Brevet FR2819046A1 — publié le 20020705

L'invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique et, en particulier aux procédés et aux appareils dont une colonne produisant un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote opère à une pression supérieure à 2 bar abs. (appareil dit sous pression) ou supérieure à 3 bar abs. Un but de l'invention est d'améliorer le rendement en oxygène de l'appareil de séparation d'air et/ou d'augmenter le débit enrichi en azote qu'il est possible de soutirer directement à moyenne pression ou à haute pression. Un autre but de l'invention est de réduire la teneur en oxygène de l'azote résiduaire. Un autre but de l'invention est de valoriser le gaz enrichi en azote excédentaire sans faire du liquide. Un autre but de l'invention est de pallier les défauts des procédés et appareils connus. La distillation dans les appareils sous pression est très difficile. Dans la plupart des cas, il n'est pas possible de sortir de l'azote de la colonne haute pression, à moins d'utiliser une colonne Etienne, par exemple du type décrit dans EP-A-0538118 ou US-A-4604116 ; les rendements en oxygène sont également médiocres (de l'ordre de 80 % pour une double colonne produisant de l'oxygène pur). Il est connu de EP-A-0562893 de comprimer à température ambiante un débit d'azote provenant d'une colonne basse pression opérant au-dessus de 3 bar abs. et de l'envoyer en tête de la colonne moyenne pression comme azote de soutien. Il est également connu de J05-240579 de comprimer à une température voisine d'une température de la colonne basse pression un débit de liquide riche vaporisé (de l'air synthétique) qui est ensuite envoyé en cuve de la colonne moyenne pression. Selon un objet de l'invention de !'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins deux colonnes, dont une colonne opérant à haute pression et une colonne opérant à basse pression dans lequel on envoie un débit d'air comprimé et épuré à un échangeur de chaleur où il se refroidit à une température cryogénique, on envoie au moins une partie du débit d'air refroidi à une colonne opérant à la haute pression, on envoie un débit enrichi en oxygène et/ou un débit enrichi en azote de la colonne opérant à la haute pression à la colonne opérant à la basse pression, on soutire un fluide enrichi en azote et lou un fluide enrichi en oxygène de la colonne opérant à la basse pression et on comprime au moins un débit enrichi en azote provenant d'au moins une colonne du système et on envoie au moins une partie du débit comprimé (des débits comprimés) à au moins une colonne opérant à une pression plus élevée que la pression de la colonne dont provient le débit enrichi en azote, caractérisé en ce que l'on comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur ayant une température d'entrée plus basse que la température la plus élevée de l'échangeur. Le débit enrichi en azote est en enrichi en azote par rapport à de l'air et donc contient plus que 78 % mol. d'azote, éventuellement plus que 85 % mol. d'azote, de préférence plus que 95 % mol. d'azote. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : l'on comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur ayant une température d'entrée plus basse que la température la plus basse de l'échangeur, t'on comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur ayant une température d'entrée égale à une température intermédiaire de l'échangeur, le gaz enrichi en azote n'est pas réchauffé après avoir été soutiré de la colonne et avant d'être envoyé au compresseur, le gaz enrichi en azote est réchauffé après avoir été soutiré de la colonne et avant d'être envoyé au compresseur, éventuellement dans l'échangeur, au moins une partie du gaz enrichi en azote est refroidi avant d'être envoyé du compresseur à la colonne opérant à la pression plus élevée, éventuellement dans l'échangeur. Le système de colonnes comprend au moins une double colonne dont une colonne haute pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles. L'azote comprimé provient de la colonne basse pression et est envoyé au moins en partie à la colonne haute pression. Le système de colonnes comprend une colonne opérant à une pression intermédiaire entre la haute pression et la basse pression et/ou une colonne qui sert à séparer un fluide enrichi en argon. Le débit enrichi en azote provient de la colonne opérant à la basse pression et est envoyé après compression à la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou à la colonne opérant à la haute pression. Le débit enrichi en azote provient de la colonne opérant à la pression intermédiaire et est