Brevet FR2830928A1 — publié le 20030418

La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique et une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. De manière générale, le but d'un ingénieur qui crée un procédé de séparation d'air est de minimiser les dépenses d'énergie. Il est bien connu d'utiliser pour produire de l'oxygène à basse énergie une double colonne de séparation d'air en s'appliquant notamment d'une part à minimiser la pression au refoulement du compresseur d'air en réduisant les pertes de charge dans la ligne d'échange, en réduisant l'écart de température au vaporiseur principal, et d'autre part à maximiser le rendement d'extraction de l'oxygène en réduisant l'écart de température dans la ligne d'échange, en choisissant un nombre de plateaux théoriques de distillation important et en installant un nombre de tronçons de garnissages structurés ou de plateaux suffisant. C'est ainsi que les colonnes basse pression ont quatre tronçons de garnissages structurés ou de plateaux, dont deux tronçons entre le bas de la colonne basse pression et une arrivée de liquide riche, qui est un liquide enrichi en oxygène pris en cuve de la colonne moyenne pression. Ces deux tronçons sont nécessaires pour assurer une distillation très performante en cuve de la colonne basse pression. C'est ainsi que les colonnes moyenne pression ont quatre tron- çons de garnissages structurés ou de plateaux, dont deux tronçons entre l'arrivée d'air liquide et le soutirage de liquide pauvre. L'air épuré et comprimé envoyé aux colonnes se refroidit dans une ligne d'échange comportant qui aurait normalement un volume de plus que 200m3, donc avec un rapport entre le débit d'air total envoyé à la ligne d'échange et le volume de la ligne d'échange qui serait d'environ 2000 Nm3/h/m3 dans le cas de l'exemple décrit ci-dessous. Les frigories requises pour la distillation sont fréquemment fournies par un débit d'air envoyé à une turbine d'insufflation alimentant la colonne basse pression et/ou un débit d'air envoyé à une turbine Claude. Le rapport entre la quantité d'air envoyé à la ligne d'échange et le débit envoyé à la turbine d'insufflation se- rait normalement compris entre 5 : 1 et 15 : 1 dans le cas de l'exemple décrit cidessous. Dans certains cas quand l'énergie n'est pas chère voire gratuite, il est pro- fitable de réduire les dépenses de matériel tout en augmentant les besoins éner- étiques. Un but de la présente invention est de réduire le coût d'investissement de l'installation de séparation d'air et d'augmenter son énergie en réduisant la taille des échangeurs (donc en augmentant les pertes de charge et les écarts de température dans la ligne d'échange et en augmentant l'écart de température au vaporiseur principal), en réduisant la taille des colonnes de distillations (en minimisant le nombre de plateaux théoriques et le nombre de tronçons de garnissages ou de plateaux) et en réduisant la taille de la turbine frigorifique (en augmentant sa température d'admission pour diminuer son débit). La quantité d'air V envoyée à la ligne d'échange comprend tout l'air envoyé à la distillation ainsi des débits d'air éventuels qui sont détendus et ensuite envoyés à l'atmosphère. Une section de garnissages structurés est un tronçon de garnissages structurés entre une entrée ou sortie de fluide. Les garnissages structurés sont typiquement du type ondulé-croisé mais peuvent avoir d'autres géométries. Selon un objet de la présente invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un appareil comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles dans lequel une quantité d'air comprimé et épuré V est refroidi dans une ligne d'échange jusqu'à une température cryogénique et est envoyé au moins en partie à la colonne moyenne pression, des débits enrichis en oxygène et en azote sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des débits enrichis en azote et en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression caractérisé en ce que la colonne moyenne pression opère entre 6 et 9 bar abs et le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans la ligne d'échange et le volume total de la ligne d'échange est compris entre 3000 et 6000 Nm3/h/m 3. Selon d'autres aspects facultatifs : un liquide enrichi en oxygène est envoyé de la colonne basse pression à un rebouiiieur de cuve où ii se vaporise partiellement par échange de chaleur avec un gaz enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression, le rebouilleur ayant d'un AT d'au moins 2, 5K - une partie de l'air comprimé et épuré est envoyée