Brevet FR2686405A1 — publié le 19930723

La présente invention concerne les procédés de séparation d'air en oxygène et azote dans une installation de distillation d'air à double colonne alimentée en air comprimé en au moins un premier et un deuxième étages de compression, fournissant en sortie de l'azote à une pression entre 2 et 7 x 105 Pa et à une première température, comprenant l'étape de détendre l'azote produit dans une turbine fournissant une énergie mécanique. Certains procédés chimiques, notamment de production de combustibles de synthèse, consomment d'importantes quantités d'oxygène, pouvant dépasser 5000 tonnes/jour. Les procédés de séparation cryogénique d'air en oxygène et azote dans une colonne de distillation d'air sont limités par le diamètre de ces dernières, qui fixe le débit de vapeur montant dans la colonne et donc la production d'oxygène. Pour obtenir des débits d'oxygène plus importants, il est connu de faire fonctionner la double colonne à des pressions relativement élevées, entre 2 et 7 x 105 Pa dans la colonne basse pression. Une telle augmentation de la pression de fonctionnement se traduit bien sûr par une surconsommation notable d'énergie puisqu'il faut comprimer l'air d'alimentation à séparer à une pression également accrue, pouvant atteindre 15 à 17 x 105 Pa.Les procédés utilisateurs nécessitant d'importantes quantités d'oxygène sont généralement exothermiques et excédentaires en énergie. Il est de ce fait tentant d'utiliser cet excédent en énergie pour compenser la surconsommation d'énergie de compression de l'air à haute pression, comme décrit dans le document- US-A-3.950.957 ou, plus récemment, le document EP-A-0.367.428, qui décrivent des procédés tels que définis ci-dessus mais en utilisant la chaleur de vapeur disponible dans un procédé associé pour chauffer l'azote produit avant sa détente dans la turbine. Toutefois, pour réaliser des installations de séparation d'air capables de production d'oxygène supérieures à 3500 tonnes/jour, la surconsommation d'énergie de compression dépasse notablement l'excédent d'énergie que peut offrir l'unité chimique utilisatrice associée. La présente invention a pour objet de proposer un procédé optimisé de séparation d'air permettant, sans apport thermique extérieur, de récupérer un maximum d'énergie sur l'azote produit et de réaliser ainsi des installations de séparation d'air à capacité de production d'oxygène augmentée, pouvant atteindre 5000 tonnes/jour. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, l'azote est acheminé, à une température n'excédant pas la première température, à la turbine de détente et celle-ci entraîne un compresseur du deuxième étage de compression de l'air d'alimentation de la colonne. Selon une autre caractéristique de l'invention, on effectue un échange de chaleur entre l'azote détendu et au moins l'air d'alimentation, et refroidi à une deuxième température en amont du deuxième étage de compression. Ainsi, l'azote produit étant à une pression moyenne, on récupère une partie substantielle dé son énergie de compression par détente dans la turbine entraînant le compresseur aval participant à la compression de l'air d'alimentation et, l'azote détendu étant à une deuxième température basse, on récupère des frigories par échange thermique avec l'air d'alimentation entre deux étages de compression, ce qui permet de gagner sur l'énergie de compression de ce dernier. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'air d'alimentation est épuré en eau et en dioxyde de carbone entre l'échange de chaleur avec l'azote détendu et le deuxième étage de compression. Ainsi, le refroidissement de l'air comprimé permet d'éliminer une grande partie de la vapeur d'eau qu'il contenait, ce qui réduit d'autant les quantités nécessaires d'alumine et d'adsorbant pour épurer complètement l'air de ces impuretés condensables, et permet d'abaisser d'autant les coûts de fonctionnement et d'investissement. La présente invention concerne également une installation de séparation d'air pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus, comprenant dans une boîte froide (1) une double colonne de distillation avec une colonne haute pression, une colonne basse pression, la colonne haute pression ayant au moins une entrée d'air reliée à une ligne