Brevet FR2915271A1 — publié le 20081024

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation des gaz de l'air par distillation cryogénique. Il est connu de produire en sortie de boite froide, en même temps que de l'oxygène et/ou de l'argon, de l'azote par distillation cryogénique. Cet azote est dans l'état de l'art soit sorti directement sous forme gazeuse d'une des colonnes du système, soit pompé et vaporisé dans la ligne d'échange. Il est un but de l'invention de prévoir un procédé permettant de produire de l'azote à une pression supérieure à celle de la colonne à la pression la plus io élevée du système, sans vaporisation d'azote dans l'échangeur. Selon l'invention, une température cryogénique est une température en dessous de ù 20 C et préférentiellement moins de -100 C et une turbine cryogénique est alimentée par un fluide à moins de -20 C et préférentiellement moins de -100 C. 15 Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi dans une ligne d'échange est séparé dans un système de colonnes par distillation cryogénique, dans lequel on soutire un débit d'azote gazeux d'une colonne du système et on le comprime dans un compresseur entraîné par une turbine cryogénique, éventuellement 20 après avoir été réchauffé dans la ligne d'échange, caractérisé en ce que la colonne d'où est soutiré l'azote opère à une pression plus élevée que celle de la colonne du système opérant à la plus basse pression et l'azote comprimé est comprimé jusqu'à une pression supérieure à la pression la plus élevée des colonnes du système. 25 Selon d'autres aspects facultatifs : - l'aspiration du compresseur d'azote se fait à une température cryogénique ; - la turbine cryogénique est une turbine d'insufflation d'air ; - la turbine cryogénique est une turbine de détente d'azote ; 30 - la turbine et le compresseur d'azote forment une seule machine équipée d'un frein d'huile permettant d'assurer au moins partiellement la tenue en froid du procédé ; - la turbine et le compresseur forment une seule machine et la turbine entraîne également un compresseur d'air ; 2 2915271 - l'air envoyé au système de colonnes comprend au moins un débit comprimé dans un deuxième compresseur, refroidi, détendu dans une deuxième turbine et envoyé à une colonne du système ; - l'azote est comprimé à une pression comprise entre 1, 2 et 3 fois la 5 pression de la colonne dont il est soutiré ; - le système de colonnes comprend une double colonne, dont une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement l'une avec l'autre et dans lequel on soutire l'azote gazeux de la colonne moyenne pression ; le compresseur entraîné par la turbine cryogénique comprime l'azote à entre 10 et 15 bars ; - on soutire un débit d'oxygène gazeux du système de colonnes et dans lequel le débit d'azote comprimé dans le compresseur représente un pourcentage du débit d'oxygène gazeux inférieur à 50%, voire inférieure à 25%; - l'azote comprimé dans le compresseur est envoyé ensuite à la ligne d'échange où il se réchauffe ; - dans une première marche on opère comme décrit ci-dessus et on soutire un débit d'oxygène à une première pureté de la colonne basse pression et dans une deuxième marche on réduit, éventuellement jusqu'à zéro, le débit d'azote envoyé vers le compresseur et on soutire un débit d'oxygène à une deuxième pureté, plus élevée que la première pureté, de la colonne basse pression Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : i) une ligne d'échange ii) un système de colonnes iii) un premier compresseur iv) une première turbine couplée au premier compresseur v) des moyens pour envoyer un débit d'air comprimé et épuré à la ligne d'échange pour le refroidir et ensuite au système de colonnes vi) des moyens pour soutirer un débit riche en azote d'une colonne du système de colonnes autre que la colonne opérant à la pression la plus basse et des moyens pour l'envoyer au premier compresseur 3 2915271 vii) des moyens pour envoyer un gaz de la ligne d'échange à la première turbine. Eventuellement l'appareil ne comprend aucun moyen de réchauffage entre le point de soutirage du débit riche en azote et le premier compresseur. 