Brevet FR2910604A1 — publié le 20080627

La présente invention est relative à un procédé et appareil de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique, en particulier à un procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Les deux bouteilles des épurations du mélange gazeux destiné à un appareil de séparation cryogénique fonctionnent de façon cyclique entre phases adsorption en haute pression et régénération en basse pression. La transition entre régénération et adsorption nécessite donc une pressurisation de la bouteille avec du gaz d'alimentation de la boîte froide. Ce supplément de débit doit être fourni par le compresseur d'air principal pour les unités de séparation d'air. Ceci oblige donc à dimensionner ce compresseur pour le débit nominal augmenté de ce débit de pressurisation des bouteilles. Pour les unités de séparation d'air sans production d'argon, on peut accepter que la pressurisation des bouteilles se fasse au détriment du débit d'alimentation de la boîte froide sans gros problème de stabilité pour les colonnes. Pour les unités de séparation avec production d'argon, la perturbation de débit est trop sévère pour ne pas spécifier le compresseur sans ce débit additionnel. Il est connu de compenser la réduction du débit d'air, en régulant les débits de liquide de reflux (US-A-6073463). Le dispositif selon la présente invention peut compenser le manque de débit injecté vers les colonnes sans spécification de débit additionnel sur le compresseur d'air principal. Ceci permet une diminution du prix de la machine, une plus grande flexibilité et une meilleure optimisation énergétique de la machine. Le système se compose d'une capacité de liquide cryogénique avec un vaporiseur de fond de cuve. Une capacité est une enceinte ne contenant aucun plateau ou garnissage. Un liquide cryogénique est un liquide à une température inférieure à 200K. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de distillation cryogénique d'un mélange gazeux comprenant un appareil d'épuration pour épurer le mélange gazeux dans un système à plusieurs bouteilles d'adsorbant, 2910604 2 un sy 1ème . e colonnes, une capacité, des moyens pour envoyer un liquide cryogénique à la capacité, des moyens pour envoyer du liquide vaporisé de la capacité à une colonne du système, un vaporiseur dans la capacité pour vaporiser le liquide contenu, des moyens pour envoyer un gaz calorigène au 5 vaporiseur et des moyens pour soutirer du liquide de la capacité. Selon d'autres aspects de l'invention : - le liquide cryogénique est constitué par une partie du mélange gazeux liquéfié et/ou le gaz calorigène est constitué par une partie du mélange gazeux ; - l'appareil comprend des moyens pour envoyer le gaz calorigène liquéfié 10 dans le vaporiseur à la capacité ; - on envoie un liquide de la capacité à une (la) colonne du système de colonnes. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de distillation cryogénique d'un mélange gazeux dans un appareil tel que décrit ci-dessus 15 dans lequel pendant au moins une partie de la période dans laquelle l'une des bouteilles est en phase de pressurisation, on envoie un gaz de la capacité à une colonne du système de colonnes et en dehors d'une période de pressurisation, on remplit la capacité de liquide. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : 20 - en dehors d'une période de pressurisation, on condense au moins une partie du mélange gazeux dans un vaporiseur de cuve de la capacité et éventuellement on envoie le mélange gazeux liquéfié à la capacité ; - le mélange gazeux est de l'air ; - le système de colonnes comprend au moins une double colonne avec 25 une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles et dans lequel pendant au moins une partie de la période dans laquelle l'une des bouteilles est en phase de pressurisation, on envoie de l'air de la capacité à la colonne moyenne pression ; - on envoie de l'air de la capacité à la colonne moyenne pression, jusqu'à 30 ce que la pression de la capacité atteigne la pression de la colonne moyenne pression ; - on envoie un gaz de la capacité à une colonne du système de colonnes uniquement pendant la période dans laquelle l'une des bouteilles est en phase de pressurisation ; 2910604 3 - la pression maximale de la capacité est d'entre 15 et 40 bars , de préférence entre 20 et 30 bars et/ou la pression minimale est entre 4 et 10 bars. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui illustre un appareil de séparation d'air selon l'invention. 