Brevet FR2814229A1 — publié le 20020322

La présente invention est relative à un procédé et une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier elle concerne un procédé utilisant trois colonnes de séparation opérant à une haute pression, une basse pression et une pression intermédiaire entre les haute et basse pressions. Il est connu de EP-A-0538118 d'utiliser un procédé de ce genre pour séparer de l'air, la colonne à pression intermédiaire ayant un rebouilleur de cuve chauffé par de l'azote de la colonne haute pression, réduisant ainsi le chauffage du rebouilleur de cuve de la colonne basse pression. Un but de l'invention est de réduire la consommation en énergie du procédé de séparation par rapport aux procédés de l'art antérieur. Un autre but de l'invention est de produire de l'oxygène avec une pureté d'au moins 95 % mol., voire au moins 98 % mol. avec un rendement amélioré. mol. La Figure 1 montre un procédé classique avec une colonne basse pression 103 opérant à 1,3 bara permettant de faire de l'oxygène à 99,5 % mol. avec un rendement de 92 %. Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 5 bara est divisé en deux pour former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bara. Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit 3 liquéfié dans l'échangeur 100 est détendu dans une turbine 6 produisant un débit au moins partiellement liquide à sa sortie, le fluide ou mélange de fluides sortant de la turbine 6 étant envoyé au moins en partie à la colonne haute pression 101. Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit dans le sousrefrodisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 103. Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression 101, refroidi dans le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression 103. Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse pression 103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 o il se réchauffe. 2 2814229 Un débit 31 de 193 Nm3/h d'oxygène à 99,5 % mol. est soutiré sous forme liquide de la colonne basse pression 103, pompé dans la pompe 19 à 40 bara et se vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression. Un débit de 200 Nm3/h d'azote gazeux 33 est soutiré de la tête de la colonne haute pression 101 et se chauffe partiellement dans l'échangeur 100. A une température intermédiaire une partie du gaz est détendue dans une turbine 35 avant d'être mélangé avec le gaz résiduaire 72. Dans un autre schéma classique illustré à la Figure 2, la colonne basse pression opère à 4,8 bara et la colonne haute pression 101 opère à 14,3 bara. Ce procédé produit de l'oxygène à 99,5 % mol.avec un rendement de 78%. Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 14,3 bara est divisé en deux pour former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bara. Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit liquide 3 est détendu dans une turbine 6 produisant un débit au moins partiellement liquide à sa sortie, le fluide ou mélange de fluides sortant de la turbine 6 étant envoyé au moins en partie à la colonne haute pression 101. Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit dans le sousrefrodisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 103. Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression 101, refroidi dans le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression 103. Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse pression 103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 o il se réchauffe. Un débit 31 de 164 Nm3/h d'oxygène à 99,5 % mol. est soutiré sous forme liquide de la colonne basse pression, pompé dans la pompe 19 à 40 bara et se vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression. Aucun débit d'azote gazeux n'est soutiré en tête de la colonne haute pression 101 (évidemment un débit d'azote gazeux haute pression se condense de manière classique dans un vaporiseur-condenseur associé à la colonne basse pression). Il est connu de EP-A-833118 et US-A-5657644 de cpauffer la colonne à pression intermédiaire avec un gaz enrichi en argon qui sert égalerment à alimenter une colonne de production d'argon. 3 2814229 Les inventeurs de la présente demande ont découvert que même sans utiliser une colonne de séparation d'argon, l'épuration de l'oxygène en cuve de la colonne basse pression reste satisfaisante pour la production d'oxygène à pureté élevée. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans un appareil de séparation comprenant une colonne haute pression, une colonne à pression intermédiaire ayant un rebouilleur de cuve et une colonne basse pression dans lequel a) on envoie au moins un mélange au moins d'oxygène, d'azote et d'argon au moins à la colonne haute pression o il se sépare en un premier débit enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote b) on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à la colonne opérant à pression intermédiaire o il se sépare en un deuxième débit enrichi en oxygène et un deuxième débit enrichi en azote c) on envoie au moins une partie du deuxième débit enrichi en oxygène et/ou du deuxième débit enrichi en azote à la colonne basse pression d) on envoie un gaz de la partie inférieure de la colonne basse pression au rebouilleur de cuve de la colonne à pression intermédiaire o il se condense au moins partiellement avant d'être renvoyé à la colonne basse pression e) on soutire au moins un fluide enrichi en oxygène et au moins un fluide enrichi en azote de la colonne basse pression et f) on condense au moins partiellement au moins une partie du premier fluide enrichi en azote dans un vaporiseur- condenseur associé à la colonne basse pression et on renvoie au moins une partie du fluide au moins partiellement condensé à la colonne haute pression caractérisé en ce qu'aucun fluide contenant entre 3 et 20 % mol. d'argon ne s'enrichit en argon dans une colonne de l'appareil autre que les colonnes haute pression, basse pression et pression intermédiaire. Selon d'autres objets facultatifs de l'invention, il est prévu que le fluide enrichi en oxygène soutiré de la colonne basse pression contient au moins 95 % mol. d'oxygène, éventuellement au moins 98 % mol. d'oxygène. aucun débit gazeux enrichi en azote n'est soutiré en tête de la colonne haute pression ou un débit gazeux enrichi en azote est soutiré en tête de la colonne haute pression. 4 2814229 la colonne basse pression opère à au moins 1,3 bara, éventuellement au moins 2 bara, de préférence au moins 4 bara. on envoie un (des) débit(s) d'air gazeux et/ou liquide à la colonne à pression intermédiaire et/ou à la colonne basse pression et/ou à la colonne haute pression. le gaz provenant de la partie inférieure de la colonne basse pression envoyé au rebouilleur de cuve contient entre 1 et 20 % mol. d'argon, de préférence entre 5 et % mol. d'argon, encore plus préférablement entre 8 et 10 % mol. d'argon. au moins une partie du deuxième débit enrichi en azote se condense, éventuellement dans un condenseur de tête de la colonne à pression intermédiaire. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne haute pression, une colonne à pression intermédiaire ayant un rebouilleur de cuve et une colonne basse pression, la colonne haute pression et la colonne basse pression étant reliées thermiquement entre elles, des moyens pour envoyer un mélange au moins d'oxygène, d'azote et d'argon au moins à la colonne haute pression, des moyens pour envoyer un débit enrichi en oxygène de la colonne haute pression à la colonne à pression intermédiaire, des moyens pour envoyer un fluide enrichi en oxygène et/ou un fluide enrichi en azote de la colonne à pression intermédiaire à la colonne basse pression, des moyens pour envoyer un fluide de la colonne basse pression au rebouilleur de cuve de la colonne à pression intermédiaire, des moyens pour soutirer un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle ne comprend pas de moyens d'enrichissement en argon d'un fluide contenant entre 3 et % mol. d'argon autre que les colonnes haute pression, basse pression et pression intermédiaire. Selon d'autres objets facultatifs de l'invention, I'installation comprend: - une turbine de détente et des moyens pour amener un débit de la colonne basse pression à cette turbine sans le comprimer. - des moyens pour amener un débit d'air à la colonne à pression intermédiaire et/ou basse pression et/ou haute pression. Eventuellement, le fluide envoyé au rebouilleur est soutiré de la colonne basse pression à un niveau inférieur de l'introduction d'un fluide enrichi en oxygène provenant de la colonne à pression intermédiaire. De préférence, la colonne à pression intermédiaire a un condenseur de tête. 2814229 Des exemples de mise en oeuvre de l'invention seront maintenant décrits par rapport aux Figures 3 et 