Brevet FR2776057A1 — publié le 19990917

La présente invention est relative à un procédé et une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. Afin de produire un gaz de l'air sous pression, il est connu de soutirer un liquide d'une colonne de distillation d'air, de le pressuriser et de le vaporiser dans la ligne d'échange principale de l'installation, permettant ainsi la production du gaz à une pression plus élevée que celle de la colonne. FR-A-2 674 011 décrit un procédé dans lequel l'air à distiller est divisé en deux parties, la première partie étant liquéfiée dans la ligne d'échange contre un produit liquide qui se vaporise et la deuxième partie étant refroidie jusqu'à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange avant d'être détendue dans une turbine Claude et envoyée à la colonne moyenne pression. FR-A-2 711 778 décrit un procédé à pompe dans lequel trois débits d'air sont envoyés à la colonne moyenne pression. Un de ces débits provient d'une turbine Claude. Les deux autres débits traversent entièrement la ligne d'échange; un des débits est ainsi liquéfié tandis que l'autre sort de la ligne d'échange à son point de rosée. Ces deux débits sortant du bout froid de la ligne d'échange sont donc sensiblement à la même température. Dans un certain nombre de cas, cette contrainte d'égalité de températures empêche un fonctionnement optimal de la colonne moyenne pression. Le débit à pression plus élevée qui se liquéfie est détendu et subit une étape de " flash " en entrant dans la colonne moyenne pression. Le débit à pression moins élevée sortant du bout froid de la ligne d'échange contient parfois une fraction liquide. De ce fait, le tronçon inférieur de la colonne moyenne pression ne fonctionne pas de manière optimale du fait d'une alimentation en cuve trop froide et/ou une alimentation en tête trop chaude. Un but de la présente invention est de se donner un degré de liberté supplémentaire sur les températures des débits d'air qui alimentent les colonnes, permettant le fonctionnement optimal des colonnes. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant un système de colonnes dans lequel: a) au moins deux débits d'air se refroidissent dans une ligne d'échange et sont envoyés au système de colonnes, b) I'air est séparé dans une colonne du système en une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote, c) un débit liquide est soutiré d'une colonne du système et se vaporise dans la ligne d'échange, d) un premier débit d'air échange de la chaleur dans la ligne d'échange de chaleur avec le liquide qui se vaporise, e) un deuxième débit d'air est soutiré à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange, caractérisé en ce que le deuxième débit d'air est envoyé de la ligne d'échange à une colonne du système sans être détendu. Selon d'autres aspects de l'invention, un troisième débit d'air est soutiré, éventuellement à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange en aval ou en amont de celui auquel le deuxième débit d'air est soutiré, le troisième débit d'air est envoyé de la ligne d'échange au système de colonne, éventuellement sans être détendu, le troisième débit est régulé par une vanne, au moins une partie du premier débit est liquéfiée et est envoyée à une colonne de l'installation, une partie (ou tout) du premier débit liquéfié est détendu dans une turbine. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation d'air comprenant: un système de colonnes, des moyens pour envoyer un premier débit d'air et un deuxième débit d'air à une ligne d'échange et de la ligne d'échange au système de colonnes, des moyens pour envoyer au moins un liquide pressurisé provenant du système de colonnes à la ligne d'échange, des moyens pour soutirer le deuxième débit d'air à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer le deuxième débit du niveau intermédiaire de la ligne d'échange à la colonne moyenne pression, ces moyens ne comprenant pas de moyens de détente du débit. Selon d'autres aspects de l'invention, l'installation comprend des moyens pour envoyer un troisième débit d'air se refroidissant à la ligne d'échange, des moyens pour soutirer ce troisième débit en amont ou en aval du point de soutirage du deuxième débit, des moyens pour envoyer le troisième débit à une colonne moyenne pression, ces moyens ne comprenant pas de moyen de détente, une colonne argon alimentée par un débit provenant de la colonne basse pression. Les exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 4 représentent schématiquement quatre modes de réalisation de l'installation de distillation d'air conformes à l'invention. L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 est destinée à produire de l'azote liquide, de l'oxygène liquide et de l'oxygène gazeux à 99,5 % sous une pression nettement supérieure à 1 bar, par exemple à 40 bars, pouvant aller jusqu'à 100 bars ou plus. L'installation comprend essentiellement une ligne d'échange thermique 1, une double colonne de distillation 2 comprenant elle-même une colonne moyenne pression 3, une colonne basse pression 4 et un condenseur- vaporiseur 5. Les colonnes 3 et 4 fonctionnant sous 6 et 1,2 bars respectivement. Un premier débit d'air 6 à 70 bars est envoyé à