Brevet FR2831250A1 — publié le 20030425

La présente invention est relative à un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier elle concerne un procédé utilisant trois colonnes de distillation opérant à des pressions différentes. La conversion du gaz naturel en hydrocarbures lourds (GTL) par le procédé Fischer-Tropsch demande des unités de production d'oxygène présentant trois particularités principales : . la capacité dépasse largement celles des plus grosses installations existantes ( > 10000 tonnes/jour) . la consommation d'énergie peut économiquement être supérieure de 20 à 50 % à celle d'unités conventionnelle, car le procédé est exothermique et génère de la vapeur"fatale"en grande quantité. . les unités de conversion de gaz naturel demandent des investissements extrêmement lourds, rendant l'économie des projets très délicate, spécialement quand les cours des produits pétroliers sont bas. La production d'oxygène repose traditionnellement sur la distillation de l'air par une double colonne. Diminuer le montant des investissement en augmentant la consommation d'énergie consiste généralement à : diminuer le nombre de plateaux dans les colonnes de distillation, ce qui augmente le débit d'air traité . diminuer le volume des échangeurs de chaleur (vaporiseur et ligne d'échange) ce qui augmente la pression à laquelle l'air doit être comprimé. Les méthodes évoquées ci-dessus trouvent leur limite dans le fait qu'elles n'offrent guère la possibilité de faire plus d'oxygène dans les dimensions maximales des équipements conventionnels, en particulier les colonnes de distillation, lesquelles imposent souvent que la production requise soit assurée par plusieurs trains. Or une importante source d'économies consiste à réduire le nombre de trains nécessaires pour assurer la production. Il est connu d'opérer trois colonnes à des pression différentes, le gaz de tête de la colonne haute pression servant à chauffer le condenseur de cuve d'une colonne à pression intermédiaire et le gaz de tête de la colonne à pression intermédiaire servant à chauffer le condenseur de cuve d'une colonne basse pression. Les antériorités comprennent FR-A-1209988, GB-A-874001, US-A-3057168, US-A-3073130, US-A- 3269311 and Chemie-Ing.-Techn. 46 Jahrg. 1974, Nr. 21, page 885 et plus récemment US-A-5331884. L'invention consiste à ajouter au procédé conventionnel à double colonne une troisième colonne fonctionnant à une haute pression supérieure à 10 bar abs donc à une pression supérieure à celle d'une colonne moyenne pression conventionnelle. Cette colonne produit en son sommet de l'azote résiduaire contenant peu d'oxygène et en cuve un liquide enrichi en oxygène qui est détendu à 6 bar abs. environ pour être vaporisé contre de l'azote de tête de cette troisième colonne qui se condense pour assurer en intégralité le reflux dans cette dernière. Selon un objet de l'invention il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie de l'air comprimé et épuré au moins dans une colonne haute pression ; ii) on sépare l'air dans la colonne haute pression pour former un premier débit enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote ; iii) on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à une colonne opérant à pression intermédiaire ; iv) on condense au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène dans un condenseur associé à la colonne opérant à pression intermédiaire ; v) on envoie un deuxième débit enrichi en oxygène de la colonne opérant à pression intermédiaire à une colonne basse pression ; vi) on envoie un deuxième débit enrichi en azote de la colonne opérant à pression intermédiaire à une colonne basse pression ; vii) on envoie un troisième débit enrichi en oxygène de la colonne basse pression à un condenseur de tête de la colonne opérant à pression intermédiaire ; viii) on soutire un quatrième débit enrichi en oxygène du condenseur de tête de la colonne opérant à pression intermédiaire ; viiii) on soutire un troisième débit enrichi en azote de la colonne haute pression et/ou de la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression ; caractérisé en ce que l'on envoie un débit d'air comprimé et épuré à la colonne opérant à pression intermédiaire. Selon d'autres aspects facultatifs : - on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à un niveau au plus cinq plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne opérant à pression intermédiaire, préférablement en cuve de celle-ci - entre 10 et 40 %, de préférence entre 15 et 30% ou encore entre 20 et 25% du débit total d'air est envoyé à la colonne opérant à pression intermédiaire. - le