d'alimentation en air comprimé comprenant au moins un premier et un deuxième compresseurs en série, la colonne basse pression ayant une sortie d'azote gazeux reliée à une ligne de production d'azote comprenant une turbine qui est couplée au deuxième compresseur de la ligne d'alimentation en air comprimé, dans ou hors de la boîte froide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement une installation de séparation d'air selon l'invention ; et - la figure 2 représente des variantes de réalisation de l'installation selon l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés. On a représenté sur la figure 1 une installation de séparation d'air pour la production d'oxygène à moyenne pureté et d'azote impur, comprenant dans une boîte froide 1 une double colonne de distillation constituée d'une colonne haute pression 2 et d'une colonne basse pression 3 de diamètre compris entre 6,5 et 7 mètres. La colonne haute pression 2 comporte une entrée 4 reliée à une ligne d'alimentation en air comprimé 5. La colonne basse pression 3 comporte, en tête, une sortie 6 d'azote impur reliée à une ligne de production d'azote 7 et, en cuve, une ligne 8 de production d'oxygène fournissant de l'oxygène à une unité utilisatrice 9, par exemple de production d'hydrocarbures à partir de gaz naturel ou de pétrole, ou de gazéification de charbon. Selon un aspect de l'invention, l'azote disponible en sortie de la boîte froide 1, à une première température T1 de l'ordre de 20"C et à une pression entre 2 et 7 x 105 Pa, est adressé directement, sans apport thermique extérieur à l'installation, à une turbine 10 où il est détendu à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique et à une température d'environ -35 C. L'azote ainsi refroidi traverse un échangeur de chaleur 11 traversé par la ligne d'alimentation en air comprimé 5 en aval d'un premier étage de compression 12, comprenant typiquement au moins deux compresseurs refroidis et en amont d'un compresseur 13 d'un étage final de compression entraîné par la turbine 10. L'air comprimé d'alimentation est ainsi refroidi, en sortie de l'échangeur 11, à une température inférieure à 10 C. Avantageusement, comme sus-mentionné, un poste 14 de séparation d'eau et de dioxyde de carbone comprenant un pot condenseur et au moins deux colonnes d'adsorption, est interposé entre l'échangeur 11 et le compresseur 13 fournissant en sortie de l'air sec comprimé à une pression entre 9 et 15 x 105 Pa qui est transmis, via la ligne d'échange thermique de la boîte froide 1 à l'entrée d'air 4 de la colonne HP 2. Les compresseurs du premier étage de compression 12 consomment la totalité de l'énergie excédentaire récupérable de l'unité utilisatrice d'oxygène 9. Une telle installation permet, avec une consommation d'énergie réduite, de fournir jusqu'à 5000 tonnes/jour d'oxygène. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le compresseur 13 associé à la turbine 10 dans la bofte froide 1 fonctionne à basse température, en aval de la ligne d'échange thermique 11' de la boîte froide 1 traversée également par la ligne de production d'oxygène 8. Le premier étage de compression 12 en amont de la ligne d'échange 11' comprime l'air, par exemple jusqu'à une pression d'environ 9 x 105 Pa abs. L'air comprimé est refroidi à une température inférieure à -1400C dans la ligne d'échange 11' et est sur-comprimé à une pression d'environ 15 x 105 Pa dans le compresseur 13. Le reflux en tête de la colonne haute pression 1 s'effectue dans un vaporiseur 15 qui agit en même temps comme rebouilleur dans la colonne basse pression 3 où la pression est d'environ 5 x 105 Pa. L'azote produit, en 6, en tête de la colonne basse pression 3 à une température T2 d'environ -180 C est détendu dans la turbine 10 jusqu'à une pression voisine de la pression atmosphérique. Cette détente produit dans le flux d'azote détendu un peu d'azote liquide qui est séparé dans un ballon séparateur 16 d'où il est récupéré par une pompe 17 et réintroduit en reflux dans la colonne basse pression 3.L'azote gazeux détendu et très froid traverse un échangeur de chaleur 18 où il effectue un très bon sous-refroidissement de l'azote haute pression prélevé par une ligne 19 en tête de la colonne haute pression 2 pour être réintroduit en reflux dans la colonne basse pression 