dans une turbine d'insufflation, ayant une température d'entrée d'entre-50 et-90 C - le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air envoyé à la turbine d'insufflation est entre 20 et 40. - la colonne moyenne pression contient deux ou trois sections de garnissages structurés et/ou la colonne basse pression contient trois sections de garnissa- ges structurés. - au moins un débit de liquide est soutiré d'une colonne, éventuellement pres- surisé, et vaporisé dans la ligne d'échange. - la colonne moyenne pression opère à entre 6,5 et 8,5 bar abs. - les pertes de charge dans la ligne d'échange sont supérieures à 200 mbar pour un débit d'azote résiduaire provenant de la colonne basse pression. - les pertes de charge dans la ligne d'échange sont supérieures à 250 mbar pour le débit d'air à plus basse pression. - le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air D est entre 20 : 1 et 40 : 1 i) une turbine de détente d'air liquide est alimentée par la totalité ou une partie d'un débit d'air liquide en sortie de la ligne d'échange et/ou ii) un groupe frigorifique ou de l'eau glacée produite par un groupe frigo- rifique (qui peut être le même circuit d'eau que celui utilisé pour re- froidir l'air à l'entrée de l'épuration) refroidit de l'air en sortie d'un sur- presseur d'air et/ou l'air à la plus basse pression et/ou iii) un rapport augmenté d'air est envoyé à la turbine d'insufflation de sorte que le rapport entre la quantité d'air V envoyée à la ligne d'échange et le débit d'air D envoyé à la turbine d'insufflation est infé- rieur à 20 : 1. - la pureté de l'oxygène est entre 85 et 100%, de préférence entre 95 et 100%. - le rendement d'extraction de l'oxygène est entre 85 et 100%. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air pour produire des gaz de l'air selon un procédé décrit ci-dessus comprenant la colonne moyenne pression contenant deux ou trois sections de garnissages structurés et/ou la colonne basse pression contenant trois sections de garnissages structurés. Eventuellement l'installation peut comprendre une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse pression. Une turbine d'insufflation détend de l'air et en envoie au moins une partie à la colonne basse pression d'une double colonne. L'invention sera maintenant décrite en se référant à la Figure qui est un schéma d'une installation pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Un débit d'air 1 de 475000 Nm3/h à 7 bar abs. provenant d'une unité d'épuration (non-illustrée) est divisé en trois. Un premier débit 3 est surpressé dans le surpresseur 5 jusqu'à la pression requise pour vaporiser l'oxygène li- quide, par exemple. L'air haute pression AIR HP 7 est envoyé à la ligne d'échange 10 mais ne parvient pas au bout froid, étant refroidi jusqu'à-160 C, détendu, liquéfié et envoyé aux deux colonnes 9 et 11, respectivement moyenne pression et basse pression d'une double colonne de séparation d'air. Un deuxième débit non-surpressé AIR MP 13 est également envoyé à la ligne d'échange 10 qu'il traverse partiellement jusqu'à -140OC avant d'être envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 9. Un troisième débit 15 de 20000 Nm3/h est envoyé à un surpresseur 17, refroidi dans la ligne d'échange partiellement est détendu dans une turbine d'insufflation 19, avec une température d'entrée de -80OC, avant d'être envoyé à la colonne basse pression 11. Le rapport entre le débit d'air envoyé à la turbine d'insufflation 19 et la quantité d'air envoyée à la ligne d'échange est de 24 : 1. Les pertes de charge dans la ligne d'échange 10 sont d'environ 300 mbar pour le débit d'air 13 à la plus basse pression et d'environ 250 mbar pour l'azote résiduaire 35. La ligne d'échange 10 a un volume de 125 m3, ainsi le rapport entre la quantité d'air envoyé à la ligne d'échange 10 (débit 1 ou débit V) et le volume de cette ligne d'échange 10 (= nombre de corps x largeur totale x empilage total x longueur totale) est de 3800 Nm3/h/m3. La doubie coionne est un appareil classique sauf en ce qui concerne ses dimensions et le nombre de plateaux théoriques des colonnes car la colonne moyenne pression en contient 40 et la colonne basse pression 45 et en ce qui concerne la différence de température pour le rebouilleur 21 qui est supérieur à 2, 5 C. De manière classique, des liquides enrichis en oxygène (liquide riche LR) et en azote (liquide pauvre LP) sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression après sous refroidissement dans l'échangeur SR et détente dans une vanne. La colonne basse pression 11 contient