Brevet FR2801963A1 — publié le 20010608

La présente invention est relative à un procédé et installation de sépa- ration d'air par distillation cryogénique. En particulier, elle concerne un procédé de production d'oxygène pur utilisant une colonne de mélange et éventuellement 1o de production d'argon utilisant une colonne d'argon Dans EP-A-0229803 la colonne de mélange est alimentée en cuve par du liquide riche vaporisé provenant du condenseur de tête de la colonne d'argon. EP-A-0269342 concerne le cas dans lequel la colonne d'argon est reliée thermiquement avec une colonne de mélange de sorte que le gaz de tête de la colonne d'argon chauffe la colonne de mélange. Un but de la présente invention est d'augmenter la quantité d'oxygène gazeux pur (contenant plus que 99,5% molaires d'oxygène) qui peut être produit par une double colonne de séparation d'air. Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air pour produire un fluide riche en oxygène par distillation cryogénique com- prenant; - une double colonne comprenant au moins une colonne moyenne pres- sion et une colonne basse pression comprenant un vaporiseur pour vaporiser le liquide de cuve de la colonne basse pression, - une colonne de mélange, - des moyens pour envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - des moyens pour envoyer un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, - des moyens pour envoyer du gaz à la cuve de la colonne de mélange, - des moyens pour envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième liquide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange, - des moyens pour soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mélange à des passages de chauffage du vaporiseur. Dans ce cas, la colonne de mélange peut être alimentée en cuve par n'importe lequel gaz plus volatil que l'oxygène liquide envoyé en tête de colonne. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de sépara- tion d'air pour produire un fluide riche en oxygène et de l'argon par distillation 1o cryogénique comprenant; - une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression comprenant un vaporiseur pour vaporiser le liquide de cuve de la colonne basse pression, - une colonne d'argon avec un condenseur de tête, - une colonne de mélange, - des moyens pour envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - des moyens pour envoyer un premier liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression au condenseur de tête, des moyens pour soutirer un gaz enrichi en argon à un premier niveau de la colonne basse pression et des moyens pour l'envoyer à la colonne argon, des moyens pour envoyer un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, - des moyens pour vaporiser du liquide enrichi en oxygène dans le condenseur de tête et d'en envoyer au moins une partie de la vapeur ou de l'air à la cuve de la colonne de mélange, - des moyens pour envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième liquide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange - des moyens pour soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la co- lonne argon, - des moyens pour soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mélange à des passages de chauffage du vaporiseur. Selon d'autres aspects facultatifs: - le gaz de tête de la colonne de mélange se condense au moins partiel- lement dans le vaporiseur et le condensat est envoyé à un niveau audessus du premier niveau. - il y a des moyens pour envoyer le liquide de cuve de la colonne argon en tête de la colonne de mélange. - il y a des moyens pour envoyer un liquide de cuve et un liquide intermé- diaire de la colonne de mélange à la double colonne. - il y a au moins 80 plateaux théoriques, de préférence au moins 90, dans la colonne basse pression. - il y a des moyens pour envoyer de l'air ou un gaz de la colonne moyenne pression à d'autres passages de chauffage du vaporiseur. - I'appareil comprend une turbine d'insufflation - I'appareil comprend des moyens pour soutirer de l'azote gazeux de la colonne moyenne pression. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique pour produire de l'oxygène avec une double co- lonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression comprenant un vaporiseur pour vaporiser le liquide de cuve de la colonne basse pression, comprenant les étapes de: - envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - envoyer un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, - envoyer au moins une partie du gaz à la cuve de la colonne de mé- lange, - envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression a la tête de la colonne de mélange, ce deuxième liquide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange, - soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'il comprend l'étape d'envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mélange à des passa- ges de chauffage du vaporiseur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique pour produire de