Brevet FR2875588A1 — publié le 20060324

0.5 /(4*Q) (,*K) 0.5 (4 * QA)r /P\0.35\ *K* P La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier il concerne les procédés de séparation d'air pour la production de grosses quantités d'oxygène à teneur supérieure à 90% mol. avec un rendement supérieur à 90% dans un appareil comprenant au moins une colonne opérant à basse pression et une colonne opérant à haute pression dont au moins une colonne contenant au moins un tronçon de garnissages structurés de type ondulé-croisé. Les garnissages de type ondulé-croisé sont décrits dans EP-A-0367817 et E P-A-0491591. US-A-5653126 décrit l'usage de garnissages structurés de type ondulécroisé ayant une densité d'au moins 500 m2/m3 ayant une HETP basse pour la séparation de l'air. x Typiquement les garnissages ondulé-croisé ont des ondulations à 45 avec l'axe de la colonne dans laquelle ils sont installés. Les garnissages peuvent être perforés ou non et sont formés généralement par des bandes de feuillard plié métallique. L'accroissement de la demande pour les unités de séparation de gaz de grande taille (de production supérieure à 2000 tonnes/jour de gaz produit) entraîne le besoin de concevoir des colonnes à distiller de diamètre de plus en plus grand et ceci malgré l'utilisation fréquente de procédés de distillation sous pression (avec des colonnes opérant à des pressions supérieures à 2 bar abs.). Les problèmes de transport deviennent sensibles lorsque le diamètre des éléments dépasse 3 m, voire 4,5 m et parfois insurmontables pour des colonnes de diamètre supérieur à 6 m. Si on voulait augmenter le rapport entre la production d'oxygène (en t/j de produit pur) et la section de la colonne à basse pression (en m2), c'est-à-dire diminuer le diamètre de la colonne basse pression à production d'oxygène constante (ou a débit d'air donné), pour un appareil comprenant une colonne moyenne pression reliée thermiquement à une colonne basse pression ou pour un appareil à trois colonnes, dont une colonne moyenne pression reliée thermiquement à une colonne basse pression et une colonne à pression intermédiaire alimentée à partir de la colonne moyenne pression, les seules solutions étaient de: É Augmenter le soutirage d'azote de la colonne moyenne pression (ou de la colonne à pression intermédiaire), mais au-delà d'un soutirage représentant entre 15-20% du débit d'air, on constate que o soit le rendement oxygène de l'appareil diminue dramatiquement à pureté d'oxygène donnée, o soit la pureté de l'oxygène diminue dramatiquement à soutirage d'oxygène donné. ^ Augmenter la pression de l'appareil (basse pression >2 bar abs.), mais cela est énergétiquement très pénalisant si la pression de l'azote résiduaire io n'est pas valorisée (c'est à dire par détente pour faire du liquide, ou comme pression de produit). Dans un appareil de séparation d'air produisant de grandes quantités d'oxygène et/ou de l'azote, si on voulait réduire le diamètre de cette colonne, les seules solutions étaient de: ^ Augmenter le soutirage de liquide pauvre et d'azote liquide, mais au- delà d'un certain rapport, on constate que la pureté de l'azote et des liquides pauvres diminue dramatiquement, et que le rendement oxygène de l'appareil s'effondre. É Augmenter le débit d'air insufflé, mais au-delà d'un certain rapport, les performances de l'appareil sont très dégradées (perte de rendement oxygène (ou de pureté oxygène), perte d'azote gazeux moyenne pression (ou de pureté d'azote gazeux moyenne pression) É Augmenter le débit d'air liquide, mais ce débit est fixé par la production de produits pompés et la production de produits liquides (oxygène liquide, azote liquide, argon liquide) ou perte énergétique importante. É Augmenter la pression de l'appareil (pour avoir une moyenne pression > 8 bar abs.), mais cela est énergétiquement très pénalisant si la pression de l'azote résiduaire n'est pas valorisée (c'est à dire par détente pour faire du liquide, ou comme pression de produit). L'objet de la présente invention est de pallier les problèmes de l'art antérieur en permettant la réduction des diamètres de colonnes pour une production d'oxygène donnée. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air en au moins un constituant par distillation cryogénique de l'air dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne a) pour produire au moins de l'oxygène gazeux comme produit tel que le rendement en oxygène est supérieur à 90 % (préférablement 95 %) et la pureté d'oxygène est supérieure à 90 % mol. d'oxygène (préférablement 95 % mol. d'oxygène, voire 99 % mol. d'oxygène et /ou b) pour produire au moins de l'azote tel que le rendement en azote est supérieur 85 % (préférablement > 90 %) et la pureté de l'azote est supérieure à io 99 % mol. d'azote (préférablement 99,99 % mol. d'azote, voire 99,999 % mol. d'azote) caractérisé en ce que: É si la pression de fonctionnement de la plus large des colonnes est P 2 bar abs, alors le diamètre (en mètres) de cette colonne est inférieur à : 0.5 (4*QAir) P 0.35 1t*K* P où : QAir est la somme des débits d'air alimentant le système de colonnes, en Nm3/h K est la capacité