trois tronçons de garnissages structurés, dont un tronçon 1 en cuve entre le bas de la colonne et l'arrivée de liquide riche (qui est conjointe avec l'arrivée d'air insufflé), un tronçon II entre l'arrivée de liquide riche et l'arrivée d'air liquide et un tronçon III entre l'arrivée d'air liquide et l'arrivée de liquide pauvre. La colonne moyenne pression 9 contient trois tronçons de garnissages structurés, dont un tronçon 1 en cuve entre le bas de la colonne et l'arrivée d'air liquide, un tronçon II entre l'arrivée d'air liquide et la sortie de liquide pauvre LP et un tronçon III entre la sortie de liquide pauvre LP et la sortie d'azote moyenne pression 31. Evidemment s'il n'y a pas de soutirage d'azote liquide ou d'azote gazeux, la colonne moyenne pression ne contient que deux tronçons, le tronçon III étant supprimé. Le rebouilleur de cuve 21 de la colonne basse pression 11 est en fait intégré avec la colonne moyenne pression 9 et est chauffé par un débit d'azote moyenne pression de cette colonne 9. Un débit d'oxygène liquide 23 provenant de la cuve de la colonne basse pression 11 est pompé pour surmonter la hauteur hydrostatique et arrive au rebouilleur 21 où il se vaporise partiellement, un débit gazeux 25 étant renvoyé à la colonne basse pression en dessous des moyens d'échange 1 et un débit liquide 27 étant envoyé à la pompe 29 où il est pressurisé jusqu'à sa pression d'utilisation. Le débit pompé 27 se vaporise dans la ligne d'échange 10. Un débit d'azote liquide 31 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 9 au-dessus du tronçon III, pompé et se vaporise égaiement dans la ligne d'échange 10. Les valeurs des pressions de l'azote liquide et l'oxygène liquide peuvent avoir n'importe laquelle valeur, du moment que la ligne d'échange 10 est conçue en fonction de la pression maximale de l'air requise pour la vaporisation. Il sera compris que l'invention s'applique également au cas dans lequel un seul débit de liquide se vaporise dans la ligne d'échange 10, ou aucun liquide soutiré d'une colonne ne vaporise dans l'installation. Au lieu de se vaporiser contre de l'air, le ou les débits de liquide peuvent se vaporiser contre un débit d'azote de cycle. Le ou les débits liquides peuvent alternativement se vaporiser dans un échangeur dédié ne servant qu'à vaporiser le ou les débits liquide contre un débit d'air ou un débit d'azote de cycle. Le procédé peut également produire de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon liquide comme produit (s) final (finaux). De l'azote gazeux 33,35 peut être soutiré de la colonne moyenne pression 9 et/ou de la colonne basse pression 11. L'azote gazeux 35 se réchauffe dans le sous-refroidisseur SR. Alternativement ou en addition un débit d'oxygène gazeux peut être soutiré comme produit final de la colonne basse pression 11 (non-illustré). Ce débit peut éventuellement être pressurisé dans un compresseur. Un débit d'azote gazeux moyenne pression NG MP 33 et un débit d'azote résiduaire basse pression 35 se réchauffent dans la ligne d'échange 10. Le débit NR 35 peut servir à régénérer le système d'épuration de l'air de manière connue et/ou peut être envoyé à une turbine à gaz. Un procédé tel que décrit permet de produire de l'oxygène OG HP à 99,5% avec un rendement de plus que 97%. Cet oxygène sert typiquement dans un gazéifieur alimenté par un carburant, tel que le gaz naturel. Dans l'installation la colonne basse pression 11 peut être à coté de la colonne moyenne pression 9, comme dans l'exemple ou bien au-dessus de celle-ci. Afin de produire un débit d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide et/ou d'argon liquide, et/ou de réduire les niveaux de pression, notamment la pression de l'AIRHP 7, les frigories requises peuvent être fournies en utilisant i) une turbine de détente d'air liquide alimentée par la totalité ou une partie du débit d'air liquide HP 7 en sortie de l'échangeur 10 et/ou ii) un groupe frigorifique ou de l'eau glacée produite par un groupe frigo- rifique (qui peut être le même circuit d'eau que celui utilisé pour re- froidir l'air à l'entrée de l'épuration) pour refroidir de l'air en sortie du surpresseur d'air 5 et/ou l'air en sortie du surpresseur 17 et/ou l'air MP 13 et/ou iii) en envoyant un rapport augmenté d'air à la turbine d'insufflation 19 de sorte que le rapport entre la quantité d'air V envoyée à la ligne d'échange et le débit d'air D envoyé à la turbine d'insufflation est infé- rieur à 20 : 1. Ces moyens de production de frigories peuvent également être employés dans le cas où l'on ne produirait