Brevet FR2842589A1 — publié le 20040123

La présente invention est relative à un procédé et une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier, elle concerne les procédés et installations de séparation d'air par distillation cryogénique dans lesquels au moins un débit de liquide provenant d'une colonne d'un système de colonnes de distillation se vaporise par échange de chaleur avec un débit d'air sous pression élevée destiné au système de colonnes. Le débit d'air est détendu dans une vanne avant d'entre envoyé à au moins une colonne du système. Les frigories de l'installation sont fréquemment fournies par une turbine Claude et/ou une turbine d'insufflation et occasionnellement par une turbine d'un gaz enrichi en azote. La procédure habituelle de démarrage de ce genre d'appareil consiste à démarrer le compresseur d'air et la turbine de détente d'air pour produire le froid. En plus du débit traité par la turbine, un peu d'air gazeux est détendu par les vannes de détente de liquide alimentant le système de colonnes. Comme ces vannes détendent du liquide en régime établi, le débit qui passe par les vannes est très faible. Or l'air gazeux qui se détend dans la vanne est à une pression qui peut aller jusqu'au-dessus de 20 bar donc le potentiel de réfrigération est significatif. Selon un premier objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant: i) un système de colonnes comprenant au moins une colonne de distillation, la colonne opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression ii) des moyens pour envoyer au moins un débit de liquide à un échangeur de chaleur o il se vaporise au moins partiellement iii) des moyens pour réchauffer le débit liquide au moins partiellement vaporisé iv) des moyens pour pressuriser un premier débit d'air à une pression au moins 10 bar supérieur à la moyenne pression v) des moyens pour envoyer le premier débit d'air à l'échangeur de chaleur vi) un premier moyen de détente d'au moins une partie du premier débit d'air reliée à l'échangeur de chaleur et à au moins une colonne du système de colonnes vii) des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air au système de colonnes caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième moyen de détente d'air dont l'entrée est reliée à l'échangeur de chaleur et à l'entrée du premier moyen de détente d'air et dont la sortie est reliée à au moins un équipement, de préférence une colonne, du système de colonnes et éventuellement à la sortie du premier moyen- de détente, le deuxième moyen de détente étant dimensionné pour détendre un débit d'air plus grand que la premier moyen de détente. Selon d'autres aspects facultatifs l'installation comprend: - un troisième moyen de détente d'air dont l'entrée est reliée à l'échangeur de chaleur et à l'entrée des premier et deuxième moyens de détente et dont la sortie est reliée à une colonne du système de colonnes, les sorties des premier et deuxième moyens de détente étant reliées à une colonne opérant à pression plus élevée que celle-ci, éventuellement à la colonne moyenne pression. - un troisième moyen de détente dont l'entrée est reliée aux entrées des premier et deuxième moyen de détente et dont la sortie est reliée à un équipement du système de colonnes, la deuxième vanne étant reliée directement à une colonne opérant à une pression plus élevée que l'équipement. Le premier et/ou le deuxième et/ou troisième moyen de détente est au moins une vanne ou au moins une turbine hydraulique et de préférence le premier moyen de détente est une turbine hydraulique et le deuxième et/ou troisième moyen est une vanne de détente. Le système de colonnes peut comprendre une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et éventuellement une colonne opérant à pression intermédiaire entre les deux et/ou une colonne de mélange et/ou une colonne argon. L'installation peut comprendre une turbine d'insufflation et/ou une turbine Claude, des moyens pour envoyer de l'air à cette (ces) turbine(s) et de moyens pour envoyer l'air détendu à une colonne du système de colonnes. Selon un deuxième objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant les étapes de a) pressuriser un premier débit d'air b) envoyer le premier débit d'air à un échangeur de chaleur o il se refroidit c) envoyer l'air refroidi à un premier moyen de détente pour produire un débit d'air au moins partiellement liquéfié d) envoyer le débit d'air au moins partiellement liquéfié à au moins une colonne d'un système de colonnes e) envoyer au moins un débit de liquide, éventuellement pressurisé, d'une colonne du système à l'échangeur de chaleur o il se vaporise au moins partiellement f) réchauffer le débit liquide au moins partiellement vaporisé g) envoyer un deuxième débit d'air gazeux au système de colonnes caractérisé en ce que, lors du démarrage, au moins une partie du premier débit d'air est envoyée à l'entrée d'un deuxième moyen de détente dont l'entrée est reliée à l'échangeur de chaleur et à l'entrée du premier moyen de détente et dont la sortie est reliée à un équipement, de préférence une colonne, du système de colonnes, le deuxième moyen de détente étant dimensionné pour détendre un débit d'air plus grand que la premier moyen de détente. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - lors du démarrage, tout le premier débit est envoyé au deuxième moyen de détente. - lors du démarrage une partie du premier débit est envoyée depuis la sortie du deuxième moyen de détente à une troisième moyen de détente dont la sortie est reliée à un équipement du système, la deuxième vanne étant reliée directement à une colonne opérant à une pression plus élevée que celui-ci. - lors du démarrage une partie du premier débit est envoyée de l'échangeur à un troisième moyen de détente dont la sortie est reliée à un équipement du système et éventuellement le reste du premier débit est envoyé au deuxième moyen de détente, la sortie du deuxième moyen de détente étant reliée à une colonne opérant à une pression plus élevée que celui-ci. Un exemple de mise en couvre va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 représente, de façon schématique, une mode de réalisation d'une installation de séparation d'air par distillation cryogénique selon l'invention. L'installation de production d'oxygène gazeux sous pression représentée sur la figure 1 comprend essentiellement une ligne d'échange thermique 1 destinée à refroidir l'air à traiter par échange de chaleur indirect à contre-courant avec des produits froid; un appareil de distillation d'air 2 du type à double colonne, constitué essentiellement d'une colonne moyenne pression 4 surmontée d'une colonne basse pression 3, avec un vaporiseur-condenseur 5 mettant en relation d'échange thermique indirect la vapeur de tête (azote) de la colonne 4 et le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 3, un sous-refroidisseur 6, une turbine de détente d'air 8 et une pompe d'oxygène liquide 7. De l'air à traiter 11 à entre 5 et 7 bars provenant d'un compresseur principal entre dans la ligne d'échange 1 et est refroidi jusqu'à une température intermédiaire avant d'entre détendu dans une turbine Claude 8. Cet air détendu entre alors dans la colonne moyenne pression 5 o il est séparé pour former un " liquide riche " (air enrichi en oxygène) en cuve de colonne et de l'azote en tête de colonne. Le liquide riche 31 et l'azote liquide 33 soutiré en tête de la colonne 4 sont sous-refroidis dans le sous-refroidisseur 6 par l'azote impur basse pression produit en tête de la colonne 3 puis, après détente dans des vannes de détente respectivement, alimentent cette colonne basse pression 3. Après réchauffement en 6 puis en 1 l'azote impur basse pression 25, à la température ambiante peut servir à régénérer un appareil d'épuration d'air. Le reste de l'air 13 (constituant 30 % environ de l'air) est surpressé à entre 7 et 100 bars dans un surpresseur en aval du compresseur principal et se refroidit en traversant toute la ligne d'échange 1, d'o il sort en régime établi soit sous forme liquide soit sous forme de gaz dense si sa pression dépasse 36 bars. En régime normal, cet air 13 est détendu à la moyenne pression dans la vanne 9 afin de former un débit au moins partiellement liquide. Une partie du liquide 19 est envoyée à la colonne moyenne pression 4 et le reste 17 est détendu dans une vanne 34 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 3. Au début du démarrage de l'appareil, l'air 13 sort gazeux de l'échangeur 1 et est envoyé à la vanne 10 plutôt qu'à la vanne 9. Cette vanne 10 est dimensionnée pour passer un débit plus grand que la vanne 9 qui détend soit un liquide soit un gaz dense en régime normal. Après détente dans la vanne 10, l'air rejoint la conduite 15 reliant la vanne 9 et les colonnes moyenne et basse pression 2,4. L'air est envoyé à ces colonnes sous forme gazeuse. Evidemment, l'air 13 peut être envoyé en totalité à la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression, en régime normal ou en démarrage. Il est également possible en démarrage d'envoyer une partie de l'air 13 à la vanne 9 et le reste à la vanne 10, les deux débits détendus étant envoyés ensuite à la double colonne. Une autre possibilité en cours de démarrage est d'envoyer une partie de l'air 13 à la vanne 12, o elle se détend et ensuite à la colonne basse pression 4 ou à la conduite d'azote basse pression résiduaire 25 (en pointillés). Le reste de l'air 13 est envoyé à l'entrée de la vanne 10 et, éventuellement à l'entrée de la vanne 9, comme décrit précédemment. Au cours du démarrage, l'air 13 deviendra de plus en plus froid, de sorte qu'à la fin du démarrage les vannes 10 et 12 détendent un débit au moins partiellement liquide ou un gaz dense. Une fois le démarrage terminé, les vannes 10 et 12 sont fermées et tout le liquide ou gaz dense 13 transite par la vanne 9. En régime normal, l'oxygène de production est soutiré sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression 3, amené en 7 à la pression de production (entre 1,8 et 100 bars), et divisé en deux. Une partie de l'oxygène pompé est vaporisée par échange de chaleur avec l'air 13, réchauffée jusqu'à la température ambiante et récupérée sous forme d'oxygène gazeux via une conduite 23. Le reste de l'oxygène pompé 29 est envoyé à un stockage (non20 illustré). Par ailleurs en option de l'azote gazeux soutiré de la tête de la colonne moyenne pression 4 est, après réchauffement en 1, récupéré via une conduite 21. On a également indiqué sur la figure 1, une conduite de production d'azote liquide 27 et une conduite de production d'oxygène liquide 29. L'installation pourrait comprendre des moyens pour produire de l'azote gazeux sous pression en pompant un débit liquide enrichi en azote et le vaporisant dans l'échangeur 1 en même temps que ou à la place de l'oxygène liquide qui s'y vaporise. L'installation pourrait comprendre à la place de la double colonne, une simple colonne ou une triple colonne (colonne moyenne pression, colonne basse pression et colonne opérant à pression intermédiaire entre les moyenne et basse pressions alimentée par un débit provenant de la colonne moyenne pression). Elle pourrait comprendre une colonne de mélange ou une ou des colonnes de production d'argon. Le liquide provenant du système de colonnes peut se vaporiser dans un échangeur autre que l'échangeur principal du système de colonnes. Au moins une des vannes 9, 10, 12 peut être remplacée par une turbine hydraulique. Dans un autre type de procédé, la Figure 1 est modifiée uniquement en remplaçant la vanne 9 par une turbine hydraulique qui détend un débit contenant par exemple plus que 90% de liquide en régime établi, de sorte qu'en démarrage au moins une partie de l'air 13 est détend soit uniquement dans la vanne 10 soit dans les vannes 10 et 12. REVENDICATIONS 1. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant: i) un système de colonnes comprenant au moins une colonne de distillation, la colonne opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression ii) des moyens pour envoyer au moins un débit de liquide à un échangeur de chaleur o il se vaporise au moins partiellement iii) des moyens pour réchauffer le débit liquide au moins partiellement vaporisé iv) des moyens pour pressuriser un premier débit d'air à une pression au moins 10 bar supérieur à la moyenne pression v) des moyens pour envoyer le premier débit d'air à l'échangeur de chaleur vi) un premier moyen de détente d'au moins une partie du premier débit d'air reliée à l'échangeur de chaleur et à au moins une colonne du système de colonnes vii) des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air au système de colonnes caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième moyen de détente d'air dont l'entrée est reliée à l'échangeur de chaleur et à l'entrée du premier moyen de détente d'air et dont la sortie est reliée à au moins un équipement, de préférence une colonne, du système de colonnes et éventuellement à la sortie du premier moyen de détente, le deuxième moyen de détente étant dimensionné pour détendre un débit d'air plus grand que la premier moyen de détente. 2. Installation selon la revendication 1 comprenant un troisième moyen de détente d'air dont l'entrée est reliée à l'échangeur de chaleur et à l'entrée des premier et deuxième moyens de détente et dont la sortie est reliée à une colonne du système de colonnes, les sorties des premier et deuxième moyens de détente étant reliées à une colonne opérant à pression plus élevée que celle-ci, éventuellement à la colonne moyenne pression. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2 comprenant un troisième moyen de détente dont l'entrée est reliée aux entrées des premier et deuxième moyen de détente et dont la sortie est reliée à un équipement du système de colonnes, la deuxième vanne étant reliée directement à une colonne opérant à une pression plus élevée que l'équipement. 4. Installation selon la revendication 1 dans laquelle le premier et/ou le deuxième et/ou troisième moyen de détente est au moins une vanne ou au moins une turbine hydraulique. 5. Installation selon une des revendications précédentes dans laquelle le système de colonnes comprend une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et éventuellement une colonne opérant à pression intermédiaire entre les deux et/ou une colonne de mélange et/ou une colonne argon. 6. Installation selon une des revendications précédentes comprenant une turbine d'insufflation et/ou une turbine Claude et des moyens pour envoyer de l'air à cette (ces) turbine(s). 7. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant les étapes de a) pressuriser un premier débit d'air b) envoyer le premier débit d'air à un échangeur de chaleur o il se refroidit c) envoyer l'air refroidi à un premier moyen de détente pour produire un débit d'air au moins partiellement liquéfié d) envoyer le débit d'air au moins partiellement liquéfié à au moins une colonne d'un système de colonnes e) envoyer au moins un débit de liquide, éventuellement pressurisé, d'une colonne du système à l'échangeur de chaleur o il se vaporise au moins partiellement f) réchauffer le débit liquide au moins partiellement vaporisé g) envoyer un deuxième débit d'air gazeux au système de colonnes caractérisé en ce que, lors du démarrage, au moins une partie du premier débit d'air est envoyée à l'entrée d'un deuxième moyen de détente dont l'entrée est reliée à l'échangeur de chaleur et à l'entrée du premier moyen de détente et dont la sortie est reliée à un équipement, de préférence une colonne, du système de colonnes, le deuxième moyen de détente étant dimensionné pour détendre un débit d'air plus grand que la premier moyen de détente. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel, lors du démarrage, tout le premier débit est envoyé au deuxième moyen de détente. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8 dans lequel, lors du démarrage, une partie du premier débit est envoyée depuis la sortie du deuxième moyen de détente à une troisième moyen de détente dont la sortie est reliée à un équipement du système, la deuxième vanne étant reliée directement à une colonne opérant à une pression plus élevée que celui-ci. 10. Procédé selon la revendication 7 dans lequel lors du démarrage une partie du premier débit est envoyée de l'échangeur à un troisième moyen de détente dont la sortie est reliée à un équipement du système et éventuellement le reste du premier débit est envoyé au deuxième moyen de détente, la sortie du deuxième moyen de détente étant reliée à une colonne opérant à une pression plus élevée que celui-ci.