Brevet FR2705141A1 — publié le 19941118

La présente invention est relative à la production d'argon. Elle a pour but de fournir un procédé économique de production de ce gaz rare. A cet effet, ltinvention a pour premier objet un procédé cryogénique de production d'argon à partir dtun mélange ternaire 02/N2/Ar, caractérisé en ce que: - on refroidit le mélange jusqu au voisinage de son point de rosée, et on l'introduit à un niveau intermédiaire dans une simple colonne de distillation; - au-dessous de ce niveau, on soutire de la simple colonne un mélange contenant essentiellement de ltoxygène et de l'argon, que lTon envoie à la base d'une colonne de production d'argon; et - on assure le chauffage de la simple colonne et le reflux des deux colonnes au moyen d'un cycle à azote commun. Le procédé peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - on envoie du liquide de tête de la colonne de production d'argon à un niveau intermédiaire dans une colonne de déazotation chauffée en cuve et refroidie en tete par le cycle à azote, et on soutire de argon liquide pur en cuve de cette colonne de déazotation en tant que produit; - on condense azote de cycle sous haute pression en cuve de la simple colonne et éventuellement de la colonne de déazotation, et, après détente, on envoie une partie de cet azote en reflux en tête de la simple colonne et on vaporise le- reste en tête de la colonne de production d'argon et éventuellement en tête de la colonne de déazotation;; - on condense l'azote de cycle sous haute pression en cuve de la simple colonne et éventuellement de la colonne de déazotation, et, après détente, on vaporise cet azote en tête de la simple colonne et de la colonne de production d'argon et éventuellement en tête de la colonne de déazotation; - on détend l'azote de cycle à deux pressions différentes pour assurer le reflux d'une part de la simple colonne et éventuellement de la colonne de déazotation, et d'autre part de la colonne de production d'argon; - on prépare le mélange ternaire en effectuant une séparation primaire d'air atmosphérique, notamment du type cryogénique, PSA ou par perméation. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comprend - une ligne d'échange thermique; - une simple colonne de distillation pourvue d'un vaporiseur de cuve; - une colonne de production d'argon dont la cuve est reliée à un point intermédiaire de la simple colonne et qui est pourvue d'un condenseur de tête; - des moyens pour faire circuler le mélange ternaire dans la ligne d'échange thermique en vue de son refroidissement et l'introduire à un niveau intermédiaire dans la simple colonne, au-dessus dudit point intermédiaire; et - un cycle à azote commun pour alimenter le vaporiseur de cuve et le condenseur de tête et pour assurer le reflux en tête de la simple colonne. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'argon conforme à l'inven tion; et - la Figure 2 représente schématiquement une variante. L'installation représentée à la Figure 1 comprend essentiellement : un appareil 1 de séparation primaire d'air atmosphérique, par exemple du type PSA (Pressure Swing Adsorption), à perméateurs ou même du type cryogénique; une soufflante 2; une ligne d'échange thermique 3; une simple colonne de distillation 4 comportant un vaporiseur de cuve 5 mais dépourvu de condenseur de tête; une colonne 6 de production d'argon impur comportant un condenseur de tête 7 mais dépourvu de vaporiseur de cuve; une colonne de déazotation d'argon 8 comportant un vaporiseur de cuve 9 et un condenseur de tête 10; et un compresseur de cycle à azote 11. Les trois colonnes fonctionnent sous la basse pression, c'est-àdire légèrement au-dessus de la pression atmosphérique. L'air atmosphérique est traité dans l'appareil 1, qui produit un mélange ternaire enrichi en argon, contenant typiquement de l'ordre de 95 02, 4,5 Ar et 0,5 N2. Ce mélange, comprimé en 2, est refroidi au voisinage de son point de rosée en 3 puis introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 4, laquelle produit en tête de l'azote gazeux et en cuve de l'oxygène liquide. Une conduite de "piquage argon" 12 et une conduite de retour 13 relient un point de la colonne 4 situé au-dessous dudit niveau intermédiaire à la cuve de la colonne 6. Le niveau du piquage correspond sensiblement au maximum de la concentration en argon dans la colonne 4, et également à une très faible teneur en azote. La colonne 6 produit en tête de l'argon impur pratiquement sans oxygène, contenant un faible pourcentage d'azote, typiquement de 1 à 3% N2. Du liquide de tête de la colonne 6 est transféré via une conduite 14 à un niveau intermédiaire de la colonne 8, laquelle produit en tête de l'azote et en cuve de l'argon liquide pratiquement pur (LAR), qui est récupéré en tant que produit de l'installation. On décrira maintenant le cycle frigorifique à azote de l'installation, qui est commun aux trois colonnes 4, 6 et 8. L'azote de cycle haute pression sortant du dernier étage du compresseur 11 est refroidi du bout chaud au bout froid de la ligne d'échange thermique 3 puis séparé en deux courants - un premier courant qui est condensé en 5 puis, à son tour, divisé en un courant qui, après détente à la basse pression dans une vanne de detente 15, est directement envoyé en reflux en tête de la colonne 4, et en un courant qui, après détente à une moyenne pression dans une vanne de détente 16, est vaporisé dans le condenseur 7; et - un second courant qui est condensé en 9, détendu au voisinage de la pression atmosphérique dans une vanne de détente 17 et vaporisé dans le condenseur 10. L'azote produit en tête de la colonne 4 et en tête de la colonne 8, après détente au voisinage de la pression atmosphérique, et l'azote basse pression vaporisé en 10 sont réunis dans une conduite 18 et réchauffés à la température ambiante en 3. Une partie de cet azote est renvoyé à l'aspiration du compresseur et le reste constitue de l'azote gazeux de production (GAN), récupéré