Brevet FR2731781A1 — publié le 19960920

La présente invention concerne un procédé et un appareil de vaporisation d'un liquide. Plus particulièrement, elle s'applique à un procédé de vaporisation d'un liquide intégré dans un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique, tel qu'un procédé de distillation d'air. Il est souvent nécessaire de vaporiser un débit liquide par échange de chaleur latente avec un débit gazeux qui ainsi se condense. On s'intéresse au cas o les deux débits comprennent au moins deux constituants. Si ledit liquide est plus riche que le débit gazeux en constituant le moins volatil, la pression de condensation du débit gazeux à température T sera plus grande que la pression de vaporisation du débit liquide à (TAT). Par exemple, si l'on vaporise un débit d'oxygène liquide impur (95 % oxygène, 5 % azote) sous une pression de 5 x 105 Pa contre un débit d'air à condenser, la pression d'air de 13 x 105 Pa est entièrement déterminée puisque l'air a une composition fixée (21 % d'oxygène et 79 % d'azote). On considère ici que l'air est un mélange binaire afin de faciliter les comparaisons. De la même manière, avec un débit d'air à la même pression de 13 x 105 Pa, on vaporiserait un débit d'azote pur sous une pression de I'ordre de 14 x 105 Pa. Dans nombre de cas, on souhaite réduire la pression du débit de gaz à condenser ou augmenter la pression du débit de gaz à vaporiser, mais la pression minimale ou maximale est limitée par la composition des débits eux-mêmes. Par exemple, dans un procédé de distillation d'air, on désire réduire le plus possible la pression de l'air d'alimentation. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de vaporisation d'un débit liquide par échange de chaleur avec un débit gazeux qui se condense, les deux débits comprenant au moins deux constituants, caractérisé en ce que l'on enrichit: i) le débit liquide en constituant moins volatil après sa vaporisation par échange de chaleur avec le débit gazeux; et/ou ii) le débit gazeux en constituant moins volatil avant sa condensation par échange de chaleur avec le débit liquide. 2 2731781 Selon d'autres caractéristiques et avantages de l'invention: - le constituant moins volatil est l'oxygène et l'autre constituant plus volatil est l'azote; - on enrichit le(s) débit(s) liquide(s) vaporisé(s) et/ou gazeux en constituant moins volatil en le(s) envoyant en cuve d'une colonne de mélange alimentée en tête par un liquide plus riche en ce constituant moins volatil que le mélange à enrichir; - le débit gazeux se condense dans un échangeur situé en cuve de la colonne de mélange. L'invention a également pour objet un appareil de vaporisation d'un débit liquide par échange de chaleur avec un débit gazeux, les deux débits comprenant au moins deux constituants, le débit étant plus riche que le débit en constituant moins volatil comprenant des moyens permettant l'échange de chaleur entre le débit gazeux et le débit liquide, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour enrichir en constituant moins volatil: i) le débit liquide vaporisé en aval des moyens permettant l'échange de chaleur; et/ou ii) le débit gazeux en amont des moyens permettant l'échange de chaleur. Selon d'autres caractéristiques, - le moyen pour enrichir le(s) débit(s) est constitué par une colonne de mélange alimentée par un fluide plus riche en constituant moins volatil que le débit à enrichir; - les moyens permettant l'échange de chaleur comportent un échangeur situé en cuve de la colonne de mélange ou un échangeur situé en cuve d'une colonne basse pression. On pourrait également envisager un procédé de vaporisation d'un débit liquide par échange de chaleur avec un débit gazeux qui se condense, les deux débits comprenant au moins deux constituants, le débit liquide étant plus riche que le débit gazeux en constituant moins volatil, caractérisé en ce qu'on enrichit: i) le débit liquide en constituant plus volatil après sa vaporisation par échange de chaleur avec le débit gazeux; et/ou ii) le débit gazeux en constituant plus volatil avant sa vaporisation par échange de chaleur avec le débit liquide. 