Brevet FR2728663A1 — publié le 19960628

1i 2728663 La présente invention est relative à un procédé de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'oxygène et de l'azote par distillation dans un appareil cryogénique, du type comprenant les étapes de: comprimer le mélange gazeux; - épurer le mélange gazeux comprimé en eau et en dioxyde de carbone; - refroidir le mélange gazeux épuré au voisinage de sa température de rosée; - distiller le mélange gazeux refroidi dans une colonne de distillation afin de produire un produit liquide; et - fournir toute la puissance frigorifique de l'appareil par un moyen autre qu'un groupe frigorifique, notamment par un cycle de réfrigération et/ ou par l'injection d'un liquide provenant d'une source extérieure dans la colonne. Les conditions climatiques sont importantes dans la conception des appareils de séparation d'air et, plus généralement, dans les appareils cryogéniques. Plus particulièrement, l'eau de refroidissement des réfrigérants des différentes étapes de compression du compresseur d'air peut varier selon le climat et même entre le jour et la nuit, de manière importante dans certains pays, de sorte que l'on peut enregistrer dans ces pays des fluctuations de température sur l'eau de l'ordre de 15 C. Ces variations sont résolues actuellement par l'installation en sortie du réfrigérant final, d'un groupe frigorifique fournissant l'appoint de frigories que l'eau n'a pas été capable de donner. Le groupe frigorifique présente l'inconvénient d'être d'un investissement coûteux et d'utiliser au moins une machine toumrnante, qui est peu fiable et consommatrice d'énergie. US-A-4.375.367 décrit un système dans lequel un débit d'air à distiller est refroidi avant d'être épuré par recyclage de l'air produit par le système d'épuration. Néanmoins, l'usage d'un groupe frigorifique est indispensable dans ce cas. EP-A-0.624.765A divulgue un système qui permet de substituer le groupe frigorifique par un système d'échange de chaleur avec un débit de fluide sous pression provenant de l'installation de séparation d'air. L'usage 2 2728663 d'un fluide de cycle pour refroidir l'air en amont du système d'épuration n'est pas décrit. Cette demande de brevet ne divulgue pas non plus une installation dans laquelle l'air est prérefroidi dans un échangeur auxiliaire avec un seul autre fluide. Le but de l'invention est de fournir une solution capable de remédier à ces inconvénients, c'est-à-dire: - fournir un appoint de frigories moins coûteux en investissement et en énergie et ce, sans utiliser de machine toumrnante, et de permettre une réfrigération de l'air à température constante (environ 25 C) avant son épuration par adsorption. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé comme décrit ci- dessus, caractérisé en ce que l'on refroidit au moins une partie du mélange gazeux entre les étapes de compression et d'épuration par échange de chaleur indirect avec un débit de fluide frigorigène produit par la colonne de distillation ou avec un fluide frigorigène constituant une autre partie du mélange gazeux à distiller. La solution proposée s'applique à tous les appareils de distillation d'un mélange gazeux contenant de l'oxygène et de l'azote et qui, pour cela, utilisent un cycle frigorifique, par exemple un mélange gazeux ou d'azote. Elle est bien adaptée aux appareils de production de liquide. L'invention s'applique en particulier aux petits appareils de production de liquide par distillation d'air qui utilisent un cycle azote capable de fournir à l'air l'appoint nécessaire en frigories pour sa réfrigération jusqu'à sa température d'épuration. L'invention peut consister à installer en sortie du réfrigérant final du compresseur d'air un échangeur auxiliaire permettant, par exemple, l'échange thermique entre l'air comprimé avec une fraction d'azote de cycle pris à un niveau intermédiaire d'un échangeur principal. L'air comprimé est ainsi refroidi par l'azote de cycle qui est réchauffé dans cet échangeur auxiliaire, puis remélangé au reste de l'azote de cycle ayant poursuivi son réchauffement dans l'échangeur principal. Si l'on veut maintenir constant l'écart de température au bout chaud de l'échangeur principal et soutirer une fraction d'azote de cycle à un 3 2728663 niveau intermédiaire de l'échangeur principal, il faut augmenter le débit du fluide de cycle dans cet échangeur. Globalement, cette solution apporte un gain en investissement de l'ordre de 1 %. Le procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le cycle frigorifique est un cycle d'azote; - le fluide frigorigène avec lequel le mélange gazeux échange de la chaleur est le fluide de cycle; le débit de fluide frigorigène est réglé pour maintenir constante la température de la partie de mélange gazeux; - on épure le mélange gazeux en eau et en dioxyde de carbone par un système de perméation et/ou d'adsorption; - le débit de fluide est un débit d'azote produit par une colonne moyenne pression d'une double colonne de distillation; - toute la puissance frigorifique de l'appareil est fournie par au moins un cycle frigorifique; - après le refroidissement d'au moins une partie du mélange gazeux, le débit de fluide