5 Le système de colonnes peut comprendre au moins une double colonne, comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles et dans lequel les moyens pour soutirer le débit riche en azote sont reliés à la colonne moyenne pression. L'appareil peut comprendre des moyens pour envoyer le débit du io premier compresseur à la ligne d'échange. Un avantage du procédé par rapport à l'art antérieur est que l'on peut produire de l'azote à une pression comprise entre 5 et 15 bar sans avoir recours à un compresseur alimenté par un moteur électrique. Optionnellement le compresseur d'azote n'est pas couplé à un moteur 15 électrique. Dans le cas il y a un surpresseur d'air, avantageusement celui-ci n'est pas couplé à moteur électrique non plus. C'est particulièrement intéressant quand on dispose d'un excès d'air à 5 bar que l'on peut utiliser dans une ou des turbines cryogéniques. Par rapport à un schéma selon l'art antérieur où on sortirait l'azote de la 20 colonne moyenne pression à 5 bar puis on le comprimerait à 10-15 bar, la consommation d'énergie du procédé selon l'invention est plus faible si on se situe dans le cas d'un appareil dont le rapport des débits d'azote moyenne pression et oxygène gazeux basse pression est bas (typiquement inférieur à 50 % pour un appareil produisant de l'oxygène impur, voire inférieur à 25 pour 25 un appareil produisant de l'oxygène pur). L'oxygène peut être produit gazeux à pression atmosphérique ou à pompe. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui montre un procédé de séparation d'air selon l'invention. 30 Dans les deux figures, l'appareil de séparation comprend une ligne d'échange 17, une double colonne avec une colonne moyenne pression 31 reliée thermiquement à une colonne basse pression 33 à travers un rebouilleur-condenseur. 4 2915271 Selon la Figure 1, de l'air comprimé et épuré 1 est divisé en deux. Une partie 3 est refroidi dans la ligne d'échange 17 puis divisée en deux. Une fraction 23 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange puis est envoyé sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression 5 31. Le reste 21 est détendu dans une turbine d'insufflation 27 et envoyé après refroidissement dans le sous-refroidisseur 41 à la colonne basse pression 33 à un niveau intermédiaire. La température d'entrée de la turbine 27 est inférieure à û -20 C, de préférence inférieure à -100 C. io Une autre partie de l'air 5 est comprimée dans un compresseur 7, refroidie par un refroidisseur 11, refroidie de nouveau dans la ligne d'échange 17 puis détendue entièrement à une température intermédiaire de la ligne d'échange dans une turbine 13 qui entraîne le compresseur 7. L'air détendu 5 se mélange avec le débit 21 pour former un débit 25 qui est envoyé à la 15 colonne basse pression 33. Un débit de liquide riche 39 et un débit de liquide pauvre 37 sont envoyés à la colonne basse pression 33, le liquide riche étant envoyé au même niveau que l'air 25. Un débit d'azote basse pression 35 est soutiré de la tête de la colonne basse pression, se réchauffe dans le sous-refroidisseur 41 et puis se réchauffe 20 jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange 17. Un débit d'oxygène basse pression 9 est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 33 sous forme gazeuse et se réchauffe jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange 17. Un débit d'azote moyenne pression 19 est soutiré de la tête de la 25 colonne moyenne pression 31, comprimé dans le compresseur 15 sans avoir été réchauffé, envoyé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange 17 puis réchauffé jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange. La température d'entrée du compresseur 15 est inférieure à -20 C, de préférence inférieure à -100 C.La température d'entrée du compresseur 15 est 30 inférieure à la température d'entrée de la turbine 27 et la température de sortie du compresseur 15 est supérieure à la température d'entrée de la turbine 27. L'appareil comprend dans ce cas deux machines, chacune comprenant un compresseur couplé à une turbine. Une des machines est constituée par le compresseur d'air 7 couplé à la turbine 13 qui détend le même débit d'air. 5 2915271 L'autre machine est constituée