Brevet FR2787559A1 — 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 procédé de production d'oxygène dans un appareil avec deux rebouilleurs dans la colonne basse pression d'une double colonne. EP-A-0 770 840 décrit un appareil à double condenseur avec une turbine Claude. 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-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 de l'art antérieur et en particulier de réduire les besoins énergétiques. En particulier le procédé permet la production d'oxygène pur en grandes quantités avec une très basse consommation d'énergie. Selon un aspect de l'invention il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes dans lequel I,I]I-i i a) on comprime de l'air, on le refroidit dans un échangeur, on le détend dans une turbine 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 soutire un fluide contenant entre 80 et substantiellement 100 % d'oxygène de la colonne basse pression ou d'une autre colonne du système e) on envoie de l'air comprimé à un rebouilleur de cuve de la colonne basse pression f) on envoie du gaz enrichi en azote à un deuxième rebouilleur de la colonne basse pression caractérisé en ce que l'on envoie de l'air détendu de la turbine au rebouilleur de cuve. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - tout ou une partie de l'air détendu est envoyé de la turbine au rebouilleur de cuve. - tout l'air envoyé au rebouilleur de cuve est ensuite envoyé à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression. - une partie de l'air se liquéfie ou se pseudo-liquéfie dans l'échangeur avant d'être envoyé à la double colonne. - on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire. - on soutire de l'oxygène en cuve de la colonne basse pression et/ou en cuve de la colonne auxiliaire. - I'oxygène est soutiré sous forme liquide et vaporisé dans l'échangeur principal ou un autre échangeur, éventuellement après pressurisation. - on alimente une colonne argon à partir de la colonne basse pression ou la colonne auxiliaire - on produit de l'oxygène impur ou pur sous forme liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon liquide. Selon l'invention il est également prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant i) un système de colonnes comportant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression ayant un rebouilleur de cuve et un deuxième rebouilleur ii) un échangeur de chaleur iii) une turbine iv) des moyens pour envoyer l'air à l'échangeur, de l'échangeur à la turbine et de la turbine à la colonne moyenne pression vi) des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote au deuxième rebouilleur vii) des moyens pour envoyer de l'air au rebouilleur de cuve viii) des moyens pour soutirer un fluide enrichi en oxygène de la colonne basse pression ou d'une autre colonne du système caractérisée en ce que les moyens pour envoyer de l'air de la turbine à la colonne moyenne pression relient la turbine, le rebouilleur de cuve et la colonne moyenne pression. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, il est prévu: - des moyens pour envoyer tout ou une partie de l'air détendu de la turbine au rebouilleur de cuve. - des moyens pour envoyer tout l'air envoyé au condenseur de cuve ensuite à la colonne moyenne pression. - des moyens pour envoyer du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire. - des moyens pour soutirer de l'oxygène en cuve de la colonne basse pression et en cuve de la colonne auxiliaire. - des moyens pour vaporiser l'oxygène soutiré sous forme liquide. - une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse pression ou la colonne auxiliaire. l Ji i lî) g'i ' - des moyens pour produire de l'oxygène impur ou pur sous forme liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon liquide. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant etre décrits en regard des dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux modes de réalisation de l'installation de distillation de l'air selon l'invention. 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. Ce système peut etre utilisé pour produire de l'oxygène impur (en dessous de 98,5 %) ou pur (en dessus de 98,5 %). 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 rebouilleur 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). Dans ce cas l'air envoyé au rebouilleur de cuve 13 se condense totalement. Le reste de l'air 17 (10 à 30 % de l'air) se condense ou se pseudo 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 après détente dans une vanne. 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. I II111111 ' 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 l'oxygène liquide 29 contentant entre 80 et 99.99 % oxygène 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. o0 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). La figure 2 comprend les mêmes éléments que la figure 1 mais illustre un procédé capable 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. L'oxygène peut éventuellement se vaporiser en dehors de la ligne d'échange principal 7 dans un échangeur dédié par échange de chaleur avec un seul débit tel que de l'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 est de nouveau refroidi dans l'échangeur 7, 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. La figure 3 illustre un moyen alternatif pour chauffer la colonne auxiliaire dans le cas o la colonne basse pression opère au-dessus de 1, 5 bars. Dans l'exemple la colonne moyenne pression opère à 12 bar, la colonne basse pression à 5 bar et la colonne auxiliaire à 1,5 bar. 1o L'oxygène liquide soutiré en cuve à 5 bar est détendu dans une vanne ou une turbine à 1,5 bar avant d'etre envoyé à la tete de la colonne auxiliaire. La colonne auxiliaire a un rebouilleur de cuve 51 et un condenseur de tete 63. 