Brevet FR2854232A1 — publié le 20041029

i La présente invention est relative à un procédé et installation de séparation d'air par distillation cryogénique et en particulier à un procédé et installation de séparation d'air par distillation cryogénique produisant un fluide enrichi en argon. Il est connu de produire une mixture riche en argon, en utilisant une colonne additionnelle en parallèle par exemple avec la double colonne d'un Oxytonne . La double colonne comprend une colonne moyenne pression, désignée colonne MP et une colonne basse pression, désignée colonne BP. En général, lorsque l'on cherche à soutirer une quantité importante d'azote de la colonne moyenne pression, (sous forme gazeuse ou sous forme d'azote liquide dont une partie peut être pompée et vaporisée sous pression) on constate rapidement une perte importante de rendement argon et oxygène. Il est connu de EP-A-0645595 et EP-A-0646755 d'envoyer un débit d'air liquide en tête d'une colonne basse pression d'une double colonne de séparation d'air, éventuellement mélangé avec du liquide pauvre inférieur dans le cas de EP-A-0646755, retiré quelques plateaux en dessous de la tête de la colonne moyenne pression. En particulier, EP-A-0645595 mentionne que ce genre de reflux peut servir pour des procédés de production d'argon. EP-A-0677713 décrit un procédé de production d'argon dans lequel du liquide riche est envoyé à deux niveaux différents de la colonne basse pression. Un des buts de l'invention est de permettre l'obtention d'un rendement en argon élevé, et une production importante de liquide ou d'azote sous pression. En particulier, un objectif du procédé selon l'invention est de maintenir un rendement argon relativement élevé même lorsque le rendement oxygène se dégrade sous l'effet d'un soutirage important d'azote moyenne pression ou lorsqu'une quantité importante d'air est envoyée directement dans la colonne basse pression, sans passer par la colonne moyenne pression (par exemple, quand l'air est détendu dans une turbine d'insufflation). La raison pour laquelle le rendement en oxygène se dégrade dans les circonstances ci-dessus est que le rebouillage en cuve de colonne basse pression s'en trouve réduit. La seule issue pour l'oxygène que l'on ne peut produire à la teneur requise devient alors l'azote résiduaire de tête de colonne basse pression. En créant les conditions de reflux dans la colonne basse pression pour laisser sortir cet oxygène, on laisse aussi s'échapper une fraction importante de l'argon par le résiduaire. En fait, dans ces conditions, le reflux LN est insuffisant, en tête de colonne basse pression. De manière surprenante, on a trouvé que la façon la plus efficace d'améliorer ce reflux est d'utiliser un liquide relativement riche en oxygène, issu soit d'une région inférieure de la colonne MP, soit de la cuve du condenseur de mixture, soit d'une autre partie de l'appareil (par exemple de l'air liquide). Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes comprenant au moins trois colonnes de distillation fonctionnant à des pressions différentes, la tête d'une colonne moyenne pression étant en communication thermique avec une colonne basse pression et une colonne auxiliaire de production d'un fluide enrichi en argon dans lequel une partie de l'air alimentation est envoyée sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression, un gaz enrichi en argon est envoyé de la colonne basse pression à la colonne auxiliaire de production d'un fluide enrichi en argon, plus riche en argon que le gaz enrichi en argon, le fluide enrichi en argon est soutiré de la colonne auxiliaire, un premier débit de liquide contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène est envoyé à la colonne basse pression à un premier niveau et un débit enrichi en azote est soutiré de la colonne basse pression caractérisé en ce qu'un deuxième débit de liquide contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène est envoyé à la colonne basse pression à un deuxième niveau. Selon d'autres aspects facultatifs: - le premier débit de liquide contient entre 18 et 25 % molaires d'oxygène et/ou le deuxième débit de liquide contient entre 18 et 25 % molaires d'oxygène; - le premier et/ou deuxième liquide est condensé par échange de chaleur avec un liquide soutiré d'une colonne du système; - le premier et/ou deuxième liquide est condensé par échange de chaleur indirect avec un liquide à l'intérieur d'une colonne du système dans un vaporiseurcondenseur; - le premier et/ou deuxième liquide provient d'une turbine hydraulique - le premier et/ou le deuxième débit est un débit d'air; - un troisième débit d'air est envoyé à la colonne moyenne pression et/ou à une autre colonne du système; - un débit liquide enrichi en azote est envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression à un point en dessus du premier et/ou du deuxième niveau; un débit liquide enrichi en azote est envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression à un point en dessous du premier et/ou du deuxième niveau; - le débit enrichi en azote est soutiré en tête de la colonne moyenne pression; - le débit enrichi en azote est soutiré quelques plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne haute pression; - un débit gazeux riche en azote est soutiré en tête de la colonne haute pression. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes, comprenant au moins trois colonnes de distillation fonctionnant à des pressions différentes, la tête d'une colonne moyenne pression étant en communication thermique avec une colonne basse pression et une colonne auxiliaire de production d'un fluide enrichi en argon, des moyens pour envoyer une partie de l'air alimentation sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer un gaz enrichi en argon de la colonne basse pression à la colonne auxiliaire de production d'un fluide enrichi en argon, plus riche en argon que le gaz enrichi en argon, des moyens pour soutirer le fluide enrichi en argon de la colonne auxiliaire, des moyens pour envoyer un premier débit de liquide contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène à la colonne basse pression à un premier niveau et des moyens pour soutirer un débit enrichi en azote de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer un deuxième débit de liquide contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène à la colonne basse pression à un deuxième niveau. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, l'installation comprend - un échangeur dans lequel le premier et/ou deuxième liquide est formé par échange de chaleur avec un liquide soutiré d'une colonne du système; - un vaporiseur-condenseur à l'intérieur d'une colonne du système permettant l'échange de chaleur indirect avec un liquide et le débit à former le premier et/ou deuxième liquide; - une turbine hydraulique et des moyens pour envoyer le premier et/ou deuxième liquide de la turbine à la colonne basse pression; - des moyens pour envoyer un débit liquide enrichi en azote de la colonne haute pression à la colonne basse pression à un point en dessus du premier et/ou du deuxième niveau; - des moyens pour envoyer un débit liquide enrichi en azote de la colonne haute pression à la colonne basse pression à un point en dessous du premier et/ou du deuxième niveau; - des moyens pour soutirer le débit liquide enrichi en azote en tête de la colonne moyenne pression; - des moyens pour soutirer le débit liquide enrichi en azote quelques plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne moyenne pression; - des moyens pour soutirer un débit gazeux enrichi en azote en tête ou quelques plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne moyenne pression. On prélève donc tout ou partie d'un débit liquide qui, traditionnellement aurait été envoyé dans une partie inférieure de la colonne BP (ex: liquide riche, air liquide) et on l'envoie en tête de la colonne basse pression, sur le plateau d'o on sort le résiduaire (ou au voisinage de ce plateau i.e. pas plus de 3 étages théoriques sous ce plateau). Le liquide pauvre inférieur (LPI) qui est beaucoup plus pauvre en oxygène que le liquide riche et l'air liquide, peut être envoyé soit sur le plateau d'o sort le résiduaire WN2, soit plusieurs plateaux plus bas. Dans ce dernier cas, ceci crée alors un tronçon de mélange puisqu'on l'alimente en tête avec un liquide plus riche en oxygène que le liquide en équilibre avec la vapeur montante. Des procédés similaires sont connus de US-A- 5,079,923, US-A- 5,386,691 et US-A-5,799,508 Sans Déviation Déviation LR Déviation AL Déviation AL avec déviation LRV Selon Selon invention tronçon de mélange invention Selon invention Rendement Argon 71.52% 73.71% 74.87% 75.53% 77% Rendement 02 96.3% 95% 95% 95% 95% NMGMP/Air 20% 20% 20% 20% 20% Afin d'améliorer le rendement en argon d'un appareil, en augmentant le reflux en tête de colonne BP, au niveau de la sortie d'azote résiduaire (ou quelques plateaux au-dessus), par utilisation d'un premier et/ou deuxième débit ayant un rapport 02/Ar supérieur à 10, typiquement supérieur à 20 de sorte que la teneur du reflux dans la colonne basse pression est telle que (02/Ar est >8 typiquement >11). L'invention sera maintenant décrite en référant à deux figures qui sont des dessins schématiques d'installations selon l'invention. Dans la figure 1, un débit d'air 1 est comprimé à 6 bars dans un compresseur principal (non-illustré). Celui-ci est divisé en trois débits 3, 5, 7. Le débit 3 est surpressé, refroidi à une température intermédiaire dans un échangeur 9, détendu dans une turbine Claude 11 à 6 bars et envoyé à la colonne moyenne pression 13 d'une double colonne, après avoir été mélangé avec le débit gazeux 7 qui s'est refroidi dans l'échangeur 9. Le débit 5 est surpressé et se refroidit en traversant entièrement l'échangeur 9. Une partie de l'air 10 est détendu dans une vanne (nonillustrée) et rentre dans la colonne moyenne pression 13 quelques plateaux théoriques au-dessus du point d'introduction des débits 3, 7, le reste de l'air 17 est divisé en deux fractions. La fraction 19 est détendue dans une vanne et envoyée à la colonne basse pression plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne 15. La fraction 21 est mélangée avec un débit d'azote liquide 22 provenant de la tête de la colonne moyenne pression et le mélange est détendu et envoyé en tête de colonne 15. Un débit de gaz enrichi en argon 25 est envoyé à une colonne 29 ayant un condenseur de tête 31. Le liquide de cuve 27 de la colonne argon est renvoyé à la colonne basse pression 15. Le liquide riche 23 de cuve de la colonne moyenne pression est divisé en deux fractions 33, 35. La fraction 33 est détendue et envoyée à la colonne basse pression 15 et la fraction 35 est détendue avant d'être envoyée au condenseur de tête 31 de la colonne argon o elle se vaporise, formant un débit gazeux 37 qui est envoyé à la colonne basse pression 15, en dessous du point d'injection du débit 33. Un débit d'azote gazeux 41 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 13 et se réchauffe dans l'échangeur 9. Un débit d'oxygène liquide 43 est soutiré en cuve de la colonne basse pression 