l'argon et de l'oxygène avec lo une double colonne comprenant - une colonne moyenne pression - une colonne basse pression comprenant un vaporiseur pour vaporiser le liquide de cuve de la colonne basse pression, - une colonne d'argon avec un condenseur de tête et une colonne de mélange, comprenant les étapes de: - envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - envoyer un premier liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression au condenseur de tête, - soutirer un gaz enrichi en argon à un premier niveau de la colonne basse pression et l'envoyer à la colonne argon, - envoyer un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, - vaporiser au moins partiellement du liquide enrichi en oxygène du condenseur de tête et envoyer au moins une partie de la vapeur ou de l'air à la cuve de la colonne de mélange, - envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième liquide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange - soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la colonne argon, - soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'il comprend l'étape d'envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mélange à des passa- ges de chauffage du vaporiseur. Selon d'autres aspects facultatifs - le gaz de tête de la colonne de mélange se condense au moins partiel- lement dans le vaporiseur et le condensat est envoyé à un niveau au-dessus du premier niveau. - on envoie le liquide de cuve de la colonne argon en tête de la colonne de mélange. - on envoie un liquide de cuve et un liquide intermédiaire de la colonne de mélange à la double colonne. - un gaz de la colonne moyenne pression ou de l'air se condense au moins partiellement dans d'autres passages de chauffage du vaporiseur. - le gaz de tête de la colonne de mélange comprend 3 à 7% d'azote. - le gaz de tête de la colonne de mélange comprend au moins 93%, éventuellement au moins 95% d'oxygène. - le liquide envoyé en tête de la colonne de mélange contient au moins 99% d'oxygène. Il sera compris que le gaz de tête de la colonne de mélange peut être soutiré au sommet de la colonne de mélange ou au plus cinq plateaux théoriques L'invention sera maintenant décrite en plus de détail en se référant aux figures qui illustre schématiquement des installations selon l'invention. L'installation de la Figure 1 comprend une double colonne 1 comprenant une colonne moyenne pression 3 et une colonne basse pression 5 reliées entre elles par un vaporiseur 7. Le vaporiseur comprend des passages de vaporisation de liquide et deux séries indépendantes de passages de chauffage pour deux gaz de chauffage différents. La colonne basse pression opère à entre 1,4 et 2,7 bar et la colonne moyenne pression opère à entre 5 et 8 bar. La colonne argon 9 est alimentée à partir d'un premier niveau de la co- lonne basse pression 5. Il y a également une colonne de mélange 11. Un débit d'air 13 est envoyé à la colonne 3 et un débit d'air insufflé 14 est envoyé à la colonne 5. Un débit de liquide 15 contenant 40% d'oxygène est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 3: une partie 17 de ce liquide alimente la colonne basse pression 5 après détente dans une vanne et une partie 19 du liquide est détendu à entre 1,7 et 2,2 bar absolus dans une vanne et envoyé au condenseur de tête 21 de la colonne argon 9 o il se vaporise au moins partiellement. Le li- quide vaporisé 23 est envoyé en cuve de la colonne de mélange. L'azote de tête de la colonne moyenne pression se condense au moins io partiellement dans le vaporiseur de cuve 7 et le condensat est envoyé à la co- lonne moyenne pression et/ou la colonne basse pression. Un débit gazeux 41 contenant au moins 80% molaires d'azote est soutiré en tête de la colonne moyenne pression et constitue 10 à 15% de l'air d'alimentation. Un débit de liquide 25 enrichi en azote et contenant moins de 2% molai- res d'oxygène est envoyé de la colonne moyenne pression à la tête de la colonne basse pression. Un débit liquide 27 contenant 0,1% molaires d'azote est soutiré en cuve de la colonne basse pression 5 en dessous du point de soutirage du gaz 26 des- tiné à la colonne argon 9 est envoyé après détente à entre 1,7 et 2,2 bar en tête de la colonne de mélange 11. De préférence ce débit 27 est mélangé avec le li- quide de cuve 29 de la colonne argon avant d'être détendu et envoyé à la co- lonne de mélange. Un débit gazeux 31 contenant 5% molaires d'azote est envoyé de la tête de la colonne de mélange au vaporiseur 7 o il est condensé dans des passages séparés de ceux dans lesquels se condensent l'azote de la colonne moyenne pression afin d'augmenter le reflux en cuve de colonne basse pression. Even- tuellement au lieu de cet azote on peut y condenser de l'air ou un autre fluide moins volatil que l'azote moyenne pression, à condition de condenser celui-ci dans un autre condenseur du système, normalement au-dessus du vaporiseur. Une partie du débit 31 peut servir de produit enrichi en