Brevet FR2930327A1 — publié le 20091023

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Dans le cadre de l'oxycombustion dans un four à verre, on dispose de fumées très chaudes fatales que l'on peut valoriser en chauffant un fluide sous pression, puis en les détendant dans une turbine chaude. Cela incite à utiliser un appareil de séparation d'air (ASU) sous pression pour produire de l'oxygène � impur � avec une basse énergie de séparation, car la valorisation de l'azote sous pression est alors facilitée. Cependant, les petites tailles d'appareils en io jeu (environ 200 T/J) ne justifient pas de complexifier l'appareil cryogénique. Il faut trouver un juste équilibre entre investissement et dépenses énergétiques. L'invention peut aussi s'appliquer (dans une moindre mesure) dans le cadre de l'oxycombustion du charbon avec capture du CO2, dans une centrale électrique. 15 Ceci peut aussi s'appliquer sur la production de métaux non ferreux (exemple :cuivre) où l'on dispose de fumées à hautes températures qui sont peu ou faiblement valorisées. Ceci peut aussi s'appliquer (dans une moindre mesure) sur la production de métaux ferreux (haut fourneau) où l'on dispose de fumées à hautes 20 températures qui sont peu ou faiblement valorisées. L'invention consiste à utiliser de façon astucieuse un surpresseur froid, de façon de réduire la pression d'air de fonctionnement tout en maintenant la pression de l'azote résiduaire constante, sur des schémas de type � appareils sous pression � sans utiliser de colonne Etienne, ce qui permet de compenser 25 en partie un rendement � moyen �. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation à une double colonne comprenant une colonne moyenne pression, une colonne basse pression, une ligne d'échange, un premier vaporiseur de colonne basse pression et un 30 deuxième vaporiseur de colonne basse pression, un condenseur de tête de colonne basse pression dans lequel i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange à la colonne moyenne pression 2 2930327 ii) on comprime un gaz de l'installation contenant au moins autant d'azote que l'air dans un surpresseur froid, on l'envoie au premier vaporiseur où il se condense et on envoie le gaz condensé à la colonne moyenne pression 5 iii) on envoie un liquide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête pour former un gaz riche en oxygène iv) on envoie de l'azote de tête de la colonne moyenne pression au deuxième vaporiseur et on renvoie l'azote ainsi condensé à la colonne moyenne pression io v) on envoie des liquides enrichis en oxygène et en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et vi) on réchauffe un débit riche en azote soutiré de la colonne basse pression et le gaz riche en oxygène dans la ligne d'échange. 15 Selon d'autres objets facultatifs : - le gaz comprimé dans le surpresseur froid est de l'air. - l'air destiné à la colonne moyenne pression est prélevé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange. - le gaz comprimé dans le surpresseur froid est de l'azote provenant de la 20 colonne moyenne pression. - on détend l'air dans une turbine d'insufflation et/ou une partie de l'azote provenant de la colonne moyenne pression dans une turbine. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique dans un installation à une double 25 colonne comprenant une colonne moyenne pression, une colonne basse pression, une ligne d'échange, un premier vaporiseur de colonne basse pression et un deuxième vaporiseur de colonne basse pression, un condenseur de tête de colonne basse pression, des moyens pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange à la colonne moyenne 30 pression, un surpresseur froid, des moyens pour envoyer un gaz de l'installation contenant au moins autant d'azote que l'air dans un surpresseur froid, des moyens pour envoyer du gaz surpressé du surpresseur froid au premier vaporiseur où il se condense, des moyens pour envoyer le gaz 3 2930327 condensé à la colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer un liquide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête pour former un gaz riche en oxygène, des moyens pour envoyer de l'azote de tête de la colonne moyenne pression au deuxième vaporiseur, des moyens 5 pour envoyer l'azote ainsi condensé à la colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer des liquides enrichis en oxygène et en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des moyens pour envoyer un débit riche en azote soutiré de la colonne basse pression et le gaz riche en oxygène dans la ligne d'échange. io Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend : - des moyens pour envoyer de l'air au surpresseur froid. - des moyens pour prélever l'air destiné à la colonne moyenne pression à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange. - des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne 15 pression au surpresseur froid. - une turbine d'insufflation et/ou une turbine reliée à la tête de la colonne moyenne pression. Deux appareils selon l'invention seront décrits, en se référant aux Figures 1 et 2. 20 Dans la Figure 1, on voit une double colonne constituée par une colonne moyenne pression 9 et une colonne basse pression . La colonne basse pression comprend une partie supérieure 19 et une partie inférieure 39, chaque partie ayant un vaporiseur de cuve 50, 52. La partie supérieure de la colonne basse pression comprend également un condenseur de tête 59. 