Brevet FR2895069A1 — publié le 20070622

La presente invention concerne un appareil de separation d'air par distillation cryogenique, en particulier pour la production d'azote. Un generateur d'azote decrit dans US-A-5899093 comprend une ligne d'echange ou se refroidit ('air a distiller, une colonne de distillation ou fair est separe en un debit riche en azote en tete de colonne et en un debit enrichi en oxygene en cuve de colonne. Pour fournir du reflux, une partie du debit riche en azote est envoye a un rebouilleur-condenseur ou it se condense par echange de chaleur avec le debit enrichi en oxygene. Alternativement I'azote peut se condenser dans un dephlegmateur . Le liquide riche partiellement vaporise dans le dephlegmateur est envoye a un separateur de phases et le liquide forme dans le separateur circule de nouveau vers le dephlegmateur La presente invention vise a supprimer le condenseur-rebouilleur a bain, qui impose des contraintes : • De cout d'investissement, notamment pour assurer une recirculation de liquide • De concentration des impuretes (CnHm, N20, CO2,...) • De purge liquide • De maintien de niveau • De mesure de niveau Selon un objet de ('invention, it est prevu un appareil de separation d'air par distillation cryogenique pour la production d'azote comprenant : a) une ligne d'echange b) une simple colonne de distillation c) une conduite pour envoyer de ('air comprime et epure a la ligne d'echange d) une conduite pour envoyer de ('air comprime, epure et refroidi de la ligne d'echange a la colonne de distillation e) une conduite pour soutirer un liquide enrichi en oxygene de la colonne et pour I'envoyer a la ligne d'echange caracterise en ce que la ligne d'echange comprend deux sections, une section de dephlegmation et une section d'echange de chaleur ; Ia section de dephlegmation est connectee a la colonne et a la conduite de liquide enrichi en oxygene et la section d'echange de chaleur est connectee a la conduite d'air et a la section de dephlegmation. 2 2895069 Selon des objets facultatifs : - la ligne d'echange est situee au-dessus de la colonne de distillation. - la section de dephlegmation est fixee a la tete de la colonne. - I'appareil comprend des moyens de biberonnage et/ou de detente d'air ou 5 de liquide riche vaporise. - Ia conduite pour envoyer de ('air comprime, epure et refroidi de la ligne d'echange a la colonne de distillation est connectee au bout froid de la section d'echange de chaleur. - I'appareil comprend des moyens de redistribution des passages entre la 10 section d'echange de chaleur et la section de dephlegmation. Selon un autre objet de ('invention, iI est prevu un procede de separation d'air par distillation cryogenique dans lequel : i) on envoie de ('air comprime et epure a une ligne d'echange ii) on refroidit ('air dans la ligne d'echange et on ('envoie a une colonne de 15 distillation iii) on separe ('air dans la colonne de distillation pour former un liquide enrichi en oxygene et un gaz enrichi en azote iv) on condense partiellement le gaz enrichi en azote par echange de chaleur avec le liquide enrichi en oxygene 20 v) on produit un gaz riche en azote caracterise en ce que I'on envoie le gaz enrichi en azote et le liquide enrichi en oxygene a une section de dephlegmation de la ligne d'echange, on envoie la partie condensee de I'azote a la colonne et on envoie la partie noncondensee ainsi que le liquide enrichi en oxygene vaporise a une section 25 d'echange de chaleur de la ligne d'echange et on envoie ('air au bout chaud de Ia section d'echange de chaleur. Selon d'autres aspects facultatifs : - I'azote passe directement de la colonne a la section de dephlegmation sans passer par un tuyau. 30 - ('air est envoye au bout chaud de la section d'echange de chaleur puis soutire a un point intermediaire de la ligne d'echange en amont de la section de dephlegmation avant d'etre envoye a la colonne. 3 2895069 L'invention propose d'integrer la fonction vaporisation-condensation dans I'echangeur principal en utilisant la partie la plus froide de I'echangeur comme dephlegmateur afin d'y condenser I'azote. Les interets de ('invention sont les suivants : 5 • II y a une purge naturelle du liquide riche, qui est peu concentre par vaporisation (a ('image d'un appareil a pompe). • Comme on n'a plus besoin de purge de liquide de deconcentration, ceci permet : o de supprimer les equipements qui y sont associes, dont la fosse a 10 cailloux (ou pot de purge) necessaire du fait d'une purge reguliere et dont les equipements qui permettent de s'assurer de la fiabilite et I'effectivite de la purge o un gain de puissance frigorifique (pour un appareil biberonne, la consommation d'azote liquide est fortement reduite : reduction du 15 cout operatoire) o d'alleger le suivi operation de cette purge critique > en terme de securite • la suppression de la mesure de niveau et des pinces de mises a chauds et allegement du suivi de ('operation de cette mesure critique > en 20 terme de securite • la suppression du pot de recirculation Le surcout sur echangeur est marginal, voire nul si on convertit une partie du gain de la puissance frigorifique dans une ligne d'echange un peu moins performante (et donc moins grande) 25 La boite froide est plus haute, mais beaucoup moins large car I'echangeur est au-dessus de la colonne, ce qui se traduit par un gain important. L'invention sera decrite en plus de detail en se referant a la figure qui represente un appareil de separation d'air selon ('invention. Un debit d'air comprime est epure dans une unite d'epuration (non- 30 illustree) et envoye au bout chaud d'une ligne d'echange 3. La ligne d'echange comprend une section 3A d'echange de chaleur classique et une section 3B de dephlegmation. Les deux sections sont contigues et la ligne d'echange est un echangeur a plaques et a ailettes brasees. 