Brevet FR2789162A1 — publié le 20000804

La présente invention concerne un procédé et une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier il concerne les procédés de production d'oxygène impur. Il est connu de EP-A-229803 et US-A-4022030 d'utiliser un procédé à colonne de mélange pour produire de l'oxygène impur sous pression. Des variantes de ce procédé telles que celles décrites en EP-A-531182 distinguent les pressions de fonctionnement des colonnes moyenne pression et de mélange, et fait fonctionner la colonne de mélange à une pression inférieure ou supérieure à celle de la colonne moyenne pression. Ainsi l'air alimentant la cuve de la colonne de mélange peut provenir d'un étage intermédiaire du compresseur d'air principal; dans ce cas, deux systèmes de dessiccation/décarbonatation sont nécessaires, un sur chacun des deux faisceaux d'air. Alternativement l'air peut provenir de l'échappement d'une turbine de détente tel que décrit dans EP-A-698772: dans ce cas, il existe soit une pression minimale d'oxygène, soit une production de liquide minimale pour que l'ensemble soit énergétiquement optimal. US-A-5802872 décrit l'usage d'un échangeur à plaques brasées et un échangeur réversible pour refroidir l'air destiné à la colonne moyenne pression d'une double colonne. Un but de l'invention-est de réduire les coûts d'investissement des appareils de production d'oxygène impur. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans une installation de séparation d'air comprenant au moins une double colonne de distillation d'air avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression dans lequel: a) on refroidit un premier débit d'air comprimé dans un premier passage d'un système d'échange thermique b) on refroidit un deuxième débit d'air comprimé dans un deuxième passage du système d'échange thermique c) on réchauffe un débit de gaz provenant de l'installation dans un troisième passage du système d'échange thermique caractérisé en ce que l'on envoie périodiquement le débit de gaz provenant de l'installation au premier passage afin de régénérer le passage et le premier débit d'air est alors renvoyé dans le troisième passage du système d'échange thermique, libéré par le gaz provenant de l'installation et substantiellement dépourvu de toutes impuretés. De préférence, on envoie le premier débit d'air dans le système d'échange thermique à une pression plus basse que celle à laquelle entre le deuxième débit. Au moins une partie du premier débit d'air refroidi dans l'échangeur peut alimenter une colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus basse que la moyenne pression. Selon une variante, la colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus basse que la moyenne pression est une colonne de mélange, une colonne opérant à une pression intermédiaire à la moyenne et la basse pression ou la colonne basse pression. De préférence, un gaz résiduaire de la colonne basse pression ou de l'oxygène impur de la colonne de mélange se réchauffe périodiquement dans le premier passage o se refroidit le premier débit. Au moins une partie du premier débit d'air peut être soutiré à un point intermédiaire de l'échangeur. Dans une variante de l'invention, au moins une partie du premier débit d'air alimente une colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus élevée que la moyenne pression, telle qu'une colonne de mélange. Soit seul le deuxième débit d'air (pas le premier débit) est épuré en eau et en CO2 avant d'être refroidi dans l'échangeur soit le deuxième passage est également régénéré par un gaz provenant de l'installation substantiellement dépourvu de toutes impuretés, par exemple de l'azote impur de la colonne basse pression. Dans certains cas l'oxygène impur pourrait servir à régénérer le premier et/ou deuxième passage et servir de produit tout en étant chargé d'eau et de CO2. Par exemple, un gaz ayant cette composition peut alimenter un haut fourneau. Ainsi l'oxygène impur n'est pas gaspillé. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant: - une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, - un échangeur, - des moyens pour envoyer un premier débit d'air à un premier passage de l'échangeur sans l'épurer avant qu'il rentre dans l'échangeur, - des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air à un deuxième passage de l'échangeur, - des moyens pour envoyer un gaz de l'installation à un troisième passage de l'échangeur o il se réchauffe, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer le gaz de l'installation au premier passage afin de le régénérer cycliquement et des moyens pour envoyer le premier débit d'air au troisième passage. De préférence, elle comprend une colonne de mélange, des moyens pour envoyer de l'oxygène liquide de la colonne basse pression à la colonne de mélange et des moyens pour envoyer de l'air de l'échangeur à la colonne de mélange. Les frigories nécessaires peuvent être produites au moins en partie par une turbine d'insufflation alimentée par de l'air de l'échangeur. Selon une variante il y a des moyens pour envoyer de l'oxygène impur au premier passage comme gaz de régénération, provenant éventuellement