3 2731781 Ceci permet, dans des conditions particulières, d'augmenter la pression du débit de gaz à vaporiser. On pourrait également concevoir des procédés et des appareils permettant de modifier la teneur en plusieurs composants d'un mélange après la vaporisation et/ou avant la condensation de celui-ci. Ainsi, pour un mélange ternaire, on pourrait enrichir le mélange en les deux constituants les moins volatils. L'invention a encore pour objet un appareil de vaporisation d'un débit liquide par échange de chaleur avec un débit gazeux, les deux débits comprenant au moins deux constituants, le débit liquide étant plus riche que le débit gazeux en constituant moins volatil comprenant des moyens permettant l'échange de chaleur entre le débit gazeux et le débit liquide, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour enrichir en constituant moins volatil: i) le débit liquide vaporisé en aval des moyens permettant l'échange de chaleur; et/ou ii) le débit gazeux en amont des moyens permettant l'échange de chaleur. Selon d'autres caractéristiques de l'appareil - le moyen pour enrichir le(s) débit(s) est constitué par une colonne de mélange alimentée par un fluide plus riche en constituant moins volatil que le débit à enrichir; - les moyens permettant l'échange de chaleur comportent un échangeur situé en cuve de la colonne de mélange ou un échangeur situé en cuve d'une colonne basse pression. L'invention a enfin pour objet une installation de séparation d'un mélange gazeux par distillation comportant un appareil tel que décrit ci- dessus, dans laquelle le débit liquide est un produit de séparation et le débit gazeux est le mélange gazeux à séparer. L'invention est particulièrement utile pour des systèmes de distillation cryogénique. Deux exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un appareil de vaporisation selon I'art antérieur; 4 2731781 - les figures 2 et 3 sont des schémas d'appareils de vaporisation selon une première et une deuxième variantes de l'invention; - les figures 4 et 6 sont des schémas d'installation selon l'art antérieur; - la figure 5 est un schéma d'intégration de l'invention selon la deuxième variante de l'invention, dans le schéma de la figure 4; - la figure 7 est un schéma d'intégration de l'invention selon la première variante de l'invention dans le schéma de la figure 6.. La figure 1 montre un échangeur de chaleur 60 dans lequel un débit de liquide A se vaporise pour former un débit gazeux par échange de chaleur latente avec un débit gazeux C qui se condense, formant un débit liquide D. Les deux débits A et C comprennent au moins deux constituants et C est plus riche que A en constituant plus volatil. Par exemple, A peut être de l'oxygène liquide impur (95 % 02, 5 % N2) et C peut être de l'air (79 % N2, 21 % 02). Dans ce cas, si A est à 5 x 105 Pa, C doit être à 13 x 105 Pa. Mettant en oeuvre l'invention, dans un premier procédé illustré à la figure 2, on continue de vaporiser un débit d'oxygène liquide impur A à x 105 Pa (95 % 02, 5 % N2) dans l'échangeur 60. On modifie la composition du débit d'air gazeux à condenser C en l'envoyant en cuve d'une colonne de mélange 62, alimentée en tête par un débit liquide F ayant une composition de 70 % 02, 30 % N2. On récupère de la colonne 62 un gaz de tête E à 40 % d'oxygène qui se condense à une pression beaucoup plus basse que le débit d'air C. On peut ainsi réduire la pression du débit d'air gazeux C à 9 x 105 Pa. L'invention de la figure 2 s'applique aussi au cas o l'on vaporise un fluide plus volatil tel l'azote liquide à 14 x 105 Pa. Au lieu de condenser dans l'échangeur 60 de la figure 1 un débit d'air à 13 x 105 Pa, on enrichit ce débit d'air dans la colonne de mélange 62 pour produire en tête un gaz plus riche en oxygène que l'air. Ainsi, le fluide C que l'on condense est enrichi en oxygène avant sa condensation. Mettant en oeuvre l'invention, dans un deuxième procédé illustré à la figure 3, c'est la composition du liquide vaporisé que l'on modifie. Le but, ici, est de produire un débit gazeux B d'oxygène impur à 95 % 02 à 5 x 105 Pa en condensant un débit gazeux C qui est de l'air à 9 x 105 Pa 2731781 d'une composition 21 % 02, 79 % N2 (considérant l'air comme un mélange binaire). On choisit un liquide A moins riche en oxygène que le débit gazeux B que l'on veut produire qui, à la pression de 5 x 105 Pa, se vaporise à la température de condensation de l'air à 9 bar. Le liquide A a une composition de 70 % 02, 30 % N2 et se vaporise dans l'échangeur 60. Après cette vaporisation, le fluide E est enrichi en oxygène dans une colonne de mélange 62, également alimentée par un débit liquide F ayant une composition de 98 % 02, 2 % N2. On soutire en tête de la colonne 62 un débit gazeux B ayant la composition souhaitée de 95 % 02, 5 % N2. Ainsi, ce deuxième procédé comprend l'étape d'enrichir en oxygène le fluide vaporisé après sa vaporisation en condensant de l'air à une pression inférieure à celle qui aurait été nécessaire pour vaporiser l'oxygène impur à la même pression. Dans un oxytonne à pompe classique tel que celui illustré à la figure 4, trois débits d'air sont envoyés à l'échangeur principal dans lequel s'effectue la vaporisation d'un débit d'oxygène liquide sous pression. Le premier débit 1 est à 13 x 105 Pa. Le reste de l'air (environ 70 %) est comprimé jusqu'à 5 x 105 Pa et divisé en deux. Un deuxième débit 2 traverse l'échangeur 7 et est envoyé dans la colonne moyenne pression 100 d'une