Brevet FR2787561A1 — publié le 20000623

La présente invention est relative à un procédé et à une installation de séparation d'air par distillation cryogénique et en particulier à un tel procédé permettant la production d'oxygène,à deux puretés différentes. EP-A 0 793 069 concerne un procédé utilisant une double colonne dont la colonne basse pression alimente une colonne auxiliaire. EP-A-0 689 019 décrit une installation comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression ainsi qu'un vaporiseur principal assurant la vaporisation d'oxygène pur du bain contre la condensation d'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression. De l'oxygène est soutiré à deux niveaux dans la colonne basse pression, la plus haute pureté étant prélevée au niveau du vaporiseur et la plus basse pureté quelques plateaux au-dessus, en fonction de la pureté requise. Cet arrangement permet de profiter d'une amélioration de reflux entre les deux niveaux de soutirage et donc de diminuer le nombre de plateaux nécessaires à la pureté la plus haute. EP-A-0 633 438 décrit un appareil à double colonne avec colonne auxiliaire et colonne Etienne. EP-A-0 538 117 décrit un procédé de production d'oxygène à deux puretés différentes avec une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement. La colonne basse pression contient un rebouilleur inférieur chauffé par de l'air et un rebouilleur supérieur chauffé par l'azote de la colonne moyenne pression. De l'oxygène à pureté moyenne est soutiré entre les deux rebouilleurs et de l'oxygène liquide à haute pression est soutiré en cuve de la colonne basse pression. US-A-5463871 et EP-A-699884 divulguent un procédé utilisant une double colonne et une colonne auxiliaire alimentée en tête par du liquide enrichi en oxygène provenant de la cuve de la colonne basse pression. Le rebouilleur de cuve de la colonne basse pression est chauffé de manière classique par de l'azote moyenne pression et le rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire est chauffé par de l'air destiné à la colonne moyenne pression. I ii l IF -Vi- US-A-5678247 mentionne une installation comprenant une double colonne et une colonne auxiliaire alimentée à partir de la colonne basse pression. De l'azote moyenne pression chauffe les deux rebouilleurs de la colonne basse pression, après une étape de détente dans le cas du rebouilleur supérieur. Le rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire est chauffé par un gaz intermédiaire de la colonne moyenne pression. L'oxygène haute pureté (au-dessus de 98,5 mole %) est soutiré en cuve de la colonne auxiliaire sous forme liquide et l'oxygène moyenne pureté est soutiré en cuve de la colonne basse pression. Un but de l'invention est de pallier les défauts des procédés de l'art antérieur notamment en réduisant les besoins énergétiques. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel a) on comprime de l'air, on le refroidit dans un échangeur (7) et on l'envoie à la colonne moyenne pression (2) d'une double colonne (1), b) on sépare l'air en une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote c) on envoie un fluide enrichi en oxygène et un fluide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression d) on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire (39) e) on soutire de l'oxygène moyenne pureté (29) en cuve de la colonne basse pression et on soutire de l'oxygène haute pureté (41) en cuve de la colonne auxiliaire f) on chauffe un rebouilleur de cuve (13) de la colonne basse pression avec un fluide g) on envoie un gaz calorigéne à un rebouilleur de cuve (51) de la colonne auxiliaire o il se condense au moins partiellement et on renvoie du liquide condensé à la double colonne et FiI1 T.