Brevet FR2930326A1 — 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 5 l'oxygène basse pureté basse pression, notamment dans les schémas où l'azote sous pression n'est pas valorisé par le client final. Cet objet est atteint par l'utilisation de plusieurs turbines en parallèle à des niveaux de températures différents pour optimiser la ligne d'échange lors de la mise en oeuvre d'un compresseur froid dans la partie distillation avec une io production de froid mieux répartie. Ceci permet un gain de 1% sur l'énergie spécifique avec 2 turbines, de 2% avec 3 turbines. En utilisant une seule turbine d'azote gazeux moyenne pression pour fournir la puissance frigorifique, notamment pour le compresseur froid, tel que 15 dans le procédé de WO-A-2007129152, la production de froid est assez mal répartie (essentiellement au bout froid), ce qui génère de fortes irréversibilités dans l'échangeur. La Figure 1 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 20 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 condenser au moins partiellement par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide 25 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 proche de l'air liquide sont envoyés de la colonne moyenne pression 15 à la 30 colonne basse pression 17 en tant que débits de reflux après sous-refroidissement dans l'échangeur 29. 2 2930326 Un débit d'oxygène liquide 33 est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 13 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 13. 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 condenseur intermédiaire 21 de la colonne basse pression 17 où elle se io 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 est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé au condenseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17. Dans ce condenseur 19 il se condense et ensuite sert de reflux pour au moins une des colonnes. 15 Le reste 45 de l'azote est envoyé à la ligne d'échange, se réchauffe et est envoyé à une turbine 47. L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé à la ligne d'échange et se réchauffe pour devenir le débit 49. Le diagramme d'échange ÈT-T pour la Figure 1 est celui de la Figure 2. Selon l'invention, il est proposé d'utiliser plusieurs turbines pour mieux 20 optimiser la ligne d'échange. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : 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 25 comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression b. Un fluide riche en oxygène est prélevé dans la colonne basse pression, réchauffé éventuellement dans la ligne d'échange et envoyé au client c. un fluide issu de la distillation est divisé en au moins deux parties, une première partie est détendu dans une première turbine, une deuxième 30 partie se réchauffe dans la ligne d'échange et est détendu dans une deuxième turbine, ayant une température d'entrée plus élevée que la première turbine 3 2930326 d. un compresseur froid utilise au moins une partie de la puissance frigorifique de la première ou deuxième turbine. 5 Selon d'autres aspects facultatifs : - le fluide riche en oxygène peut être un liquide ou un gaz soutiré de la colonne basse pression. - le liquide riche en oxygène soutiré de la colonne basse pression est vaporisé en dehors de ou dans la ligne d'échange io - un fluide détendu dans la première ou deuxième turbine est utilisé pour la régénération de l'unité d'épuration. - l'azote résiduaire est envoyé directement à l'atmosphère, éventuellement à travers une tour de contact direct avec de l'eau/azote, au bout chaud de la ligne d'échange 15 - le fluide détendu dans la première turbine est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression. - le fluide comprimé dans le compresseur froid est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression. - l'azote comprimé dans le compresseur froid sert à chauffer un condenseur 20 de cuve de la colonne basse pression puis est envoyé au système de colonnes comme reflux. - la colonne basse pression opère à au plus 1,5 bar abs, voire au plus 1,3 bars abs. - le fluide issu de la distillation est divisé en au moins trois parties, la 25 troisième partie étant réchauffée dans la ligne d'échange et détendue dans une troisième turbine ayant une température d'entrée plus élevée que celle de la deuxième turbine. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de 30 séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : 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 4 2930326 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 pression et pour l'envoyer à la ligne d'échange 5 c. une première turbine, une deuxième turbine, des moyens pour envoyer une première partie d'un fluide issu de la distillation à la première turbine, des moyens pour réchauffer une deuxième partie d'un fluide issu de la distillation et pour envoyer la partie réchauffée à la deuxième turbine et d. un compresseur froid couplé à la première ou deuxième turbine et io des moyens pour envoyer un fluide de l'appareil au compresseur froid. L'appareil comprend éventuellement : - des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression à la première et à la deuxième turbines. 15 - des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression au compresseur froid. - un condenseur de cuve de la colonne basse pression, des moyens pour envoyer l'azote comprimé dans le compresseur froid au condenseur de cuve et ensuite au système de colonnes comme reflux. 20 L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 3 et 5 qui sont des dessins schématiques d'appareils de séparation d'air selon l'invention et aux figures 4 et 6 qui sont des diagrammes d'échange de chaleur correspondant à ces appareils.. 25 Dans la Figure 3, on a une turbine très froide 47, proche du niveau de température de l'utilisation du compresseur froid et une turbine chaude 147 qui permet d'ajuster l'écart au bout chaud de la ligne d'échange 11. Les deux turbines 47,147 détendent le même gaz à des niveaux de températures différents : elles sont en parallèle. 30 Le débit 49 détendu dans la turbine froide 47 peut être envoyé à la régénération alors que le débit 149 détendu dans la turbine chaude 147 peut être envoyé directement à l'atmosphère. 5 2930326 La Figure 3 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 7 est surpressé 5 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 condenser 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 io pression 17. Du liquide riche 25, du liquide pauvre 61 et éventuellement un liquide 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. 