Brevet FR2930329A1 — publié le 20091023

La présente invention concerne un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Un des buts 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. Selon l'invention, l'azote résiduaire est directement envoyé à l'atmosphère et une partie de l'azote moyenne pression disponible est turbinée vers la régénération. io Le gaz résiduaire en tête de colonne basse pression est habituellement utilisé pour la régénération de l'épuration en tête, avant d'être envoyé à l'atmosphère. Les pertes de charges du circuit fixent la pression de la colonne basse pression, et de façon indirecte la pression de l'air à distiller. Dans WO-A-2007129152, une partie de l'azote moyenne pression est 15 turbinée directement à l'atmosphère pour maximiser la puissance frigorifique disponible, valorisée dans un compresseur froid. L'azote résiduaire est défini comme étant un gaz riche en azote provenant de la colonne basse pression d'une double ou triple colonne dont la teneur en oxygène dépasse 0.05% mol. 20 Selon l'invention, l'azote résiduaire est directement envoyé à l'atmosphère, ce qui permet de gagner les pertes de charges de la régénération : la pression de la colonne basse pression est plus basse. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : 25 a. De l'air comprimé est épuré dans une unité d'épuration, refroidi dans une ligne d'échange et envoyé à une colonne d'un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression b. Un fluide riche en oxygène est prélevé dans la colonne basse pression, réchauffé dans la ligne d'échange et envoyé au client 30 c. un fluide issu de la distillation est détendu dans une turbine, puis est utilisé pour la régénération de l'unité d'épuration 2 2930329 d. l'azote résiduaire est envoyé directement à l'atmosphère, éventuellement à travers une tour de contact direct avec de l'eau, au bout chaud de la ligne d'échange et e. un compresseur froid utilise au moins une partie de la puissance 5 frigorifique de la turbine. Selon d'autres aspects facultatifs : - le fluide détendu dans la turbine est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression. io - le fluide comprimé dans le compresseur froid est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression. - l'azote comprimé dans le compresseur froid sert à chauffer un vaporiseur de cuve de la colonne basse pression puis est envoyé au système de colonnes comme reflux. 15 - la colonne basse pression opère à au plus 1,5 bar abs, voire au plus 1,3 bars abs. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : 20 a. une unité d'épuration où s'épure de l'air comprimé, une ligne d'échange où se refroidit l'air épuré, un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et des moyens pour envoyer l'air épuré et refroidi à une colonne du système b. des moyens pour prélever un fluide riche en oxygène dans la colonne basse 25 pression et pour l'envoyer à la ligne d'échange c. une turbine, des moyens pour envoyer un fluide issu de la distillation à la turbine et des moyens pour envoyer le fluide détendu de la turbine à l'unité d'épuration d. des moyens pour envoyer l'azote résiduaire directement à l'atmosphère, 30 éventuellement à travers une tour de contact direct avec de l'eau, au bout chaud de la ligne d'échange et 3 2930329 e. un compresseur froid couplé à la turbine et des moyens pour envoyer un fluide de l'appareil au compresseur froid. Selon d'autres aspects facultatifs l'appareil comprend: - des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne 5 pression à la turbine. - des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression au compresseur froid. - un vaporiseur de cuve de la colonne basse pression, des moyens pour envoyer l'azote comprimé dans le compresseur froid au vaporiseur de cuve et io ensuite au système de colonnes comme reflux. Une partie de l'azote moyenne pression est turbinée vers la régénération (avec un débit compatible avec la régénération), ce qui pour effet de réduire fortement la puissance frigorifique disponible, et donc la valorisation possible dans un compresseur froid. 15 Néanmoins, on a un gain de 1.7% sur l'énergie spécifique par rapport au cas de référence où l'azote moyenne pression est turbiné à l'atmosphère et l'azote résiduaire est envoyé vers la régénération.. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. De l'air 1 est comprimé dans un compresseur 3 à la pression de la colonne 20 moyenne pression 21 d'une double colonne de séparation d'air. L'air comprimé 5 est épuré dans une unité d'épuration 7 et est divisé en deux. Une partie 11 est surpressée par un surpresseur 15 pour former un débit surpressé 17 qui est refroidi en traversant la ligne d'échange 19. Le débit refroidi 17 est envoyé à un vaporiseur 25 où il se liquéfie par échange de chaleur avec un débit liquide 25 à vaporiser et le débit condensé 27 est envoyé à la colonne moyenne pression 21. Le reste de l'air 13 se refroidit dans la ligne d'échange 19 et est envoyé sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression 21. Des débits de reflux 29, 31, 38sont soutirés de la colonne moyenne pression, sous-refroidis dans l'échangeur 33, détendus et envoyés à la colonne basse pression 23 de 30 manière connue. Un débit d'azote résiduaire 37 est soutiré en tête de la colonne basse pression 23, réchauffé dans l'échangeur 33 et ensuite dans la ligne 19 et envoyé à l'atmosphère. Un débit d'oxygène basse pureté 57 est 4 2930329 soutiré de la cuve de la colonne basse pression 23, pressurisé par la pompe 59 (ou encore pressurisé par simple hauteur hydrostatique), vaporisé dans le vaporiseur 25 et envoyé à la ligne d'échange pour s'y réchauffer en tant que débit 61. 5 De l'azote gazeux moyenne pression 43 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 21 et divisé en deux. Une partie 47 sert à rebouillir un vaporiseur intermédiaire 41 où elle se condense avant d'être envoyée à la colonne moyenne pression. Le reste 45 est lui-même divisé en deux, une partie 49 étant envoyée à un compresseur froid 51 sans réchauffage entre le io soutirage et l'entrée du compresseur. Cette partie 49 sert à rebouillir le vaporiseur de cuve 39 de la colonne basse pression 23. Le reste 53 de l'azote est réchauffé dans la ligne d'échange 19, soutiré à une température intermédiaire de celle-ci, détendue dans une turbine 55 (celle-ci peut être constitué d'au moins deux turbines distinctes), réchauffé dans la ligne 15 d'échange 19 et envoyé en totalité comme gaz de régénération à l'unité d'épuration 7. Le compresseur 51 peut être couplé à une des turbines assurant la fonction de la turbine 55. La colonne basse pression 23 peut être divisée en deux pour former 20 deux colonnes chacune ayant un vaporiseur de cuve 39,41. 20 5 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : a. de l'air comprimé est épuré dans une unité d'épuration (7), refroidi dans une ligne d'échange (19) et envoyé à une colonne d'un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (21) et une colonne basse pression (23) b. un fluide riche en oxygène est prélevé dans la colonne basse pression, réchauffé dans la ligne d'échange et envoyé au client io c. un fluide issu de la distillation est détendu dans une turbine (55), puis est utilisé pour la régénération de l'unité d'épuration d. l'azote résiduaire est envoyé directement à l'atmosphère, éventuellement à travers une tour de contact direct avec de l'eau, au bout chaud de la ligne d'échange et 15 e. un compresseur froid (51) utilise au moins une partie de la puissance frigorifique de la turbine. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide détendu dans la turbine (55) est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression (21). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le fluide comprimé dans le compresseur froid (51) est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression (21). 25 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel l'azote comprimé dans le compresseur froid (51) sert à chauffer un vaporiseur de cuve (39) de la colonne basse pression puis est envoyé au système de colonnes comme reflux. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la 30 colonne basse pression (23) opère à au plus 1,5 bar abs, voire au plus 1,3 bars abs. 6 2930329 6. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : a. une unité d'épuration (7) où s'épure de l'air comprimé, une ligne d'échange (19) où se refroidit l'air épuré, un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (21) et une colonne basse pression (23) et des 5 moyens pour envoyer l'air épuré et refroidi à une colonne du système b. des moyens pour prélever un fluide riche en oxygène dans la colonne basse pression et pour l'envoyer à la ligne d'échange c. une turbine (55), des moyens pour envoyer un fluide issu de la distillation à la turbine et des moyens pour envoyer le fluide détendu de la turbine à io l'unité d'épuration d. des moyens pour envoyer l'azote résiduaire directement à l'atmosphère, éventuellement à travers une tour de contact direct avec de l'eau, au bout chaud de la ligne d'échange et e. un compresseur froid (51) couplé à la turbine et des moyens pour 15 envoyer un fluide de l'appareil au compresseur froid. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression à la turbine (55). 20 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression au compresseur froid (51). 9. Appareil selon la revendication 8 comprenant un vaporiseur de cuve 25 (39) de la colonne basse pression (23), des moyens pour envoyer l'azote comprimé dans le compresseur froid au vaporiseur de cuve et ensuite au système de colonnes comme reflux. 30