l'échangeur 1 o il se liquéfie. Ensuite, il est divisé en deux portions pour fournir du reflux aux colonnes basse pression et moyenne pression. Un deuxième débit d'air 7 à 6 bars est envoyé à l'échangeur mais ne le traverse que partiellement. Soutiré de l'échangeur, il est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression. Un autre débit d'air 8 à 6 bars est surpressé dans le surpresseur 9, refroidi dans l'échangeur 1, soutiré à un niveau en amont du niveau de soutirage du deuxième débit, détendu dans une turbine d'insufflation 10 couplée au surpresseur et envoyé à la colonne basse pression 4. Du liquide pauvre et du liquide riche sont envoyés de la colonne moyenne pression 3 à la colonne basse pression 4. En cuve de la colonne basse pression, on soutire de l'oxygène liquide dont une partie sert de production liquide. Le reste 16 est pressurisé par une pompe 11 et se vaporise dans l'échangeur 1. Des débits d'azote provenant de la double colonne se réchauffent également dans cet échangeur. Alternativement, comme on le voit à la figure 2, I'air liquéfié 6 peut être détendu dans une turbine hydraulique 12 avant d'être envoyé aux colonnes de la double colonne. Dans la figure 3, le deuxième débit 7 est divisé en deux débits 7A, 7B. Tandis que le débit 7A est soutiré à un niveau intermédiaire de l'échangeur 1, le débit 7B traverse entièrement l'échangeur et sort au bout froid. Les deux débits sont envoyés à la colonne moyenne pression. Le débit 7A est régulé par une vanne. Cette figure peut être adaptée comme la figure 1 pour comprendre une turbine hydraulique 12 (voir figure 4). En remplaçant la turbine d'insufflation 10 par une turbine Claude qui serait par exemple alimentée par une fraction du premier débit d'air HP soutiré de la ligne d'échange à une température intermédiaire ou par un autre débit d'air à une autre pression supérieure à celle du deuxième débit d'air, le procédé est bien adapté à la production d'argon pur, avec une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse pression 4. Evidemment le liquide pressurisé vaporisé dans la ligne d'échange peut être de l'azote liquide ou de l'argon liquide. Plusieurs liquides peuvent se vaporiser à la fois dans cette ligne d'échange. Dans le cas o le débit 6 est à une pression supercritique, il ne se liquéfie pas dans la ligne d'échange. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant un système de colonnes dans lequel: a) au moins deux débits d'air (6, 7, 7A) se refroidissent dans une ligne d'échange (1) et sont envoyés à une colonne (3) du système, b) l'air est séparé dans la colonne en une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote, c) un débit liquide (16) est soutiré d'une colonne du système (4) et se vaporise dans la ligne d'échange, d) un premier débit d'air (6) échange de la chaleur dans la ligne d'échange de chaleur avec le liquide qui se vaporise, e) un deuxième débit d'air (7, 7A) est soutiré à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange caractérisé en ce que le deuxième débit d'air est envoyé de la ligne d'échange au système de colonnes sans être détendu. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel un troisième débit d'air (7B) est soutiré, éventuellement à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange en aval ou en amont de celui auquel le deuxième débit d'air est soutire. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le troisième débit d'air est envoyé de la ligne d'échange à la colonne sans être détendu. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du premier débit (6) est liquéfiée et est envoyée à une colonne moyenne pression et/ou à une colonne basse pression d'une double colonne. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel une partie (ou tout) du premier débit liquéfié est détendu dans une turbine (12). 6. Installation de séparation d'air par distillation d'air comprenant: un système de colonnes (2) des moyens pour envoyer un premier débit d'air (6) et un deuxième débit d'air (7, 7A) à une ligne d'échange (1) et de la ligne d'échange à une colonne, des moyens pour envoyer au moins un liquide pressurisé (16) provenant de la double colonne à la ligne d'échange, des moyens pour soutirer le deuxième débit d'air (7, 7A) à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer le deuxième débit du niveau intermédiaire de la ligne d'échange à la colonne moyenne pression, ces moyens ne comprenant pas de moyens de détente du débit. 7. Installation selon la revendication 6 dans laquelle le premier débit d'air (6) est refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange. 8. Installation selon la revendication 6 ou 7 comprenant des moyens pour envoyer un troisième débit d'air (7B) se refroidissant à la ligne d'échange, des moyens pour soutirer ce troisième débit en amont ou en aval du point de soutirage du deuxième débit. 9. Installation selon la revendication 8 comprenant des moyens pour envoyer le troisième débit (7B) à une colonne moyenne pression d'une double colonne, ces moyens ne comprenant pas de moyen de détente. 10. Installation selon l'une des revendications 6 à 9 comprenant une colonne argon alimentée par un débit provenant d'une colonne basse pression d'une double colonne.