Brevet FR2655137A1 — publié le 19910531

La présent e invention est relative la tech- nique de distillation d'air avec production d'argon au moyen d'une installation de distillation d'air à double colonne Elle concerne en premier lieu un procédé du type dans lequel de l'air à traiter, épuré de l eau et du CO)2 et refroidi au voisinage de son point de rosée, est injecté à la base de la colonne moyenne pression de la double colonne; une première fraction de liquide riche, soutirée en cuve de la moyenne pression, est détendue et envoyée dans un condenseur de tête d'une colonne de production-d'argon impur reliée à la colonne basse pression de la double colonne; et une seconde fraction de liquide riche, soutirée à la partie inférieure de la colonne moyenne pression, est détendue et injectée en reflux dans la colonne basse pression. Pour assurer certaines -productions, par exemple de l'argon sous forme liquide et également de l'oxygène liquide et de l'azote liquide, les instal- lations d'air doivent être équipées d'une turbine dans laquelle est détendue une fraction importante du débit d'air entrant, par exemple 15 à 17 % de ce débit, ou un débit équivalent d'azote moyenne pression. Cependant, ceci conduit à une dégradation des conditions de distillation dans la colonne basse pression, qui se traduit notamment par une baisse du rendement d'extraction en argon Un soutirage direct d'azote moyenne pression conduit à des conséquences analogues. L'invention a pour but de permettre de con- server un rendement élevé d'extraction en argon malgré ce facteur défavorable. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que: (a) ladite seconde fraction de liquide riche est soutirée en un point intermédiaire de la colonne moyenne pression; et (b) on forme un gaz résiduaire de l'instal- lation à partir d'au moins une partie du liquide riche soutiré en cuve de-la colonne moyenne pression. L'invention a également pour objet une ins- tallation destinée à la mise en oeuvre d'un tel pro- cédé Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation, une colonne de pro- duction d'argon impur reliée à la colonne basse pression de cette double colonne, des moyens pour envoyer dans le condenseur de tête de la colonne de production d'argon impur une première fraction de liquide riche soutirée en cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne, et des moyens pour envoyer en reflux dans la colonne basse pression, après détente, une seconde fraction de liquide riche soutirée à la partie inférieure de la colonne moyenne pression, est caractérisée en ce que: (a) ladite seconde fraction de liquide riche est soutirée en un point intermédiaire de la colonne moyenne pression; et (b) l'installation comprend des moyens auxi- liaires pour former un gaz résiduaire de l'installa- tion à partir d'au moins une partie du liquide riche soutiré en cuve de la colonne moyenne pression. Quelques exemples de mise en oeuvre de l'in- vention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels la Fig 1 représente schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'inven- tion; et les Fig 2 à 4 sont des vues analogues de trois variantes. L'installation représentée à la Fig 1 comprend essentiellement une double colonne de distil- lation 1, Urie colonne de production d'argon impur 2, et un tronçon de colonne de mélange 3 Dans ce qui suit, les pressions indiquées sont des pressions abso- lues approximatives. La double colonne 1 comprend une colonne moyenne pression 4 fonctionnant vers 6 bars, surmontée d'une colonne basse pression 5 fonctionnant un peu au-dessus de 1 bar Un vaporiseur-condenseur 6 met la vapeur de tête de la colonne 4 (azote) en relation d'échange thermique avec le liquide de cuve de la colonne 5 (oxygène à peu près pur) Une conduite de gaz 7 dite de piquage argon relie un point intermé- diaire de la colonne 5 à la partie inférieure de la colonne 2, du fond de laquelle une conduite de retour de liquide 8 rejoint la colonne 5, à peu près au même niveau La colonne 2 comporte un condenseur de tête 9. L'air à séparer, comprimé et épuré en eau et en C 02, par exemple par adsorption, est injecté à la base de la colonne 4 Un premier "liquide riche" (air enrichi en oxygène) LR 1, constitué par le liquide re- cueilli en cuve de la colonne 4, est soutiré via une conduite 10, sousrefroidi dans un sous-refroidisseur 11, et divisé en deux flux ou fractions: un premier flux est détendu dans une van- ne de détente 12 et