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 l'azote condensé sert à refroidir le condenseur de tete 63, I'azote gazeux produit étant envoyé au refoulement de la turbine 71. L'azote 33 du dessous du minaret est détendu dans la turbine 71 avec une turbine ayant une température d'entrée plus élevée que la température de I'entrée de la turbine Claude 11. La turbine 71 peut être couplée à un compresseur du système. Les trois 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, turbines hydraulique) - un surpresseur d'air en amont de la turbine Claude - des soutirages de fluides enrichis en oxygène entre les rebouilleurs I'intégration de la colonne auxiliaire et la colonne basse pression en une seule structure - I'alimentation de la colonne argon à partir de la colonne auxiliaire - une colonne Etienne - une colonne de mélange Les colonnes de distillation 2, 3, 4 et 39 contiennent de préférence des garnissages structurés de type ondulé-croisé qui peuvent etre du type décrit en EP-A- 0845293. Elles peuvent cependant contenir des plateaux ou des garnissages d'autre types. Le rebouilleur 51 peut être chauffé avec de l'air plutôt qu'avec de l'azote. La colonne d'argon 4 est bien évidemment facultative. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes dans lequel a) on comprime de l'air, on le refroidit dans un échangeur (7), on le détend dans une turbine (11) 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 (3) d) on soutire un fluide enrichi en oxygène en cuve de la colonne basse pression ou d'autre colonne du système contenant entre 80 % et substantiellement 100 % d'oxygène e) on envoie de l'air comprimé à un rebouilleur de cuve (13) de la colonne basse pression f) on envoie du gaz enrichi en azote à un deuxième rebouilleur (23) de la colonne basse pression caractérisé en ce que l'on envoie de l'air détendu de la turbine (11) au rebouilleur de cuve de la colonne basse pression. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout ou une partie de l'air détendu est envoyé de la turbine (11) au rebouilleur de cuve (13). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel tout l'air envoyé au condenseur de cuve est ensuite envoyé à la colonne moyenne pression (2). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une partie de l'air (17) se liquéfie ou se pseudo liquéfie dans l'échangeur (7) avant d'être envoyé à la double colonne. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire. Ii ir l:l. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel on soutire de l'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression et/ou en cuve de la colonne auxiliaire. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de l'oxygène est soutiré sous forme liquide de la colonne auxiliaire et/ou de la colonne basse pression et vaporisé dans l'échangeur (7) ou un autre échangeur. 8. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel on alimente une colonne argon à partir de la colonne basse pression. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on produit de l'oxygène impur ou pur sous forme liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon liquide. 10. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant i) un système de colonnes comportant une double colonne (1) comprenant une colonne moyenne pression (2) et une colonne basse pression (3) ayant un rebouilleur de cuve (13) et un deuxième rebouilleur (23) ii) un échangeur de chaleur (7) iii) une turbine (11) iv) des moyens pour envoyer l'air à l'échangeur, de l'échangeur à la turbine et de la turbine à la colonne moyenne pression vi) des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote au deuxième rebouilleur (23) vii) des moyens pour envoyer de l'air au rebouilleur de cuve (13) viii) des moyens pour soutirer un fluide enrichi en oxygène de la colonne basse pression (3) ou d'une autre colonne du système caractérisée en ce que les moyens pour envoyer de l'air de la turbine à la colonne moyenne pression (2) relient la turbine, le rebouilleur de cuve (23) et la colonne moyenne pression. TF ii1 TF T; 11. Installation selon la revendication 10 comprenant des moyens pour envoyer tout ou une partie de l'air de la turbine (11) au rebouilleur de cuve (13). 12. Installation selon la revendication 10 ou 11 comprenant des moyens pour envoyer tout l'air envoyé au condenseur de cuve ensuite à la colonne moyenne pression (2). 13. Installation selon l'une des revendications10 à 12 comprenant des moyens pour on envoie du liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à la tête d'une colonne auxiliaire. 14. Installation selon la revendication 13 comprenant des moyens pour soutirer de l'oxygène en cuve de la colonne basse pression et /ou en cuve de la colonne auxiliaire. 15. Installation selon l'une des revendications 10 à 14 comprenant des moyens (7) pour vaporiser l'oxygène soutiré sous forme liquide. 16. Installation selon une des revendications 10 à 15 comprenant une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse pression ou la colonne auxiliaire. 17. Installation selon l'une des revendications 10 à 16 comprenant des moyens pour produire de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de I'argon liquide comme produit final.