double colonne de distillation. Le troisième débit 3 est surpressé par un surpresseur 9 à 10 x 105 Pa, refroidi et détendu par une turbine 11, couplée au surpresseur jusqu'à une pression légèrement au-dessus de celle de la colonne basse pression 102 puis envoyé à la colonne basse pression 102 après une étape de sous-refroidissement. Seul le premier débit 1 est liquéfié dans l'échangeur 7 à cause de sa pression plus élevée; il est divisé en deux et injecté dans les colonnes basse et moyenne pression. La production d'oxygène impur à 95 % est soutirée sous forme liquide en cuve de la colonne basse pression 102 et pressurisée par la pompe 13 jusqu'à 5 x 105 Pa puis vaporisée dans l'échangeur 7. Afin de réduire la pression de l'air qui vaporise l'oxygène, nous appliquons l'invention de la figure 3 à un oxytonne à pompe tel que celui illustré dans la figure 5, o nous retrouvons les mêmes éléments que dans la figure 4, avec les mêmes références numériques. 6 2731781 La plupart des pressions sont identiques mais le débit d'air C n'est plus qu'à 9 x 105 Pa. Le débit d'air C n'est plus condensé en traversant l'échangeur 7 mais se condense dans le condenseur de cuve 19 d'une colonne de mélange 104. De l'oxygène liquide impur à 98 % d'oxygène soutiré en cuve de la colonne basse pression 102 et comprimé par la pompe 13 est envoyé en tête de la colonne de mélange et le débit de liquide riche est envoyé de la cuve de la colonne moyenne pression 100 dans la cuve de la colonne de mélange 104. On soutire en tête de la colonne de mélange un gaz B à la pureté désirée en oxygène (95 %). Le liquide à vaporiser dans l'échangeur 19 est un mélange de liquide riche soutiré de la colonne moyenne pression 100 et de liquide G' à 80 % d'O2 qui vient du plateau de cuve de la colonne de mélange. On soutire en cuve un liquide G à 76 % 02 non vaporisé, en équilibre avec une vapeur E à 55 % 02 qui alimente la colonne. La figure 6 montre un schéma classique d'oxytonne à pompe poduisant de l'oxygène sous pression à partir d'air distillé dans une double colonne constituée d'une colonne moyenne pression 100 et d'une colonne basse pression 106, 102 comprenant deux vaporiseurs/condenseurs; un vaporiseur intermédiaire condense l'azote de tête de la colonne moyenne pression pour l'envoyer en reflux en tête de deux colonnes un vaporiseur de cuve 21 du tronçon inférieur 106 de la colonne basse pression condense un débit d'air par vaporisation d'oxygène liquide assurant ainsi le chauffage en cuve de cette colonne. La pression de la colonne moyenne pression est ici définie par la pression de condensation de la fraction d'air C qui vaporise I'oxygène impur (95 % 02) dans le vaporiseur 21. L'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne basse pression est pressurisé à 5 x 105 Pa en 13, envoyé à l'échangeur o il est vaporisé par condensation d'un débit d'air à 13 x 105 Pa. Afin de réduire la pression de l'air envoyé en colonne moyenne pression, on applique l'invention de la figure 2 à l'oxytonne à pompe de la figure 6. La figure 7 illustre cette nouvelle disposition avantageuse. La fraction d'air à distiller, utilisée pour assurer le chauffage de la cuve de colonne basse pression et correspondant au débit C des figures 2 et 6, est envoyée en cuve d'une colonne de mélange 108 o elle est mise en contact avec un liquide F pressurisé 14 riche en oxygène issu d'un niveau 7 2731781 intermédiaire de la colonne basse pression. Au contact de ce liquide, I'air s'enrichit en oxygène et on soutire de la colonne 108 un débit E de composition 40 % 02, 60 % N2 qui se condense dans le vaporiseur 21 de cuve de la colonne basse pression. Le liquide de cuve G de la colonne de mélange à concentration en oxygène de 40 % est mélangé au liquide D et au liquide riche soutiré en cuve de la colonne moyenne pression 100. Ces liquides servent de reflux pour la colonne basse pression 102. Cette disposition permet une réduction d'environ 20 % de la pression d'air, d'o un gain en énergie sur le compresseur d'air principal. L'invention ne s'applique pas uniquement au cas o un mélange binaire liquide se vaporise par échange de chaleur avec un mélange binaire gazeux qui se condense. On pourrait aisément envisager de mettre en oeuvre l'invention pour vaporiser un liquide ne comportant qu'un constituant contre un mélange gazeux contenant ce constituant ainsi qu'une quantité moindre d'un autre gaz, plus volatil que le constituant commun. L'invention s'applique également à d'autres gaz et d'autres liquides. L'invention s'applique également aux cas o les fluides B (fig. 2), E (fig. 3) sont partiellement vaporisés et les fluides D (fig. 2 et 3) sont partiellement condensés. 