Brevet FR2795495A1 — publié le 20001229

La présente invention est relative à un procédé et installation de séparation d'un mélange gazeux, par exemple de l'air, par distillation cryogénique et en particulier à un procédé de production de gaz sous pression. Il est connu de pressuriser un liquide produit par une colonne de distillation dans une pompe et de le vaporiser dans l'échangeur principal de l'appareil pour fournir du gaz sous pression. Les gaz produits sont parfois pollués par le gaz de barrage de la pompe. Le gaz de barrage le plus fréquemment utilisé est de l'azote car il est disponible dans les unités de séparation et a un coût de revient faible et une pression convenable (voir Epifanova et Axelrod, Séparation de l'air, Editions Mashinostroienie 1964, Volume 1, pages 199, 203). Si le liquide pompé est de l'oxygène, il peut être contaminé par cet azote à cause de l'usure des labyrinthes de la pompe, d'un déréglage des organes de contrôle ou par retro diffusion. Pour pallier ce problème, JP49117364 propose de vaporiser une partie du liquide destiné à la pompe dans un échangeur dédié pour produire le gaz de barrage. Un but de l'invention est de simplifier l'installation. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel 2 2795495 - on refroidit au moins une partie du mélange comprimé et épuré dans un échangeur; - on envoie le mélange refroidi à une colonne de distillation d'un système comprenant au moins une colonne; - on soutire un liquide d'une colonne du système; - on pressurise le liquide dans une première pompe; - on utilise comme gaz de barrage d'une ou plusieurs pompe(s) du système; i) un gaz provenant d'une source extérieure autre qu'une colonne du système ou ii) la vapeur produite en vaporisant un liquide provenant d'une source extérieure ou iii) la vapeur produite en vaporisant une partie d'un liquide soutiré d'une colonne du système pressurisé dans la première ou une deuxième pompe. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, il est prévu que: - on vaporise une partie du liquide pressurisé dans la première pompe dans l'échangeur o se refroidit au moins une partie du mélange gazeux; - au moins un gaz produit par la colonne se réchauffe dans l'échangeur o se refroidit au moins une partie du mélange gazeux; - seuls la partie du mélange gazeux et le liquide pressurisé dans la première pompe sont envoyés à l'échangeur; - le liquide vaporisé pour former le gaz de barrage est pressurisé par une deuxième pompe, ce liquide pressurisé dans la deuxième pompe ayant la même composante principale que le liquide pressurisé dans la première pompe et étant aussi pur ou plus pur que le liquide pressurisé dans la première pompe; 3 2795495 - le mélange gazeux est de l'air et le liquide pressurisé dans la première pompe est riche en oxygène, azote ou argon; - le mélange gazeux contient au moins 1% de méthane, au moins 1% de monoxyde de carbone, au moins 1% d'hydrogène et/ou au moins 1% d'azote et le liquide pressurisé dans la première pompe est riche en méthane, monoxyde de carbone, hydrogène ou azote; - le gaz de barrage est à une pression supérieure à la pression d'aspiration de la première pompe; - le gaz de barrage est envoyé à toutes les pompes du système pompant un liquide ayant la même composante principale que le liquide pompé par la première pompe. - le système comprend une pompe d'envoi d'un liquide d'une des colonnes au stockage et/ou une pompe de vaporiseur à film et/ou une pompe d'envoi de liquide d'une colonne du système à une autre colonne du système et dans lequel le gaz de barrage d'au moins une de ces pompes est i) un gaz provenant d'une source extérieure autre qu'une colonne du système ou ii) la vapeur produite en vaporisant un liquide provenant d'une source extérieure ou iii) la vapeur produite en vaporisant une partie d'un liquide soutiré d'une colonne du système pressurisé dans la première ou une deuxième pompe. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique comprenant: - un échangeur de chaleur, - une première pompe et éventuellement une deuxième pompe, - un système de colonnes de distillation comprenant au moins une colonne, 4 2795495 - des moyens pour envoyer au moins une partie du mélange gazeux à l'échangeur de chaleur et ensuite à une colonne du système, - des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne du système et de l'envoyer à une ou plusieurs pompe(s) du système et i) une source extérieure d'un gaz autre qu'une colonne du système et des moyens pour envoyer ce gaz pressurisé à la première pompe pour servir de gaz de barrage ou ii) une source extérieure de liquide autre qu'une colonne du système et des moyens pour vaporiser au moins une partie de ce liquide et d'envoyer la vapeur ainsi formée à la première pompe pour servir de gaz de barrage ou iii) des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne du système et d'en vaporiser au moins une partie en aval de la première ou de la deuxième pompe pour fournir un gaz de barrage pour la première pompe. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, I'installation comprend: - des moyens pour envoyer le liquide de la première et/ou de la deuxième pompe à l'échangeur et des moyens pour sortir le liquide vaporisé de l'échangeur. - un autre échangeur de chaleur-dans lequel se vaporise le liquide destiné à fournir le gaz de barrage. - le mélange gazeux est de l'air et le système de colonnes comprend une triple colonne, une double colonne ou une simple colonne éventuellement associée avec une colonne argon et/ou une colonne de mélange. - la première et éventuellement la deuxième pompe(s) est (sont) une (des) pompe(s) à labyrinthe. 2795495 - des moyens pour envoyer le même gaz de barrage à toutes les pompes du système pressurisant un liquide ayant la même composante principale que le liquide pressurisé par la première pompe. - une pompe pour envoyer un liquide d'une colonne du système au stockage et/ou une pompe de vaporiseur à film et/ou une pompe pour envoyer du liquide d'une colonne ou un condenseur du système à une autre colonne ou un autre condenseur du système. - le moyen pour envoyer un gaz de barrage d'au moins une des autres pompes est i) une source extérieure d'un gaz autre qu'une colonne du système et des moyens pour envoyer ce gaz pressurisé à la première pompe pour servir de gaz de barrage ou ii) une source extérieure de liquide autre qu'une colonne du système et des moyens pour vaporiser au moins une partie de ce liquide et d'envoyer la vapeur ainsi formée à la première pompe pour servir de gaz de barrage ou i) des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne du système et d'en vaporiser au moins une partie en aval de la première ou de la deuxième pompe pour fournir un gaz de barrage pour la première pompe. L'invention sera maintenant décrite en référant aux figures 1 à 5 qui sont des représentations schématiques d'installations selon l'invention. Dans la figure 1 un débit d'air 1 à 6 bar est envoyé à l'échangeur 3. Après un refroidissement partiel, il est divisé en deux. Le débit 5 poursuit son refroidissement et se liquéfie dans l'échangeur, tandis que le débit 7 est détendu dans une turbine Claude et envoyé à une double colonne comprenant une colonne moyenne pression 9 et une colonne basse pression 11. Le débit liquéfié 5 est divisé entre les deux colonnes de la double colonne ou envoyé à une seule des colonnes. 6 2795495 Un débit 13 enrichi en oxygène est soutiré en cuve de la colonne moyenne pression 9 et envoyé à un point intermédiaire de la colonne basse pression 11.Un débit d'azote liquide est envoyé de la colonne moyenne pression en tête de la colonne basse pression. Un débit 15 contenant au moins 80% d'oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 11, pressurisé à 30 bar dans la pompe 17 et envoyé dans l'échangeur 3 o il se vaporise et se réchauffe à la température ambiante. Une partie 21 de ce débit est envoyé comme gaz de barrage à la pompe 17. En variante le gaz de barrage peut provenir d'un réseau de gaz 18 sous pression ayant la même composante principale que le débit 15 mais étant aussi pur ou plus pur que ce débit. Ce gaz du réseau peut servir de gaz de barrage si sa pression est supérieure à celle d'aspiration de la pompe 17. Alternativement la source extérieure peut être un stockage de liquide 20 autre qu'une colonne de distillation du système. Le liquide est ensuite vaporisé soit dans l'échangeur 3 soit dans un échangeur dédié 3A (en pointillés) après une étape éventuelle de pressurisation pour fournir le gaz de barrage de la pompe 17. Dans l'échangeur 3A, le liquide 21A peut être chauffé par de l'air ou un autre gaz ou par une autre source de chaleur. Tout l'oxygène liquide du système peut être vaporisé dans un échangeur dédié, l'échangeur ne chauffant que les autres produits de la double colonne. L'azote résiduaire 19 de la colonne basse pression se réchauffe dans l'échangeur 3. Le même gaz de barrage est envoyé à la pompe 23 qui sert à envoyer de l'oxygène liquide au stockage 25 et à la pompe 27 du vaporiseur à film reliant la colonne moyenne pression et la colonne basse pression et à la pompe 29 de remontée de liquide riche. 