entièrement vaporisé dans le con- denseur 9 Le gaz résultant est envoyé dans la colon- ne 5 via une conduite 13; le reste est détendu dans une vanne de détente 14 et envoyé au sommet du tronçon de colonne 3. Le sous-refroidisseur 11 est refroidi par circulation naturelle d'oxygène, prélevé sous forme liquide en cuve de la colonne 5 et renvoyé dans celle- ci après vaporisation au moins partielle. Un second liquide riche LR 2, dit liquide ri- che supérieur, est soutiré de la colonne 4 quelques plateaux au-dessus de la cuve, et plus précisément au voisinage du niveau o la concentration en argon est maximale Ce liquide, après sous-refroidissement en 11, est détendu dans une vanne de détente 15 et envoyé en reflux en un point intermédiaire de la colonne 5, au-dessus du débouché de la conduite 13 Du "liquide pauvre inférieur", riche en azote, est prélevé en un point intermédiaire de la colonne 4 situé au-dessus du liquide LR 2, puis, après détente, envoyé en reflux au sommet de la colonne 5, via une conduite 16. Au sommet de la colonne 5 est produit de l'azote impur, contenant une petite quantité d'oxygè- ne, qui est envoyé à la base du tronçon 3 via une con- duite 17; du fond du même tronçon part une conduite de liquide 17 A qui débouche au sommet de la colonne 5. Ainsi, le tronçon de colonne 3, bien qu'- ayant une structure analogue à une colonne de distil- lation à plateaux ou à garnissage, fonctionne en colonne de mélange le liquide qu'il reçoit en tête est moins riche en azote, et donc moins froid, que celui qu'il produit en cuve, ce qui correspond à un fonctionnement en pompe à chaleur obtenu grâce à l'énergie récupérée par remélange, dans des conditions voisines de la réversibilité, du liquide LR 1 et de l'azoté impur. La conduite 17 fournit ainsi un supplément de liquide de reflux pauvre en oxygène au sommet de la colonne 5, et la vapeur produite au sommet du tronçon 3 est évacuée de l'installation via une conduite 18 en- tant que gaz résiduaire. La colonne basse pression 5 est de plus sur- montée d'un minaret 19 servant à la production d'azote pur sous 1 bar Ce minaret communique à sa base avec le sommet de la colonne 5 et est donc alimenté par une partie de l'azote impur produit par celle-ci Son re- flux est constitué par de l'azote liquide arrivant via une conduite 20 L'azote basse pression est produit au sommet du minaret 19 et évacué via une conduite 21. L'installation peut produire par ailleurs de l'oxygène gazeux, de l'oxygène liquide, de l'azote gà- zeux moyenne pression et de l'azote liquide moyenne pression, via des conduites respectives 22 à 25 Une partie de l'azote gazeux est liquéfiée au moyen d'un cycle de liquéfaction auxiliaire (non représenté), et une partie de l'azote liquide ainsi produit alimente la conduite 20. En, variante, une partie du second flux de liquide LR 1 (liquide LR 1 non vaporisé dans le conden- seur 9) pourrait être envoyée directement en reflux, après détente, dans la colonne 5. L'argon impur est produit sous forme gazeuse et évacué du sommet de la colonne 2 via une conduite 26. On retrouve sur la Fig 2 l'essentiel des éléments décrits ci-dessus en regard de la Fig 1. Les différences sont les suivantes. D'une part, l'installation ne produit pas d'azote basse pression, de sorte que le minaret 19 est supprimé Pour simplifier la construction, le tronçon de mélange 3 est alors disposé directement au-dessus de la colonne 5, dans la même virole, et les conduites 17, 17 A et 21 sont supprimées De plus, la conduite est supprimée, et l'unique conduite 16 d'alimenta- tion en liquide pauvre de la colonne 5 débouche juste au-dessous de la base du tronçon 3 On a par ailleurs représenté à la Fig 2 une conduite 27 d'introduction d'azote liquide au sommet de la colonne 4. D'autre part, la totalité du liquide riche LR 1 est envoyée, après détente dans la vanne 12, dans le condenseur 9 Dans celui-ci, seul une partie du liquide est vaporisée, le gaz résultant étant envoyé comme précédemment dans la colonne 5 via la conduite 13 Le liquide non vaporisé, enrichi en oxygène, est envoyé au sommet du tronçon 3 Comme précédemment, une partie du liquide non vaporisé pourrait être envoyée directement en reflux dans la colonne 5. L'installation représentée à la Fig 3 ne diffère de celle de la Fig 1 que par la suppression du tronçon de mélange 3: la fraction du liquide LR 1 non envoyée au condenseur 9 est directement envoyée, après détente dans la vanne de détente 14, dans la