débit d'air envoyé à la colonne opérant à pression intermédiaire est détendu précédemment dans une turbine. - le liquide en cuve de la colonne à pression intermédiaire contient entre 15 et 50 % mol. d'oxygène. - tout le liquide de cuve de la colonne basse pression est envoyé au condenseur de tête de la colonne à pression intermédiaire, une partie du liquide ainsi vaporisé est renvoyé en cuve de la colonne basse pression et le quatrième débit soutiré du condenseur sous forme liquide ou gazeuse contient au moins 95 % mol. d'oxygène. - aucun liquide enrichi en azote n'est envoyé de la colonne haute pression vers la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou vers la colonne basse pression. - aucun liquide enrichi en oxygène n'est envoyé de la cuve de la colonne basse pression vers la colonne à pression intermédiaire ou la colonne haute pression, pour y être distillé. - entre 50 et 70 % de l'air d'alimentation est envoyé aux colonnes haute pression et pression intermédiaire sous forme gazeuse. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : i) des moyens pour envoyer de l'air comprimé et épuré au moins dans une colonne haute pression ii) des moyens pour séparer l'air dans la colonne haute pression pour former un premier débit enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote iii) des moyens pour envoyer au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à une colonne opérant à pression intermédiaire iv) des moyens pour condenser au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène dans un condenseur associé à la colonne opérant à pression intermédiaire v) des moyens pour envoyer un deuxième débit enrichi en oxygène de la colonne opérant à pression intermédiaire à une colonne basse pression vi) des moyens pour envoyer un deuxième débit enrichi en azote de la colonne opérant à pression intermédiaire à une colonne basse pression vii) des moyens pour envoyer un troisième débit enrichi en oxygène de la colonne basse pression à un condenseur de tête de la colonne opérant à pression intermédiaire viii) des moyens pour soutirer un quatrième débit enrichi en oxygène du condenseur de tête de la colonne opérant à pression intermédiaire viiii) des moyens pour soutirer un troisième débit enrichi en azote de la colonne haute pression et/ou de la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer un débit d'air comprimé et épuré à la colonne opérant à pression intermédiaire. Selon d'autres aspects facultatifs, l'installation comprend : - des moyens pour envoyer au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à un niveau au plus cinq plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne opérant à pression intermédiaire, préférablement en cuve de celle-ci. - une turbine et des moyens pour envoyer un débit d'air à la turbine et ensuite à la colonne opérant à pression intermédiaire. .-des moyens pour envoyer tout le liquide de cuve de la colonne basse pression est envoyé au condenseur de tête de la colonne à pression intermédiaire et des moyens pour envoyer une partie du liquide ainsi vaporisé en cuve de la colonne basse pression. Cet "air enrichi" constitué par le liquide vaporisé enrichi en oxygène alimente ensuite un système de double colonne conventionnelle (MP et BP), dont les trafics gazeux peuvent être réduits du fait même de cet enrichissement préalable. Dans l'application de cette invention au procédé dit"par compression interne", cette colonne ne traite généralement que 50 à 70% du débit d'air total, le reste étant liquéfié dans la ligne d'échange et alimentant les deux colonnes suivantes, en des points judicieusement choisis pour limiter les trafics gazeux. Un court-circuitage d'air à haute pression peut être installé au bout froid de la ligne d'échange (avant l'introduction dans la colonne haute pression) vers une colonne à pression intermédiaire et injecté avec CI l'air enrichi". Ce court-circuitage permet d'optimiser les tailles des deux premières colonnes et ainsi de réduire les coûts sans perdre en rendement oxygène. Dans ce cas, de préférence une partie de l'azote résiduaire est également soutirée en tête de MP. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui illustre un appareil de séparation d'air selon l'invention. L'appareil comprend une colonne haute pression 1 fonctionnant à 10 bar abs., une colonne basse pression 5 fonctionnant à environ 1,3 bar abs. et une colonne à pression intermédiaire 3 fonctionnant à une pression entre 10 et 1,3 bar abs, par exemple 6 bar abs. Un débit d'air 7 épuré en dioxyde de carbone, eau et impuretés et refroidi est envoyé à environ 10 bar abs. à la colonne haute pression 1 où il se sépare en un premier débit enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote. Le premier débit est un liquide 9 qui est détendu dans une vanne à 6 bar abs., et envoyé en cuve de la colonne opérant à pression intermédiaire 3. Cette colonne a un vaporiseur-condenseur de cuve 11 chauffé par le premier débit enrichi en azote ou un autre gaz tel que de l'air. Un débit de gaz enrichi en azote 13 est soutiré de la tête de la colonne haute pression et se réchauffe à la température ambiante dans un échangeur. Ce débit peut ensuite être détendu dans une turbine. Un autre débit d'air 15 est envoyé en cuve de la colonne à pression intermédiaire, au moins pendant le démarrage. Ce débit d'air peut provenir du bout froid de l'échangeur où se refroidit l'air ou alternativement peut être soutiré de la colonne haute pression 1 au niveau de l'entrée d'air ou d'un niveau intermédiaire de la ligne d'échange. La colonne à pression intermédiaire 3 alimentée par l'air 15 et le premier débit enrichi en oxygène 9 produit un débit enrichi en azote comme gaz de tête 17. Ce gaz peut servir de produit de l'installation et/ou pour régénération des bouteilles et/ou production de froid par détente. Le liquide de cuve 19 de la colonne à pression intermédiaire 3 ne sert pas de produit mais est envoyé à un niveau intermédiaire d'une colonne basse pression 5, après détente dans une vanne. La vanne peut éventuellement être remplacée par une turbine. Un liquide soutiré en tête de la colonne à pression intermédiaire 21 ne sert pas de produit mais est envoyé à la tête de la colonne basse pression 5, après détente dans une vanne et sous-refroidissement. La vanne peut éventuellement être remplacée par une turbine. Le liquide de cuve 23 de la colonne basse pression est pompé dans une pompe 25 pour le remonter au niveau du condenseur de tête 27 de la colonne à pression intermédiaire où il se vaporise au moins partiellement par échange de chaleur avec l'azote de tete de la colonne intermédiaire. Au moins une partie 29 de la vapeur ainsi formée est envoyée en cuve de la colonne basse pression. Un débit d'oxygène liquide 31 contenant au moins 85% mol. d'oxygène est soutiré du condenseur de tête 27 et peut servir de produit liquide ou bien peut être vaporisé pour servir de produit gazeux, éventuellement après une étape de pressurisation. Dans le cas où l'oxygène se vaporise, un débit d'air à pression élevée sera ainsi condensé et un/des débits d'air condensé sera/seront envoyés à la colonne haute pression 1 et/ou à la colonne à pression intermédiaire 3 et/ou à la colonne basse pression 5. Un débit d'azote résiduaire 33 est soutiré de la colonne basse pression et peut servir à la régénération des lits d'épuration (non-illustrés). Les débits d'air 7,15 envoyés aux colonne haute pression et pression intermédiaire peuvent éventuellement provenir de sources indépendantes. Par exemple, un débit peut provenir d'un compresseur dédié et l'autre peut provenir du compresseur associé à une turbine à gaz ou un haut fourneau. Dans la figure, les colonnes haute pression 1 et pression intermédiaire 3 forment une double colonne, la colonne basse pression 5 étant placée à coté de celle-ci. Evidemment, les trois colonnes peuvent former une seule structure, ce qui permet évidemment de supprimer la pompe ou peuvent être placées, chacune à coté des autres afin de limiter la hauteur. L'appareil peut comprendre d'autres colonnes, telles qu'une ou plusieurs colonnes de séparation d'argon, une colonne de mélange ou une colonne d'épuration d'oxygène liquide. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie de l'air comprimé et épuré au moins dans une colonne haute pression (1) ii) on sépare l'air dans la colonne haute pression pour former un premier débit enrichi en oxygène (9) et un premier débit enrichi en azote (13) iii) on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à une colonne (3) opérant à pression intermédiaire iv) on condense au moins une partie du premier débit enrichi en azote dans un condenseur (11) associé à la colonne opérant à pression intermédiaire v) on envoie un deuxième débit (19) enrichi en oxygène de la colonne opérant à pression intermédiaire à une colonne basse pression (5) vi) on envoie un deuxième débit enrichi en azote (21) de la colonne opérant à pression intermédiaire à la colonne basse pression vii) on envoie un troisième débit (23) enrichi en oxygène de la colonne basse pression à un condenseur de tête (27) de la colonne opérant à pression intermédiaire viii) on soutire un quatrième débit (29) enrichi en oxygène du condenseur de tête de la colonne opérant à pression intermédiaire ix) on soutire un troisième débit (13,17, 33) enrichi en azote de la colonne haute pression et/ou de la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression caractérisé en ce que l'on envoie un débit d'air (15) comprimé et épuré à la colonne opérant à pression intermédiaire. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie au moins une partie (9) du premier débit enrichi en oxygène à un niveau au plus cinq plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne opérant à pression intermédiaire, préférablement en cuve de celle-ci. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel entre 10 et 40 % du débit total d'air est envoyé à la colonne opérant à pression intermédiaire. 4. Procédé selon la revendication 1,2 ou 3 dans lequel le débit d'air envoyé à la colonne opérant à pression intermédiaire est détendu précédemment dans une turbine. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide (19) en cuve de la colonne à pression intermédiaire contient entre 15 et 50 % mol. d'oxygène. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout ou une partie du liquide (23) de cuve de la colonne basse pression est envoyé au condenseur de tête de la colonne à pression intermédiaire, une partie (29) du liquide ainsi vaporisé est renvoyé en cuve de la colonne basse pression et le quatrième débit (31) soutiré du condenseur sous forme liquide ou gazeuse contient au moins 95 % mol. d'oxygène. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel aucun liquide enrichi en azote n'est envoyé de la colonne haute pression vers la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou vers la colonne basse pression. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel aucun liquide enrichi en oxygène n'est envoyé de la cuve de la colonne basse pression vers la colonne à pression intermédiaire ou la colonne haute pression, pour y être distillé. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel entre 50 et 70 % de l'air d'alimentation est envoyé aux colonnes haute pression et pression intermédiaire sous forme gazeuse. 10. Procédé selon l'une des revendication précédentes dans lequel la colonne haute pression opère à une pression au-dessus de 10 bar abs. 11. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant i) des moyens (7) pour envoyer de l'air comprimé et épuré au moins dans une colonne haute pression (1) ii) des moyens pour séparer l'air dans la colonne haute pression pour former un premier débit enrichi en oxygène (9) et un premier débit enrichi en azote (13) iii) des moyens pour envoyer au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à une colonne opérant à pression intermédiaire (3) iv) des moyens pour condenser au moins une partie du premier débit enrichi en azote dans un condenseur (11) associé à la colonne opérant à pression intermédiaire v) des moyens pour envoyer un deuxième débit enrichi en oxygène de la colonne opérant à pression intermédiaire à une colonne basse pression vi) des moyens (21) pour envoyer un deuxième débit enrichi en azote de la colonne opérant à pression intermédiaire à la colonne basse pression vii) des moyens (19) pour envoyer un troisième débit enrichi en oxygène de la colonne basse pression à un condenseur de tête (27) de la colonne opérant à pression intermédiaire viii) des moyens (31) pour soutirer un quatrième débit enrichi en oxygène du condenseur de tête de la colonne opérant à pression intermédiaire viiii) des moyens pour soutirer un troisième débit (13,17, 33) enrichi en azote Je la colonne haute pression et/ou de la colonne opérant à pression intermédiaire et/ou Je la colonne basse pression caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens (15) pour envoyer un débit j'air comprimé et épuré à la colonne opérant à pression intermédiaire. 12. Installation selon la revendication 11 comprenant des moyens pour envoyer au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à un niveau au plus cinq plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne opérant à pression intermédiaire, préférablement en cuve de celle-ci. 13. Installation selon la revendication 11 ou 12 comprenant une turbine et des moyens pour envoyer un débit d'air à la turbine et ensuite à la colonne opérant à pression intermédiaire (3). 14. Installation selon l'une des revendications 11,12 ou 13 comprenant des moyens pour envoyer tout le liquide de cuve de la colonne basse pression est envoyé au condenseur de tête de la colonne à pression intermédiaire et des moyens pour envoyer une partie du liquide ainsi vaporisé en cuve de la colonne basse pression.