Brevet FR2930330A1 — publié le 20091023

La présente invention concerne un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Un but de l'invention est de réduire l'énergie spécifique de séparation de l'oxygène basse pureté basse pression, notamment dans les schémas où l'azote sous pression n'est pas valorisé par le client final. L'objet de l'invention est atteint par l'usage d'un schéma avec trois vaporiseurs dans la colonne basse pression dans lequel : • Le vaporiseur de cuve fonctionne avec de l'azote MP comprimé à froid • Le vaporiseur intermédiaire haut fonctionne à l'azote MP • Le vaporiseur intermédiaire bas fonctionne soit avec de l'air MP, soit avec de l'azote MP comprimé à froid En fonction des variantes, le gain d'énergie spécifique est de 0.5% à 7%. Selon l'invention, il est proposé aussi d'utiliser plusieurs turbines pour mieux optimiser la ligne d'échange. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, la colonne basse pression contenant un vaporiseur de cuve, un vaporiseur intermédiaire et un vaporiseur supérieur dans lequel : a. De l'air comprimé est épuré dans une unité d'épuration, refroidi dans une ligne d'échange et envoyé à la colonne moyenne pression de la double colonne, b. Un fluide riche en oxygène est prélevé dans la colonne basse pression, réchauffé et envoyé au client, c. un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne est divisé en au moins trois parties, d. une première partie du fluide est détendue dans une première turbine, e. une deuxième partie du fluide est surpressée dans un compresseur froid et envoyée au vaporiseur de cuve, le fluide ainsi condensé étant envoyé à au moins une colonne de la double colonne, f. une troisième partie du fluide est envoyée au vaporiseur supérieur, sans étape de modification de pression en aval de la colonne dont elle est soutirée et en amont du vaporiseur supérieur, le fluide ainsi condensé étant envoyé à au moins une colonne de la double colonne, g. un débit gazeux est envoyé au vaporiseur intermédiaire, ce débit étant constitué par de l'air comprimé, épuré et refroidi ou un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne et comprimé dans un compresseur froid. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - le fluide soutiré de la double colonne est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression. - le débit gazeux envoyé au vaporiseur intermédiaire est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression. - la première partie du fluide détendu dans la première turbine est utilisée pour la régénération de l'unité d'épuration. - la première turbine entraîne le compresseur froid où est surpressée la deuxième partie du fluide et fournit substantiellement toutes les frigories du procédé. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, la colonne basse pression contenant un vaporiseur de cuve, un vaporiseur intermédiaire et un vaporiseur supérieur, une unité d'épuration, une ligne d'échange, au moins une première turbine, au moins un compresseur froid, des moyens pour envoyer de l'air comprimé épuré dans l'unité d'épuration et refroidi dans la ligne d'échange à la colonne moyenne pression de la double colonne, des moyens pour prélever un fluide riche en oxygène dans la colonne basse pression, des moyens pour le réchauffer éventuellement constitué au moins en partie par la ligne d'échange et des moyens pour envoyer le fluide riche en oxygène réchauffé envoyé au client, des moyens pour diviser un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne en au moins trois parties, des moyens pour envoyer une première partie du fluide à une première turbine, des moyens pour envoyer une deuxième partie du fluide dans un compresseur froid pour être surpressée, des moyens pour envoyer la deuxième partie surpressée au vaporiseur de cuve, des moyens pour envoyer le fluide ainsi condensé à au moins une colonne de la double colonne, des moyens pour envoyer une troisième partie du fluide au vaporiseur supérieur, sans moyen de modification de pression en aval de la colonne dont elle est soutirée et en amont du vaporiseur supérieur, des moyens pour envoyer le fluide ainsi condensé étant envoyé à au moins une colonne de la double colonne, des moyens pour envoyer un débit gazeux au vaporiseur intermédiaire, ce débit étant constitué par de l'air comprimé, épuré et refroidi ou un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne et comprimé dans le deuxième compresseur froid. Optionnellement, l'appareil comprend : - des moyens pour soutirer le fluide soutiré de la double colonne de la tête de la colonne moyenne pression. - des moyens pour relier le vaporiseur intermédiaire avec la tête de la colonne moyenne pression. - des moyens pour relier la sortie de la première turbine avec l'unité d'épuration. 