co- lonne 5, et le gaz résiduaire évacué par la conduite 18 est constitué par au moins une partie du gaz ré- sultant de la vaporisation totale de liquide riche LR 1 effectuée dans le condenseur 9, le reste de ce gaz étant comme précédemment envoyé dans la colonne 5 via la conduite 13 Une conduite 17 B permet d'évacuer un second gaz résiduaire de l'installation, constitué d'azote impur, à partir du sommet de la colonne 5. Il est à noter que bien qu'il soit plus ri- che en oxygène que le liquide LR 2, le liquide détendu en 14 est injecté dans la colonne 5 au-dessus du li- quide LR 2, car il est moins riche en argon que ce der- nier Ceci favorise le rendement d'extraction en argon de l'installation. L'installation représentée à la Fig 4 ne diffère de la précédente que par le fait que la tota- lité du liquide LR 1 est, après détente dans la vanne de détente 12, envoyé dans le condenseur 9, o il n'est vaporisé que partiellement Le liquide non va- porisé, enrichi en oxygène, est envoyé en reflux dans la colonne 5 via une conduite 28, et le gaz résultant de la vaporisation est, comme à la Fig 3, partielle- ment évacué de l'installation en tant que gaz rési- duaire via la conduite 18 Pour la même raison qu'à la Fig 3, c'est la teneur en argon du liquide véhi- culé par la conduite 28 qui gouverne le niveau d'inj- ection de ce liquide dans la colonne 5 Dans l'exem- ple représenté, ce liquide est plus riche en argon que le liquide LR 2, et la conduite 28 aboutit par consé- quent au-dessous du point d'injection du liquide LR 2. REVENDICATIONS 1 Procédé de distillation d'air avec pro- duction d'argon au moyen d'une installation de distil- lation d'air à double colonne ( 1), du type dans lequel de l'air à traiter, épuré de l'eau et du CO et re- froidi au voisinage de son point de rosée, est injecté à la base de la colonne moyenne pression ( 4) de la double colonne; une première fraction de liquide riche (LR 1), soutirée en cuve de la moyenne pression, est détendue et envoyée dans un condenseur de tête ( 9) d'une colonne de production d'argon impur ( 2) reliée à la colonne basse pression ( 5) de la double colonne et une seconde fraction de liquide riche (LR 2), souti- rée à la partie inférieure de la colonne moyenne pres- sion, est détendue et injectée en reflux dans la co- lonne basse pression, caractérisé en ce que: (a) ladite seconde fraction de liquide riche (LR 2) est soutirée en un point intermédiaire de la colonne moyenne pression ( 4); et (b) on forme un gaz résiduaire de l'instal- lation à partir d'au moins une partie du liquide riche (LR 1) soutiré en cuve de la colonne moyenne pression. 2 Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit point est voisin de celui o la teneur en argon dans la colonne moyenne pression est maximale. 3 Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on envoie une troisième fraction de liquide riche (LR 1) soutirée en cuve la colonne moyenne pression ( 4), en tête d'un tronçon de colonne de mélange ( 3) alimenté en cuve par de l'azote impur soutiré en tête de la colonne basse pression ( 5), le liquide produit en cuve de ce tronçon étant envoyé en reflux dans la colonne basse pression et la vapeur de tête de ce tronçon étant évacuée de l'installation et constituant ledit gaz résiduaire. 4 Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on vaporise totalement ladite première fractions de liquide riche (LR 1) dans ledit condenseur de tête ( 9), le gaz résultant étant envoyé dans la colonne basse pression ( 5), ladite troisième fraction de liquide riche étant constituée par au moins une partie du reste du liquide riche (LR 1) sou- tiré en cuve de la colonne moyenne pression ( 4) (Fig 1). Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on vaporise partiellement ladite première fraction de liquide riche (LR 1) dans ledit condenseur de tête ( 9), et on envoie au moins une partie du liquide résultant de cette vaporisation partielle en tête d'un tronçon de colonne de mélange ( 3) alimenté en cuve par de l'azote impur soutiré en tête de la colonne basse pression ( 5), le liquide produit en cuve de ce tronçon étant envoyé en reflux dans la colonne basse pression et la vapeur de tête de ce tronçon étant évacuée de l'installation et cons- *tituant ledit gaz résiduaire (Fig 2). 6 Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite première fraction de li- quide riche (LR 1) est constituée par la totalité du liquide riche produit en cuve de la colonne moyenne pression ( 4). 