envoyé après compression à la colonne opérant à la haute pression. Le débit enrichi en azote comprimé dans le compresseur provient d'une colonne opérant à au moins 2 bar abs. et un deuxième débit enrichi en azote provenant de la même colonne est détendu dans une turbine dont la température d'entrée est inférieure à la température la plus élevée de l'échangeur. Le deuxième débit enrichi en azote est détendu dans une turbine dont la température d'entrée est inférieure à la température la plus basse de l'échangeur. Le compresseur est entraîné par un moteur et/ou par la turbine. Le débit enrichi en azote à comprimer est soutiré à la tête de la colonne ou au plus 5 plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne. Le débit comprimé enrichi en azote est envoyé à la tête de la colonne opérant à pression plus élevée ou au plus 5 plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne opérant à pression plus élevée. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant un système de colonnes comprenant au moins deux colonnes de distillation, dont une colonne haute pression et une colonne basse pression, des moyens pour alimenter au moins la colonne haute pression en air comprimé, refroidi et épuré, un échangeur relié à ces moyens pour refroidir l'air en amont de la colonne haute pression, des moyens pour envoyer un débit enrichi en azote de la colonne haute pression à la colonne basse pression, un compresseur pour comprimer un gaz enrichi en azote d'une colonne du système de colonnes relié à celle-ci et à une autre colonne capable d'opérer à une pression plus élevée que celle-ci, caractérisé en ce qu'il n'y a pas de moyen de chauffage du gaz enrichi en azote en amont du compresseur. Selon d'autres caractéristiques facultatives de l'invention, l'appareil comprend : - une colonne haute pression et une colonne basse pression dans lequel le compresseur est relié en amont à la colonne basse pression et en aval avec la colonne haute pression. - une colonne haute pression, une colonne pression intermédiaire et une colonne basse pression et dans lequel le compresseur est relié en amont à la colonne basse pression et en aval à la colonne pression intermédiaire ou en amont à la colonne pression intermédiaire et en aval à la colonne haute pression. - une ou plusieurs colonnes de production d'argon et/ou une colonne de mélange. L'invention sera maintenant décrite en plus de détail en se référant à deux figures. La Figure 1 est un dessin schématique représentant une installation à double colonne selon l'invention et la Figure 2 est un dessin schématique représentant une installation à triple colonne selon l'invention. Dans la Figure 1, il y a un échangeur de chaleur principal 5, une colonne haute pression opérant à 8 bar abs. et une colonne basse pression 9 opérant à 2 bar abs., reliées thermiquement entre elles par un vaporiseur-condenseur d'azote haute pression. De l'air 1 à la pression de la colonne haute pression 7 se refroidit dans l'échangeur avant d'être envoyé sous forme gazeuse en cuve de la colonne haute pression. Un débit d'air représentant entre 10 et 30% du débit total d'air est surpressé par le surpresseur 11 et se refroidit dans l'échangeur 5. Le débit refroidi est détendu dans une vanne (non-illustrée) et envoyé à la colonne haute pression 7 et éventuellement à la colonne basse pression sous forme au moins partiellement liquide. Un débit de liquide riche 13 est sousrefroidi dans l'échangeur 27 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 9. Un débit d'air liquide 17 est sousrefroidi dans l'échangeur 27 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 9. Un débit de liquide riche en azote 15 de quelques plateaux théoriques en dessous de a tête de la colonne haute pression est sousrefroidi dans l'échangeur 27 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 9. Un débit enrichi en azote 19 est soutiré de la tête de la colonne basse pression et divisé en deux. Une partie 25 se réchauffe dans les échangeurs 27,5 avant d'être, elle aussi, divisée en deux. Une fraction du gaz enrichi en azote se détend dans une turbine 29 jusqu'à la pression ambiante et le reste du gaz poursuit son réchauffement. Un débit 21 enrichi en azote de la tête de la colonne basse pression, contenant plus que 78 % mol. d'azote, de préférence au moins 95 % mol. d'azote, est envoyé sans être refroidi à un compresseur 23 où il est comprimé à une pression légèrement au-dessus de celle de la tête de la colonne haute pression, avant être envoyé à un niveau quelques plateaux théoriques en-dessous de la tête de la colonne haute pression. Un débit 33 d'oxygène liquide