Brevet FR2776760A1 — publié le 19991001

La présente invention est relative à un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Afin de produire du liquide avec une double colonne de séparation d'air, il est connu d'utiliser deux turbines en série pour détendre l'air. US-A-3 905 201 décrit un procédé de séparation d'air qui produit de l'azote liquide et de l'oxygène liquide, utilisant deux turbines en série; la deuxième turbine détend de l'air qui est ensuite envoyé soit à l'atmosphère soit à la colonne basse pression. EP-A-0 420 725 décrit un système dans lequel une turbine Claude produit de l'air destiné à la colonne moyenne pression et de l'air qui est réchauffé avant d'être détendu et envoyé soit à l'atmosphère soit à la colonne basse pression. EP-A-0 542 539 décrit un procédé de séparation d'air avec deux turbines d'air en série dont la deuxième est une turbine d'insufflation. La température de sortie de la première turbine est également à la température d'entrée de la deuxième turbine. EP-0 641 983 décrit un procédé de séparation d'air utilisant deux turbines d'air en série avec réchauffage de l'air de la première turbine avant d'envoyer l'air dans la deuxième turbine. Cette invention a pour but de réduire l'énergie spécifique du procédé de séparation d'air, en éliminant tant que possible les écarts du diagramme d'échange de l'échangeur de chaleur principal. Selon l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on refroidit un débit d'air, on détend au moins une partie du premier débit refroidi dans une première turbine, on mélange le débit détendu dans la première turbine avec un deuxième débit d'air pour former un troisième débit, on détend au moins une partie du troisième débit dans une deuxième turbine, on introduit au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine dans une colonne de rectification d'une double colonne, on sépare l'air dans la double colonne en des fluides enrichis en oxygène et en azote et on produit un fluide sous forme liquide comme produit final. Selon d'autres aspects de l'invention, - on refroidit le débit détendu dans la première turbine avant de le détendre dans la deuxième turbine -le débit détendu dans la première turbine est inférieur au débit détendu dans la deuxième turbine -on introduit au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine dans la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression - le débit destiné à la première turbine est à une pression d'au moins bars. -le deuxième débit d'air est à une pression d'au moins 6 bars -le débit détendu dans la deuxième turbine constitue au moins 70% de l'air - la pression de sortie de la deuxième turbine est légèrement au- dessus de la pression de la colonne moyenne pression -les températures d'entrée des première et deuxième turbines sont des températures intermédiaires de l'échangeur principal -une partie du premier débit et/ou du troisième débit d'air se refroidit encore dans l'échangeur principal et se liquéfie au bout froid -au moins un débit de liquide éventuellement pressurisé se vaporise dans l'échangeur principal -un débit de fluide de la colonne basse pression de la double colonne alimente une colonne argon et un débit d'argon est soutiré de celle-ci -le débit détendu par la deuxième turbine en sort biphasique. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant: - un échangeur de chaleur principal, - une double colonne de distillation d'air, - des moyens pour envoyer un débit d'air dans une première turbine - des moyens pour mélanger l'air détendu dans la première turbine avec un deuxième débit d'air pour former un troisième débit d'air - des moyens pour envoyer au moins une partie du troisième débit d'air à une deuxième turbine - des moyens pour envoyer de l'air détendu dans la deuxième turbine à la double colonne - et des moyens pour soutirer un produit liquide de la double colonne. Selon d'autres aspects de l'invention, il est prévu un appareil comprenant des moyens pour refroidir le troisième débit d'air avant d'en envoyer au moins une partie à la deuxième turbine. L'invention sera décrite plus en détails, en se référant aux figures dont la Figure 1 est un schéma de procédé selon l'invention la Figure 2 est un diagramme d'échange pour un procédé selon EP-A-0 420 725 la Figure 3 est un diagramme d'échange pour un procédé selon l'invention. Dans la figure 1, 35 % de l'air rentre dans l'échangeur 200 à plus de 30 bars et en tout cas à une pression nettement supérieure à celle de la colonne moyenne pression. Le premier débit 100 est refroidi à -10 C et séparé