Brevet FR2827371A1 — publié le 20030117

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène liquide, d'azote liquide et d'azote gazeux par distillation d'air dans un appareil à double colonne. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'oxygène liquide, d'azote liquide et d'azote gazeux par distillation d'air dans un appareil à double colonne, dont une colonne moyenne pression reliée thermiquement avec une colonne basse pression caractérisé en ce que a) on refroidit un débit d'air à distiller dans un échangeur principal avant de l'envoyer à la double colonne ; b) l'on prélève un débit enrichi en oxygène dans la colonne basse pression ; c) on prélève un débit d'azote résiduaire dans la colonne basse pression ; et, d) on réchauffe l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène dans des passages séparés de l'échangeur avant de les rejeter à l'atmosphère. Selon d'autres aspects facultatifs : - on mélange l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène en aval de l'échangeur. - on mélange l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène en aval de l'échangeur avant de s'en servir pour apporter du froid à un appareil de refroidissement d'air destiné à la distillation et on envoie l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène ayant servi au refroidissement à l'air en aval de l'appareil d'épuration. - le mélange du débit enrichi en oxygène et l'azote résiduaire échange de la chaleur avec de l'eau qui échange ensuite de la chaleur avec l'air à refroidir. - tout gaz enrichi en oxygène prélevé dans l'appareil à double colonne est envoyé à l'air. De préférence l'azote gazeux est soutiré de la colonne moyenne pression et de la colonne basse pression (éventuellement du minaret). L'invention sera maintenant décrite en plus de détails en se référant aux figures. La figure 1 illustre schématiquement une installation de distillation d'air qui comprend essentiellement : - un appareil 1 de distillation d'air, - un compresseur d'air 2, - une unité de pré-refroidissement d'air 3, - une unité 4 d'épuration d'air par adsorption, - un échangeur principal de chaleur 5, - un échangeur auxiliaire de chaleur 6, et - une turbine 7 de détente d'azote. L'appareil 1 de distillation d'air est une double colonne de distillation d'air qui comprend une colonne à pression supérieure 8, généralement dénommée colonne moyenne pression, une colonne à pression inférieure 9, généralement dénommée colonne basse pression, et un minaret 10 surmontant la colonne basse pression 9. Un vaporiseur-condenseur 11 met en relation d'échange thermique la tête de la colonne 8 avec la cuve de la colonne 9. Généralement la colonne 8 fonctionne à une pression comprise entre environ 5 et environ 20 bars et la colonne 9 a une pression supérieure à la pression atmosphérique et généralement inférieure à environ 8 bars. L'air à distiller est tout d'abord comprimé dans le compresseur 2, pré-refroidi dans l'unité 3, épuré dans l'unité 4, refroidi dans l'échangeur 5 puis injecté en cuve de la colonne 8. Du liquide riche LR (air enrichi en oxygène) est prélevé en cuve de la colonne 8, sous-refroidi dans l'échangeur auxiliaire 6, détendu puis introduit à un niveau intermédiaire de la colonne 9. Du liquide pauvre inférieur LPI (azote impur) est soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne 8, sous-refroidi dans l'échangeur 6, détendu puis injecté en tête de la colonne 9. Du liquide pauvre supérieur LPS (azote pratiquement pur) est soutiré en tête de la colonne 8, sous-refroidi dans l'échangeur 6, détendu puis introduit au sommet du minaret 10. De l'azote liquide moyenne pression NL est soutiré en tête de la colonne 8 pour former un premier produit de la distillation. Cet azote liquide peut, par exemple, être envoyé vers un réservoir de stockage. De l'azote gazeux moyenne pression NMP est soutiré en tête de la colonne 8 et envoyé vers l'échangeur de chaleur 5. Cet azote y est réchauffé puis divisé en deux flux dont un premier finit de traverser l'échangeur de chaleur 5 en se réchauffant pour fournir un deuxième produit de la distillation. Le second flux est détendu dans la turbine 7 puis mélangé à l'azote gazeux pur basse pression NG soutiré en tête du minaret 10. Après ce mélange, l'azote NG traverse l'échangeur de chaleur 5, où il est réchauffé, puis forme un troisième produit de la distillation. On notera que les réchauffements mentionnés ci-dessus de l'azote NMP et de l'azote NG sont assurés par refroidissement de l'air à distiller traversant l'échangeur 5. De l'azote impur ou résiduaire NR est soutiré en tête de la colonne 9 puis réchauffé, dans un premier temps, à la traversée de l'échangeur auxiliaire 6 et, dans un deuxième temps, à la traversée de l'échangeur principal 5. L'azote NR est ensuite envoyé vers l'unité 3 pour y assurer le pré-refroidissement de l'air à distiller par échange de chaleur indirect. Le vaporiseur-condenseur 11 assure quant à lui la condensation de l'azote de tête de la colonne 8 par vaporisation de l'oxygène de cuve de la colonne 9. De l'oxygène liquide basse pression OL est soutiré en cuve de la colonne 9 pour former un quatrième produit de la distillation. Cet oxygène liquide est par exemple envoyé vers un réservoir de stockage. L'installation de distillation d'air permet donc de produire de l'oxygène liquide OL, de l'azote liquide NL et de l'azote gazeux NG et NMP. Contrairement au fonctionnement habituel de ce type d'installation, de l'oxygène gazeux basse pression OG soutiré en cuve de la colonne 9 est, au lieu d'être mélangé au résiduaire NR, envoyé séparément par une conduite dédiée 12 vers l'échangeur 5, où il est réchauffé dans des passages