Brevet FR2831251A1 — publié le 20030425

La présente invention concerne un procédé de production d'azote et d'oxygène par distillation d'air. L'invention s'applique en particulier à la production d'azote avec des débits élevés, typiquement supérieurs à 2500 Nm3/h. Pour une telle application, le rendement en azote, c'est-à-dire le rapport molaire d'azote produit sur l'azote contenu dans l'air distillé, doit être élevé, typiquement supérieur à 35%, alors que ce rendement est inférieur à 20% pour les procédés de production d'oxygène avec des débits élevés. Généralement, la production d'oxygène est marginale et le rendement en oxygène faible, typiquement inférieur à 80 % voire 50%, alors que ce rendement est supérieur à 95% pour les procédés de production d'oxygène avec des débits élevés. Pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de production d'azote avec production marginale d'oxygène, on utilise habituellement une double colonne de distillation d'air qui comprend une colonne à pression supérieure, une colonne à pression inférieure et un vaporiseur-condenseur de mise en relation d'échange thermique de ces deux colonnes. On distille alors de l'air dans la colonne à pression supérieure pour former à son sommet l'azote et en cuve un premier liquide enrichi en oxygène. Ce liquide est généralement dénommé liquide riche . On renvoie l'intégralité de ce liquide enrichi en oxygène vers le sommet de la colonne à pression inférieure. Ce liquide y est alors distillé pour former en cuve l'oxygène à produire et en tête de l'azote résiduaire. La pression de la colonne à pression inférieure est fixée par l'écart de température au vaporiseur entre l'azote à condenser et l'oxygène à vaporiser. Ainsi l'intégralité du liquide riche est détendu à cette pression si bien que l'azote résiduaire soutiré au sommet de la colonne à pression inférieure est à basse pression, et on ne peut plus alors valoriser son énergie. Cela se répercute sur l'énergie spécifique de production de l'azote qui est élevée. On rappelle que cette énergie est l'énergie nécessaire pour produire une mole d'azote grâce au procédé considéré. Un but de l'invention est de résoudre ce problème en fournissant un procédé permettant de produire de l'azote en grande quantité, de l'oxygène en quantité réduite, l'énergie spécifique de production d'azote étant réduite. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production d'azote et d'oxygène par distillation d'air dans une double colonne comprenant une colonne à pression supérieure et une colonne à pression inférieure, le procédé comprenant les étapes de : - distiller de l'air dans la colonne à pression supérieure pour former l'azote et un liquide enrichi en oxygène, - injecter au moins une première partie du liquide enrichi en oxygène dans la colonne à pression inférieure, - distiller la première partie dans la colonne à pression inférieure pour former l'oxygène, - vaporiser dans un vaporiseur-condenseur une deuxième partie du liquide enrichi en oxygène, cette deuxième partie n'étant pas injectée dans la colonne à pression inférieure, - condenser dans le vaporiseur-condenseur un gaz de la colonne à pression supérieure pour y assurer le reflux, et - détendre la deuxième partie vaporisée. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise (s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la première partie est injectée au sommet de la colonne à pression inférieure, - le procédé comprend au moins une étape d'échanger de la chaleur indirectement entre la deuxième partie et l'air à distiller, - la première partie comprend un liquide soutiré du vaporiseurcondenseur, - le procédé comprend l'étape de diviser le liquide enrichi en oxygène en amont du vaporiseur-condenseur en un premier flux pour former ladite première partie et un deuxième flux, et comprend une étape d'introduire le deuxième flux dans le vaporiseur-condenseur pour y former ladite deuxième partie vaporisée du liquide enrichi en oxygène, - le procédé comprend une étape de soutirer un liquide supplémentaire de la double colonne de distillation, - le procédé comprend une étape de comprimer, en utilisant un travail produit