en un débit 102 qui représente 15 % de l'air et un débit 101 qui représente 20 % de l'air. Le débit 102 se refroidit dans l'échangeur et sort du bout froid. Le débit 101 est détendu dans la turbine D1 à 30 bars et -50 C avant d'être renvoyé à l'échangeur et mélangé avec un deuxième débit 104 (65 % de l'air) à 30 bars. Les débits mélangés forment un troisième débit 105 qui est refroidi à -100 C avant d'être divisé en deux débits 106, 107. Le débit 106 (70 % de l'air) est détendu par la turbine D2 à la pression de la colonne moyenne pression avant d'y être injecté. Le débit sortant de la turbine D2 est éventuellement biphasique. Le débit 107 (15 % de l'air) poursuit son refroidissement dans l'échangeur 200. Un débit d'oxygène liquide 300 de la double colonne 400 est pressurisé par une pompe et s'évapore dans l'échangeur 200. Alternativement ce débit pourrait etre remplacé par plusieurs débits liquides à des pressions différentes ou des débits d'azote liquide ou d'argon liquide. De l'oxygène liquide 110 et/ou de l'azote liquide 111 sont soutirés de la double colonne 400. Optionellement la colonne basse pression alimente une colonne argon 405. Les turbines D1, D2 peuvent éventuellement être couplées à des compresseurs de l'air. La colonne 403 peut opérer sous pression, c'est-à-dire à une pression d'au-dessus de 1,5 bars. Les colonnes 401, 403, 405 peuvent contenir des garnissages structurés ou des plateaux. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on refroidit un premier débit d'air (100), on détend au moins une partie (101) du premier débit refroidi dans une première turbine (D1), on mélange le débit détendu dans la première turbine (D1) avec un deuxième débit d'air (104) pour former un troisième débit (105), on détend au moins une partie (106) du troisième débit dans une deuxième turbine (D2), on introduit au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine dans une colonne de rectification d'une double colonne (400), on sépare l'air dans la double colonne en des fluides enrichis en oxygène et en azote et on produit un fluide sous forme liquide comme produit final. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on refroidit le troisième débit (103) avant d'en détendre au moins une partie dans la deuxième turbine (D2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit (101) détendu dans la première turbine est inférieur au débit (106) détendu dans la deuxième turbine. 4. Procédé selon la revendication 1,2 ou 3, dans lequel on introduit au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine (D2) dans la colonne moyenne pression. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le débit (101) destiné à la première turbine (D1l) est à une pression nettement supérieure à la pression de la colonne moyenne pression. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression de sortie de la deuxième turbine (D2) est légèrement au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les températures d'entrée des première et deuxième turbines (D1, D2) sont des températures intermédiaires de l'échangeur principal. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une partie (102) du premier débit et/ou du troisième débit se refroidit encore dans l'échangeur principal et se liquéfie au bout froid. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un débit de liquide éventuellement pressurisé se vaporise dans l'échangeur principal. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un débit de fluide de la colonne basse pression de la double colonne alimente une colonne argon (405) et un débit d'argon est soutiré de celle-ci. 11. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant: un échangeur de chaleur principal (200), une double colonne de distillation d'air, des moyens (100, 101) pour envoyer un débit d'air dans une première turbine (D1) des moyens pour mélanger l'air détendu dans la première turbine avec un deuxième débit d'air (104) pour former un troisième débit d'air (105) et des moyens (103, 105, 106) pour envoyer au moins une partie du troisième débit d'air à une deuxième turbine (D2) des moyens (103, 105, 106) pour envoyer de l'air détendu à la deuxième turbine à la double colonne et des moyens pour soutirer un produit liquide de la double colonne (400). 12. Appareil selon la revendication 11 comprenant des moyens pour refroidir l'air provenant de la première turbine (D1) avant de l'envoyer à la deuxième turbine (D2). 13. Appareil selon la revendication 11 ou 12 dans lequel une colonne argon (405) est alimentée par un fluide provenant de la double colonne.