-. caractérisé en ce que h) du gaz enrichi en azote est envoyé de la colonne moyenne pression à un deuxième rebouilleur de la colonne basse pression quelques plateaux au- dessus du rebouilleur de cuve Selon d'autres aspects de l'invention: - le gaz calorigène provient de la colonne moyenne pression et/ou de la colonne basse pression. - le gaz calorigène est comprimé, éventuellement après avoir été réchauffé, avant d'être envoyé au rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire. - de l'air, éventuellement provenant d'une turbine Claude est envoyé au rebouilleur de cuve de la colonne basse pression. - tout l'air destiné à la colonne moyenne pression est envoyé au rebouilleur de cuve de la colonne basse pression. - la colonne basse pression (3) opère au-dessus de 1,5 bars. - la colonne auxiliaire opère à une pression en-dessous de la pression de la colonne basse pression, on chauffe la cuve de la colonne auxiliaire avec de l'azote provenant de la colonne basse pression afin de le condenser au moins partiellement et on envoie au moins une partie de l'azote condensé à un condenseur de tete (63) de la colonne auxiliaire. - I'oxygène haute pureté ou moyenne pureté est soutiré sous forme liquide, éventuellement comme produit final. - I'oxygène haute et/ou moyenne pureté se vaporise(nt) dans un échangeur de chaleur (7). - de l'azote liquide est produit en aval du rebouilleur de cuve (51) de la colonne auxiliaire (39). - on alimente une colonne argon (4) à partir de la colonne basse pression (3) ou la colonne auxiliaire. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant i) une double colonne avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression ii) un échangeur de chaleur iii) une colonne auxiliaire iv) des moyens pour envoyer de l'air à la colonne moyenne pression v) des moyens pour envoyer un liquide de la cuve de la colonne basse pression à la tête de la colonne auxiliaire vi) des moyens pour soutirer un fluide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression et de la cuve de la colonne auxiliaire vii) des moyens pour chauffer un rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire viii) un rebouilleur de cuve de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième rebouilleur de la colonne basse pression et des moyens pour envoyer un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression au deuxième rebouilleur Selon des modes de mise en oeuvre particulières: - il y a des moyens de détente entre la cuve de la colonne basse pression et la colonne auxiliaire. - la colonne auxiliaire a un condenseur de tete (63). Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel a) on comprime de l'air, on le refroidit dans un échangeur et on l'envoie à la colonne moyenne pression d'une double colonne b) on sépare l'air en une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote c) on envoie un fluide enrichi en oxygène et un fluide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression d) on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire e) on opère la colonne basse pression (3) à plus que 1,5 bars f) on chauffe le rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire avec de l'azote provenant de la colonne basse pression. ifIlI FT-I Dans ce cas la colonne auxiliaire opère de préférence à une pression inférieure à celle de la colonne basse pression et il y a des moyens de détente (turbine, vanne) entre la cuve de la colonne basse pression et la tete de la colonne auxiliaire. Par "moyenne pureté" il faut entendre contenant moins de 98,5 % d'oxygène et par 'haute pureté' il faut entendre contenant plus de 98,5 % d'oxygène. Le procédé selon l'invention sera décrit en plus de détail en se référant aux figures 1 et 2. La figure 1 montre un appareil de séparation avec une double colonne 1, comprenant une colonne moyenne pression 2 et une colonne basse pression 3, et une colonne argon 4. De l'air 5 est envoyé à l'échangeur de chaleur 7 et après un refroidissement partiel est divisé en deux. La partie 9 constituant de 70 à 90 % de l'air est envoyée à une turbine Claude 11 dans laquelle elle se détend à une pression légèrement au-dessus de la pression de la colonne 2 (3,5-4 bars). Elle est envoyée ensuite au condenseur de cuve 13 de la colonne basse pression 3 o elle se condense partiellement. L'air partiellement condensé est envoyé par la conduite 15 en la partie inférieure de la colonne moyenne pression et il s'y sépare en un liquide enrichi en oxygène ("liquide riche") et un gaz enrichi en azote. Eventuellement de l'air peut être envoyé directement de la turbine Claude 11 à la colonne moyenne pression (en pointillés). Le reste de l'air 17 se condense dans l'échangeur 7 et est divisé en deux fractions liquides dont une est envoyée à la colonne moyenne