par l'étape de détendre la deuxième fraction vaporisée, un fluide auxiliaire issu de la double colonne de distillation, et une étape d'introduire le fluide auxiliaire comprimé dans la colonne à pression supérieure, - ledit fluide auxiliaire comprend au moins une fraction de la deuxième partie du liquide enrichi en oxygène, - le fluide auxiliaire comprend de l'azote soutiré au sommet de la colonne à pression inférieure. L'invention a en outre pour objet une installation de mise en oeuvre d'un procédé tel que défini précédemment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de production d'azote par distillation d'air selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 2 et 3 sont des vues analogues à la figure 1 illustrant deux variantes de l'installation de la figure 1, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 illustrant un deuxième mode de réalisation d'une installation de production d'azote par distillation d'air selon l'invention, et - la figure 5 est une vue analogue à la figure 4 illustrant une variante de l'installation de la figure 4. La figure 1 illustre une installation de distillation d'air 1 pour produire de l'azote en grande quantité et de l'oxygène en faible quantité. L'installation 1 comprend essentiellement : - une double colonne de distillation d'air 2 qui comprend elle-même une colonne à pression supérieure 3, une colonne à pression inférieure 4 et un vaporiseur-condenseur principal 5 de mise en relation d'échange thermique du sommet ou tête de la colonne 3 avec la cuve ou fond de la colonne 4, - un vaporiseur-condenseur auxiliaire 7, - un compresseur principal 9, un compresseur auxiliaire 10 et une turbine 11, le compresseur 10 et la turbine 11 étant couplés par des moyens 12 mécaniques ou électriques permettant de transférer un travail de la turbine 11 vers le compresseur 10 pour l'entraîner, - une unité 14 de purification d'air, par exemple par adsorption, - des moyens 16 de refroidissement, par exemple un échangeur de chaleur à tubes, et - un échangeur de chaleur principal 18 et un échangeur de chaleur auxiliaire 20. L'air à distiller est comprimé dans le compresseur 9 par exemple à une pression d'environ 5,3 bars puis épuré par l'unité 14 et à nouveau comprimé par le compresseur auxiliaire 10 jusqu'à une pression d'environ 5,8 bars. Cet air comprimé et épuré est ensuite refroidi tout d'abord dans les moyens 16 de refroidissement puis dans l'échangeur de chaleur principal 18 jusqu'au voisinage de son point de rosée. Cet air refroidi est ensuite introduit en cuve de la colonne 3 pour y être distillé. Cette colonne 3 fonctionne à une pression d'environ 5,5 bars. Du liquide riche LR (air enrichi en oxygène), ou liquide enrichi en oxygène, est prélevé en cuve de la colonne 3, sous-refroidi dans l'échangeur auxiliaire 20 puis détendu dans une vanne 22 jusqu'à une pression d'environ 3 bars. Le liquide riche LR sous-refroidi et détendu est ensuite introduit dans le vaporiseur-condenseur auxiliaire 7 où il va se vaporiser partiellement. Une première fraction non-vaporisée du liquide riche LR, est soutirée du vaporiseur-condenseur auxiliaire 7, puis détendue dans une vanne 24 jusqu'à une pression d'environ 1,3 bars. Cette première fraction est ensuite introduite au sommet de la colonne à pression inférieure 4, c'est-à-dire au-dessus de tous les moyens 26 d'échange de matière et de chaleur qu'elle contient. On rappelle que de tels moyens 26 peuvent comprendre par exemple de plateaux ou des garnissages. Ainsi, la colonne 4 ne possède pas de tels moyens au-dessus de l'entrée 28 de la première fraction dans la colonne 4. La première fraction du liquide riche LR est distillée dans la colonne 4 qui fonctionne à une pression d'environ 1,3 bars. Le liquide riche LR vaporisé est soutiré du vaporiseur-condenseur 7 sous forme d'une deuxième fraction. Cette deuxième fraction est renvoyée par une conduite 29 vers l'échangeur principal 18 où elle est réchauffée. Cette deuxième fraction est ensuite détendue dans la turbine 11 jusqu'à une pression d'environ 1,15 bars puis traverse à nouveau l'échangeur principal 18 en se réchauffant. On notera que lors de cette seconde