7 2795495 Dans le cas o les colonnes moyenne et basse pression seraient disposées cote à cote le même gaz de barrage peut également être envoyé à la pompe qui transfère l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête de la colonne moyenne pression. Dans le cas o le système comprendrait une colonne de mélange, le liquide pressurisé envoyé en tête de la colonne de mélange peut provenir d'une pompe dont le gaz de barrage est commun à toutes les autres pompes. Evidemment, il est possible d'utiliser plusieurs gaz de barrage, éventuellement de puretés différentes plutôt qu'un gaz de barrage commun pour toutes les pompes servant à pressuriser un liquide ayant la même composante principale. Dans le cas o le gaz de barrage serait commun, sa pureté est égale ou supérieure à celle du liquide le plus pur pressurisé par une pompe du système dont il sert de gaz de barrage et sa pression est supérieure à la pression d'aspiration de le pompe ayant la pression d'aspiration la plus élevée dont il sert de gaz de barrage. Dans la plupart des cas le liquide pompé sera riche en oxygène mais il est également connu de pomper des liquides riches en azote ou en argon ou,dans les procédés de séparation de mélanges d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de méthane, en méthane. Dans certains cas, il est nécessaire que le gaz de barrage ait la même composante principale que le liquide pompé ou même, en plus, qu'il soit au moins aussi pur que ce liquide, sinon plus pur. Dans d'autre cas, le gaz de barrage peut avoir une composition très différente du liquide pompé. Par exemple, pour certains applications, l'oxygène ne doit surtout par contenir de l'azote alors que la présence d'argon n'est pas nuisible; pour d'autres applications le contraire est vrai. 8 2795495 Dans ces cas respectifs, un gaz riche en argon ou azote peut servir de gaz de barrage. Même de l'air peut parfois servir de gaz de barrage. Dans la figure 2 une source extérieure d'oxygène liquide 20 (donc une source extérieure autre qu'une colonne du système) est reliée à des moyens 3 pour vaporiser au moins une partie de ce liquide et des moyens 21 d'envoyer la vapeur ainsi formée à la première pompe pour servir de gaz de barrage. Dans la figure 3, une source extérieure d'un gaz est constituée par une conduite 18 d'oxygène plus pur que le liquide à pomper provenant d'un réseau. La conduite est reliée à des moyens pour envoyer ce gaz pressurisé à la première pompe pour servir de gaz de barrage. Dans la figure 4 qui correspond à la figure 1 pour le cas o le liquide pressurisé dans la pompe 17 a une teneur en oxygène supérieure à 23%, un gaz inerte 33 (par exemple de l'azote) sera utilisé pour protéger les paliers graissés 35 du moteur M et de la lanterne 31 de la pompe 17. Pour les systèmes à simple labyrinthe, l'injection de gaz inerte se fait au niveau de la lanterne 31. Pour les systèmes à double labyrinthe, l'injection se fait au niveau du labyrinthe secondaire (non-illustré). L'oxygène liquide 15 se vaporise en 3 contre l'air comme illustré à la figure 1. Il passe à travers un détendeur de réglage de pression 45 et peut être envoyé à la place du gaz inerte 33 venant du détendeur 41 au détendeur pilote de régulation du gaz de barrage 39 et au système d'étanchéité des labyrinthes 37. Un dispositif par différentielle de pression 41 permettra de basculer automatiquement du fluide de procédé 21 au fluide d'inertage 33 sur le système de labyrinthes quand la pression du fluide 15 sera a une valeur inférieure au point de consigne du système de gaz de barrage. En utilisant le fluide pompé comme gaz de barrage, on dispose d'une pression suffisante pour alimenter les labyrinthes. 9 2795495 La fuite de gaz de barrage 21 peut être récupérée dans le procédé. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique dans lequel: - on refroidit au moins une partie du mélange (1) comprimé et épuré dans un échangeur (3) - on envoie le mélange refroidi à une colonne de distillation (9) d'un système comprenant au moins une colonne - on soutire un liquide (15) d'une colonne (11) du système - on pressurise le liquide dans une première pompe (17) - on utilise comme gaz de barrage d'une ou plusieurs pompe(s) du système (17, 23, 29) la vapeur produite en vaporisant une partie d'un liquide soutiré d'une colonne du système pressurisé dans la première ou une deuxième pompe. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on vaporise une partie du liquide (15) pressurisé dans la première pompe dans l'échangeur (3) o se refroidit au moins une partie (5) du mélange gazeux. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel au moins un gaz produit par la colonne se réchauffe dans l'échangeur (3) o se refroidit au moins une partie du mélange gazeux (5). 