surfacique de la colonne et vaut au moins 21000 Nm3/m2 (préférablement au moins 23000 Nm3/m2, voire au moins 25000 Nm3/m2) - Po est égale à 2 bars. Le rendement est le pourcentage du nombre de molécules d'oxygène dans tous les produits riche en oxygène par rapport au nombre de molécules d'oxygène dans l'air alimentation de l'appareil de séparation. La capacité surfacique de la colonne est le rapport entre le volume molaire s de gaz envoyé à la colonne et la section moyenne de la colonne. Selon d'autres aspects facultatifs: - la colonne de plus grand diamètre du système de colonnes contient au moins un tronçon rempli avec un contacteur gaz/liquide permettant l'échange de matière entre la phase gazeuse et la phase liquide tel que son efficacité sera io définie par une hauteur par unité de transfert (HUT) inférieure à 350 mm (préférablement à 300 mm) ; le contacteur gaz/liquide est composé de garnissages structurés onduléscroisés ayant une densité de moins de 500 m2/m3, de préférence de moins de 400 m2/m3 - le système de colonnes comprend au moins une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, la colonne moyenne pression étant thermiquement reliée à la colonne basse pression et la colonne basse pression constituant la colonne la plus large; - le rapport entre l'oxygène produit et la section de la colonne basse pression est supérieur ou égal à 150 t/j/m2; - le rapport entre le débit d'air envoyé au système de colonnes et la section de la colonne basse pression est supérieur ou égal à 21000 Nm3/h/m2, préférablement à 23 000 Nm3/h/m2 et encore plus préférablement à 25 000 Nm3/h/m2; - le rapport entre l'air gazeux envoyé à la colonne moyenne pression et la section de la colonne moyenne pression est supérieur ou égal à 18 000 Nm3/h/m2 (préférablement à 20 000 t/j/m2, encore plus préférablement à 22 000 tlj/m2) ; - au moins un tronçon de la colonne moyenne pression contient des garnissages structurés de type ondulé-croisé de densité inférieure à 500 m2/m3, voire à 400 m2/m3. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes dont le diamètre de la colonne la plus large est entre 3 et 6 m, la colonne la plus large contenant au moins un tronçon de contacteur gaz/liquide constitué par des garnissages structurés, de type onduléscroisés ayant une densité inférieure à 500 m2/m3, voire à 400 m2/m3. De façon surprenante, cela est économiquement intéressant car même si la hauteur des colonnes est augmentée et l'architecture est modifiée, l'effet de réduction de diamètre est prépondérant. D'ailleurs l'inconvénient de la hauteur augmentée peut être résolu en plaçant les tronçons de colonne à la hauteur désirée, côte à côte avec des tuyauteries de transfert de fluide. De préférence la colonne la plus large ne contient que des garnissages io structurés, de type ondulés-croisés ayant une densité inférieure à 500 m2/m3, voire à 400 m2/m3. Dans certains cas, toutes les colonnes du système de colonnes ne contiennent que des garnissages structurés, de type ondulés-croisés ayant une densité inférieure à 500 m2/m3, voire à 400 m2/m3. On nommera produit un fluide issu de l'unité de séparation d'air dont la teneur en l'un des constituants sera: - supérieure à 85% mol. si le constituant est l'oxygène - supérieure à 95 % mol. si le constituant est l'azote Le rendement d'extraction en un constituant sera défini par le rapport de quantité molaire dudit constituant entrant dans l'unité de séparation par les fluides d'alimentation à la quantité molaire du même constituant sortant par le(s) produit(s) dont la teneur en ce constituant est supérieure ou égale à celles mentionnées ci-dessus. Les garnissages structurés de type ondulés-croisés à densité inférieure à 500 m2/m3, voire inférieure à 400 m2/m3, peuvent être installés dans la colonne moyenne pression et/ou la colonne basse pression d'une double colonne, dans la colonne moyenne pression et/ou la colonne basse pression et/ou la colonne à pression intermédiaire d'une triple colonne (type Etienne), une colonne argon, une colonne de mélange ou toute autre type de colonne de séparation de gaz de l'air. Un garnissage a une densité inférieure à 500 m2/m3 si sa densité moyenne (sans déduire la surface des perforations éventuelles) ne dépasse pas 500 m2/m3. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant à la Figure. La Figure 1 représente un appareil de séparation d'air selon l'invention. Dans un appareil selon l'invention, une double colonne comprend une colonne moyenne pression opérant 1 à entre 5 bar abs. et 20 bar abs. et une colonne basse pression 3 opérant à une pression entre 1,2 bars abs et 8 bars abs. La colonne basse pression est plus large que la colonne moyenne pression, mais s il est possible dans certains cas que la colonne moyenne pression soit plus large que la colonne basse pression. Les deux colonnes sont thermiquement reliées entre elles par un rebouilleurcondenseur 5, par exemple du type à bain. La colonne basse pression 3 contient uniquement des tronçons de garnissages structurés ayant une densité inférieure à 500 m21m3, par exemple io ayant une densité de 400 m2/m3. La colonne moyenne pression 1 