15 - la première turbine est couplée au compresseur froid où est surpressée la deuxième partie du fluide et constitue la seule turbine de l'appareil. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 1,2 et 3 qui sont des dessins schématiques d'appareils de séparation d'air selon l'invention. 20 La Figure 1 montre un appareil de séparation d'air dans lequel un débit d'air pressurisé et épuré 1 est divisé en trois débits 3, 5,7. Le débit 3 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à la colonne moyenne pression 15 d'une double colonne. Le débit 5 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à un vaporiseur 25 intermédiaire 21 de la colonne basse pression 17 de la double colonne 15,17. L'autre débit d'air 7 est surpressé dans un surpresseur chaud 9 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à un vaporiseur 13 où il se condense au moins partiellement par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide pressurisé. L'air condensé est soit envoyé entièrement à la 30 colonne moyenne pression soit divisé entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression 17. Du liquide riche 25, du liquide pauvre 61 et éventuellement un liquide 27 proche de l'air liquide sont envoyés de la colonne moyenne pression 15 à la colonne basse pression 17 en tant que débits de reflux après sous-refroidissement dans l'échangeur 29. Un débit d'oxygène liquide 33 est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 35 et vaporisé dans le vaporiseur 13 en amont de la ligne d'échange 11. La compression du fluide 33 peut se faire aussi par une hauteur hydrostatique, sans la pompe 35. De l'azote basse pression 31 est soutiré en tête de la colonne basse pression 17 et se réchauffe dans les échangeurs 29,11. Un débit d'azote gazeux moyenne pression 39 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 15 et divisé en deux. Une partie 53 est envoyée à un vaporiseur supérieur 23 de la colonne basse pression 17 où elle se condense avant d'être renvoyée à la colonne moyenne pression en tant que reflux. Le reste de l'azote 41 est divisé en deux, une portion 43 est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé au vaporiseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17. Dans ce vaporiseur 19 il se condense et ensuite sert de reflux pour au moins une des colonnes. Le reste 45 de l'azote est envoyé à la ligne d'échange, se réchauffe à un niveau intermédiaire et est envoyé à une turbine 47. L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé au bout froid de la ligne d'échange et se réchauffe pour devenir le débit 49. Un gain en énergie de 0,5% est possible par rapport au schéma de WO-A-2007129152. La Figure 2 montre un appareil de séparation d'air dans lequel un débit d'air pressurisé et épuré 1 est divisé en deux débits 3,7. Le débit 3 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à la colonne moyenne pression 15 d'une double colonne. L'autre débit d'air 7 est surpressé dans un surpresseur chaud 9 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à un vaporiseur 13 où il se condense au moins partiellement par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide pressurisé. L'air condensé est soit envoyé entièrement à la colonne moyenne pression soit divisé entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression 17. Du liquide riche 25, du liquide pauvre 61 et éventuellement un liquide 27 proche de l'air liquide sont envoyés de la colonne moyenne pression 15 à la colonne basse pression 17 en tant que débits de reflux après sous-refroidissement dans l'échangeur 29. Un débit d'oxygène liquide 33 est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 35 et vaporisé dans le vaporiseur 13 en amont de la ligne d'échange 11. La compression du fluide 33 peut se faire aussi par une hauteur hydrostatique, sans la pompe 35. De l'azote basse pression 31 est soutiré en tête de la colonne basse pression 17 et se réchauffe dans les échangeurs 29,11. Un débit d'azote gazeux moyenne pression 39 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 15 et divisé en deux. Une partie 53 est