est liquéfié et injecté dans la colonne de distillation. L'invention a également pour objet une installation de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène par distillation cryogénique comprenant un compresseur, un système d'épuration, un échangeur principal, au moins une colonne de distillation et des moyens constituant un système de réfrigération, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur auxiliaire qui met le mélange gazeux comprimé par le compresseur en relation d'échange thermique avec un fluide frigorigène provenant soit de la colonne, soit de l'alimentation en aval du système d'épuration. L'installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - une vanne de réglage pour contrôler la quantité de fluide frigorigène envoyé à l'échangeur auxiliaire; - le fluide frigorigène circule dans le cycle de réfrigération; 4 2728663 -le fluide frigorigène est de l'azote gazeux provenant d'une colonne moyenne pression d'une double colonne; - le système d'épuration fonctionne par adsorption ettou perméation; - des moyens pour liquéfier au moins une partie du fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire et d'envoyer au moins une partie du fluide liquéfié à la colonne de distillation; - au moins un compresseur qui comprime le fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés qui représentent schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'invention. Dans le système de la figure 1, un débit d'air est comprimé à 6 bar par un compresseur 1 et refroidi jusqu'à 40 C dans un réfrigérant à l'eau 3. Ensuite, le débit rentre dans l'échangeur auxiliaire 5 o il refroidit jusqu'à 25 C par échange de chaleur avec un débit d'azote à 6 bar. Des pots séparateurs (non représentés) en sortie du réfrigérant 3 et de l'échangeur 5 permettent d'évacuer l'eau condensée de l'air traité après refroidissement. Après épuration de l'eau restante et du dioxyde de carbone dans un appareil à plusieurs lits d'adsorbant 7, I'air est refroidi dans l'échangeur principal 9 au voisinage de son point de rosée, puis envoyé en cuve d'une double colonne classique 11 dans laquelle l'air est séparé en oxygène liquide, azote résiduaire à la pression de la colonne basse pression (1,3 bar) et azote gazeux et liquide sensiblement purs à la pression de la colonne moyenne pression (6 bar). Le débit d'azote gazeux sensiblement pur est réchauffé dans l'échangeur principal 9 jusqu'à une température de 22 C, d'o on soutire le premier débit 13A d'azote pur par la vanne de soutirage 15 avant de passer dans l'échangeur auxiliaire 5 o il refroidit l'air d'alimentation jusqu'à 25 C. L'azote du cycle 13A est ainsi réchauffé à 37 C. Un deuxième débit d'azote pur gazeux 13B poursuit son réchauffement dans l'échangeur principal 9 jusqu'à 35 C et rejoint le premier débit 13A après son passage dans l'échangeur auxiliaire 5. Apres être comprimés à 30 bar par le compresseur 17 et refroidis dans l'échangeur 19, les débits réunis sont recomprimés jusqu'à 42 bar dans le compresseur 21 et refroidis dans l'échangeur principal 9. Partiellement réchauffé, un troisième débit 13C 2728663 d'azote pur recomprimé est détendu dans la turbine 23 de 42 bar jusqu'à 6 bar et recyclé avec l'azote gazeux soutiré de la colonne à 6 bar. Le débit d'azote pur restant se liquéfie dans l'échangeur 9 et sert de reflux pour la colonne moyenne pression de la double colonne 11. Le compresseur 21 est couplé à la turbine 23. L'azote résiduaire se réchauffe dans l'échangeur principal 9, est encore réchauffé dans le réchauffeur électrique 8 et sert à régénérer un des lits d'adsorbant de l'appareil 7. On peut réguler le débit de cycle soutiré de la ligne principale 9 à une température intermédiaire en asservissant la vanne de soutirage 15 à la température de l'air en sortie de l'échangeur auxiliaire 5. En période hivemrnale, la température de l'eau peut atteindre 20- 22 C. Dans ces conditions, l'air comprimé sortira du réfrigérant final du compresseur i à une température voisine de 25 C et la vanne 15 sera fermée. En période estivale, la température de l'eau peut atteindre 30- 32 C et l'air en sortie du réfrigérant final du compresseur 1 sera à une température voisine de 40 C. L'azote de cycle 13A sera alors envoyé à un débit suffisant par ouverture suffisante de la vanne 15 pour que la température de l'air en sortie de l'échangeur auxiliaire 5 soit voisine de 25 C. Le système ne comporte aucun groupe frigorifique, toute la puissance frigorifique étant fournie par le cycle d'azote. Le système de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 en ce que le cycle d'azote est remplacé par un cycle d'air (le mélange gazeux à distiller). L'équipement reste essentiellement le même. Après épuration, le débit d'air est comprimé dans le compresseur 17 à 30 bar, refroidi dans l'échangeur 19 et recomprimé par le compresseur 21 à 42 bar. Ensuite, I'air se refroidit dans l'échangeur principal 9. Un débit d'air 13C est soutiré après être partiellement refroidi, la partie restante de l'air étant donc liquéfiée et envoyée à la colonne 11. Le débit 13C est détendu jusqu'à 6 bar dans la turbine 23. Une partie de cet air détendu est envoyé à la colonne 