par un compresseur froid d'azote 15 couplé à la turbine d'air 27. Au moins une des deux machines ne comprend pas de moteur électrique. L'azote peut éventuellement être réchauffé en amont du compresseur 5 froid. Au moins une des turbines 13, 27 peut être remplacée par une turbine Claude. L'appareil peut également produire de l'argon et/ou au moins un produit liquide. io En fonctionnement normal l'appareil produit de l'oxygène impur (95 mol. % d'oxygène) et peut produire dans une marche de secours de l'oxygène pur (99.5 mol. % d'oxygène) en réduisant fortement (ou en arrêtant) le soutirage d'azote. Selon la Figure 2, de l'air comprimé et épuré 1 est divisé en deux. Une 15 partie 3 est refroidi dans la ligne d'échange 17 puis est envoyé à la colonne moyenne pression 31. L'autre partie de l'air 5 est comprimée dans un compresseur 7, refroidie par un refroidisseur 11, refroidie de nouveau dans la ligne d'échange 17 puis détendue entièrement à une température intermédiaire de la ligne d'échange 20 dans une turbine 13 qui entraîne le compresseur 7. L'air détendu 5 est envoyé à la colonne basse pression 33. Un débit de liquide riche 39 et un débit de liquide pauvre 37 sont envoyés à la colonne basse pression 33, le liquide riche étant envoyé au même niveau que l'air 25. Un débit d'azote basse pression 35 est soutiré de la tête de la colonne 25 basse pression, se réchauffe dans le sous-refroidisseur 41 et puis se réchauffe jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange 17. Un débit d'oxygène basse pression 9 est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 33 sous forme gazeuse et se réchauffe jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange 17. 30 Un débit d'azote moyenne pression 19 est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression 31, réchauffé dans la ligne d'échange 17 et puis divisé en deux. Une partie 45 est comprimé dans le compresseur 15, envoyé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange 17 puis réchauffé jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange. 6 2915271 La température d'entrée du compresseur 15 est inférieure à -20 C, de préférence inférieure à -100 C. Le reste de l'azote moyenne pression 43 est détendu dans une turbine 27A et renvoyé à la ligne d'échange où il se réchauffe à la température du bout 5 chaud après s'être mélangé à l'azote basse pression 35 pour former un débit 47. La température d'entrée de la turbine 27A est inférieure à ù -20 C, de préférence inférieure à -100 C. La température d'entrée du compresseur 15 est égale à la température d'entrée de la turbine 27A et la température de sortie du compresseur 15 est io supérieure à la température d'entrée de la turbine 27A. L'appareil comprend dans ce cas également deux machines, chacune comprenant un compresseur couplé à une turbine. Une machine est constituée par le compresseur d'air 7 couplé à la turbine 13 qui détend le même débit d'air. L'autre machine est constituée du compresseur froid d'azote 15 couplé à la 15 turbine d'azote 27A. Au moins une des deux machines ne comprend pas de moteur électrique. Au moins une des turbines 13, 27, 27A peut être remplacée par une turbine Claude. L'appareil peut également produire de l'argon et/ou au moins un produit 20 liquide. En fonctionnement normal l'appareil produit de l'oxygène impur (95 mol. % d'oxygène) et peut produire dans une marche de secours de l'oxygène pur (99.5 mol. % d'oxygène) en réduisant fortement (ou en arrêtant) le soutirage d'azote. 25 Dans tous les cas, la double colonne peut être remplacée par une triple colonne, l'azote destiné au compresseur étant soutiré de la colonne haute pression ou la colonne à pression intermédiaire. 15 30 7 REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'air dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi dans une ligne d'échange est séparé dans un système de colonnes (31, 33) par distillation cryogénique, dans lequel on soutire un débit d'azote gazeux (19) d'une colonne du système (31) et on le comprime dans un compresseur (15) entraîné par une turbine cryogénique (27, 27A), éventuellement après avoir été réchauffé dans la ligne d'échange, caractérisé en ce que la colonne d'où est soutiré l'azote opère à une pression plus élevée que celle de la colonne du système opérant à la plus basse pression et l'azote comprimé est comprimé jusqu'à une pression supérieure à la pression la plus élevée des colonnes du système. 