envoyée à un vaporiseur supérieur 23 de la colonne basse pression 17 où elle se condense avant d'être renvoyée à la colonne moyenne pression en tant que reflux. Le reste de l'air est de nouveau divisé en deux. Une fraction est envoyé au compresseur froid 151 pour devenir le débit 155 qui chauffe le vaporiseur intermédiaire 21 avant d'être envoyé aux colonnes comme reflux. Le reste de l'azote 41 est divisé en deux, une portion 43 est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé au vaporiseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17. Dans ce vaporiseur 19 il se condense et ensuite sert de reflux pour au moins une des colonnes. Le reste 45 de l'azote est envoyé à la ligne d'échange, se réchauffe à un niveau intermédiaire et est envoyé à une turbine 47. L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé au bout froid de la ligne d'échange et se réchauffe pour devenir le débit 49. La présence des deux compresseurs froids 51,151 sur l'azote moyenne pression permet de mieux ajuster la répartition de puissance sur les compresseurs, en adéquation avec le besoin de rebouillage de la colonne basse pression. Un gain en énergie de 1,7% est possible par rapport au schéma de WO-A-2007129152 La Figure 3 montre un appareil de séparation d'air dans lequel un débit d'air 1 pressurisé par un compresseur M et épuré dans une unité d'épuration 2 est divisé en deux débits 3,7. Le débit 3 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à la colonne moyenne pression 15 d'une double colonne. L'autre 7 est surpressé dans un surpresseur chaud 9 se refroidit en parcourant d'un bout à l'autre la ligne d'échange 11 et est envoyé à un vaporiseur 13 où il se condense au moins partiellement par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide pressurisé. L'air condensé est soit envoyé entièrement à la colonne moyenne pression soit divisé entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression 17. Du liquide riche 25, du liquide pauvre 61 et éventuellement un liquide 27 proche de l'air liquide sont envoyés de la colonne moyenne pression 15 à la colonne basse pression 17 en tant que débits de reflux après sous-refroidissement dans l'échangeur 29. Un débit d'oxygène liquide 33 est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 35 et vaporisé dans le vaporiseur 13 en amont de la ligne d'échange 11. La compression du fluide 33 peut se faire aussi par une hauteur hydrostatique, sans la pompe 35. De l'azote basse pression 31 est soutiré en tête de la colonne basse pression 17 et se réchauffe dans les échangeurs 29,11. Un débit d'azote gazeux moyenne pression 39 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 15 et divisé en deux. Une partie 53 est envoyée à un vaporiseur supérieur 23 de la colonne basse pression 17 où elle se condense avant d'être renvoyée à la colonne moyenne pression en tant que reflux. Le reste de l'air est de nouveau divisé en deux. Une fraction est envoyée au compresseur froid 151 pour devenir le débit 155 , le débit 155 est refroidi dans la ligne d'échange 11 avant de servir à chauffer le vaporiseur intermédiaire 21 avant d'être envoyé aux colonnes comme reflux. Le reste de l'azote 41 est divisé en deux, une portion 43 est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé au vaporiseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17, après s'être refroidi dans la ligne d'échange 11. Dans ce vaporiseur 19 il se condense et ensuite sert de reflux pour au moins une des colonnes. Le reste 45 de l'azote est envoyé à la ligne d'échange, se réchauffe à un niveau intermédiaire et est divisé en deux. Une partie 49 de l'azote 45 est envoyée à une turbine 47. L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé au bout froid de la ligne d'échange et se réchauffe avant de servir à régénérer périodiquement l'unité d'épuration 2. Le reste de l'azote 46 poursuit son réchauffement dans la ligne d'échange 11 et est divisé en deux, une partie 149 étant envoyée à une turbine 147 à température d'entrée plus élevée que la turbine 47. Cette partie de l'azote est détendue, réchauffée et envoyée à l'atmosphère. Le reste 249 de l'azote est envoyé à une turbine 247 à température d'entrée plus élevée que les turbines 47, 147. Cette partie 249 de l'azote est détendue, réchauffée et envoyée à l'atmosphère. Un gain en énergie de 7% est possible par rapport au schéma de WO-A-2007129152.10 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17), la