25 De l'air 1 provenant d'un compresseur principal est divisé en deux pour forme un débit 5 et un débit 11. Le débit 5 est surpressé dans un surpresseur 2, refroidi et envoyé au bout chaud d'une ligne d'échange 3 où il se refroidit partiellement pour former le débit 7. Le débit 7 est détendu dans une turbine d'insufflation 4 pour former le débit détendu 6 qui est envoyé à un niveau 30 intermédiaire de la partie supérieure 19 de la colonne basse pression. Le reste de l'air 11 se refroidit dans la ligne d'échange 3, étant divisé en deux débits 13, 14 juste en amont du bout froid. Le débit 13 à une température plus chaud que le bout froid est envoyé à la cuve de la colonne moyenne pression 9. Le débit 4 2930327 14 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid et est envoyé à un surpresseur froid 85 où il est comprimé. Le débit surpressé 14b est envoyé au vaporiseur de cuve 52 de la partie inférieure 39 de la colonne basse pression où il se condense pour former le débit 15, est détendu dans une vanne et 5 envoyé à la colonne moyenne pression 9 sous forme liquide. Le liquide riche 18 de cuve de la colonne moyenne pression 9 est envoyé à la partie supérieure 19 de la colonne basse pression après détente comme débit 66. Un fluide proche de l'air liquide 27 de la colonne moyenne pression 9 est envoyé à la partie supérieure 19 de la colonne basse pression io après détente. De façon alternative, le débit 15 après détente est envoyé, en partie vers la colonne moyenne pression 9, en partie vers la colonne basse pression 19 après nouvelle détente (en lieu et place du fluide 27) Le liquide pauvre 17 est envoyé en tête de la partie supérieure 19 de la colonne basse pression après détente. De l'azote gazeux moyenne pression 21 est soutiré en 15 tête de la colonne moyenne pression et se réchauffe dans la ligne d'échange 3 pour former le débit 20. Du liquide de cuve de la partie inférieure 39 est détendu et envoyé au condenseur de tête 59 de la colonne basse pression. Le gaz de tête 55 de la partie inférieure 39 est envoyé en cuve de la colonne basse pression et le 20 liquide de cuve 53 de la cuve de la partie supérieure 19 de la colonne basse pression est envoyé en tête de la partie inférieure. De l'oxygène gazeux 41 vaporisé dans le condenseur de tête 59 contre l'azote de tête de la colonne basse pression se réchauffe dans la ligne d'échange 3 pour former le produit 44. 25 De l'azote résiduaire 43 pris en tête de la colonne basse pression se réchauffe dans la ligne d'échange 3 pour former le débit 45. La puissance frigorifique étant excédentaire ( avec un écart au bout froid de la ligne d'échange important), on peut placer le surpresseur froid 85 sans turbiner d'azote MP ou augmenter l'insufflation (ie sans faire de froid 30 supplémentaire). Cependant, on a tout intérêt à augmenter un peu la production de froid pour trouver un optimum énergétique. 5 2930327 De façon optionnelle comme indiquée dans la Figure 1, on découple la température de l'air moyenne pression 14 vers le surpresseur froid 85 de l'air moyenne pression 13 qui va en cuve de la colonne moyenne pression 9. L'air vers le surpresseur froid 85 est refroidi à son maximum (point de rosée) contre 5 les fluides froids 21,41,43: ceci permet de resserrer un peu le bout froid de l'échangeur. Pour la Figure 2, on voit une double colonne constituée par une colonne moyenne pression 9 et une colonne basse pression . La colonne basse pression comprend une partie supérieure 19 et une partie inférieure 39, io chaque partie ayant un vaporiseur de cuve 50,52. La partie supérieure de la colonne basse pression comprend également un condenseur de tête 59. De l'air 1 provenant d'un compresseur principal est divisé en deux pour forme un débit 5 et un débit 11. Le débit 5 est surpressé dans un surpresseur 2, refroidi et envoyé au bout chaud d'une ligne d'échange 3 où il se refroidit 15 partiellement pour former le débit 7. Le débit 7 est détendu dans une turbine d'insufflation 4 pour former le débit détendu 6 qui est envoyé à un niveau intermédiaire de la partie supérieure 19 de la colonne basse pression. Le reste de l'air 11 se refroidit dans la ligne d'échange 3, jusqu'au bout froid et est envoyé comme débit 13 à la cuve de la colonne moyenne pression 9. 20 Le liquide riche 18 de cuve de la colonne moyenne pression 9 est envoyé à la partie supérieure 19 de la colonne basse pression après détente comme débit 66. Un fluide proche de l'air liquide 27 de la colonne moyenne pression 9 est envoyé à la partie supérieure 19 de la colonne basse pression après détente. Le liquide pauvre 17 est envoyé en tête de la partie supérieure 25 19 de la colonne basse pression après détente. De l'azote gazeux moyenne pression 21 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression et est divisé en deux. Une partie 100 est envoyé au compresseur froid 85 pour former le débit surpressé 101. Le débit 101 se condense dans le vaporiseur 52 et est envoyé après détente à la tête de la colonne moyenne pression 9. Le reste de l'azote 30 moyenne pression se réchauffe dans la ligne d'échange 3 pour former le débit 20. Du liquide de cuve de la partie inférieure 39 est détendu et envoyé au condenseur de tête 59 de la colonne basse pression. Le gaz de tête 55 de la 6 2930327 partie inférieure 39 est envoyé en cuve de la colonne basse pression et le liquide de cuve 53 de la cuve de la partie supérieure 19 de la colonne basse pression est envoyé en tête de la partie inférieure. De l'oxygène gazeux 41 vaporisé dans le condenseur de tête 59 contre 5 l'azote de tête de la colonne basse pression se réchauffe dans la ligne d'échange 3 pour former le produit 44. De l'azote résiduaire 43 pris en tête de la colonne basse pression se réchauffe dans la ligne d'échange 3 pour former le débit 45. Pour les deux figures, le surpresseur froid 85 peut être entraîné par un io moteur électrique, mécaniquement par une turbine de détente azote moyenne pression (si présente), par la turbine d'insufflation 4, par une combinaison d'éléments différents. La turbine d'insufflation 4 peut être remplacée par une turbine azote, pour le maintien en froid de l'appareil. 