5 L'appareil de séparation d'air comprend une double colonne classique composée de trois colonnes, une colonne moyenne pression MP et une colonne basse pression BP, les deux étant reliés thermiquement entre elles par un rebouilleur R1, et une colonne argon AR. Les conduites de reflux entre les deux colonnes sont bien connues dans l'art et ne seront ni décrites ni illustrées. 10 L'appareil comprend également une capacité 15, un séparateur de phases 17 et une ligne d'échange principale 5. Les sous-refroidisseurs n'ont pas été illustrés. L'appareil produit de la colonne basse pression un débit riche en oxygène et un débit riche en azote, l'un et/ou l'autre pouvant servir de produit 15 final sous forme liquide et/ou gazeuse. De l'air 1 épuré dans une unité d'épuration A comprenant des bouteilles d'adsorbant a été comprimé à une pression légèrement supérieure à celle de la colonne moyenne pression MP. Cet air est divisé en deux parties 5,7. La partie 5 à la pression 20 légèrement supérieure à celle de la colonne moyenne pression MP se refroidit dans la ligne d'échange E01 et est envoyé sous forme gazeuse vers la colonne moyenne pression MP. La partie 7 est surpressée dans un surpresseur BAC à une pression intermédiaire et ensuite surpressée de nouveau dans un surpresseur D01 C 25 entraîné par la turbine D01. Le débit 7 se retrouve ainsi à une haute pression, est refroidi et envoyé au bout chaud de la ligne d'échange E01 où il se refroidit partiellement avant être divisé en deux fractions 11,16 en permanence voire trois fractions 4,11,16 juste avant et/ou pendant la phase de remplissage. La fraction 11 est détendue 30 dans la turbine D01 pour fournir la grande majorité des frigories nécessaires à l'appareil. Détendue à la moyenne pression, la fraction 11 rejoint la fraction 5 pour former le débit 13 qui est envoyé à la colonne moyenne pression MP. La fraction 16 poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange E01 jusqu'au bout froid, fournissant éventuellement des frigories pour la vaporisation 2910604 4 d'un liquide produit par la double colonne (non-illustré). En dehors de la phase de remplissage de la capacité, tout l'air liquéfié ainsi formé est envoyé à travers la vanne V21 à la colonne moyenne pression comme débit 21. Evidemment le débit 13 peut être divisé et envoyé aux deux colonnes. 5 Il y a au moins deux phases de fonctionnement dans le procédé selon l'invention : Selon une première phase, la capacité 15 contient de l'air liquéfié à une pression élevée (par exemple 25 bar abs) à sa température d'ébullition. Quand la pressurisation des bouteilles de l'appareil d'épuration A commence, pour 10 durer ensuite environ 6 minutes, on ouvre le circuit 2 en ouvrant la vanne V2 pour alimenter la colonne moyenne pression MP en air gazeux pour compenser la réduction du débit d'alimentation des colonnes comme une partie du débit est requise pour la pressurisation des bouteilles. La pression dans la capacité 15 diminue avec vaporisation de liquide, la chaleur nécessaire étant fournie par le 15 sous-refroidissement de la totalité du liquide disponible dans la capacité. La pression de la capacité 15 diminue jusqu'à la pression de la colonne moyenne pression MP. La quantité de liquide vaporisée et fournie à la colonne moyenne pression correspond à la quantité de gaz nécessaire pour pressuriser la bouteille d'épuration. Au final, le liquide restant est à la température d'ébullition 20 à la pression de la colonne moyenne pression MP. Pendant cette phase, les vannes V19, V29 sont fermées et la capacité 15 n'est pas alimentée en air. Un circuit de purge 3 assure la déconcentration permanente des impuretés de la capacité à travers la vanne V3 qui envoie la purge vers le 25 liquide riche de cuve provenant de la colonne moyenne pression MP. Selon une deuxième phase, pendant la régénération des bouteilles (qui dure environ 140 minutes) : on effectue le remplissage de la capacité 15, on prend de l'air plus chaud 16 à l'entrée d'une turbine D01 à une pression supérieure à la pression haute finale de la capacité et on le condense dans la 30 capacité 15, grâce au vaporiseur de cuve R2, le liquide de la capacité étant plus froid que l'air à l'entrée de la turbine D01. Cela permet de monter en pression la capacité à 25 bar et de la remplir la capacité 15 de liquide. Le système s'arrête naturellement quand la température du liquide de la capacité 15 est proche de la température à l'entrée de la turbine D01. Un petit appoint d'air liquide (circuit 2910604 5 4) est produit en liquéfiant de l'air dans le vaporiseur R2. Ce liquide est ensuite envoyé à un séparateur de phases 17 et le liquide est envoyé par la conduite 29 à travers la vanne V29 en tête de la capacité 15 pour compléter le niveau de la