Brevet FR2860286A1 — publié le 20050401

La présente invention est relative à un procédé et à une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier, elle concerne les procédés utilisant une installation comprenant une double colonne et une colonne de mélange pour la production d'oxygène gazeux. De telles installations sont fréquemment utilisées pour fournir de l'oxygène impur à des clients ayant des besoins variables, par exemple pour les hauts fourneaux, la gazéification du charbon, la gazéification de résidus pétroliers, la réduction-fusion directe du minerai de fer, la métallurgie des métaux non-ferreux. Ces besoins variables peuvent être si importants que l'appareil fonctionnant sous un mode classique ne parvient pas à les fournir ou le client peut être empêché de fournir suffisamment d'air pour fournir les besoins maximaux. Dans ce cas, il est connu de surdimensionner l'appareil ou d'assurer les pics de production par vaporisation d'oxygène liquide stocké, ces deux solutions étant très coûteuses. US-A-5778700 décrit un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une colonne de mélange et une double colonne, constitué par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression dans lequel: i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi à la colonne moyenne pression d'une double colonne où il se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène; ii) on envoie au moins une partie du débit enrichi en azote à la colonne basse pression; iii) on envoie au moins une partie du débit enrichi en oxygène à la colonne 25 basse pression; iv) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi en cuve de la colonne de mélange; v) on condense au moins partiellement une partie du débit enrichi en azote par échange de chaleur avec le liquide de cuve riche en oxygène provenant 30 de la colonne basse pression dans un vaporiseur-condenseur; vi) on envoie du liquide riche en oxygène du vaporiseur-condenseur à la tête de la colonne de mélange après une étape de pressurisation; vii) on soutire un débit gazeux riche en oxygène comme produit en tête de la colonne de mélange; 2860286 2 viii) si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit, on stocke une partie du liquide riche en oxygène dans un stockage; ix) si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente, on soutire du liquide riche du stockage et on l'envoie en tête de la colonne de mélange. Dans US-A-5778700, l'oxygène liquide est soutiré de la colonne basse pression, pompé et stocké dans un stockage à une pression supérieure à la pression de la colonne basse pression. Par ailleurs, certains contextes industriels nécessitent la fourniture simultanée, en grandes quantités, d'oxygène pratiquement pur et d'oxygène impur sous des pressions différentes. C'est notamment le cas des aciéries comportant des convertisseurs à l'oxygène et dans lesquelles le haut fourneau est alimenté en oxygène ou en air enrichi en oxygène. L'invention a pour but de satisfaire de tels besoins de façon économique, c'est-à-dire de permettre, avec un investissement et une consommation d'énergie relativement faibles, la production d'oxygène impur à au moins une pureté et à au moins une pression choisies à volonté. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une colonne de mélange et une double colonne, constitué par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression dans lequel: i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi à la colonne moyenne pression où il se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène; ii) on envoie au moins une partie du débit enrichi en azote à la colonne 25 basse pression; iii) on envoie au moins une partie du débit enrichi en oxygène à la colonne basse pression; iv) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi en cuve de la colonne de mélange; v) on condense au moins partiellement une partie du débit enrichi en azote par échange de chaleur avec le liquide de cuve riche en oxygène provenant de la colonne basse pression dans un vaporiseur-condenseur à bain; vi) on envoie du liquide riche en oxygène du vaporiseur-condenseur à la tête de la colonne de mélange après une étape de pressurisation 2860286 3 vii) on soutire un débit gazeux riche en oxygène comme produit en tête de la colonne de mélange viii) si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit, on stocke une partie du liquide riche en oxygène dans des moyens de stockage ix) si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente, on soutire du liquide riche des moyens de stockage et on l'envoie en tête de la colonne de mélange caractérisé en ce que les moyens de stockage sont constitués par le bain du vaporiseur-condenseur et opèrent à substantiellement la même pression que la cuve de la colonne basse pression et si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit, le débit de liquide riche en oxygène soutiré du bain du vaporiseurcondenseur réduit et si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente, le débit de liquide riche en oxygène soutiré de la cuve du bain du vaporiseurcondenseur augmente. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention: - le débit d'air alimentant la colonne moyenne pression est maintenu constant pendant les étapes viii) et/ou ix) ; - le débit de liquide riche en oxygène du vaporiseur-condenseur envoyé à la tête de la colonne de mélange est asservi au débit d'oxygène gazeux soutiré en 20 tête de la colonne de mélange; - les moyens de stockage pour stocker l'excédent d liquide produit dans la colonne basse pression en cas où le besoin en débit gazeux riche en oxygène se réduit, sont constitués uniquement par le bain du vaporiseur- condenseur; - le vaporiseur-condenseur est à l'intérieur de la colonne basse pression et les moyens de stockage est constitué uniquement par le bain de liquide du vaporiseur-condenseur; - le vaporiseur-condenseur surmonte la colonne moyenne pression et est alimenté en liquide à partir d'une conduite provenant de la cuve de la colonne basse pression; - le liquide riche en oxygène provenant du stockage est pressurisé et ensuite sous-refroidi avant d'être envoyé en tête de la colonne de mélange; - le niveau de liquide de cuve de la colonne de mélange monte si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente et se réduit si le besoin en débit gazeux riche en oxygène se réduit; 2860286 4 - le liquide de cuve de la colonne de mélange est stocké uniquement en cuve de la colonne de mélange et un liquide intermédiaire de la colonne de mélange est envoyé directement à la colonne basse pression sans avoir été stocké ; - les débits de liquide envoyés de la colonne de mélange vers la colonne basse pression et/ou les débits de liquide envoyé de la colonne moyenne pression vers la colonne basse pression ne modifient pas de plus de 2 % si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit ou augmente d'au moins 15 % ; - les débits de liquide envoyés de la colonne de mélange vers la colonne basse pression et/ou les débits de liquide envoyé de la colonne moyenne pression vers la colonne basse pression ne modifient pas de plus de 1 % si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit ou augmente d'au moins 15 % - les débits de liquide envoyés de la colonne de mélange vers la colonne basse pression et/ou les débits de liquide envoyé de la colonne moyenne pression vers la colonne basse pression ne modifient pas de plus de 1 % si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit ou augmente d'au moins 10 % ; - le débit d'air envoyé à la colonne de mélange augmente si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente et réduit si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit, le débit d'air envoyé à la colonne moyenne pression et éventuellement le débit d'air envoyé à la colonne basse pression n'étant substantiellement pas modifiés en cas de besoin de si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente et réduit si le besoin en débit gazeux riche en oxygène variable. - un débit d'oxygène liquide est soutiré du bain du vaporiseur-condenseur en tant que produit final - la colonne de mélange opère à une pression inférieure à, supérieure à ou égale à la pression de la colonne moyenne pression. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne de mélange et une double colonne, constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, des moyens pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi à la colonne moyenne pression d'une double colonne où il se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en azote à la colonne basse pression, des 2860286 5 moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en oxygène à la colonne basse pression, des moyens pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi en cuve de la colonne de mélange, des moyens pour condenser au moins partiellement une partie du débit enrichi en azote par échange de chaleur avec le liquide de cuve riche en oxygène provenant de la colonne basse pression dans un vaporiseur-condenseur à bain, des moyens pour envoyer du liquide riche en oxygène du vaporiseur-condenseur à la tête de la colonne de mélange, éventuellement après une étape de pressurisation, des moyens pour soutirer un débit gazeux riche en oxygène comme produit en tête de la colonne de mélange, des moyens de stockage pour stocker une partie du liquide riche en oxygène, des moyens pour soutirer du liquide riche des moyens de stockage et l'envoyer en tête de la colonne de mélange, caractérisée en ce que les moyens de stockage sont constitués par le bain du vaporiseur-condenseur et en ce qu'elle comprend des moyens pour réguler le débit de liquide envoyé en tête de la colonne de mélange en fonction du débit gazeux riche en oxygène produit en tête de la colonne de mélange. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de l'installation de distillation d'air conforme à l'invention. L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 est destinée à produire de l'oxygène impur OI, par exemple ayant une pureté de 80 à 97 % et de préférence de 85 à 95 % sous une pression déterminée P nettement différente de 6 x 105 Pa abs., par exemple sous 2 à 5 x 105 Pa ou avantageusement sous une pression supérieure d'au moins 2 x 105 Pa et pouvant aller jusqu'à 30 x 105 Pa environ, de préférence entre 8 x 105 Pa et 15 x 105 Pa. L'installation comprend essentiellement une ligne d'échange thermique 1, une double colonne de distillation comprenant ellemême une colonne moyenne pression 3, une colonne basse pression 4 et un condenseur-vaporiseur principal 5, et une colonne de mélange 6. La colonne de mélange 6 et la colonne basse pression 4 sont intégrées dans une seule structure. La colonne moyenne pression 3 forme une structure à part et est surmontée du condenseur-vaporiseur 5, comme décrit dans EP-A- 1978212. Les colonnes 3 et 4 fonctionnent typiquement sous environ 6 x 105 Pa et environ 1 x 105 Pa respectivement. 2860286 6 Comme expliqué en détail dans le document US-A-4,022,030, une colonne de mélange est une colonne qui a la même structure qu'une colonne de distillation mais qui est utilisée pour mélanger de façon proche de la réversibilité un gaz relativement volatil, introduit à sa base, et un liquide moins volatil, introduit à son sommet. Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet donc de réduire la consommation d'énergie liée à la distillation. Dans le cas présent, ce mélange est mis à profit, en outre, pour produire directement de l'oxygène impur sous la pression P, comme cela sera décrit ci-dessous. L'air à séparer par distillation, comprimé à 6 x 105 Pa et convenablement épuré, est acheminé vers la base de la colonne moyenne pression 3 par une conduite 7. La majeure partie de cet air est refroidie dans la ligne d'échange 1 et introduite à la base de la colonne moyenne pression 3, et une autre partie, surpressée en 8 puis refroidie, est détendue à la basse pression dans une turbine d'insufflation 9 couplée au surpresseur 8, puis insufflée en un point intermédiaire de la colonne basse pression 4. Du liquide riche (air enrichi en oxygène), prélevé en cuve de la colonne 3 est, après détente dans une vanne de détente 10, introduit dans la colonne 4, à peu près au point d'insufflation de l'air. Du liquide pauvre (azote impur) 11 prélevé en haut de la colonne 3 est, après détente dans une vanne de détente 12, introduit au sommet de la colonne 4, et le gaz produit en tête de la colonne 4 constituant le gaz résiduaire NI de l'installation est réchauffé dans la ligne d'échange 1 et évacué de l'installation. De l'oxygène liquide, plus ou moins pur suivant le réglage de la double colonne 2, est soutiré en cuve de la colonne 4, envoyé par la conduite 24 par écoulement gravitaire au condenseur-vaporiseur 5 où il se vaporise partiellement formant un gaz 25 qui est renvoyé à la colonne basse pression 4. Du liquide 26 est soutiré du condenseur 5, porté par une pompe 13 à une pression P1, légèrement supérieure à la pression P précitée pour tenir compte des pertes de charge (P1-P inférieur à 1 x 105 Pa), et introduit au sommet de la colonne 6. P1 est donc avantageusement comprise entre 8 x 105 Pa et 30 x 105 Pa, de préférence entre 8 x 105 Pa et 16 x 105 Pa Eventuellement une partie 27 de l'oxygène liquide peut être envoyé à un stockage (non-illustré). De l'air auxiliaire 2, comprimé à la moyenne pression et refroidi partiellement dans la ligne d'échange 1, est introduit à la base de la colonne de mélange 6. De cette dernière sont 2860286 7 soutirés trois courants de fluide: à sa base, du liquide voisin du liquide riche et réuni à ce dernier via une conduite 15 munie d'une vanne de détente 15A; en un point intermédiaire, un mélange essentiellement constitué d'oxygène et d'azote, qui est renvoyé en un point intermédiaire de la colonne basse pression 4 via une conduite 16 munie d'une vanne de détente 17; et à son sommet de l'oxygène impur qui, après réchauffement dans la ligne d'échange thermique, est évacué, sensiblement à la pression P, de l'installation via une conduite 18 en tant que gaz de production 01. On a également représenté sur la figure 1 des échangeurs de chaleur 10 auxiliaires 19, 20 assurant la récupération du froid disponible dans les fluides en circulation dans l'installation. Comme on le comprend, grâce à la présence d'un circuit séparé pour l'air auxiliaire alimentant la colonne 6, on peut choisir à volonté la pression P de l'oxygène impur produit. De plus, comme indiqué plus haut, le réglage de la double colonne permet d'obtenir divers degrés de pureté pour ce gaz. En marche normale l'oxygène gazeux est régulé en débit par une vanne, son point de consigne étant ajusté par le consommateur, la colonne de mélange est alimentée par l'oxygène liquide 28 venant du condenseur-vaporiseur 5 régulé en débit par une vanne 26, la consigne de débit est asservie à la consigne de débit d'oxygène gazeux 18 