pression 2 et l'autre à la colonne basse pression 3. Le gaz enrichi en azote 19 est divisé en deux. Une partie 21 se réchauffe dans l'échangeur 7 et le reste se condense dans le condenseur 23 quelques plateaux théoriques au-dessus du condenseur 13. L'azote condensé sert de reflux dans les deux colonnes 2, 3. -- 1 lE;T -i Un débit enrichi en argon 25 soutiré entre les deux condenseurs 13, 23 alimente une colonne argon 4. Le condenseur de tête 27 de la colonne argon 4 est refroidi par du liquide riche provenant de la colonne 2. De I'oxygène liquide 29 est soutiré en cuve de la colonne 3, est pressurisé par la pompe 31 et se vaporise en 33 par échange de chaleur avec l'air 17. De l'azote basse pression 33 à 1,35-1,4 bars soutiré en tête de la colonne basse pression 3 se réchauffe dans l'échangeur 7. De l'oxygène liquide est produit via la conduite 35. Le procédé permet également de produire de l'azote liquide et de l'argon liquide. L'installation peut comprendre un troisième condenseur entre les condenseurs 13, 23 pour condenser un gaz moins volatil que l'azote 19 est plus volatil que l'air (par exemple un gaz intermédiaire de la colonne 2). Afin de produire de l'oxygène plus pur,une partie 37 de l'oxygène liquide à 95 % est envoyée en tête de la colonne auxiliaire 39 et un gaz 38 est renvoyé à la colonne basse pression 3. Un débit 41 de l'oxygène liquide à 99,5 % est soutiré en cuve de la colonne 39. L'oxygène 55 est pressurisé par une pompe 57 est envoyé en 59 à l'échangeur 7 o il se vaporise. Bien évidemment, l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression ou la colonne auxiliaire peut se vaporiser en dehors de la ligne d'échange par exemple par échange de chaleur avec un seul débit d'air. Un débit d'azote basse pression 47 et un débit d'azote moyenne pression 43 sont comprimés dans un compresseur 45 couplé à la turbine 11. Le débit comprimé 49 à entre 4,5 et 5 bars se refroidit dans l'échangeur 7 et ensuite chauffe un rebouilleur de cuve 51 de la colonne 39 et s'y condense. De l'azote liquide 53 est ainsi produit et peut être pressurisé et vaporisé dans l'échangeur 7. Le reste de l'azote liquide sert de reflux dans la colonne moyenne pression 3. iiii i î i La figure 2 illustre un moyen alternatif pour chauffer la colonne auxiliaire dans le cas o la colonne basse pression opère audessus de 1,5 bars. Ainsi la colonne moyenne pression opère à 12 bar, la colonne basse pression à 5 bar et la colonne auxiliaire à 1,5 bar. L'oxygène envoyé de la cuve de la colonne basse pression 2 est détendu dans une vanne avant d'etre envoyé en tete de la colonne auxiliaire. De l'azote 61 du minaret de la colonne basse pression chauffe le rebouilleur 51 et l'azote condensé est recyclé en partie au minaret.Une partie de azote condensé refroidit le condenseur de tete 63 de la colonne auxiliaire et le gaz ainsi formé et envoyé au refoulement de la turbine 71 avant de se réchauffer dans la ligne d'échange 7. L'azote 33 du dessous du minaret est détendu dans la turbine 71 avec une turbine d'entrée plus basse que l'entrée de la turbine Claude 11. La turbine 71 peut être couplée à un compresseur du système. Les deux figures peuvent être modifiées pour ajouter: - un rebouilleur intermédiaire dans la colonne basse pression - la vaporisation d'azote liquide pompé - des compresseurs en aval des pompes - d'autres moyens de production de frigories:biberonnage, machines de détente (deuxième turbine Claude, turbine d'azote moyenne pression, turbine d'insufflation, turbine hydraulique) - un surpresseur d'air en amont de la turbine Claude - une colonne Etienne ou une colonne de mélange Le rebouilleur 51 peut être chauffé avec de l'air plutôt qu'avec de I'azote. Les colonnes 2, 3, 4 et 39 contiennent typiquement des garnissages structurés de type ondulé-croisé. La colonne d'argon 4 est bien évidemment facultative. ôiilsX 7 REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel a) on comprime de l'air,on le refroidit dans un échangeur (7) et on l'envoie à la colonne moyenne pression (2) d'une double colonne (1), b) on sépare l'air en une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote c) on envoie un fluide enrichi en oxygène et un fluide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression d) on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire (39) e) on soutire de l'oxygène moyenne pureté (29) en cuve de la colonne basse pression et on soutire de l'oxygène haute pureté (41) en cuve de la colonne auxiliaire f) on chauffe un rebouilleur de cuve (13) de la colonne basse pression avec un fluide g) on envoie un gaz calorigène à un rebouilleur de cuve (51) de la colonne auxiliaire o il se condense au moins partiellement et on renvoie du liquide condensé à la double colonne. et caractérisé en ce que h) du gaz enrichi en azote est envoyé de la colonne moyenne pression à un deuxième rebouilleur (23) de la colonne basse pression quelques plateaux au-dessus du rebouilleur de cuve 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz calorigène provient de la colonne moyenne pression et/ou de la colonne basse pression. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz calorigène est comprimé, éventuellement après avoir été réchauffé, avant d'être envoyé au rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel de l'air, éventuellement provenant d'une turbine Claude (11) est envoyé au rebouilleur de cuve (13) de la colonne basse pression (3). 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel tout l'air destiné à la colonne moyenne pression est envoyé au rebouilleur de cuve de la colonne basse pression. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne basse pression (3) opère au-dessus de 1,5 bars. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la colonne auxiliaire opère à une pression en-dessous de la pression de la colonne basse pression, on chauffe la cuve de la colonne auxiliaire avec de l'azote provenant de la colonne basse pression afin de le condenser au moins partiellement et on envoie au moins une partie de l'azote condensé à un condenseur de tete (63) de la colonne auxiliaire. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'oxygène haute pureté ou moyenne pureté est soutiré sous forme liquide. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel l'oxygène haute et/ou moyenne pureté se vaporise(nt) dans un échangeur de chaleur (7). 10. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel de l'azote liquide est produit en aval du rebouilleur de cuve (51) de la colonne auxiliaire (39). 11. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel on alimente une colonne argon (4) à partir de la colonne basse pression (3) ou la colonne auxiliaire. 12. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant i) une double colonne (1) avec une colonne moyenne pression (2) et une colonne basse pression (3) ii) un échangeur de chaleur (7) iii) une colonne auxiliaire (39) iv) des moyens pour envoyer de l'air à la colonne moyenne pression v) des moyens (37) pour envoyer un liquide de la cuve de la colonne basse pression à la tête de la colonne auxiliaire vi) des moyens (29, 35, 41, 59) pour soutirer un fluide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression et de la cuve de la colonne auxiliaire vii) des moyens pour chauffer un rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire (39) viii) un rebouilleur de cuve (13) de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième rebouilleur (23) de la colonne basse pression et des moyens (19) pour envoyer un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression (2) au deuxième rebouilleur 13. Installation selon la revendication 12 comprenant des moyens de détente entre la cuve de la colonne basse pression et la colonne auxiliaire. 14. Installation selon la revendication 12 ou 13 dans laquelle la colonne auxiliaire a un condenseur de tete (63). 15. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel a) on comprime de l'air, on le refroidit dans un échangeur (7) et on l'envoie à la colonne moyenne pression d'une double colonne (7) b) on sépare l'air en une fraction enrichie en oxygène et une fraction enrichie en azote c) on envoie un fluide enrichi en oxygène et un fluide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression d) on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire (39) e) on opère la colonne basse pression (3) à plus que 1,5 bars f) on chauffe le rebouilleur de cuve (51) de la colonne auxiliaire avec de l'azote provenant de la colonne basse pression.