de la colonne de mélange ou de la colonne basse pression. Il y a soit des moyens pour épurer le deuxième débit d'air avant de l'envoyer à l'échangeur soit des moyens pour envoyer le gaz de l'installation au deuxième passage afin de le régénérer et ne comprenant pas de moyens pour épurer le deuxième débit d'air avant de l'envoyer à l'échangeur. L'invention sera maintenant décrite plus en détails en se référant aux figures 1 et 2 qui sont des schémas d'installations selon l'invention. Le procédé de la figure 1 permet de produire de l'oxygène gazeux par un procédé à colonne de mélange dans lequel la pression de fonctionnement de la colonne de mélange 5 est inférieure à la pression de fonctionnement de la colonne MP 1. L'installation comprend une colonne moyenne pression 1, une colonne basse pression 3 reliée thermiquement à celle-ci et une colonne de mélange 5. L'air 100 alimentant la colonne de mélange 5 est comprimé à un niveau proche de la pression de fourniture de l'oxygène dans le compresseur 7. Le reste de l'air à distiller 200 est surpressé en 7 jusqu'a une valeur proche de la pression de fonctionnement de la colonne moyenne pression 1. Ledit débit d'air 100 est introduit directement dans un premier passage faisant partie de la ligne d'échange principal 11, sans être traité au préalable dans un système de décarbonatation/dessiccation. Les circuits de la ligne d'échange dédiés à cet air non traité et dans lequel se déposent donc la vapeur d'eau et la neige carbonique sont régénérés cycliquement par un des gaz issus des colonnes de distillation ou de mélange, et donc substantiellement dépourvu d'impuretés (c'est-àdire exempts d'eau et de C02) (système d'échangeurs réversibles). Dans l'exemple un gaz résiduaire de la colonne basse pression 3 peut être envoyé soit pour régénérer le premier passage de l'échangeur soit à un troisième passage o il se réchauffe. Pendant que le gaz régénérant circule dans le premier passage, le premier débit d'air se refroidit dans le troisième passage. L'air alimentant la colonne MP est épuré, soit par un système de dessiccation/décarbonatation 13, soit également en régénérant le deuxième passage avec un gaz résiduaire de la colonne basse pression (azote ou oxygène impur). L'air épuré dans l'épuration 13 est partiellement refroidi dans le deuxième passage, une partie est soutirée de l'échangeur, détendue dans une turbine d'insufflation 15 et envoyée à la colonne basse pression 3; le reste de l'air poursuit son refroidissement dans le deuxième passage et est envoyé à la colonne moyenne pression 1. De l'oxygène liquide pompé à une pression inférieure à la moyenne pression alimente la tête de la colonne de mélange 5. De l'oxygène gazeux impur est soutiré de la tête de la colonne de mélange et est envoyé à l'échangeur. Un liquide intermédiaire et un liquide de cuve de la colonne de mélange sont envoyés à la colonne basse pression. Du liquide riche est envoyé de la colonne moyenne pression a la colonne basse pression au même niveau que l'air de la turbine d'insufflation. Du liquide pauvre est envoyé de la tête de la colonne moyenne pression à la tête de la colonne basse pression. Dans la variante de la figure 2, le premier passage est régénéré avec une partie du gaz soutiré en tête de la colonne de mélange qui contient au moins 50 % d'oxygène et de préférence 80 % d'oxygène. Après la régénération la partie d'oxygène impur humide et chargé de CO2 est mélangée avec le reste du gaz et envoyée à un haut fourneau ou autre installation consommatrice d'oxygène impur humide. Les modifications suivantes peuvent être envisagées entre autres: production d'une partie de l'oxygène à une pureté supérieure à 98 % à partir de la colonne basse-pression, sous forme liquide ou gazeuse, sous pression ou non - usage d'une turbine Claude ou turbine azote, éventuellement produisant au moins une fraction liquide - opération de la colonne basse pression à une pression au-dessus de 1,5 bar - production d'argon utilisant une ou plusieurs colonnes de production d'argon production de liquide comme produit final - vaporisation d'un liquide de la colonne ou d'une source extérieure dans la ligne d'échange - opération de la colonne de mélange à une pression égale à ou supérieure à la moyenne pression - usage du gaz qui a régénéré le premier ou deuxième passage comme produit, par exemple oxygène impur humide - détente d'air destiné à la colonne de mélange dans une turbine. L'air envoyé à la colonne de mélange ne vient pas obligatoirement du même compresseur que l'air destiné à la colonne moyenne pression. En particulier un des débits peut provenir de la soufflante d'un haut- fourneau ou du compresseur d'une turbine à gaz. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air dans une installation de séparation d'air comprenant au moins une double cotonne de distillation d'air avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression dans lequel: a) on refroidit un premier débit d'air comprimé dans un premier passage d'un système d'échange thermique b) on refroidit un deuxième débit d'air comprimé dans un deuxième passage du système d'échange thermique c) on réchauffe un débit de gaz provenant de l'installation dans un troisième passage du système d'échange thermique caractérisé en ce que: l'on envoie périodiquement et cycliquement le débit de gaz provenant de l'installation au premier passage pour le régénérer et, le premier débit d'air est alors renvoyé dans le troisième passage du système d'échange thermique, alors libéré par le gaz provenant de l'installation et substantiellement dépourvu de toutes impuretés. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie le premier débit d'air dans l'échangeur à une pression plus basse que celle à laquelle le deuxième débit entre dans le deuxième échangeur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins une partie du premier débit d'air.refroidi dans l'échangeur alimente une colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus basse que la moyenne pression. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus basse que la moyenne pression est une colonne de mélange, une colonne opérant à une pression intermédiaire à la moyenne et la basse pression ou la colonne basse pression. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel seul un gaz résiduaire de la colonne basse pression ou de l'oxygène impur de la colonne de mélange se réchauffe dans premier passage o se refroidit le premier débit. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du premier débit d'air est soutiré à un point intermédiaire de l'échangeur. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel au moins une partie du premier débit d'air alimente une colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus élevée que la moyenne pression. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la colonne opérant à une pression au moins 0,5 bar plus élevée que la moyenne pression est une colonne de mélange. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel seul le deuxième débit d'air est épuré en eau et en C02 avant d'être refroidi dans l'échangeur. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le deuxième passage est régénéré par un gaz provenant de l'installation. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel le deuxième passage est régénéré par de l'azote impur de la colonne moyenne pression. 12. Procédé selon la revendication 10 dans lequel le deuxième passage est régénéré par de l'oxygène impur d'une colonne de mélange ou de la colonne basse pression. 13. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant: - une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, - un échangeur, - des moyens pour envoyer un premier débit d'air à un premier passage de l'échangeur sans l'épurer avant qu'il rentre dans l'échangeur, - des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air à un deuxième passage de l'échangeur, - des moyens pour envoyer un gaz de l'installation à un troisième passage de l'échangeur, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer le gaz de l'installation au premier passage afin de le régénérer cycliquement et des moyens pour envoyer le premier débit d'air au troisième passage. 14. Installation selon la revendication 13 comprenant une colonne de mélange et des moyens pour envoyer de l'air de l'échangeur à la colonne de mélange. 15. Installation selon la revendication 13 ou 14 comprenant une turbine d'insufflation alimentée par de l'air du deuxième échangeur. 16. Installation selon la revendication13, 14 ou 15 comprenant des moyens pour envoyer de l'oxygène impur au premier passage comme gaz de régénération. 17. Installation selon la revendication13, 14, 15 ou 16 dans laquelle l'oxygène impur provient de la colonne de mélange ou de la colonne basse pression. 18. Installation selon l'une des revendications 13 à 17 comprenant des moyens pour épurer le deuxième débit d'air avant de l'envoyer à l'échangeur. 19. Installation selon l'une des revendications 13 à 18 comprenant des moyens pour envoyer le gaz de l'installation au deuxième passage afin de le régénérer et ne comprenant pas de moyens pour épurer le deuxième débit d'air avant de l'envoyer à l'échangeur. 20. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel on refroidit un débit d'air comprimé contenant de l'eau et du dioxyde de carbone dans un premier passage d'un échangeur, - on réchauffe un débit gazeux comprenant au moins 50 % d'oxygène dans un autre passage de l'échangeur, caractérisé en ce que l'on régénère le premier passage en y envoyant au moins une partie du débit gazeux comprenant au moins 50 % d'oxygène. 21. Procédé selon la revendication 20 dans lequel le débit gazeux contient au moins 80 % d'oxygène. 22. Installation de séparation d'air comprenant - au moins une colonne de distillation d'air, - un échangeur de chaleur ayant au moins deux passages, - des moyens pour envoyer de l'air comprenant de l'eau et du dioxyde de carbone à un des passages, - des moyens pour envoyer un gaz contenant au moins 50 % d'oxygène provenant d'une colonne de l'installation à un autre des passages caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer le gaz contenant au moins 50 % d'oxygène au passage o se refroidit l'air afin de le régénérer et des moyens pour envoyer l'air à l'autre passage.