sortant de la colonne de mélange et le débit d'air 2 entrant à la colonne de mélange est une conséquence du bilan matière de la colonne de mélange et donc suit naturellement le débit d'oxygène gazeux sortant. Le débit produit oxygène est 18, les débits liquides sortants de la colonne de mélange 15 16 sont régulés en débit à travers les vannes 15A,17 respectivement et sont recyclés vers la colonne basse pression 4. Le débit 18 va augmenter suivant la demande du client, ce qui par bilan matière fait augmenter le débit d'air d'alimentation en air 2 de la colonne de mélange 6, par l'asservissement de son point de consigne le débit d'alimentation en oxygène liquide 28 de la colonne de mélange 6 augmente. Par contre on garde les débits liquides recyclés 15 et 16 constants et le débit d'air 7 alimentant la colonne moyenne pression 3 et les débits liquides 10 et 12 reliant la colonne moyenne pression 3 à la colonne basse pression 4 restent constants. Ainsi la colonne moyenne pression et basse pression gardent le même fonctionnement, au niveau du débit de gaz montant dans les colonnes et du débit de liquide 2860286 8 descendant dans les colonnes, même en cas d'augmentation de la production d'oxygène. Comme les débits 15 et 16 sont constants et le débit d'oxygène liquide 28 augmente, la colonne de mélange 6 voit un excédent de liquide qui est stocké en cuve de colonne de mélange de sorte que le niveau de liquide de cuve de celle-ci monte et le vaporiseur-condenseur 5 voit un manque de liquide qui est déstocké du bain du vaporiseur principal où le niveau de liquide descend (il n'y a pas de rétention de liquide dans la cuve de la colonne basse pression et donc le niveau de liquide y reste constant grâce à l'écoulement par gravitation). Les niveaux varient donc comme une conséquence de la consigne de débit d'oxygène. Le débit d'air total alimentant l'appareil n'augmentera donc que de la quantité nécessaire pour la colonne de mélange. Si le besoin en oxygène 01 réduit, le débit 18 va réduire suivant la demande du client, ce qui fait réduire par bilan matière le débit d'air d'alimentation en air 2 de la colonne de mélange 6, de même que par asservissement sur le débit d'oxygène gaz le débit d'alimentation en oxygène liquide 28 de la colonne de mélange 6 se réduit. Par contre on garde les débits liquides recyclés 15 et 16 constants et le débit d'air 7 alimentant la colonne moyenne pression 3 et les débit liquides 10 et 12 reliant la colonne moyenne pression 3 à la colonne basse pression 4 restent constants. Ainsi la colonne moyenne pression et basse pression gardent le même fonctionnement, au niveau du débit de gaz montant dans les colonnes et du débit de liquide descendant dans les colonnes, même en cas de réduction de la production d'oxygène. Comme les débits 15 et 16 sont constants et le débit d'oxygène liquide 28 réduit, la colonne de mélange 6 voit un manque de liquide qui est déstocké en cuve de colonne de mélange de sorte que le niveau de liquide de cuve de celle-ci descend et le vaporiseur-condenseur 5 voit une augmentation du liquide qui est stocké dans le bain où le niveau de liquide augmente (le niveau de liquide en cuve de la colonne basse pression 4 reste constant). II sera aisément compris que la double colonne composée des colonnes 3 et 4 peut former une seule structure de façon classique, la colonne de mélange 6 formant une structure à part. De cette façon, les conduites 24, 25 n'existent pas et l'oxygène 26 est soutiré en cuve de la colonne basse pression 4 où se trouve le condenseur 5. Evidemment dans ce cas, si la production d'oxygène impur 2860286 9 augmente, le niveau de cuve de la colonne basse pression baissera et si la production d'oxygène impur réduit, le niveau de cuve de la colonne basse pression montera. La colonne de mélange selon l'invention opère à une pression inférieure à, supérieure à ou égale à la pression de la colonne moyenne pression. Les frigories requises pour le procédé peuvent être fournies par tout moyen connu. REVENDICATIONS, 1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une colonne de mélange (6) et une double colonne, constituée par une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (4) dans lequel: i) on envoie de l'air (7) comprimé, épuré et refroidi à la colonne moyenne pression où il se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène; ii) on envoie au moins une partie du débit enrichi en azote (11) à la colonne basse pression; iii) on envoie au moins une partie du débit enrichi en oxygène à la colonne basse pression; iv) on envoie de l'air (2) comprimé, épuré et refroidi en cuve de la colonne 15 de mélange; v) on condense au moins partiellement une partie du débit enrichi en azote par échange de chaleur avec le liquide de cuve riche en oxygène provenant de la colonne basse pression dans un vaporiseur-condenseur à bain; vi) on envoie du liquide riche en oxygène du vaporiseur-condenseur à la tête de la colonne de mélange, éventuellement