2. Procédé suivant la revendication 1 dans lequel l'aspiration du compresseur d'azote (15) se fait à une température cryogénique. 3. Procédé suivant une des revendications précédentes dans lequel la turbine cryogénique (27) est une turbine d'insufflation d'air. 4. Procédé suivant une des revendications 1 ou 2 dans lequel la 20 turbine cryogénique (27A) est une turbine de détente d'azote. 5. Procédé suivant une des revendications précédentes dans lequel la turbine (27, 27A) et le compresseur d'azote (15) forment une seule machine équipée d'un frein d'huile permettant d'assurer au moins partiellement la tenue 25 en froid du procédé. 6. Procédé suivant une des revendications précédentes dans lequel la turbine et le compresseur forment une seule machine et la turbine entraîne également un compresseur d'air. 7. Procédé suivant une des revendications précédentes dans lequel l'air envoyé au système de colonnes comprend au moins un débit comprimé 8 2915271 dans un deuxième compresseur (7), refroidi, détendu dans une deuxième turbine (13) et envoyé à une colonne (33) du système. 8. Procédé suivant une des revendications précédentes dans lequel 5 l'azote (19) est comprimé à une pression comprise entre 1, 2 et 3 fois la pression de la colonne (31) dont il est soutiré. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système de colonnes comprend une double colonne (31, 33), dont une io colonne moyenne pression (31) et une colonne basse pression (33) reliées thermiquement l'une avec l'autre et dans lequel on soutire l'azote gazeux (19) de la colonne moyenne pression. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le compresseur entraîné (15) par la turbine cryogénique (27, 27A) comprime l'azote à entre 10 et 15 bars. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on soutire un débit d'oxygène gazeux (9) du système de colonnes et dans lequel le débit d'azote (19) comprimé dans le compresseur représente un pourcentage du débit d'oxygène gazeux inférieur à 50%, voire inférieure à 25 %. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote comprimé dans le compresseur (15) est envoyé ensuite à la ligne d'échange (17) où il se réchauffe. 13. Procédé de séparation d'air dans lequel dans une première marche on opère selon une des revendications précédentes et on soutire un débit d'oxygène (9) à une première pureté de la colonne basse pression et dans une deuxième marche on réduit, éventuellement jusqu'à zéro, le débit d'azote (19) envoyé vers le compresseur et on soutire un débit d'oxygène à une deuxième pureté, plus élevée que la première pureté, de la colonne basse pression. 9 2915271 14. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : 5 i) une ligne d'échange (17) ii) un système de colonnes (31, 33) iii) un premier compresseur (15) iv) une première turbine (27, 27A)couplée au premier compresseur v) des moyens pour envoyer un débit d'air comprimé et épuré à la ligne io d'échange pour le refroidir et ensuite au système de colonnes vi) des moyens pour soutirer un débit riche en azote d'une colonne du système de colonnes autre que la colonne opérant à la pression la plus basse et des moyens pour l'envoyer au premier compresseur vii) des moyens pour envoyer un gaz de la ligne d'échange à la première 15 turbine 15. Appareil selon la revendication 13 ne comprenant aucun moyen de réchauffage entre le point de soutirage du débit riche en azote (19) et le premier compresseur (15). 20 16. Appareil selon l'une des revendications 13 et 14 dans lequel le système de colonnes comprend au moins une double colonne, comprenant une colonne moyenne pression (31) et une colonne basse pression (33) reliées thermiquement entre elles et dans lequel les moyens pour soutirer le débit riche 25 en azote sont reliés à la colonne moyenne pression. 17. Appareil selon l'une des revendications 13 à 15 comprenant des moyens pour envoyer le débit du premier compresseur (15) à la ligne d'échange (17). 30