en (144) et l'envoyer dans la colonne (4) dans une section intercalaire entre deux étages 4b et 4b2. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'azote gazeux (X/Y) à partir d'un mélange (1) à traiter contenant principalement de l'azote et de l'oxygène, par exemple de l'air, selon lequel: - on comprime à une pression au moins- égale à la basse pression le mélange (1) à traiter, de l'ordre de 3 à 5 bars, - on refroidit (2) le mélange comprimé, - on soumet le mélange refroidi à une distillation fractionnée (4), sous la basse pression, pour obtenir en pied une fraction enrichie en oxygène et en tête une fraction enrichie en azote, - on soutire au moins une partie (11) de la fraction enrichie en azote, sous forme gazeuse, constituant l'azote gazeux sous basse pression, - on soutire une fraction (7) enrichie en oxygène, sous forme liquide, et, pour au moins une partie de ladite fraction (7), on la détend (8) à une pression inférieure à la basse pression, et on la vaporise (5) en échange de chaleur avec la fraction enrichie en azote en condensation, - on recycle une partie (14) de l'azote réchauffé, que l'on comprime (13) et refroidit (2) pour l'introduire dans un échangeur (6) (166) de pied de colonne, pour condensation, puis après détente (17) on l'introduit en tête de colonne, caractérisé en ce que la production de froid nécessaire au procédé est assurée par détente d'au moins un flux gazeux, frigorigène, dont la teneur en oxygène est inférieure à 50 % molaire, obtenu à partir d'une partie des courants suivants, à savoir d'une part le mélange à traiter comprimé (1), et d'autre part un courant (14) d'azote recyclé, dérivé de l'azote (11) gazeux produit, comprimé (13) (52) à une pression relativement haute, refroidi (2) et détendu (142) (53). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux gazeux frigorigène est au moins une partie du mélange (1) à traiter, détendu (3) avant son introduction dans la colonne (4). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux gazeux frigorifique est une partie du mélange (1) à traiter, détendu (3) à pression inférieure à la basse pression (112) puis réchauffé (2). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le flux gazeux frigorifique (112) est réuni au flux gazeux enrichi en oxygène (9) avant réchauffement (9). - 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux gazeux frigorifique est une partie (14) de l'azote recyclé, qui est détendu (142) jusqu'à une pression au plus égale à la basse pression avant d'être réchauffé dans l'échangeur (2), puis recomprimé (13). 6. Procédé de production d'azote gazeux, selon la revendication 5, caractérisé en ce que le flux gazeux frigorifique (141) est, après détente (142), réuni au flux riche en azote (11) extrait de la colonne. 7. Procédé de production d'azote gazeux selon l'une des revendications 1 ou 5 caractérisé en ce que le flux gazeux frigorifique est comprimé (52), refroidi (2), détendu (53) dans un ensemble turbine (55) - "booster" (54). 8. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la distillation fractionnée est effectuée en deux étages, le premier (4) à température relativement basse, et le second (155) à température relativement haute pour séparer une fraction (17) relativement lourde, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz riche en azote (14) est comprimé (13), refroidi (2) et condensé (166) en échange de chaleur avec la fraction en cuve du deuxième étage de distillation (155), puis détendu (168) et introduit en tête dudit étage (155), un flux de production (18) relativement lourd étant soutiré de l'étage (155), puis réchauffé en (2). 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie condensée (20a) du gaz de cycle (14) est dérivée vers une capacité-tampon (20c), avec prélèvement et réintroduction dans la colonne (4) en cas d'accroissement du débit de la production d'azote. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une partie du courant de liquide riche en oxygène est envoyée vers une capacité tampon (7c), pour être réinjectée dans le condenseur de tête de colonne (4), en cas de réduction de la production d'azote.