4 2895069 L'air 1 se refroidit dans la ligne d'echange jusqu'au bout froid de la section 3A, puis sort de la ligne d'echange pour titre envoye en base d'une simple colonne de distillation 7. La colonne 7 contient des garnissages structures ou des plateaux 9. 5 L'air se separe en un debit 11 enrichi en oxygene et un debit enrichi en azote. Le debit enrichi en oxygene 11 est soutire sous forme liquide de la colonne 7 et envoye au bout froid de la section 3B.Le gaz enrichi en azote sort directement de la tete de la colonne dans les passages de la section 3B. de preference la ligne d'echange 3 a la meme largeur que la tete de la colonne 7 et 10 est soudee a la virole de la colonne (par une piece d'adaptation (rond-carre). Les frigories necessaires a la distillation sont fournies par biberonnage d'azote liquide 13, provenant d'un stockage de maniere connue decrite dans EP-A-0452177. Alternativement ou additionnellement une turbine d'air 1 ou de liquide riche vaporise peut titre prevue. 15 La section 3B comprend deux passages d'azote pour un passage de liquide riche. Le liquide riche se vaporise dans cette section 3B de la ligne d'echange 3. L'azote se condense en partie : la partie condensee retombe par gravite dans la colonne pour servir de reflux, la ligne d'echange 3 etant installee au-dessus de la colonne (par soudage direct ou eventuellement a ('aide de 20 tuyauteries adequates). Le reste de I'azote gazeux continue son ascension a travers toute la ligne d'echange 3. La section 3A de la ligne d'echange est composee de la ligne d'echange principale classique. L'azote gazeux et le liquide riche vaporise se rechauffent face a fair entrant 1. 25 Pour optimiser la ligne d'echange 3, au niveau de ('interface entre les deux sections, on pourra re-affecter les doubles passages azote de la section 3B de dephlegmation entre I'azote a rechauffer et ('air a refroidir de la section 3A. Ceci peut titre realise par entree/sortie de fluide (boite de distribution), ou, de fawn preferentielle, par redistribution interne (utilisation de barres et de toles 30 separatrices perforees). 5 REVENDICATIONS 1. Appareil de separation d'air par distillation cryogenique pour la production d'azote comprenant a) une ligne d'echange (3) b) une simple colonne de distillation (7) c) une conduite (1) pour envoyer de I'air comprime et epure a la ligne d'echange d) une conduite pour envoyer de I'air comprime, epure et refroidi de la ligne d'echange a la colonne de distillation e) une conduite (11) pour soutirer un liquide enrichi en oxygene de la colonne et pour I'envoyer a la ligne d'echange caracterise en ce que la ligne d'echange comprend deux sections, une section de dephlegmation (3B) et une section d'echange de chaleur (3A); Ia section de dephlegmation est connectee a la colonne et a la conduite de liquide enrichi en oxygene et la section d'echange de chaleur est connectee a la conduite d'air et a la section de dephlegmation. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la ligne d'echange (3) est situee au-dessus de la colonne de distillation (7). 3. Appareil selon rune des revendications 1 et 2 dans lequel la section de dephlegmation (3B) est fixee a la tete de la colonne (7). 4. Appareil selon rune des revendications precedentes comprenant des moyens de biberonnage (13) et/ou de detente d'air (5) ou de liquide riche vaporise. 5. Appareil selon rune des revendications precedentes dans lequel la conduite pour envoyer de I'air comprime, epure et refroidi de la ligne d'echange a la colonne de distillation est connectee au bout froid de la section d'echange de chaleur (3A). 6 2895069 6. Appareil selon rune des revendications precedentes comprenant des moyens de redistribution des passages entre la section d'echange de chaleur et la section de dephlegmation. 5 7. Procede de separation d'air par distillation cryogenique dans lequel i) on envoie de I'air comprime et epure a une ligne d'echange (3) ii) on refroidit ('air dans la ligne d'echange et on ('envoie a une colonne de distillation (7) iii) on separe ('air dans la colonne de distillation pour former un 10 liquide enrichi en oxygene et un gaz enrichi en azote iv) on condense partiellement le gaz enrichi en azote par echange de chaleur avec le liquide enrichi en oxygene v) on produit un gaz riche en azote caracterise en ce que I'on envoie le gaz enrichi en azote et le liquide 15 enrichi en oxygene a une section de dephlegmation (3B) de la ligne d'echange, on envoie la partie condensee de I'azote a la colonne et on envoie la partie noncondensee ainsi que le liquide enrichi en oxygene vaporise a une section d'echange de chaleur (3A) de la ligne d'echange et on envoie ('air au bout chaud de la section d'echange de chaleur. 20 8. Procede selon la revendication 7 dans lequel I'azote passe directement de la colonne (7) a la section de dephlegmation (3B) sans passer par un tuyau. 25 9. Procede selon la revendication 7 ou 8 dans lequel fair est envoye au bout chaud de la section d'echange de chaleur (3A) puis soutire a un point intermediaire de la ligne d'echange en amont de la section de dephlegmation (3B) avant d'etre envoye a la colonne (7). 30