11 comme alimentation gazeuse et le reste de l'air est réchauffé dans l'échangeur 9. Un débit 13A de cet air est partiellement réchauffé, soutiré par la vanne 15 et envoyé à l'échangeur auxiliaire 5 o il refroidit tout l'air d'alimentation jusqu'à 25 C. Le débit 13A 6 2728663 rejoint ensuite l'air à comprimer dans le compresseur 17. Le débit 13B d'air poursuit son réchauffement et rejoint l'air d'alimentation en aval du système d'épuration 7. Dans le système de la figure 3, les besoins frigorifiques d'une simple colonne 31 sont fournis par un système d'injection d'azote liquide en tête de la colonne. L'azote liquide provient d'une source extérieure. Une partie du liquide riche vaporisé est utilisée pour refroidir l'air d'alimentation dans un échangeur auxiliaire 5 en amont du système d'épuration 7, de préférence après détente dans une turbine 33. On note que dans les installations des figures 2 et 3, le groupe frigorifique est remplacé par un autre système de réfrigération moins coûteux et plus facile à entretenir. 7 2728663 REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène par distillation dans un appareil cryogénique comprenant les étapes de: - comprimer le mélange gazeux; - épurer le mélange gazeux comprimé en eau et en dioxyde de carbone; - refroidir le mélange gazeux épuré au voisinage de sa température de rosée; - distiller le mélange gazeux refroidi dans au moins une colonne de distillation (11); et fournir la puissance frigorifique de l'appareil par un système de réfrigération autre qu'un groupe frigorifique, caractérisé en ce que l'on refroidit au moins une partie du mélange gazeux entre les étapes de compression et d'épuration par échange de chaleur indirect avec un débit (13B) de fluide frigorigène produit par la colonne de distillation ou avec un fluide frigorigène constituant une partie du mélange gazeux à distiller. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le système de réfrigération est un cycle frigorifique. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le fluide frigorigène avec lequel le mélange gazeux échange de la chaleur est le fluide de cycle frigorifique. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le système de réfrigération est un cycle d'air ou un cycle d'azote. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit (13B) de fluide frigorigène est réglé pour maintenir constante la température de la partie de mélange gazeux. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on épure le mélange gazeux en eau et en dioxyde de carbone par un système de perméation et/ou d'adsorption (7). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit (13B) de fluide frigorigène est un débit d'azote produit par une colonne moyenne pression d'une double colonne de distillation (11). 8 2728663 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du mélange gazeux ou du débit de fluide frigorigène est liquéfié et injecté dans la colonne de distillation (11). 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système de réfrigération comprend l'injection d'un débit de liquide froid provenant d'une source extérieure dans la colonne de distillation (11). 10. Installation de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène par distillation cryogénique comprenant un compresseur (1), un système d'épuration (7), un échangeur principal (9), au moins une colonne de distillation (11) et des moyens (17, 21, 23) constituant un système de réfrigération, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur auxiliaire (5) qui met le mélange gazeux comprimé par le compresseur (1) en relation d'échange thermique avec un fluide frigorigène provenant soit de la colonne (11), soit de l'alimentation en aval du système d'épuration (7). 1. Installation selon la revendication 10, dans laquelle une vanne de réglage (15) contrôle la quantité de fluide frigorigène envoyé à l'échangeur auxiliaire (5). 12. Installation selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle le fluide frigorigène circule dans le cycle de réfrigération. 13. Installation selon l'une des revendications 10 à 12, dans laquelle le fluide frigorigène est de l'azote gazeux provenant d'une colonne moyenne pression d'une double colonne (11) ou une partie du mélange gazeux. 14. Installation selon l'une des revendications 10 à 13, dans laquelle le système d'épuration (7) fonctionne par adsorption ettou perméation. 15. Installation selon l'une des revendications 10 à 14 comprenant des moyens (17, 19, 21) pour liquéfier le fluide frigorigène en aval de I'échangeur auxiliaire (5) et d'en envoyer au moins une partie à la colonne de distillation (11). 16. Installation selon l'une des revendications 10 à 15 comprenant au moins un compresseur (17, 21) qui comprime le fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire (5). 9 2728663 17. Installation selon l'une des revendications 10 à 16 comprenant des moyens pour injecter un débit de liquide provenant d'une source extérieure dans la colonne de distillation (11). 18. Installation selon l'une des revendications 10 à 17 dans laquelle l'échangeur auxiliaire (5) met le mélange gazeux en relation d'échange thermique avec un seul fluide frigorigène.