est soutiré en cuve de la colonne basse pression, pressurisé dans une pompe 35 et vaporisé dans l'échangeur 5. Un débit gazeux 31 d'azote haute pression est soutiré en tête de la colonne haute pression et envoyé à l'échangeur 5. L'appareil peut comprendre une colonne de production d'argon, une colonne de mélange ou d'autres colonnes. La colonne basse pression peut comprendre plusieurs rebouilleurs et l'appareil peut produire des produits finaux sous forme liquide. Dans la Figure 2, il y a un échangeur de chaleur principal 5, une colonne haute pression 7 opérant à 15 bar abs. et une colonne basse pression 9 opérant à 3 bar abs., reliées thermiquement entre elles par un vaporiseur-condenseur d'azote haute pression et une colonne à pression intermédiaire 8. De l'air 1 à la pression de la colonne haute pression 7 se refroidit dans l'échangeur avant d'être envoyé sous forme gazeuse en cuve de la colonne haute pression. Un débit d'air représentant entre 10 et 30% du débit total d'air est surpressé par le surpresseur 11 et se refroidit dans l'échangeur 5. Le débit refroidi est détendu dans une vanne (non-illustrée) et envoyé à la colonne haute pression 7 et éventuellement à la colonne basse pression sous forme au moins partiellement liquide. Un débit de liquide riche 13 est sousrefroidi dans l'échangeur 27 avant d'être envoyé à la colonne à pression intermédiaire 8 où il est séparé en un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote. La colonne comprend un condenseur de tête 39 et un rebouilleur de cuve 37 chauffé par de l'azote de tête de la colonne haute pression, qui est ensuite mélangé avec l'azote liquide 15 et envoyé en tête de la colonne basse pression. Le condenseur de tête 39 est refroidi par une partie du débit enrichi en oxygène. Un débit d'air liquide 17 est sousrefroidi dans l'échangeur 27 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 9. Un débit de liquide riche en azote 15 de quelques plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne haute pression est sousrefroidi dans l'échangeur 27 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 9. Un débit enrichi en azote 19 est soutiré de la tête de la colonne basse pression et divisé en deux. Une partie 25 se réchauffe dans les échangeurs 27,5 avant d'être, elle aussi, divisée en deux. Une fraction du gaz enrichi en azote se détend dans une turbine 29 jusqu'à la pression ambiante et le reste du gaz poursuit son réchauffement. Un débit 21 enrichi en azote de la tête de la colonne basse pression est envoyé sans être refroidi à un compresseur 23 où il est comprimé à une pression légèrement au-dessus de celle de la tête de la colonne haute pression, avant être envoyé à un niveau quelques plateaux théoriques en-dessous de la tête de la colonne haute pression. Un débit 33 d'oxygène liquide est soutiré en cuve de la colonne basse pression, pressurisé dans une pompe 35 et vaporisé dans l'échangeur 5. Un débit gazeux 31 d'azote haute pression est soutiré en tête de la colonne haute pression et envoyé à l'échangeur 5. L'appareil peut comprendre une colonne de production d'argon, une colonne de mélange ou d'autres colonnes. La colonne basse pression peut comprendre plusieurs rebouilleurs et l'appareil peut produire des produits finaux sous forme liquide. R EVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air pas distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins deux colonnes (7,8, 9), dont une colonne opérant à une haute pression (7) et une colonne opérant à une basse pression (9) dans lequel on envoie un débit d'air (1) comprimé et épuré à un échangeur de chaleur où il se refroidit, on envoie au moins une partie du débit d'air refroidi à une colonne opérant à la haute pression, on envoie un débit (13,15) enrichi en oxygène et/ou un débit enrichi en azote de la colonne opérant à la haute pression à la colonne opérant à la basse pression, on soutire un fluide (19) enrichi en azote et/ou un fluide (33) enrichi en oxygène de la colonne opérant à la basse pression et on comprime au moins un débit (21) enrichi en azote provenant d'au moins une colonne du système et on envoie au moins une partie du débit comprimé (des débits comprimés) à au moins une colonne (7) opérant à une pression plus élevée que la pression de la colonne (9) dont provient le débit enrichi en azote, caractérisé en ce que l'on comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur (23) ayant une température d'entrée plus basse que la température la plus élevée de l'échangeur (5). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'on comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur (23) ayant une température d'entrée plus basse que la température la plus basse de l'échangeur (5). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'on comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur (23) ayant une température d'entrée égale à une température intermédiaire de l'échangeur (5). 4. Procédé selon la revendication 1,2 ou 3, dans lequel le système de colonnes comprend au moins une double colonne dont une colonne haute pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles (7, 9). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'azote comprimé provient de la colonne basse pression (9) et est envoyé au moins en partie à la colonne haute pression (7). 6. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le système de colonnes comprend une colonne (8) opérant à une pression intermédiaire entre la haute pression et la basse pression. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le débit enrichi en azote provient de la colonne opérant à la basse pression (9) et est envoyé après compression à la colonne opérant à pression intermédiaire (8) etiou à la colonne opérant à la haute pression (7). 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le débit enrichi en azote provient de la colonne (8) opérant à la pression intermédiaire et est envoyé après compression à la colonne opérant à la haute pression. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit enrichi en azote comprimé dans le compresseur (23) provient d'une colonne (8,9) opérant à au moins 2 bar abs. et un deuxième débit enrichi en azote provenant de la même colonne est détendu dans une turbine (29) dont la température d'entrée est inférieure à la température la plus élevée de l'échangeur. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le deuxième débit enrichi en azote est détendu dans une turbine (29) dont la température d'entrée est inférieure à la température la plus basse de l'échangeur. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit enrichi en azote à comprimer est soutiré à la tête de la colonne (8,9) ou au plus 5 plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit comprimé enrichi en azote est envoyé à la tête de la colonne (7,8) opérant à pression plus élevée ou au plus 5 plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne opérant à pression plus élevée. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz enrichi en azote (21) n'est pas réchauffé après avoir été soutiré de la colonne et avant d'être envoyé au compresseur. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le gaz enrichi en azote est réchauffé après avoir été soutiré de la colonne et avant d'être envoyé au compresseur, éventuellement dans l'échangeur. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du gaz enrichi en azote est refroidie avant d'être envoyée du compresseur à la colonne opérant à la pression plus élevée, éventuellement dans l'échangeur. 16. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit enrichi en azote contient au moins 78 % mol. d'azote, éventuellement au moins 85 % mol. d'azote, de préférence au moins 95 % mol. d'azote. 17. Appareil de séparation d'air comprenant un système de colonnes comprenant au moins deux colonnes de distillation (7, 8, 9), dont une colonne haute pression (7) et une colonne basse pression (9), des moyens pour alimenter au moins la colonne haute pression en air comprimé, refroidi et épuré, un échangeur (5) relié à ces moyens pour refroidir l'air en amont de la colonne haute pression, des moyens pour envoyer un débit enrichi en azote de la colonne haute pression à la colonne basse pression, un compresseur (23) pour comprimer un gaz enrichi en azote d'une colonne du système de colonnes relié à celle-ci et à une autre colonne capable d'opérer à une pression plus élevée que celle-ci, caractérisé en ce qu'il n'y a pas de moyen de chauffage du gaz enrichi en azote en amont du compresseur. 18. Appareil selon la revendication 17, comprenant une colonne haute pression et une colonne basse pression dans lequel le compresseur (23) est relié en amont à la colonne basse pression et en aval avec la colonne haute pression. 19. Appareil selon la revendication 17, comprenant une colonne haute pression, une colonne pression intermédiaire (8) et une colonne basse pression (9) et dans lequel le compresseur est relié en amont à la colonne basse pression et en aval à la colonne pression intermédiaire ou en amont à la colonne pression intermédiaire et en aval à la colonne haute pression (7). 20. Appareil selon une des revendications 17 à 19, comprenant une ou plusieurs colonnes de production d'argon et/ou une colonne de mélange.