oxygène. Ensuite le liquide contenant 5% d'azote est envoyé à la colonne basse pression à un niveau au-dessus du point de soutirage du débit 26. Un liquide intermédiaire 33 de la colonne de mélange contenant 80% d'oxygène est envoyé à la colonne basse pression 5. Le liquide de cuve 35 de la colonne de mélange contenant 65% d'oxygène est envoyé à la colonne basse pression 5. Un débit 37 contenant 99,8 % d'oxygène est soutiré dans la cuve de la colonne basse pression 5 soit sous forme gazeuse soit sous forme liquide. Ainsi on peut voit que la colonne basse pression est alimentée allant de o10 haut en bas par du liquide pauvre 25 contenant moins de 1% d'oxygène, de l'air d'insufflation 14,1e liquide riche non-vaporisé 45 du condenseur de tête de la co- lonne argon, le liquide riche 17,1e liquide de la cuve de la colonne de mélange ,1e liquide intermédiaire de la colonne de mélange 33 et le mélange reconden- sé 31 du vaporiseur 7. Afin d'améliorer encore le schéma, plusieurs liquides intermédiaires de la colonne de mélange pourraient être envoyés à la colonne basse pression. La colonne basse pression contient au moins 80 plateaux théoriques et de préférence au mois 90 plateaux théoriques. L'installation de la Figure 2 diffère de celle de la Figure 1 en ce que la colonne de mélange est alimentée en cuve exclusivement par un débit d'air pro- venant éventuellement d'une turbine ou un surpresseur (non-illustrés). La vapeur de condenseur 21 de la colonne argon est envoyée à la colonne basse pression juste en dessous du point d'injection du liquide riche 45. On pourrait envisager de combiner les concepts des Figures 1 et 2 et ali- menter la colonne de mélange en air et en liquide riche vaporisé en même temps. Evidemment dans le cas de la Figure 2, la colonne argon peut être sup- primée. Au besoin la colonne argon et/ou la colonne basse pression peuvent être construites en deux sections de la manière décrite en EP-A-0628777. De même les colonnes moyenne pression et basse pression peuvent être construites cote à cote. Ces diverses alimentations étagées permettent d'obtenir une distillation basse pression quasi-parfaite. Ceci permet d'augmenter la production d'oxygène en maintenant ou même en augmentant la production d'argon lorsque l'on soutire plus de 10 à 15% molaires de l'air comme azote moyenne pression ou on envoie à 15% molaires de l'air comme air d'insufflation. Les frigories nécessaires à l'appareil peuvent être fournies par une tur- bine d'insufflation, une turbine Claude ou une turbine d'azote. L'appareil peut produire des liquides et/ou des gaz. Revendications 1. Installation de séparation d'air pour produire un fluide riche en oxygène par distillation cryogénique comprenant: - une double colonne (1) comprenant au moins une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (5)comprenant un vaporiseur (7) pour vaporiser le liquide de cuve de la colonne basse pression, - une colonne de mélange (11), - des moyens (13) pour envoyer de l'air refroidi et comprimé au moins à la colonne moyenne pression, - des moyens (19,25) pour envoyer un liquide enrichi en oxygène et un li- quide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pres- sion, - des moyens (23,43) pour envoyer du gaz à la cuve de la colonne de mélange, - des moyens (27) pour envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième li- quide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange, - des moyens (37) pour soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (31) pour envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mé- 2s lange à des passages de chauffage du vaporiseur. 2. Installation de séparation d'air pour produire un fluide riche en oxy- gène et de l'argon par distillation cryogénique comprenant: - une double colonne (1) comprenant une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (5) comprenant un vaporiseur (7) pour vaporiser le liquide de cuve de la colonne basse pression, - une colonne d'argon (9)avec un condenseur de tête (21), - une colonne de mélange (11), - des moyens (13) pour envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - des moyens (19) pour envoyer un premier liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression au condenseur de tête, - des moyens (26) pour soutirer un gaz enrichi en argon à un premier ni- veau de la colonne basse pression et des moyens pour l'envoyer à la colonne argon, - des moyens (17,25) pour envoyer un liquide enrichi en oxygène et un li- quide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pres- 1o sion, - des moyens pour vaporiser au moins partiellement du liquide enrichi en oxygène dans le condenseur de tête et des moyens (23,43) pour envoyer au moins une partie de la vapeur ou de l'air à la cuve de la colonne de mélange, - des moyens pour envoyer un deuxième liquide (27) enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième li- quide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange - des moyens (47) pour soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la colonne argon, - des moyens (37) pour soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (31) pour envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mé- lange à des passages de chauffage du vaporiseur. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle le gaz de tête de la colonne de mélange (11) se condense au moins partiellement dans le vapo- riseur (7) et le condensat est envoyé à un niveau au-dessus du premier niveau. 4. Installation selon la revendication 2 comprenant des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide de cuve de la colonne argon (9) en tête de la colonne de mélange (11). 5. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour envoyer un liquide de cuve et un liquide intermédiaire de la co- lonne de mélange (11) à la double colonne (1). Il 6. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins 80 plateaux théoriques, de préférence au moins 90, dans la colonne basse pression. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour envoyer de l'air ou un gaz contenant plus d'azote que l'air de la colonne moyenne pression à d'autres passages de chauffage du vaporiseur (7). 8. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique pour pro- duire de l'oxygène avec une double colonne (1) comprenant: - une colonne moyenne pression (3) - une colonne basse pression (5) comprenant un vaporiseur (7) pour va- poriser le liquide de cuve de la colonne basse pression, comprenant les étapes de: - envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - envoyer un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, - envoyer au moins une partie du gaz à la cuve de la colonne de mé- lange, - envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième liquide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange, - soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'il comprend l'étape d'envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mélange à des passa- ges de chauffage du vaporiseur. 9. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique pour pro- duire de l'argon et de l'oxygène avec une double colonne (1) comprenant une colonne moyenne pression (3) - une colonne basse pression (5) comprenant un vaporiseur (7) pour va- poriser le liquide de cuve de la colonne basse pression, - une colonne d'argon (9) avec un condenseur de tête (21) et une co- lonne de mélange (11), comprenant les étapes de: - envoyer de l'air refroidi et comprimé à la colonne moyenne pression, - envoyer un premier liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression au condenseur de tête, - soutirer un gaz enrichi en argon à un premier niveau de la colonne basse pression et l'envoyer à la colonne argon, - envoyer un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, - vaporiser au moins partiellement du liquide enrichi en oxygène dans le condenseur de tête et envoyer au moins une partie de la vapeur ou de l'air à la o10 cuve de la colonne de mélange, - envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, ce deuxième liquide étant moins volatil que le gaz alimentant la cuve de la colonne de mélange - soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la colonne argon, soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'il comprend l'étape d'envoyer au moins une partie d'un gaz, éventuellement le gaz de tête, de la colonne de mélange à des passa- ges de chauffage du vaporiseur. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 dans lequel le gaz de tête de la colonne de mélange (11) se condense au moins partiellement dans le vapori- seur (7) et le condensat est envoyé à un niveau au-dessus du premier niveau. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 quand dépendant de la re- vendication 9 comprenant l'étape d'envoyer le liquide de cuve de la colonne ar- gon (9) en tête de la colonne de mélange (11). 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11 comprenant l'étape d'envoyer un liquide de cuve et un liquide intermédiaire de la colonne de mélange (11) à la double colonne (1). 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12 dans lequel un gaz de la colonne moyenne pression ou de l'air se condense au moins partiellement dans d'autres passages de chauffage du vaporiseur. 14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13 dans lequel le gaz de tête de la colonne de mélange(11) comprend 3 à 7% d'azote. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14 dans lequel le gaz de tête de la colonne de mélange (11) comprend au moins 93%, éventuellement au moins 95% d'oxygène. 16. Procédé selon l'une des revendications 9 à 15 dans lequel le liquide envoyé en tête de la colonne de mélange (11) contient au moins 99% d'oxygène. 17. Procédé selon l'une des revendications 9 à 16 dans lequel on en- voie de l'air à une turbine d'insufflation. 18. Procédé selon l'une des revendications 9 à 17 dans lequel on sou- tire du gaz en tête de la colonne moyenne pression.