après une étape de pressurisation vii) on soutire un débit gazeux riche en oxygène (18) comme produit en tête de la colonne de mélange viii) si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit, on stocke une partie du liquide riche en oxygène dans des moyens de stockage ix) si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente, on soutire du liquide riche des moyens de stockage et on l'envoie en tête de la colonne de mélange caractérisé en ce que les moyens de stockage sont constitués par le bain du vaporiseur-condenseur (5) et opèrent à substantiellement la même pression que la cuve de la colonne basse pression et si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit, le débit de liquide riche en oxygène soutiré du bain du vaporiseurcondenseur réduit et si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente, le débit de liquide riche en oxygène soutiré de la cuve du bain du vaporiseurcondenseur augmente. 2860286 11 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit d'air alimentant la colonne moyenne pression (3) est maintenu constant pendant les étapes viii) et/ou ix). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit de liquide (28) riche en oxygène du vaporiseur-condenseur envoyé à la tête de la colonne de mélange est asservi au débit d'oxygène gazeux (18) soutiré en tête de la colonne de mélange. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel les moyens de stockage pour stocker l'excédent de liquide produit dans la colonne basse pression en cas où le besoin en débit gazeux riche en oxygène se réduit, sont constitués uniquement par le bain du vaporiseur-condenseur. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le vaporiseur-condenseur est à l'intérieur de la colonne basse pression et les moyens de stockage est constitué uniquement par le bain de liquide du vaporiseur-condenseur. 6. Procédé selon la revendication 1,2,3 ou 4 dans lequel le vaporiseurcondenseur (5) surmonte la colonne moyenne pression et est alimenté en liquide à partir d'une conduite provenant de la cuve de la colonne basse pression. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 25 liquide riche en oxygène provenant du stockage est pressurisé et ensuite sous-refroidi avant d'être envoyé en tête de la colonne de mélange. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le niveau de liquide de cuve de la colonne de mélange (6) monte si le besoin en débit gazeux riche en oxygène augmente et se réduit si le besoin en débit gazeux riche en oxygène se réduit. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide de cuve (15) de la colonne de mélange (6) est stocké uniquement en cuve 12 S6319 04/04 de la colonne de mélange et un liquide intermédiaire (16) de la colonne de mélange est envoyé directement à la colonne basse pression sans avoir été stocké. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les débits de liquide (15,16) envoyés de la colonne de mélange vers la colonne basse pression et/ou les débits de liquide (11) envoyés de la colonne moyenne pression vers la colonne basse pression ne modifient pas de plus de 2 % si le besoin en débit gazeux riche en oxygène réduit ou augmente d'au moins 15 d/o. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit d'oxygène liquide (27) est soutiré du bain du vaporiseur-condenseur en tant que produit final. 12. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne de mélange (6) et une double colonne, constituée par une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (4), des moyens pour envoyer de l'air (7) comprimé, épuré et refroidi à la colonne moyenne pression d'une double colonne où il se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène;des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en azote (11) à la colonne basse pression;des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en oxygène à la colonne basse pression;des moyens pour envoyer de l'air (2) comprimé, épuré et refroidi en cuve de la colonne de mélange;des moyens pour condenser au moins partiellement une partie du débit enrichi en azote par échange de chaleur avec le liquide de cuve riche en oxygène provenant de la colonne basse pression dans un vaporiseur-condenseur à bain;des moyens pour envoyer du liquide riche en oxygène du vaporiseur-condenseur à la tête de la colonne de mélange, éventuellement après une étape de pressurisation; des moyens pour soutirer un débit gazeux riche en oxygène (18) comme produit en tête de la colonne de mélange; des moyens de stockage pour stocker une partie du liquide riche en oxygène; des moyens pour soutirer du liquide riche des moyens de stockage et l'envoyer en tête de la colonne de mélange, caractérisée en ce que les moyens de stockage sont constitués par le bain du vaporiseur-condenseur (5) et en ce qu'elle comprend des moyens pour réguler le débit de liquide envoyé en tête de la colonne de mélange en fonction du débit gazeux riche en oxygène produit en tête de la colonne de mélange.