7 Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on vaporise totalement ladite première fraction de liquide riche (LR 1) dans ledit condenseur de tête ( 9), et on évacue de l'ins- tallation une partie au moins du gaz ainsi formé pour constituer ledit gaz résiduaire (Fig 3). 8 Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite première fraction de liquide riche (LR 1) ne constitue qu'une partie du liquide riche produit en cuve de la colonne moyenne pression ( 4), le reste de ce liquide riche étant di- rectement envoyé,, après détente, à un niveau de la colonne basse pression ( 5) supérieur au point d'in- jection de ladite seconde fraction de liquide riche (LR 2). 9 Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on vaporise partiellement ladite première fraction (LR 1) dans ledit condenseur de tête ( 9), et on évacue de l'installation une partie au moins du gaz ainsi formé pour constituer ledit gaz résiduaire (Fig 4). Installation de distillation d'air, du type comprenant une double colonne de distillation ( 1), une colonne de production d'argon impur ( 2) re- liée à la colonne basse pression ( 5) de cette double colonne, des moyens ( 10) pour envoyer dans le conden- seur de tête ( 9) de la colonne de production d'argon impur une première fraction de liquide riche (LR 1) soutirée en cuve de la colonne moyenne pression ( 4) de la double colonne, et des moyens pour envoyer en re- flux dans la colonne basse pression, après détente (en ), une seconde fraction de liquide riche (LR 2) sou- tirée à la partie inférieure de la colonne moyenne pression, caractérisée en ce que (a) ladite seconde fraction de liquide ri- che (LR 2) est soutirée en un point intermédiaire de la colonne moyenne pression ( 4); et (b) l'installation comprend des moyens au- xiliaires ( 3, 18; 18) pour former un gaz résiduaire 1 1 de l'installation à partir d'au moins une partie du liquide riche (LR 1) soutiré en cuve de la colonne moyenne pression. 11 Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que ledit point est voisin de celui o la teneur en argon dans la colonne moyenne pression est maximale. 12 Installation suivant l'une des reven- dications 10 et 11, caractérisée en ce que ledit con- denseur de tête ( 9) est adapté pour vaporiser tota- lement ladite première fraction de liquide riche (LR 1), et en ce que lesdits moyens auxiliaires com- prennent un tronçon de colonne de mélange ( 3 >, des moyens pour envoyer en tête de ce tronçon une troisiè- me fraction de liquide riche (LR 1) soutirée en cuve de la colonne moyenne pression ( 4) et pour envoyer en cuve du même tronçon de l'azote impur soutiré en tête de la colonne basse pression ( 5), des moyens ( 17 A) pour envoyer en reflux dans la colonne basse pression le liquide produit en cuve dudit tronçon, et des moyens ( 18) pour évacuer de l'installation la vapeur de tête de ce tronçon, laquelle constitue ledit gaz résiduaire (Fig 1). 13 Installation suivant l'une des revendi- cations 10 et 11, caractérisée en ce que ledit con- denseur de tête ( 9) est adapté pour vaporiser par- tiellement ladite première fraction de liquide riche (LR 1), et en ce que lesdits moyens auxiliaires com- prennent un tronçon de colonne de mélange ( 3), des moyens pour envoyer en tête de ce tronçon au moins une partie du liquide résultant de cette vaporisation partielle et pour envoyer en cuve du même tronçon de l'azoté impur soutiré en tête de la colonne basse pression ( 5), des moyens ( 17 A) pour envoyer en reflux dans la colonne basse pression le liquide produit en cuve dudit tronçon, et des moyens ( 18) pour évacuer de l'installation la vapeur de tête de ce tronçon, la- quelle constitue ledit gaz résiduaire (Fig 2). 14 Installation suivant l'une des revendi- cations 10 et 11, caractérisée en ce que ledit con- denseur de tête ( 9) est adapté pour vaporiser tota- lement ladite première fraction de liquide riche (LR 1), lesdits moyens auxiliaires comprenant des moyens ( 18) pour évacuer de l'installation une partie au moins du gaz ainsi formé pour constituer ledit gaz résiduaire (Fig 3). Installation suivant l'une des revendi- cation 10 et 11, caractérisée en ce que ledit con- denseur de tête ( 9) est adapté pour vaporiser par- tiellement ladite première fraction de liquide riche (LR 1), lesdits moyens auxiliaires comprenant des moyens ( 18) pour évacuer de l'installation une partie au moins du gaz ainsi formé pour constituer ledit gaz résiduaire (Fig 4).