4, qui montrent des dessins schématiques d'une installation selon l'invention. Dans le cas de la Figure 3, I'appareil fonctionne avec une colonne basse pression à 1,3 bara et dans le cas de la Figure 4, I'appareil fonctionne avec une colonne basse pression à 4,8 bara. L'installation de la Figure 3 comprend une colonne haute pression 101 opérant à 5 bara, une colonne pression intermédiaire 102 opérant à 2,7 bara et une colonne basse pression 103 opérant à 1,3 bara. Une partie de l'azote gazeux de tête de la colonne haute pression sert à chauffer le rebouilleur de cuve de la colonne basse pression mais d'autres moyens de chauffage peuvent être envisagés, tel que des systèmes à doubles rebouilleurs, dont un chauffé par de l'air. Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 5 bara est divisé en deux pour former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bara. Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit liquide 3 est détendu dans une turbine 6 produisant un débit au moins partiellement liquide à sa sortie, [e fluide ou mélange de fluides sortant de la turbine 6 étant envoyé au moins en partie à la colonne haute pression 101. Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit dans le sousrefrodisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne à pression intermédiaire 102 entre deux sections, par exemple de garnissages structurés de type ondulé- croisé. Le liquide peut être envoyé à un autre niveau de la colonne et la colonne peut également recevoir un débit d'air gazeux ou liquide. Ce liquide est séparé en un deuxième liquide enrichi en oxygène 20 et un liquide enrichi en azote 25. Le liquide 25 se refroidit dans le sousrefroidisseur 83, avant d'être détendu et envoyé en tête de la colonne basse pression 103, après être mélangé avec un débit de liquide pauvre 15 de la tête de la colonne haute pression 101 qui a également été refroidi dans le sousrefroidisseur 83 et détendu dans une vanne. Le liquide de cuve 20 de la colonne à pression intermédiaire est divisé en deux. Une partie est détendue et envoyée à la colonne basse pression directement 6 2814229 tandis que le reste est détendu dans une vanne, envoyé au condenseur de tête 22 de la colonne à pression intermédiaire o il se vaporise au moins partiellement avant d'être envoyé à la colonne basse pression 103. Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression, refroidi dans le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression 103. Le rebouilleur de cuve 24 de la colonne à pression intermédiaire 102 est chauffé au moyen d'un débit gazeux enrichi en argon 233 contenant environ 5 à 15 % mol., préférablement entre 8 et 10 % mol. d'argon provenant de la colonne basse pression 103. Ce débit se condense au moins partiellement dans le rebouilleur 24 avant d'être renvoyé à la colonne basse pression 103 Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse pression 103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 o il se réchauffe. Un débit 31 de 203 Nm3/h d'oxygène à 99,5 % mol. est soutiré sous forme liquide de la colonne basse pression 103, pompé dans la pompe 19 à 40 bara et se vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression. Un débit 33 de 200 Nm3 /h d'azote gazeux est soutiré en tête de la colonne haute pression 101 et se chauffe partiellement dans l'échangeur 100. A une température intermédiaire une partie du gaz est détendue dans une turbine 35 avant d'être' mélangé avec le gaz résiduaire 72. Le reste de l'azote poursuit son réchauffement et constitue un produit de l'appareil. Il est possible de soutirer des produits liquides de l'appareil mais l'appareil ne produit aucun fluide enrichi en argon. L'installation de la Figure 4 comprend une colonne haute pression 101 opérant à 14,3 bara, une colonne pression intermédiaire 102 opérant à 8,5 bara et une colonne basse pression 103 opérant à 4,8 bara. Tout l'azote gazeux de tête de la colonne haute pression sert à chauffer le rebouilleur de cuve de la colonne basse pression mais d'autres moyens de chauffage peuvent être envisagés, tel que des systèmes à doubles rebouilleurs, dont un chauffé par de l'air. Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 14,3 bara est divisé en deux pour former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bara Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit liquide 3 est détendu dans une turbine produisant un débit au moins partiellement liquide à sa 7 2814229 sortie, le fluide ou mélange de fluides sortant de la turbine étant envoyé au moins en partie à la colonne haute pression 101. Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit dans le sousrefrodisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne à pression intermédiaire 102 entre deux sections, par exemple de garnissages structurés de type ondulé- croisé. Le liquide peut être envoyé à un autre niveau de la colonne et la colonne peut également recevoir un débit d'air gazeux ou liquide. Ce liquide est séparé en un deuxième liquide enrichi en oxygène 20 et un liquide enrichi en azote 25. Le liquide 25 se refroidit dans le sousrefroidisseur 83, avant d'être détendu et envoyé en tête de la colonne basse pression 103, après être mélangé avec un débit de liquide pauvre 15 de la tête de la colonne haute pression 101 qui a également été refroidi dans le sousrefroidisseur 83 et détendu dans une vanne. Le liquide de cuve 20 de la colonne à pression intermédiaire est divisé en deux. Une partie est détendue et envoyée à la colonne basse pression directement tandis que le reste est détendu dans une vanne, envoyé au condenseur de tête 22 de la colonne à pression intermédiaire o il se vaporise au moins partiellement avant d'être envoyé à la colonne basse pression 103. Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression, refroidi dans le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression. Le rebouilleur de cuve 24 de la colonne à pression intermédiaire 102 est chauffé au moyen d'un débit gazeux enrichi en argon 233 contenant environ 5 à 15 % mol., préférablement 8 à 10 % mol. d'argon provenant de la colonne basse pression 103. Ce débit se condense au moins partiellement dans le rebouilleur 24 avant d'être renvoyé à la colonne basse pression 103. Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse pression 103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 o il se réchauffe. Un débit 31 de 177 Nm3/h d'oxygène à 99,5% mol. est soutiré sous forme liquide de la colonne basse pression, pompé dans la pompe 19 à 40 bara et se vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression. Il est possible de soutirer des produits liquides de l'appareil mais l'appareil ne produit aucun fluide enrichi en argon. 8 2814229 Les avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'étude des tableaux ci- dessus. D'autres moyens de production de froid alternatifs ou supplémentaires peuvent être envisagés, tel qu'une turbine d'insufflation, une turbine Claude ou une autre turbine qui n'est pas alimentée par un débit liquide ou une turbine de gaz provenant de la colonne basse pression. L'appareil peut recevoir tout ou une partie de son air d'alimentation d'un compresseur d'une turbine à gaz, I'azote résiduaire de l'appareil étant renvoyé à la turbine à gaz. Procédé de la Procédé de la Figure 3 Figure 1 (invention) Pression de la colonne 5 bara 5 bara haute pression Pression de la colonne 1.3 bara 1.3 bara basse pression Pression de la colonne à 2.7 bara pression intermédiaire Débit total d'air traité 1000 Nm3/h 1000 Nm3;h Teneur en oxygène du 99.5% 02 99.5% 02 produit gazeux Production d'oxygène, 193 Nm3/h 203 Nm3/h compté pur Production d'azote 200 Nm3/h 200 Nm3/h gazeux haute pression Rendement d'extraction 92% 97% d'oxygène Energie de séparation Base: 100 95 9 2814229 Procédé de la Figure 2 Procédé de la Figure 4 (invention) Pression de la colonne 14.3 bara14.3 bara haute pression Pression de la colonne 4.8 bara4.8 bara basse pression Pression de la colonne 8.5 bara à pression intermédiaire Débit d'air total 1000 Nm3/h 1000 Nm3/h Teneur en oxygène du 99.5% 02 99.5 0o 02 produit gazeux Production d'oxygène, 164 Nm3/h 177 Nm3/h compté pur Production d'azote 0 Nm3/h O Nm3/h gazeux haute pression Rendement 78% 85% d'extraction d'oxygène Energie de séparation Base: 100 90 2814229 Revendications 1.Procédé de séparation d'air dans un appareil de séparation comprenant une colonne haute pression (101), une colonne à pression intermédiaire (102) ayant un rebouilleur de cuve (24) et une colonne basse pression (103) dans lequel a) on envoie au moins un mélange (1) au moins d'oxygène, d'azote et d'argon au moins à la colonne haute pression o il se sépare en un premier débit enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote b) on envoie au moins une partie du premier