traversée, la deuxième fraction ne traverse que partiellement l'échangeur 18, et plus spécifiquement un tronçon chaud de ce dernier. Au cours de ces deux traversées, le réchauffement de la deuxième fraction est assuré par échange de chaleur indirect avec l'air à distiller qui se refroidit à contre-courant dans l'échangeur 18. La vaporisation du liquide riche LR préalablement sous-refroidi et détendu est assurée dans le vaporiseur-condenseur 7 par condensation d'azote soutiré depuis une sortie 32 du sommet de la colonne 3. Cet azote condensé dans le vaporiseur-condenseur 7 est ensuite renvoyé vers la colonne 3 et introduit à son sommet par une entrée 34 pour y assurer en partie le reflux. Le reste du reflux est assuré dans la colonne 3 grâce au vaporiseurcondenseur principal 5 qui assure la condensation d'azote de tête de la colonne 3 par vaporisation d'oxygène de cuve de la colonne 4. De l'azote gazeux NG est soutiré de la tête de la colonne à pression supérieure 3 par une sortie 35, puis réchauffé dans l'échangeur principal 18 et enfin distribué par une conduite de distribution 36 en tant que premier produit de distillation. Cet azote gazeux NG contient environ 1 ppm d'oxygène. Le débit d'azote NG est d'environ 5000 Nm3/h. De l'oxygène gazeux OG est soutiré en cuve de la colonne à pression inférieure 4 puis réchauffé dans l'échangeur principal 18 et distribué par une conduite 38 en tant que deuxième produit auxiliaire de distillation. Cet oxygène gazeux OG a une pureté d'environ 99,5%. Le débit d'oxygène OG est d'environ 550 Nm3/h. De l'azote liquide NL est soutiré par une conduite 40 de la tête de la colonne à pression supérieure 3 pour former un troisième produit auxiliaire de distillation. Le débit d'azote liquide NL est d'environ 175 Nm3/h. Enfin, de l'azote impur ou résiduaire NR, contenant environ 40% d'oxygène, est soutiré du sommet de la colonne à pression inférieure 4 puis réchauffé dans un premier temps à la traversée de l'échangeur auxiliaire 20 puis dans un deuxième temps à la traversée de l'échangeur principal 18. Dans l'installation 1 de la figure 1, le liquide riche LR est donc divisé en deux parties dont seule la première, constituée par la première fraction, est renvoyée vers la colonne à pression inférieure 4. Seule cette première partie est donc distillée dans la colonne 4 pour former les produits auxiliaires de distillation. Le débit de cette première partie du liquide riche LR est ajusté pour produire seulement les débits requis de produits auxiliaires OG et OL. Ainsi, seule la partie nécessaire du liquide riche LR est distillée dans la colonne 4, contrairement aux procédés de l'état de la technique dans lesquels l'intégralité du liquide riche LR était distillée dans la colonne 4. Cela conduisait à une production excédentaire d'oxygène qui était soit mis à l'air directement ou mélangé à l'azote résiduaire NR. Grâce au procédé mis en oeuvre par l'installation de la figure 1, l'énergie nécessaire pour assurer la distillation dans la colonne 4 est donc réduite. L'utilisation d'une deuxième partie du liquide riche LR comme source de froid dans le vaporiseur-condenseur 7 pour compléter le reflux dans la colonne 3 permet de compenser la diminution de la quantité de liquide riche envoyée vers la colonne 4 et donc la diminution du reflux que le vaporiseurcondenseur 5 peut assurer dans la colonne 3. En outre, le procédé de la figure 1 assure la récupération de l'énergie de la deuxième partie vaporisée du liquide riche LR, c'est-à-dire la deuxième fraction. Cette récupération est assurée notamment via la turbine 11, qui permet la production du liquide NL qui pourra être fortement valorisé du fait de sa chaleur latente de vaporisation. Cette récupération de l'énergie de la deuxième partie vaporisée permet de réduire l'énergie spécifique de production de l'azote gazeux NG. Si le rendement d'azote reste élevé, typiquement de l'ordre de 47%, on notera que le rendement d'oxygène est faible, typiquement de l'ordre de 24% mais cet inconvénient est mineur puisque l'oxygène ne représente qu'une production marginale de l'installation 1. Plus généralement, le rendement d'oxygène sera inférieur