via une conduite 19. L'azote moyenne pression vaporisé en 7 est réchauffé en 3 et envoyé à un étage intermédiaire du compresseur 11, via une conduite 20. L'installation produit également de l'oxygène gazeux (GOX) sous basse pression, soutiré en cuve de la colonne 4 et, après réchauffement en 3, récupéré via une conduite 21. Le maintien en froid de la partie cryogénique de l'installation est assuré par "biberonnage", c'est-àdire par introduction d'un débit dosé d'un liquide cryogénique provenant d'une source extérieure, en l'occurrence d'oxygène liquide provenant d'un stockage 22 et introduit en cuve de la colonne 4 via une conduite 23. L'installation de la Figure 2 ne diffère de celle de la Figure 1 que par les points suivants. D'une part, la colonne 4 est équipée d'un condenseur de tête 24 dans lequel est vaporisé, sous la basse pression, l'azote de cycle qui était précédemment introduit directement en reflux dans la colonne. L'azote vaporisé est réuni aux trois autres courants d'azote gazeux basse pression véhiculés par la conduite 18. D'autre part, le maintien en froid de la partie cryogénique de l'installation est assuré non plus par "biberonnage", mais par détente d'azote. Ainsi, le stockage 22 et la conduite 23 sont supprimés, et une partie de l'azote de cycle sous la haute pression n'est refroidie en 3 que jusqu'à une température intermédiaire, puis est sortie de la ligne d'échange thermique, détendue à la basse pression dans une turbine 25 et réintroduite via une colonne 26, au niveau de température appropriée, dans les passages de réchauffement d'azote de cette ligne d'échange thermique. Comme on le comprend, si la colonne 4 est conçue de manière que la conduite de piquage argon 12 corresponde à une concentration pratiquement nulle en azote, la colonne 8 peut être supprimée, la colonne 6 produisant directement en tête l'argon pur de production. REVENDICATIONS 1 - Procédé cryogénique de production d'argon à partir d'un mélange ternaire 02/N2/Ar, caractérisé en ce que - on refroidit le mélange (en 3) jusqu'au voisinage de son point de rosée, et on l'introduit à un niveau intermédiaire dans une simple colonne de distillation (4); - au-dessous de ce niveau, on soutire (en 12) de la simple colonne un mélange contenant essentiellement de l'oxygène et de l'argon, que l'on envoie à la base d'une colonne de production d'argon (6); et - on assure le chauffage de la simple colonne et le reflux des deux colonnes au moyen d'un cycle à azote commun. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on envoie du liquide de tête de la colonne de production d'argon (6) à un niveau intermédiaire dans une colonne de déazotation (8) chauffée en cuve et refroidie en tête par le cycle à azote, et on soutire de l'argon liquide pur en cuve de cette colonne de déazotation en tant que produit. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on condense l'azote de cycle sous haute pression en cuve de la simple colonne (4) et éventuellement de la colonne de déazotation (8), et, après détente (en 15, 16, 17), on envoie une partie de cet azote en reflux en tête de la simple colonne et on vaporise le reste en tête de la colonne de production d'argon (6) et éventuellement en tête de la colonne de déazotation (8). 4 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on condense l'azote de cycle sous haute pression en cuve de la simple colonne (4) et éventuellement de la colonne de déazotation (8), et, après détente (en 15, 16, 17), on vaporise cet azote en tête de la simple colonne (4) et de la colonne de production d'argon (6) et éventuellement en tête de la colonne de déazotation (8). 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on détend l'azote de cycle à deux pressions différentes pour assurer le reflux d'une part de la simple colonne (4) et éventuellement de la colonne de déazotation (8), et d'autre part de la colonne de production d'argon (6). 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on prépare le mélange ternaire en effectuant une séparation primaire d'air atmosphérique, notamment du type cryogénique, PSA ou par perméation. 7 - Installation cryogénique de production d'argon à partir d'un mélange ternaire 02/N2/Ar, caractérisée en ce qu'elle comprend - une ligne d'échange thermique (3); - une simple colonne de distillation (4) pourvue d'un vaporiseur de cuve (5); - une colonne de production d'argon (6) dont la cuve est reliée à un point intermédiaire de la simple colonne et qui est pourvue d'un condenseur de tête (7); - des moyens (2) pour faire circuler le mélange ternaire dans la ligne d'échange thermique en vue de son refroidissement et l'introduire à un niveau intermédiaire dans la simple colonne, au-dessus dudit point intermédiaire; et - un cycle à azote commun pour alimenter le vaporiseur de cuve (5) et le condenseur de tête (7) et pour assurer le reflux en tête de la simple colonne. 8 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une colonne de déazotation (8) dont un point intermédiaire est relié à la tête de la colonne de production d'argon (6) et qui est chauffée en cuve (9) et refroidie en tête (10) par le cycle à azote, cette colonne de déazotation produisant en cuve de l'argon liquide de production. 9 - Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que lesdits moyens de circulation (2) sont reliés à la sortie d'un appareil de séparation primaire d'air atmosphérique (1), notamment du type cryogénique, PSA ou à perméateurs. 10 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le cycle à azote comprend des moyens (16) de détente d'azote à une moyenne pression pour l'alimentation du condenseur de tête (7) de la colonne de production d'argon (6), et des moyens (15, 17) de détente d'azote à une basse pression pour le refroidissement de la tête de la simple colonne (4) et éventuellement de la tête (10) de la colonne de déazotation (8), l'azote moyenne pression vaporisé étant renvoyé à un étage intermédiaire du compresseur de cycle (11).