15 Pour les deux figures, l'arrangement du double vaporiseur selon l'invention peut se faire avec une partie inférieure de la colonne basse pression à coté ou avec les deux parties supérieure et inférieure formant un seul corps (Fig 3). Le sous-refroidisseur n'est pas représenté sur les figures. 20 Pour les deux figures, si on souhaite faire un appareil mono-pression azote, on pourrait ajouter : • Turbiner l'azote moyenne pression vers le résiduaire et comprimer à froid le résiduaire, jusqu'à une pression intermédiaire • Turbiner l'azote moyenne pression vers le résiduaire et 25 comprimer encore plus à froid l'air (Fig 1) ou l'azote moyenne pression (Fig.2 ) vers le vaporiseur de cuve basse pression, pour réduire la pression d'air (1) , tout en maintenant constante la pression du résiduaire (45). 30 7 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation à une double colonne comprenant une colonne moyenne pression (9), une colonne basse pression (19,39), une ligne d'échange (3), un premier vaporiseur (52) de colonne basse pression et un deuxième vaporiseur (50) de colonne basse pression, un condenseur de tête (59) de colonne basse pression dans lequel i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange à la io colonne moyenne pression ; ii) on comprime un gaz de l'installation contenant au moins autant d'azote que l'air dans un surpresseur froid (85), on l'envoie au premier vaporiseur où il se condense et on envoie le gaz condensé à la colonne moyenne pression ; iii) on envoie un liquide riche en oxygène (37) de la cuve de la colonne basse 15 pression au condenseur de tête pour former un gaz riche en oxygène ; iv) on envoie de l'azote de tête de la colonne moyenne pression au deuxième vaporiseur et on renvoie l'azote ainsi condensé à la colonne moyenne pression ; v) on envoie des liquides (18,17) enrichis en oxygène et en azote de la colonne 20 moyenne pression à la colonne basse pression et vi) on réchauffe un débit riche en azote soutiré de la colonne basse pression et le gaz riche en oxygène dans la ligne d'échange. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz comprimé dans 25 le surpresseur froid (85) est de l'air. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'air destiné à la colonne moyenne pression (9) est prélevé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange (3). 4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz comprimé dans le surpresseur froid (85) est de l'azote provenant de la colonne moyenne pression. 8 2930327 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on détend l'air dans une turbine d'insufflation (4) et/ou une partie de l'azote provenant de la colonne moyenne pression dans une turbine. 5 6. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique dans un installation à une double colonne comprenant une colonne moyenne pression (9), une colonne basse pression (19,39), une ligne d'échange (3), un premier vaporiseur (52) de colonne basse pression et un deuxième vaporiseur (50) de io colonne basse pression, un condenseur de tête (59) de colonne basse pression, des moyens pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange à la colonne moyenne pression, un surpresseur froid (85), des moyens pour envoyer un gaz de l'installation contenant au moins autant d'azote que l'air dans un surpresseur froid, des moyens pour envoyer du gaz 15 surpressé du surpresseur froid au premier vaporiseur où il se condense, des moyens pour envoyer le gaz condensé à la colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer un liquide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête pour former un gaz riche en oxygène, des moyens pour envoyer de l'azote de tête de la colonne moyenne pression 20 au deuxième vaporiseur, des moyens pour envoyer l'azote ainsi condensé à la colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer des liquides enrichis en oxygène et en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des moyens pour envoyer un débit riche en azote soutiré de la colonne basse pression et le gaz riche en oxygène dans la ligne d'échange. 25 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens pour envoyer de l'air au surpresseur froid. 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant des moyens pour 30 prélever l'air destiné à la colonne moyenne pression à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange (3). 9 2930327 9. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens pour envoyer de l'azote provenant de la colonne moyenne pression au surpresseur froid. 5 10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 comprenant une turbine d'insufflation (4) et/ou une turbine reliée à la tête de la colonne moyenne pression.