3, puis un échangeur de chaleur 20 traversé par une ligne 21 de renvoi du liquide riche en oxygène disponible dans la cuve de la colonne haute pression 2, avant de traverser la ligne d'échange 11'. Si nécessaire à l'équilibre thermique de la ligne d'échange 11', dans le cas où cette dernière présente un excédent de froid, au moins une partie de l'air comprimé en sortie du compresseur aval 13 peut passer, comme indiqué par la ligne en pointillés 22, dans la ligne d'échange 11'. Dans le cas contraire, en variante, on peut récupérer au bout froid de la ligne d'échange 11' une partie des frigories disponibles dans l'azote produit avant son admission dans la turbine 10, comme représenté par la ligne en traits mixtes 23. Dans ce cas, comme représenté par la ligne en traits mixtes 24, l'azote détendu est adressé directement à l'échangeur 18. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air en oxygène et azote dans une installation de distillation d'air (1) à double colonne, alimentée en air comprimé en au moins un premier (12) et un deuxième (13) étages de compression et produisant de l'azote à une pression entre 2 et 7 x 105 Pa et à une première température (T1), comprenant l'étape de détendre l'azote produit dans une turbine (10) fournissant une énergie mécanique, caractérisé en ce que l'azote produit est acheminé, à une température n'excédant pas la première température (T1), à la turbine (10) et en ce que celle-ci entraîne un compresseur (13) du deuxième étage de compression de l'air d'alimentation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue (11 ; 11') un échange de chaleur entre l'azote détendu dans la turbine (10) et au moins l'air d'alimentation en amont du deuxième étage de compression (13). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'air d'alimentation est épuré entre l'échange de chaleur (11) et le deuxième étage de compression (13). 4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que l'azote est acheminé à la turbine (10) à une température nettement inférieure à la première température (T1) et l'azote détendu est réchauffé (18 ; 20) dans l'installation (1) avant échange de chaleur avec l'air comprimé, dans le premier étage de compression (12). 5. Installation de séparation d'air pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant, dans une boîte froide (1), une double colonne de distillation avec une colonne haute pression (2) et une colonne basse pression (3), la colonne haute pression ayant au moins une entrée d'air (4) reliée à une ligne d'alimentation en air comprimé (5) comprenant au moins un premier (12) et un deuxième (13) compresseurs en série, la colonne basse pression (3) ayant une sortie d'azote gazeux (6) reliée à une ligne de production d'azote (7) comprenant une turbine (10), caractérisée en ce que la turbine (10) est couplée au deuxième compresseur (13). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier échangeur de chaleur (11 ; 11') couplant au moins la ligne d'alimentation en air (5), en amont du deuxième compresseur (13), et la ligne de production d'azote (7), en aval de la turbine (10). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation d'air (7) comporte un poste d'épuration (14) entre le premier échangeur (11) et le deuxième compresseur (13). 8. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la turbine (10) est disposée en dehors de la boîte froide (1). 9. Installation selon la reyendication 6, caractérisée en ce que la turbine (10) est disposée dans la boite froide (1). 10. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la turbine (10) est reliée directement à la sortie d'azote gazeux (6) de la colonne basse pression (3). 11. Installation selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisée en ce que la ligne de production d'azote (7) traverse, en aval de la turbine (10), au moins un deuxième échangeur de chaleur (18 ; 20) traversé par une ligne d'échange de fluide (19 21) entre les colonnes haute pression (2) et basse pression (3). 12. Installation selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisée en ce que la double colonne (1) a un diamètre n'excédant pas 7 mètres. 13. Application d'une installation selon l'une des revendications 5 à 12 à l'alimentation en oxygène d'une unité (9) de production de combustible de synthèse.