débit (10) enrichi en oxygène à la colonne opérant à pression intermédiaire o il se sépare en un deuxième débit enrichi en oxygène (20) et un deuxième débit enrichi en azote (25) c) on envoie au moins une partie du deuxième débit enrichi en oxygène et/ou du deuxième débit enrichi en azote à la colonne basse pression d) on envoie un gaz (233) de la partie inférieure de la colonne basse pression au rebouilleur de cuve de la colonne à pression intermédiaire o il se condense au moins partiellement avant d'être renvoyé à la colonne basse pression e) on soutire au moins un fluide enrichi en oxygène (31) et au moins un fluide (72) enrichi en azote de la colonne basse pression et f) on condense au moins partiellement au moins une partie du premier fluide enrichi en azote dans un vaporiseurcondenseur associé à la colonne basse pression et on renvoie au moins une partie du fluide au moins partiellement condensé à la colonne haute pression caractérisé en ce qu'aucun fluide contenant entre 3 et 20 % mol. d'argon ne s'enrichit en argon dans une colonne de l'appareil autre que les colonnes haute pression, basse pression et pression intermédiaire. 2.Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide (31) enrichi en oxygène soutiré de la colonne basse pression contient au moins 95 % mol. d'oxygène, éventuellement au moins 98 % mol. d'oxygène. 3.Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel aucun débit gazeux enrichi en azote n'est soutiré en tête de la colonne haute pression (101). 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel un débit gazeux (33) enrichi en azote est soutiré en tête de la colonne haute pression (101). 11 2814229 5. Procédé selon la revendication 1,2,3 ou 4 dans lequel la colonne basse pression (103) opère à au moins 1,3 bara, éventuellement au moins 2 bara, de préférence au moins 4 bara. 6. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel on envoie un (des) débit(s) d'air gazeux et/ou liquide à la colonne à pression intermédiaire et/ou à la colonne basse pression et/ou à la colonne haute pression. 7. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le gaz (233) provenant de la partie inférieure de la colonne basse pression envoyé au rebouilleur de cuve contient entre 1 et 20 % mol. d'argon. 8. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du deuxième débit enrichi en azote se condense, éventuellement dans un condenseur de tête (22) de la colonne à pression intermédiaire. 9. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne haute pression (101), une colonne à pression intermédiaire (102) ayant un rebouilleur de cuve (24) et une colonne basse pression (103), la colonne haute pression et la colonne basse pression étant reliées thermiquement entre elles, des moyens pour envoyer un mélange (1) au moins d'oxygène, d'azote et d'argon au moins à la colonne haute pression, des moyens pour envoyer un débit enrichi en oxygène (10) de la colonne haute pression à la colonne à pression intermédiaire, des moyens pour envoyer un fluide enrichi en oxygène (20) et/ou un fluide enrichi en azote (25) de la colonne à pression intermédiaire à la colonne basse pression, des moyens pour envoyer un fluide (233) de la colonne basse pression au rebouilleur de cuve de la colonne à pression intermédiaire, des moyens pour soutirer un fluide enrichi en azote (72) et un fluide enrichi en oxygène (31) de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle ne comprend pas de moyens d'enrichissement en argon d'un fluide contenant entre 3 et 20 % mol. d'argon autre que les colonnes haute pression, basse pression et pression intermédiaire. 10. Installation selon la revendication 9 comprenant une turbine de détente et des moyens pour amener un débit de la colonne basse pression à cette turbine sans le comprimer. 11. Installation selon la revendication 9 ou 10 comprenant des moyens pour amener un débit d'air à la colonne à pression intermédiaire et/ou basse pression et/ou haute pression (101,102,103). 12 2814229 12. Installation selon l'une des revendications 9 à 11 dans laquelle le fluide (233) envoyé au rebouilleur est soutiré de la colonne basse pression à un niveau inférieur de l'introduction d'un fluide enrichi en oxygène provenant de la colonne à pression intermédiaire. 13. Installation selon l'une des revendications 9 à 12 dans laquelle la colonne à pression intermédiaire (102) a un condenseur de tête (22).