contient uniquement des tronçons de garnissages structurés ayant une densité proche ou identique aux valeurs ci-dessus. Un débit d'air refroidi et épuré 7 est envoyé à la colonne moyenne pression 1 et des débits de liquide enrichis en oxygène et azote 9,11 sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression après une étape de détente. En cuve de la colonne basse pression on soutire un débit d'oxygène gazeux 13 comme produit avec un rendement en oxygène supérieur à 90 % (préférablement 95 %). La pureté d'oxygène est supérieure à 90 % mol. d'oxygène (préférablement 95 % mol. d'oxygène, voire 99 % mol. d'oxygène. A un niveau supérieur de la colonne basse pression, on soutire de l'azote gazeux 15 avec un rendement en azote supérieur 85 % (préférablement > 90 %). La pureté de l'azote est supérieure à 99 % mol. d'azote (préférablement 99,99 % mol. d'azote, voire 99,999 % mol. d'azote). Un débit d'azote résiduaire 17 est soutiré à un niveau supérieur de la colonne basse pression. Le diamètre (en mètres) de la colonne basse pression est inférieur à : / \05 (4*QAir) \ 0.35 \ *K* P où : QAir est la somme des débits d'air alimentant le système de colonnes, en Nm3lh K est la capacité surfacique de la colonne et vaut au moins 21000 Nm3lm2 5 (préférablement au moins 23000 Nm3lm2, voire au moins 25000 Nm3lm2) et Po est égale à 2 bars. A titre d' exemple chiffré, on supposera une installation devant traiter un débit d'air de 500 000 Nm3/h. Selon l'invention, si la colonne basse pression est opérée à une pression inférieure à 2 bars abs, la section de la colonne basse io pression sera donc inférieure à 500000 2 m 21000 (préférablement 23000, voire au moins 25000), et le diamètre inférieur à l 500000 21000, soit 5.5 m (préférablement 5.26 m, voire au plus 5.05 m). Si la colonne basse pression est opérée à 3 bars abs, la section de la colonne basse pression sera donc inférieure à 500000) 2 21000 m ' (préférablement 23000, voire au moins 25000), et le diamètre inférieur à : 1 AO.5 soit 5.13 m (préférablement 4.9 m, voire au plus 4.7 m). REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air en au moins un constituant par distillation cryogénique de l'air dans un système de colonnes (1, 3) comprenant au moins s une colonne (1, 3) a) pour produire au moins de l'oxygène gazeux comme produit tel que le rendement en oxygène est supérieur à 90 % (préférablement 95 %) et la pureté d'oxygène est supérieure à 90 % mol. d'oxygène (préférablement 95 % mol. d'oxygène, voire 99 % mol. d'oxygène et /ou io b) pour produire au moins de l'azote tel que le rendement en azote est supérieur 85 % (préférablement > 90 %) et la pureté de l'azote est supérieure à 99 % mol. d'azote (préférablement 99,99 % mol. d'azote, voire 99,999 % mol. d'azote) caractérisé en ce que: is É si la pression de fonctionnement de la plus large des colonnes (3) est P 2 bar abs, alors le diamètre (en mètres) de cette colonne est inférieur à : 0.5 où: QA;r est la somme des débits d'air alimentant le système de colonnes, en Nm3/h K est la capacité surfacique de la colonne et vaut au moins 21000 Nm3/m2 25 (préférablement au moins 23000 Nm3/m2, voire au moins 25000 Nm3/m2) et Po est égale à 2 bars. (4*QAir) ( J0.35 7r *K* P -P0 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la colonne de plus grand diamètre (3) du système de colonnes contient au moins un tronçon rempli avec un contacteur gaz/liquide permettant l'échange de matière entre la phase gazeuse et la phase liquide tel que son efficacité sera définie par une hauteur par unité de transfert (HUT) inférieure à 350 mm (préférablement à 300 mm). 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le contacteur gaz/liquide est composé de garnissages structurés ondulés-croisés ayant une densité de moins de 500 m2/m3, de préférence de moins de 400 m2/m3. i0 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel le système de colonnes comprend au moins une double colonne constituée par une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (1) , la colonne moyenne pression étant thermiquement reliée à la colonne basse pression et la colonne basse pression constituant la colonne la plus large. 5. Procédé selon la revendication 4 produisant de l'oxygène dans lequel le rapport entre l'oxygène produit et la section de la colonne basse pression est supérieur ou égal à 150 t/j/m2. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel le rapport entre le débit d'air envoyé au système de colonnes et la section de la colonne basse pression est supérieur ou égal à 21000 Nm3/h/m2, préférablement à 23 000 Nm3/h/m2 et encore plus préférablement à 25 000 Nm3/h/m2. 7. Procédé selon la revendication 4, 5 ou 6 dans lequel le rapport entre l'air gazeux envoyé à la colonne moyenne pression (1) et la section de la colonne moyenne pression est supérieur ou égal à 18 000 Nm3/h/m2 (préférablement à 20 000 t/j/m2, encore plus préférablement à 22 000 t/j/m2). 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel au moins un tronçon de la colonne moyenne pression (1) contient des garnissages structurés de type ondulé-croisé de densité inférieure à 500m2/m3, voire à 400 m2/m3.