15 Un débit d'oxygène liquide 33 est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 13 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 13. De l'azote basse pression 31 est soutiré en tête de la colonne basse 20 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 condenseur intermédiaire 21 de la colonne basse pression 17 où elle se condense avant d'être renvoyée à la colonne moyenne pression en tant que 25 reflux. Le reste de l'azote 41 est divisé en deux, une portion est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé au condenseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17. Dans ce condenseur 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 et 30 est divisé en deux portions. Une première portion est envoyée à une première turbine 47 à une température d'entrée intermédiaire de la ligne d'échange. 6 2930326 L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé à la ligne d'échange et se réchauffe pour devenir le débit 49. Le reste de l'azote poursuit son réchauffement, sort du bout chaud de la ligne d'échange et est détendu dans une deuxième turbine 147. L'azote 5 détendu dans la turbine 147 est renvoyé à la ligne d'échange et se réchauffe pour former le débit 149. Le diagramme d'échange ÈT-T de la Figure 3 est celui de la Figure 4. Les irréversibilités ont été réduites : cela permet de gagner 1% sur l'énergie spécifique. io La Figure 5 montre un exemple où trois turbines détendent le même gaz à des niveaux de températures différents : elles sont en parallèle. Le débit 43 détendu dans la turbine froide 47 peut être envoyé à la régénération de l'unité d'épuration E alors que les débits 149,249 détendus dans la turbine chaude 247 et la turbine intermédiaire 147 peuvent être 15 envoyés directement à l'atmosphère. 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 E 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 20 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 condenser 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 25 moyenne pression et la colonne basse pression 17. Du liquide riche 25, du liquide pauvre 61 et éventuellement un liquide 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 30 de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 13 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 13. 7 2930326 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 5 un condenseur intermédiaire 21 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 est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé au condenseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17. Dans ce condenseur io 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 et est divisé en deux portions. Une première portion est envoyée à une première turbine 47 à une température d'entrée intermédiaire de la ligne d'échange. L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé à la ligne d'échange et se 15 réchauffe pour devenir le débit 43 qui est envoyé à l'unité d'épuration E pour la régénération. Le reste de l'azote poursuit son réchauffement et est divisé en deux. Une partie de l'azote est envoyé à une deuxième turbine 147, détendu et réchauffé comme débit 149 et le reste de l'azote sort du bout chaud de la ligne 20 d'échange et est détendu dans une troisième turbine 247. L'azote détendu dans la turbine 247 est renvoyé à la ligne d'échange et se réchauffe pour former le débit 249. Le diagramme d'échange ÈT-T de la Figure 5, largement amélioré, devient celui de la Figure 6. 25 Le gain est de 2% environ par rapport au procédé de la Figure 1. 25 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : a. de l'air comprimé est épuré dans une unité d'épuration (E), refroidi dans une ligne d'échange (11) et envoyé à une colonne d'un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17) , b. un fluide riche en oxygène est prélevé dans la colonne basse pression, réchauffé éventuellement dans la ligne d'échange et envoyé au client, io c. un fluide issu de la distillation est divisé en au moins deux parties, une première partie est détendu dans une première turbine (47), une deuxième partie se réchauffe dans la ligne d'échange et est détendu dans une deuxième turbine (147,247), ayant une température d'entrée plus élevée que la première turbine et 15 d. un compresseur froid (51) utilise au moins une partie de la puissance frigorifique de la première ou deuxième turbine. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel un fluide détendu dans la première ou deuxième turbine (47,147,247), est utilisé pour la régénération 20 de l'unité d'épuration. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'azote résiduaire est envoyé directement à l'atmosphère, éventuellement à travers une tour de contact direct avec de l'eau/azote, au bout chaud de la ligne d'échange (11) 5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel le fluide détendu dans la première turbine (47) est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression. 30 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide comprimé dans le compresseur froid (51) est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression. 8 9 2930326 7. Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'azote comprimé dans le compresseur froid (51) sert à chauffer un condenseur de cuve (19) de la 5 colonne basse pression puis est envoyé au système de colonnes comme reflux. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne basse pression (17) opère à au plus 1,5 bar abs, voire au plus 1,3 io bars abs. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide issu de la distillation est divisé en au moins trois parties, la troisième partie étant réchauffée dans la ligne d'échange (11) et détendue dans une 15 troisième turbine (247) ayant une température d'entrée plus élevée que celle de la deuxième turbine (147). 10. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : 20 a. une unité d'épuration ( E) où s'épure de l'air comprimé, une ligne d'échange (11) où se refroidit l'air épuré, un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17) 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 25 colonne basse pression et pour l'envoyer à la ligne d'échange c. une première turbine (47), une deuxième turbine (147,247), des moyens pour envoyer une première partie d'un fluide issu de la distillation à la première turbine, des moyens pour réchauffer une deuxième partie d'un fluide issu de la distillation et pour envoyer la partie réchauffée à la deuxième turbine 30 et d. un compresseur froid (51) couplé à la première ou deuxième turbine et des moyens pour envoyer un fluide de l'appareil au compresseur froid. i0 2930326 11. Appareil selon la revendication 9 comprenant des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression (15) ou la colonne basse pression (17) à la première et à la deuxième turbines 5 (47,147,247). 12. Appareil selon la revendication 9 ou 10 comprenant des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression (15) ou la colonne basse pression(17) au compresseur froid (51). 13. Appareil selon la revendication 11 comprenant un condenseur de cuve (19) de la colonne basse pression, des moyens pour envoyer l'azote comprimé dans le compresseur froid (51) au condenseur de cuve et ensuite au système de colonnes comme reflux.