15, pressurisé dans la pompe 45 à une pression élevée et vaporisé dans l'échangeur 9. Un débit d'azote résiduaire 45 est soutiré en tête de la colonne 15 et se réchauffe dans l'échangeur. Dans la figure 2, un débit d'air 1 est également comprimé à 6 bars dans un compresseur principal (non-illustré). Celui-ci est divisé en trois débits 3, 5, 7. Le débit 3 est surpressé, refroidi à une température intermédiaire dans un échangeur 9, détendu dans une turbine Claude 11 à 6 bars et envoyé à la colonne moyenne pression 13 d'une double colonne, après avoir été mélangé avec le débit gazeux 7 qui s'est refroidi dans l'échangeur 9. Le débit 5 est surpressé et se refroidit en traversant entièrement l'échangeur 9. Une partie de l'air 10 est détendu dans une vanne (nonillustrée) et rentre dans la colonne moyenne pression 13 quelques plateaux théoriques au-dessus du point d'introduction des débits 3, 7, le reste de l'air 17 est divisé en deux fractions. La fraction 19 est détendue dans une vanne et envoyée à la colonne basse pression plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne 15. La fraction 21 n'est pas mélangée avec un débit d'azote liquide provenant de la tête de la colonne moyenne pression. Le débit d'air 21 est envoyé en tête de la colonne basse pression et le débit d'azote liquide 23 est envoyé plusieurs plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne: ces plateaux théoriques forment un tronçon de mélange ayant le même fonctionnement qu'une colonne de mélange. Un débit de gaz enrichi en argon 25 est envoyé à une colonne 29 ayant un condenseur de tête 31. Le liquide de cuve 27 de la colonne argon est renvoyé à la colonne basse pression 15. J ï REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un système de colonnes comprenant au moins trois colonnes de distillation (13, 15, 29) fonctionnant à des pressions différentes, la tête d'une colonne moyenne pression (13) étant en communication thermique avec une colonne basse pression (15) et une colonne auxiliaire (29) de production d'un fluide enrichi en argon dans lequel une partie (7) de l'air d'alimentation est envoyée sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression, un gaz enrichi en argon (25) est envoyé de la colonne basse pression à la colonne auxiliaire de production d'un fluide enrichi en argon, plus riche en argon que le gaz enrichi en argon, le fluide enrichi en argon est soutiré de la colonne auxiliaire, un premier débit de liquide (19) contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène est envoyé à la colonne basse pression à un premier niveau et un débit enrichi en azote (45) est soutiré de la colonne basse pression caractérisé en ce qu'un deuxième débit de liquide (21) contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène est envoyé à la colonne basse pression à un deuxième niveau. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier débit de liquide contient entre 18 et 25 % molaires d'oxygène et/ou le deuxième débit de liquide contient entre 18 et 25 % molaires d'oxygène. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou le deuxième débit est un débit d'air. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit liquide enrichi en azote (23) est envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression à un point en dessus du premier et/ou du deuxième niveau. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit liquide enrichi en azote (23) est envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression à un point en dessous du premier et/ou du deuxième niveau. 6. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant au moins trois colonnes de distillation (13, 15, 19) fonctionnant à des pressions différentes, la tête d'une colonne moyenne pression (13) étant en communication thermique avec une colonne basse pression (15) et une colonne auxiliaire (29) de production d'un fluide enrichi en argon, des moyens (17) pour envoyer une partie de l'air d'alimentation sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression, des moyens (25) pour envoyer un gaz enrichi en argon de la colonne basse pression à la colonne auxiliaire de production d'un fluide enrichi en argon, plus riche en argon que le gaz enrichi en argon, des moyens pour soutirer le fluide enrichi en argon de la colonne auxiliaire, des moyens (19) pour envoyer un premier débit de liquide contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène à la colonne basse pression à un premier niveau et des moyens (45) pour soutirer un débit enrichi en azote de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (21) pour envoyer un deuxième débit de liquide contenant entre 18 et 30 % molaires d'oxygène à la colonne basse pression à un deuxième niveau. 7. Installation selon la revendication 6 comprenant des moyens pour envoyer un débit liquide enrichi en azote (23) de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression à un point en dessus du premier et/ou du deuxième niveau. 8. Installation selon l'une des revendications 6 ou 7 comprenant des moyens pour envoyer un débit liquide enrichi en azote (23) de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression à un point en dessous du premier et/ou du deuxième niveau. 9. Installation selon l'une des revendications 6, 7 ou 8 comprenant des moyens pour soutirer le débit liquide (23) enrichi en azote en tête de la colonne moyenne pression. 10. Installation selon l'une des revendications 6 à 9 comprenant des moyens pour soutirer le débit liquide enrichi en azote (23) quelques plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne moyenne pression.