à 80% voire 50%. Dans une variante non-représentée, l'installation 1 peut comprendre un deuxième compresseur d'air raccordé à l'échappement du compresseur 10 et couplé, par exemple mécaniquement, à une turbine de détente de l'air à distiller, afin de former un turbo compresseur. Dans la variante de la figure 2, la colonne à pression supérieure 3 comprend des moyens 26 d'échange de chaleur et de matière entre d'une part la sortie 35 d'azote gazeux NG et d'autre part la sortie 32 et l'entrée 34. Le vaporiseur-condenseur 7 assure donc la condensation d'un gaz riche en azote soutiré par la sortie 32 d'un niveau intermédiaire de la colonne 3. Ce gaz condensé est renvoyé au même niveau intermédiaire par l'entrée 34 pour assurer en partie le reflux dans la colonne 3. Dans la variante de la figure 3, le liquide riche LR est divisé en un point 43 à la sortie de l'échangeur auxiliaire 20, en un premier flux qui est détendu dans une vanne 44 puis renvoyé au sommet de la colonne 4, et en un deuxième flux, qui est détendu dans une vanne 46 puis introduit dans le vaporiseur-condenseur 7. Comme dans le cas de l'installation de la figure 1, ce deuxième flux est divisé par le vaporiseur-condenseur 7 en une première fraction liquide renvoyée via l'entrée 28 au sommet de la colonne 4, et en une deuxième fraction vaporisée renvoyée vers l'échangeur principal 18. Dans cette variante, la première fraction et le premier flux constituent une première partie du liquide riche LR renvoyée vers la colonne à pression inférieure 4. La deuxième fraction constitue une deuxième partie du liquide riche LR qui n'est pas renvoyée vers cette colonne 4 et dont l'énergie est récupérée via la turbine 11 et l'échangeur 18. Ainsi, cette variante permet également d'atteindre les avantages décrits ci-dessus. On notera toutefois que dans la première partie du liquide LR, le premier flux issu de la division au point 43 est moins riche en oxygène que la première fraction issue du vaporiseur-condenseur 7, ce qui dégrade légèrement la distillation dans la colonne 4. Dans une autre variante, aucune fraction liquide n'est soutirée du vaporiseur-condenseur 7 pour être envoyée dans la colonne 4. Toute la partie du liquide riche LR alimentant la colonne 4 est donc constituée par le premier flux formé au point 43. Le deuxième flux formé au point 43 sera vaporisé intégralement dans le vaporiseur-condenseur 7. Dans encore une autre variante, le liquide soutiré en tant que produit de la double colonne 2 n'est pas de l'azote NL mais de l'oxygène soutiré de la colonne à pression inférieure 4. Le mode de réalisation de la figure 4 se distingue de celui de la figure 1 par le fait que l'énergie de la deuxième partie vaporisée du liquide riche LR, ou deuxième fraction, est utilisée non pas pour assurer la production d'un produit de distillation liquide mais pour comprimer un gaz issu de la double colonne 2 en vue de son renvoi dans la colonne à pression supérieure 3. Ainsi, la deuxième fraction du liquide riche LR est divisée en un point 48 situé en aval de l'échangeur 18 et en amont de la turbine 11. Une première fraction partielle issue de cette division est détendue dans la turbine 11 puis réchauffée en traversant partiellement l'échangeur principal 18, comme décrit précédemment. Une deuxième fraction partielle issue de la division au point 48 est comprimée par le compresseur auxiliaire 10, jusqu'à une pression d'environ 5,6 bars, puis refroidie en traversant partiellement l'échangeur de chaleur 18. Cette deuxième fraction partielle est ensuite introduite en cuve de la colonne à pression supérieure 3. Le compresseur principal 9 assure dans ce mode de réalisation l'ensemble de la compression de l'air à distiller. Cet air est renvoyé en sortie de l'unité 14 directement vers l'échangeur principal 18. Ce mode de réalisation permet de distiller dans la colonne 3 la deuxième fraction partielle du liquide riche LR pour en extraire l'azote. Ainsi, le rendement en azote de l'installation 1 est accru et l'énergie spécifique de production de l'azote NG est réduite. Dans une variante non représentée, l'air à distiller peut être introduit à un niveau intermédiaire