capacité, ce liquide provenant du vaporiseur R2 étant plus froid que le liquide 5 dans la capacité. Le vaporiseur de cuve R2 assurera la mise à la température d'équilibre de ce liquide. Pendant cette phase, la vanne V2 Un circuit de purge 3 assure la déconcentration permanente des impuretés de la capacité à travers la vanne V3 qui envoie la purge vers le liquide riche de cuve provenant de la colonne moyenne pression MP. Ce liquide riche est ensuite vaporisé dans le 10 condenseur de tête de la colonne argon AR. Cette phase de remplissage peut se faire en remplissant directement avec de l'air liquide haute pression 16,19 venant du bout froid de l'échangeur principal E01 comme illustré, soit en prenant un fluide à point intermédiaire dans l'échangeur principal afin d'avoir la bonne température d'équilibre de la 15 pression finale de la capacité, soit sous refroidi (il sera alors réchauffé par un échangeur de cuve comme décrit précédemment). Ce dispositif peut être appliqué également sur les boîtes froides de séparation par distillation de mélange ayant pour composants principaux de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Pour compenser les baisses de 20 teneur de monoxyde de carbone lors des inversions d'épuration, on peut déstocker du débit de monoxyde de carbone vers l'aspiration du compresseur de monoxyde de carbone ou déstocker le débit de gaz de synthèse pour stabiliser les alimentations en gaz de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane. 25 Comme la capacité reste à l'intérieur de la boîte froide, le risque d'épandage de monoxyde de carbone liquide est supprimé. De manière générale, l'invention peut être appliquée sur toute boîte froide cryogénique précédée d'une épuration pour stabiliser un quelconque débit froid alimentant ou produit par les colonnes cryogéniques. 30 REVENDICATIONS 1. Appareil de distillation cryogénique d'un mélange gazeux (1) comprenant un appareil d'épuration (A) pour épurer le mélange gazeux dans un système à plusieurs bouteilles d'adsorbant, un système de colonnes (MP,LP,AR), une capacité (15), des moyens pour envoyer un liquide cryogénique (19,V19,29,V29) à la capacité, des moyens pour envoyer du liquide vaporisé (2,V2) de la capacité à une colonne (MP) du système, un vaporiseur (R2) dans la capacité pour vaporiser le liquide contenu, des moyens pour envoyer un gaz calorigène (4) au vaporiseur et des moyens pour soutirer du liquide (3) de la capacité. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le liquide cryogénique est constitué par une partie du mélange gazeux liquéfié et/ou le gaz calorigène est constitué par une partie du mélange gazeux. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 comprenant des moyens (29,V29) pour envoyer le gaz calorigène liquéfié dans le vaporiseur à la capacité. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel on envoie un liquide de la capacité à une (la) colonne (AR) du système de colonnes. 25 5. Procédé de distillation cryogénique d'un mélange gazeux dans un appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant au moins une partie de la période dans laquelle l'une des bouteilles de l'unité d'épuration (A) est en phase de pressurisation, on envoie un gaz (2) d'une capacité (15) à une colonne (MP) du système de colonnes et en dehors d'une 30 période de pressurisation, on remplit la capacité de liquide. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel, en dehors d'une période de pressurisation, on condense au moins une partie du mélange 2910604 7 gazeux dans un vaporiseur de cuve (R2) de la capacité et éventuellement on envoie le mélange gazeux liquéfié à la capacité. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel le 5 mélange gazeux est de l'air. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le système de colonnes comprend au moins une double colonne avec une colonne moyenne pression (MP) et une colonne basse pression (BP) reliées thermiquement entre 10 elles et dans lequel pendant au moins une partie de la période dans laquelle l'une des bouteilles est en phase de pressurisation, on envoie de l'air de la capacité (15) à la colonne moyenne pression (MP). 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on envoie de l'air de 15 la capacité(15) à la colonne moyenne pression (MP), jusqu'à ce que la pression de la capacité atteigne substantiellement la pression de la colonne moyenne pression. 10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9 dans lequel on envoie 20 un gaz de la capacité (15) à une colonne (MP) du système de colonnes uniquement pendant la période dans laquelle l'une des bouteilles est en phase de pressurisation.