colonne basse pression contenant un vaporiseur de cuve (19), un vaporiseur intermédiaire (21) et un vaporiseur supérieur (23) dans lequel : a. De l'air comprimé est épuré dans une unité d'épuration (2), refroidi dans une ligne d'échange (11) et envoyé à la colonne moyenne pression de la double colonne b. Un fluide riche en oxygène est prélevé dans la colonne basse pression, réchauffé et envoyé au client c. un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne est divisé en au moins trois parties, d. une première partie du fluide est détendue dans une première turbine (47), e. une deuxième partie du fluide est surpressée dans un compresseur froid (51) et envoyée au vaporiseur de cuve, le fluide ainsi condensé étant envoyé à au moins une colonne de la double colonne f. une troisième partie du fluide est envoyée au vaporiseur supérieur, sans étape de modification de pression en aval de la colonne dont elle est soutirée et en amont du vaporiseur supérieur, le fluide ainsi condensé étant envoyé à au moins une colonne de la double colonne g. un débit gazeux est envoyé au vaporiseur intermédiaire, ce débit étant constitué par de l'air comprimé, épuré et refroidi ou un fluide soutiré d'une colonne de la 25 double colonne et comprimé dans un compresseur froid. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide soutiré de la double colonne est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression (15). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit gazeux envoyé au vaporiseur intermédiaire (21) est de l'azote provenant de la colonne 30 moyenne pression (15). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première partie du fluide détendu dans la première turbine (47) est utilisée pour la régénération de l'unité d'épuration (2). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première turbine entraîne le compresseur froid (51) où est surpressée la deuxième partie du fluide et fournit substantiellement toutes les frigories du procédé. 6. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17), la colonne basse pression contenant un vaporiseur de cuve (19), un vaporiseur intermédiaire (21) et un vaporiseur supérieur (23), une unité d'épuration (2), une ligne d'échange (11), au moins une première turbine (47), au moins un compresseur froid (51,157) , des moyens pour envoyer de l'air comprimé épuré dans l'unité d'épuration et refroidi dans la ligne d'échange à la colonne moyenne pression de la double colonne ,des moyens pour prélever un fluide riche en oxygène dans la colonne basse pression, des moyens pour le réchauffer éventuellement constitué au moins en partie par la ligne d'échange et des moyens pour envoyer le fluide riche en oxygène réchauffé envoyé au client , des moyens pour diviser un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne en au moins trois parties, des moyens pour envoyer une première partie du fluide à une première turbine, des moyens pour envoyer une deuxième partie du fluide dans un compresseur froid pour être surpressée, des moyens pour envoyer la deuxième partie surpressée au vaporiseur de cuve, des moyens pour envoyer le fluide ainsi condensé à au moins une colonne de la double colonne, des moyens pour envoyer une troisième partie du fluide au vaporiseur supérieur, sans moyen de modification de pression en aval de la colonne dont elle est soutirée et en amont du vaporiseur supérieur, des moyens pour envoyer le fluide ainsi condensé étant envoyé à au moins une colonne de la double colonne, des moyens pour envoyer un débit gazeux au vaporiseur intermédiaire, ce débit étant constitué par de l'air comprimé, épuré et refroidi ou un fluide soutiré d'une colonne de la double colonne et comprimé dans le deuxième compresseur froid. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens pour soutirer le fluide soutiré de la double colonne de la tête de la colonne moyenne pression 30 (15). 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant des moyens pour relier le vaporiseur intermédiaire (21) avec la tête de la colonne moyenne pression (15). 9. Appareil selon l'une des revendications 6 à 8 comprenant des moyens pour relier la sortie de la première turbine (47) avec l'unité d'épuration (2). 10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 dans lequel la première turbine (47) est couplée au compresseur froid (51) où est surpressée la deuxième 5 partie du fluide et constitue la seule turbine de l'appareil.