de la colonne à pression supérieure 3. Des moyens 26 d'échange de chaleur et de matière sont alors prévus dans la colonne 3 entre l'entrée d'air et l'entrée de la deuxième fraction partielle de liquide riche LR. De manière plus générale, le travail récupéré par la turbine 11 peut être utilisé pour comprimer un fluide auxiliaire issu de la double colonne 2, ce fluide auxiliaire pouvant ne pas être constitué par une fraction du liquide riche LR. Ainsi, la variante de la figure 5 se distingue de celle de la figure 4 par le fait que le fluide auxiliaire est constitué par une fraction de l'azote résiduaire NR. L'ensemble de la deuxième fraction du liquide riche LR réchauffée par l'échangeur principal 18 est donc détendue dans la turbine 11, comme dans l'installation de la figure 1. En revanche, l'azote résiduaire NR est divisé, par exemple au sein de l'échangeur principal 18, en un premier flux qui traverse la fin de l'échangeur principal 18 comme dans l'installation de la figure 4, et en un second flux qui en est extrait en amont du bout chaud. Ce second flux est renvoyé par une conduite 52 vers le compresseur auxiliaire 10 où il est comprimé. Ce second flux comprimé traverse ensuite partiellement l'échangeur principal 18 où il est refroidi avant d'être introduit en cuve de la colonne à pression supérieure 3. On notera que les pressions données lors de la description des exemples ci-dessus ne sont aucunement limitatives. Ainsi, la colonne à pression supérieure 3 peut fonctionner à une pression comprise entre 5 et 20 bars et la colonne 4 a une pression supérieure à la pression atmosphérique et généralement inférieure à environ 8 bars. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'azote (NG, NL ; NG) et d'oxygène (OG) par distillation d'air dans une double colonne (5) comprenant une colonne à pression supérieure (3) et une colonne à pression inférieure (4), le procédé comprenant les étapes de : - distiller de l'air dans la colonne à pression supérieure (3) pour former l'azote (NG, NL ; NG) et un liquide enrichi en oxygène (LR), - injecter (en 28) au moins une première partie du liquide enrichi en oxygène (LR) dans la colonne à pression inférieure (4), - distiller la première partie dans la colonne à pression inférieure pour former l'oxygène (OG), - vaporiser dans un vaporiseur-condenseur (7) une deuxième partie du liquide enrichi en oxygène, cette deuxième partie n'étant pas injectée dans la colonne à pression inférieure (4), - condenser dans le vaporiseur-condenseur (7) un gaz de la colonne à pression supérieure (3) pour y assurer le reflux, et - détendre la deuxième partie vaporisée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie est injectée au sommet de la colonne à pression inférieure (4). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape d'échanger (en 18) de la chaleur indirectement entre la deuxième partie et l'air à distiller. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première partie comprend un liquide soutiré du vaporiseurcondenseur (7). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de diviser le liquide enrichi en oxygène (LR) en amont du vaporiseur-condenseur (7) en un premier flux pour former ladite première partie et un deuxième flux, et en ce qu'il comprend une étape d'introduire le deuxième flux dans le vaporiseur-condenseur (7) pour y former ladite deuxième partie vaporisée du liquide enrichi en oxygène (LR). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de soutirer un liquide supplémentaire (OL) de la double colonne de distillation (2). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de comprimer, en utilisant un travail produit par l'étape de détendre la deuxième fraction vaporisée, un fluide auxiliaire issu de la double colonne de distillation (2), et une étape d'introduire le fluide auxiliaire comprimé dans la colonne à pression supérieure (3). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fluide auxiliaire comprend au moins une fraction de la deuxième partie du liquide enrichi en oxygène. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire comprend de l'azote (NR) soutiré au sommet de la colonne à pression inférieure (4).