dédiés. Cet oxygène OG est ensuite canalisé dans une conduite dédiée 13 pour être, par exemple, mis à l'air. L'oxygène gazeux OG étant canalisé dans des conduites dédiées 12 et 13 et réchauffé dans des passages dédiés de l'échangeur 5, il n'est pas nécessaire de nettoyer/dégraisser les conduites et les passages de l'échangeur 5 dans lesquels l'azote résiduaire NR circule, ce qui s'avère économiquement intéressant. On notera également qu'une telle circulation séparée de l'azote résiduaire NR et de l'oxygène gazeux OG ne nécessite pas d'augmenter le volume de l'échangeur de chaleur 5 et n'entraîne donc pratiquement pas de surcoût. En outre, grâce à l'utilisation d'un circuit dédié pour l'oxygène gazeux OG, celui-ci peut constituer un cinquième produit de la distillation qui pourra être envoyé via la conduite 13 vers une unité de consommation plutôt qu'être mis à l'air. Ainsi, l'oxygène gazeux OG peut être notamment utilisé pour assurer le pré-refroidissement de l'air à distiller, comme illustré par la figure 2. Cette figure 2 illustre schématiquement l'unité 3 qui comprend essentiellement deux échangeurs de chaleur 14 et 15 chacun sous forme d'un récipient contenant un garnissage. De tels échangeurs sont généralement dénommés des tours. L'unité 3 comprend en outre une pompe 16 disposée dans un circuit 17 de circulation d'eau reliant la tour 14 et la tour 15. L'oxygène gazeux OG canalisé par la conduite 13 est mélangé à l'azote résiduaire NR puis introduit au fond de la tour 15. Ce mélange gazeux circule vers le haut dans la tour 15 en traversant son garnissage et en se réchauffant, puis il est soutiré au sommet de la tour 15 et mis à l'air. De l'eau introduite par le circuit 17 au sommet de la tour 15 s'écoule vers le bas dans celle-ci en traversant son garnissage et en se refroidissant par échange de chaleur avec le mélange gazeux précité. L'eau ainsi refroidie est soutirée au fond de la tour 15 puis renvoyée, grâce à la pompe 16 vers le sommet de la tour 14. Cette eau refroidie s'écoule alors vers le bas dans la tour 14 en traversant son garnissage et en se réchauffant, puis elle est soutirée au fond de la tour 14 par le circuit 17 et renvoyé vers le sommet de la tour 15. L'air à distiller préalablement comprimé est introduit au fond de la tour 14 puis circule vers le haut dans celle-ci en traversant son garnissage. Cet air est alors pré-refroidi par échange de chaleur avec l'eau s'écoulant dans la tour 14. L'air ainsi pré-refroidi est soutiré au sommet de la tour 14 puis renvoyé vers l'unité d'épuration d'air 4 qui assure notamment sa dessiccation. L'utilisation de l'oxygène OG dans l'unité 3 permet d'assurer un pré-refroidissement plus important de l'air à distiller que si l'on n'utilisait que l'azote NR. L'air alimentant l'unité d'épuration 4 ayant alors une température plus basse, il contient moins d'impuretés. Ainsi, les besoins d'épuration dans l'unité 4 sont plus réduits. Les quantités de matériaux d'adsorption utilisés dans l'unité 4 peuvent donc être réduites, ce qui permet de diminuer son coût. Par ailleurs, le mélange de l'oxygène OG à l'azote NR avant mise à l'air permet d'éviter les problèmes de suroxygénation du site qui pourraient résulter d'une mise à l'air continue de l'oxygène OG. Enfin, l'unité 3 peut également comprendre un élément auxiliaire de réfrigération 18 prévu sur le circuit 17 entre la pompe 16 et la tour 15. Cet élément 18 ne sera pas utilisé lorsque l'unité 3 fonctionne comme décrit précédemment, mais permettra, si nécessaire, de refroidir l'eau issue de la tour 15 au cas où l'oxygène gazeux OG serait fourni à un client et non plus mélangé à l'azote NR. Cet élément 18 permettra donc de pallier l'absence d'oxygène OG dans le mélange gazeux alimentant la tour 14. L'élément 18 peut par exemple être constitué d'un échangeur de chaleur dont des passages de fluide réfrigérant n'auront qu'à être raccordés à une source de fluide réfrigérant, en cas de besoin. Ainsi, le mode de fonctionnement de l'unité 3 pourra évoluer au cours du temps en fonction des besoins des clients. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'oxygène liquide, d'azote liquide et d'azote gazeux par distillation d'air dans un appareil à double colonne (1), dont une colonne moyenne pression (8) reliée thermiquement avec une colonne basse pression (9) caractérisé en ce que a) on refroidit un débit d'air à distiller dans un échangeur principal (5) avant de l'envoyer à la double colonne ; b) l'on prélève un débit enrichi en oxygène (GO) dans la colonne basse pression ; c) on prélève un débit d'azote résiduaire (WN) dans la colonne basse pression ; et, d) on réchauffe l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène dans des passages séparés de l'échangeur avant de les rejeter à j'atmosphère. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on mélange l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène en aval de l'échangeur. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on mélange l'azote résiduaire (W) et le débit enrichi en oxygène (GO) en aval de l'échangeur (5) avant de s'en servir pour apporter du froid à un appareil de refroidissement d'air (3) destiné à la distillation et on envoie l'azote résiduaire et le débit enrichi en oxygène ayant servi au refroidissement à l'air en aval de l'appareil d'épuration. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le mélange du débit enrichi en oxygène et l'azote résiduaire échange de la chaleur avec de l'eau qui échange ensuite de la chaleur avec l'air à refroidir. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout gaz enrichi en oxygène prélevé dans l'appareil à double colonne est envoyé à l'air.