8 2731781 REVENDICATIONS 1. Procédé de vaporisation d'un débit liquide (A) par échange de chaleur avec un débit gazeux (C) qui se condensent, les deux débits (A, C) comprenant au moins deux constituants, caractérisé en ce que l'on enrichit: i) le débit liquide (A) en constituant moins volatil après sa vaporisation par échange de la chaleur avec le débit gazeux (C) et/ou ii) le débit gazeux (C) en constituant moins volatil avant sa condensation par échange de chaleur avec le débit liquide (A). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le constituant moins volatil est l'oxygène et un autre constituant plus volatil est l'azote. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on enrichit le(s) mélanges(s) liquide(s) vaporisé(s) (A) et/ou gazeux (C) en constituant moins volatil en le(s) envoyant en cuve d'une colonne de mélange (104, 108) alimentée en tête par un liquide (F) plus riche en constituant moins volatil que le mélange (A, C) à enrichir. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le débit gazeux (C) se condense dans un échangeur (19, 104) situé en cuve de la colonne de mélange. 5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le fluide gazeux (E) enrichi en constituant moins volatil se condense dans le vaporiseur de cuve (21) d'une colonne basse pression (102, 106) d'une double colonne moyenne pression/basse pression, ladite colonne basse pression contenant un vaporiseur intermédiaire qui condense l'azote de tête de la colonne moyenne pression (100). 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on produit de l'oxygène impur, on vaporise une fraction de liquide riche en oxygène et l'on envoie cette fraction liquide vaporisée dans une colonne de mélange mettant en relation d'échange de chaleur et de matière ladite fraction liquide vaporisée et un débit d'oxygène liquide soutiré en cuve d'une colonne basse pression d'une double colonne, de pureté légèrement supérieure audit oxygène impur sous forme vapeur et on soutire en tête de la colonne de mélange l'oxygène impur. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le liquide soutiré en cuve de la colonne de mélange est envoyé dans la colonne basse pression. 9 2731781 8. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on vaporise l'oxygène produit en cuve de la colonne basse pression par échange de chaleur avec une vapeur, plus riche en oxygène que l'air, soutiré de la tête d'une colonne de mélange mettant en relation d'échange de chaleur et de matière une fraction de l'air à distiller, et un liquide plus riche en oxygène issu d'un niveau intermédiaire de la colonne basse pression. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le liquide produit en cuve de ladite colonne de mélange et ladite vapeur condensée sont envoyés dans la colonne basse pression. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ladite fraction liquide est une partie du liquide riche issu de la colonne moyenne pression. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ladite fraction liquide est un mélange de liquide riche et de liquide soutiré du plateau de cuve de la colonne de mélange. 12. Appareil de vaporisation d'un débit liquide (A) par échange de chaleur avec un débit gazeux (C), les deux débits (A, C) comprenant au moins deux constituants, comprenant des moyens (60, 19, 21) permettant l'échange de chaleur entre le débit gazeux (C) et le débit liquide (A), caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (62, 104, 108) pour enrichir en constituant moins volatil: i) le débit liquide (A) vaporisé, en aval des moyens (60, 19, 21) permettant l'échange de chaleur; et/ou ii) le débit gazeux (C) en amont des moyens (60, 21) permettant l'échange de chaleur. 12. Appareil selon la revendication 11, dans lequel le moyen (62, 104, 108) pour enrichir le(s) débit(s) (A, C) est constitué par une colonne de mélange (104, 108) alimentée par un fluide (F, F) plus riche en constituant moins volatil que le débit à enrichir. 13. Appareil selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel les moyens permettant l'échange de chaleur comportent un échangeur (19) situé en cuve de la colonne de mélange (104) ou un échangeur (21) situé en cuve d'une colonne basse pression (102, 106). 2731781 14. Appareil selon la revendication 13, dans lequel le tronçon inférieur (106) de la colonne basse pression (102, 106), situé en dessous du vaporiseur intermédiaire, est séparé du tronçon supérieur (102) installé au- dessus de la colonne moyenne pression. 15. Installation de séparation d'un mélange gazeux par distillation comportant un appareil selon l'une des revendications 12 à 14, dans laquelle le débit liquide (A) est un produit de séparation et le débit gazeux (C) est le mélange gazeux à séparer. 16. Installation selon la revendication 15, dans laquelle le débit liquide (A) est un débit pressurisé d'un ou plusieurs constituants de l'air, et le débit gazeux (C) est de l'air.