pas de liquide. Les surpresseurs 5,17 et/ou le compresseur principal (non-illustré) peut (peuvent) être entraîné (s) par électricité, par turbine à vapeur et/ou par turbine à gaz. La turbine 19 peut avoir un surpresseur dédié ou une génératrice. L'installation peut également comprendre des éléments classiques, tels qu'une turbine Claude, une turbine d'azote moyenne ou basse pression, une ou des colonnes de production d'argon, une colonne de mélange alimenté par l'air et l'oxygène de la colonne basse pression, une colonne opérant à pression intermédiaire, par exemple alimenté par le liquide riche et/ou de l'air, une colonne basse pression à double ou triple rebouilleur etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un ap- pareil comprenant une colonne moyenne pression (9) et une colonne basse pres- sion (11) reliées thermiquement entre elles dans lequel une quantité d'air com- primé et épuré V est refroidi dans une ligne d'échange (10) jusqu'à une température cryogénique et est envoyé au moins en partie à la colonne moyenne pression, des débits enrichis en oxygène et en azote (LR, LP) sont envoyés de la co- lonne moyenne pression à la colonne basse pression et des débits (35,23) enrichis en azote et en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression caractérisé en ce que la colonne moyenne pression opère entre 6 et 9 bar abs et le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans la ligne d'échange et le volume total de la ligne d'échange est compris entre 3000 et 6000 Nm3/h/m 3. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel un liquide enrichi en oxygène (23) est envoyé de la colonne basse pression (11) à un rebouilleur de cuve (21) où il se vaporise partiellement par échange de chaleur avec un gaz enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression (9), le rebouilleur ayant d'un AT d'au moins 2, 5 C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel une partie de l'air comprimé et épuré est envoyée dans une turbine d'insufflation (19), ayant une température d'entrée d'entre-50 et-90 C. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air envoyé à la turbine d'insufflation (19) est entre 20 et 40. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne moyenne pression (9) contient deux ou trois sections de garnissages structurés (I, II, III) et/ou la colonne basse pression (11) contient trois sections de garnissages structurés (I, II, III). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un débit de liquide (27,31) est soutiré d'une colonne (9,11), éventuellement pressurisé, et vaporisé. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne moyenne pression (9) opère à entre 6,5 et 8,5 bar abs. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pertes de charge dans la ligne d'échange (10) sont supérieures à 200 mbar pour un débit d'azote résiduaire (35) provenant de la colonne basse pression. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pertes de charge dans la ligne d'échange (10) sont supérieures à 250 mbar pour le débit d'air (13) à plus basse pression. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air D (1) est entre 20 : 1 et 40 : 1. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel i) une turbine de détente d'air liquide est alimentée par la totalité ou une partie d'un débit d'air liquide en sortie de la ligne d'échange (10) et/ou ii) un groupe frigorifique ou de l'eau glacée produite par un groupe frigo- rifique (qui peut être le même circuit d'eau que celui utilisé pour re- froidir l'air à l'entrée de l'épuration) refroidit de l'air en sortie d'un sur- presseur d'air (5,7) et/ou l'air à la plus basse pression et/ou iii) un rapport augmenté d'air est envoyé à la turbine d'insufflation (19) de sorte que le rapport entre la quantité d'air V envoyée à la ligne d'échange et le débit d'air D envoyé à la turbine d'insufflation est infé- rieur à 20 : 1. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pureté de l'oxygène est entre 85 et 100%, de préférence entre 95 et 100%. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le rendement d'extraction de l'oxygène est entre 85 et 100%. 14. Installation de séparation d'air pour produire des gaz de l'air selon un procédé selon une des revendications ci-dessus comprenant la colonne moyenne pression (9) contenant deux ou trois sections de garnissages structurés et/ou la colonne basse pression (11) contenant trois sections de garnissages structurés. 15. Installation selon la revendication 14 comprenant une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse pression.