4. Procédé selon la revendication 2 dans lequel seuls la partie du mélange gazeux et le liquide pressurisé dans la première pompe sont envoyés à l'échangeur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide vaporisé pour former le gaz de barrage est pressurisé par une deuxième pompe, ce liquide ayant la même composante principale que le ]! liquide pressurisé dans la première pompe et étant aussi pur ou plus pur que le liquide pressurisé dans la première pompe. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux est de l'air et le liquide pressurisé dans la première pompe est riche en oxygène, azote ou argon. 7 Procédé selon une des revendications 1 à 5 dans lequel le mélange gazeux contient au moins 1% de méthane, au moins 1% de monoxyde de carbone, au moins 1% d'hydrogène et/ou au moins 1% d'azote et le liquide pressurisé dans la première pompe est riche en méthane, monoxyde de carbone, hydrogène ou azote. 8. Procédé selon une des revendications 1 à 7 dans lequel le gaz de barrage est à une pression supérieure à la pression de la première pompe. 9. Procédé selon une des revendications là 8 dans lequel le gaz de barrage est envoyé à toutes les pompes du système pompant un liquide ayant la même composante principale que le liquide pompé par la première pompe. 10. Procédé selon une des revendications 1 à 9 dans lequel le système comprend une pompe (23) d'envoi d'un liquide d'une des colonnes au stockage (25) et/ou une pompe de vaporiseur à film (27)et/ou une pompe (29) d'envoi de liquide d'une colonne du système à une autre colonne du système et dans lequel le gaz de barrage d'au moins une de ces pompes est i) un gaz provenant d'une source extérieure (18) autre qu'une colonne du système ou ii) la vapeur produite en vaporisant un liquide provenant d'une source extérieure (20) ou iii) la vapeur produite en vaporisant une partie d'un liquide soutiré d'une colonne du système pressurisé dans la première ou une deuxième pompe. 11. Installation de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique comprenant: - un échangeur de chaleur (3), une première pompe (17) et éventuellement une deuxième pompe, - un système de colonnes de distillation comprenant au moins une colonne (9, 11), - des moyens pour envoyer au moins une partie du mélange gazeux à l'échangeur de chaleur et ensuite à une colonne du système, - des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne du système et de l'envoyer à une ou plusieurs pompe (17,23,29), et - des moyens pour soutirer un liquide (15) d'une colonne (11) du système et d'en vaporiser au moins une partie en aval de la première ou de la deuxième pompe (17) pour fournir un gaz de barrage pour la première pompe. 12. Installation selon la revendication 11 comprenant des moyens pour envoyer le liquide de la première et/ou de la deuxième pompe à l'échangeur et des moyens pour sortir le liquide vaporisé de l'échangeur (3). 13. Installation selon la revendication 11 ou 12 comprenant un autre échangeur de chaleur dans lequel se vaporise le liquide destiné à fournir le gaz de barrage. 14. Installation selon l'une des revendications 11 à 13 dans laquelle le mélange gazeux est de l'air et le système de colonnes comprend une triple colonne, une double colonne (9,11) ou une simple colonne éventuellement associée avec une colonne argon et/ou une colonne de mélange. 15. Installation selon la revendication 11 à 14 dans laquelle la première et éventuellement la deuxième pompe(s) est (sont) une (des) pompe(s) à labyrinthe. 16. Installation selon la revendication 11 à 15 comprenant des moyens pour envoyer le même gaz de barrage à toutes les pompes du système comprimant un liquide ayant la même composante principale que le liquide comprimé par la première pompe. 17. Installation selon la revendication 11 à 16 comprenant une pompe (23) pour envoyer un liquide d'une colonne du système au stockage (25) et/ou une pompe (27) de vaporiseur à film et/ou une pompe (29) pour envoyer du liquide d'une colonne ou un condenseur du système à une autre colonne ou un autre condenseur du système. 18. Installation selon la revendication 17 dans lequel le moyen pour envoyer un gaz de barrage d'au moins une des autres pompes est i) une source extérieure (18) d'un gaz autre qu'une colonne du système et des moyens pour envoyer ce gaz pressurisé à la première pompe pour servir de gaz de barrage ou ii) une source extérieure (20) de liquide autre qu'une colonne du système et des moyens pour vaporiser au moins une partie de ce liquide et d'envoyer la vapeur ainsi formée à la première pompe pour servir de gaz de barrage ou iii) des moyens (3) pour soutirer un liquide (15) d'une colonne du système et d'en vaporiser au moins une partie en aval de la première ou dela deuxième pompe pour fournir un gaz de barrage pour la première pompè.