Brevet FR2930325A1 — publié le 20091023

La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de production d'argon par distillation cryogénique. Dans ce document, deux fluides se vaporisent à sensiblement la même pression s'il y a un écart de pression d'au plus 0,5 bar entre les deux fluides. Tous les pourcentages donnés sont des pourcentages molaires. Un appareil de séparation d'air par distillation cryogéniques comprend souvent une double colonne de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression. Un mélange enrichi en argon et en oxygène est pris dans la colonne basse pression et envoyé à une colonne de séparation d'argon pour produire un fluide riche en argon. Comme illustré à la Figure 2, la colonne de séparation d'argon 1 est alimentée par la conduite 11 avec un fluide enrichi en argon et en oxygène provenant d'une colonne basse pression d'une double colonne de séparation d'air. Un débit (non-illustré) est renvoyé de la cuve de la colonne 1 à la colonne basse pression et un débit riche en argon 9 est soutiré en tête de la colonne 1. Du liquide riche LR 5 est envoyé de la cuve de la colonne moyenne pression au condenseur de tête 3 de la colonne 1 où il se vaporise pour former du liquide riche vaporisé 8. Ces colonnes de séparation argon sont par essence très hautes, compte tenu des propriétés de l'argon et de l'oxygène. Elles fonctionnent également avec un taux de reflux très proche de 1, ce qui amène à des flux traités importants, de l'ordre de 30 à 40 fois la production riche en argon de la colonne. Ainsi, pour des unités de très grandes capacités, les colonnes sont également très larges, ce qui, combinées avec la hauteur nécessaire requise, amène à des coûts importants. Il n'est pas économique de réduire le diamètre de ces colonnes en adoptant un garnissage de plus faible densité pour plusieurs raisons, en particulier: L'augmentation de la hauteur deviendrait trop importante, compte tenu de la perte d'efficacité du garnissage avec la densité. La séparation 02/Ar nécessite un grand nombre d'unité de transfert, que des garnissages de basse densité n'offrent pas de façon économique pour cette séparation La tête de colonne est équipée d'un re-condenseur, et son encombrement est indépendant, en première approche, du diamètre de la colonne. Il n'est pas économique d'intégrer un condenseur de grande taille sur une colonne de petit diamètre. L'objet de l'invention est de diminuer le diamètre de colonne sur la majeure partie de sa hauteur, ainsi que le condenseur de tête d'une colonne de mixture, en particulier sur un appareil de séparation d'air de grosse taille, en vue de réduire l'investissement total du moyen de production d'argon. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un fluide enrichi en argon utilisant une colonne comprenant une première section et une deuxième section et munie d'un premier et d'un deuxième échangeurs condensant tout ou partie des débits gazeux montant des colonnes, le premier échangeur étant situé en tête et le deuxième échangeur étant situé entre la première et la deuxième sections, au plus 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% dans lequel on introduit un mélange comprenant de l'argon et de l'oxygène en cuve de la colonne, on soutire un fluide enrichi en argon en tête de la colonne et les échangeurs utilisent comme fluides frigorigènes des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression et le fluide frigorigène du deuxième échangeur s'y vaporise à une température d'ébullition identique ou supérieure à la température à laquelle se vaporise le fluide frigorigène dans le premier échangeur. Selon d'autres aspects facultatifs : - le fluide frigorigène alimentant le deuxième échangeur est formé en tout ou partie par du liquide soutiré du premier échangeur ; - le deuxième échangeur est situé entre 13 et 60 plateaux théoriques au 25 dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 10/0 et inférieur à 80% ; - le deuxième échangeur est situé entre 18 et 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% et inférieur à 60%. 30 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'un fluide enrichi en argon comprenant une colonne comprenant une première section et une deuxième section placée au-dessus de la première section, la colonne étant munie d'un premier et d'un deuxième échangeurs capables de condenser tout ou partie des débits gazeux montant des colonnes, le premier échangeur étant situé en tête et le deuxième échangeur étant situé au plus 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où, en cours d'opération, la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 10/0, des moyens pour introduire un mélange comprenant de l'argon et de l'oxygène en cuve de la colonne, des moyens pour soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la colonne et des moyens pour envoyer aux échangeurs comme fluides frigorigènes des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression. Optionnellement : - le diamètre de la première section étant supérieur à celui de la 10 deuxième section, de préférence d'au moins 20% ; - l'appareil comprend des moyens pour envoyer comme le fluide frigorigène au deuxième échangeur du liquide soutiré du premier échangeur ; - le volume du premier échangeur est inférieur au volume du deuxième échangeur; 15 - le deuxième échangeur est conçu pour fonctionner avec une différence de température entre le liquide vaporisant et le gaz condensant inférieur à celle du premier échangeur ; - l'appareil comprend des moyens pour envoyer le même liquide comme fluide frigorigène au premier et au deuxième échangeur. 20 Le principe repose sur la répartition du débit de vapeur à condenser entre deux échangeurs : un échangeur intermédiaire et un condenseur de tête. La Figure 1 montre la relation entre les concentrations en argon et en oxygène dans la vapeur, la température et la position dans la colonne en termes de plateaux théoriques pour une colonne selon l'art antérieur. Les 25 concentrations en % et la température en °C sont en ordonnés et le nombre de plateaux théoriques à partir de la cuve de la colonne sont en abscisses. On remarque donc une chute significative de la température jusqu'au 40-60ème plateau théorique, correspondant à l'abaissement significatif de la teneur en oxygène de 10% à De plus le volume de l'échangeur effectuant la vaporisation-condensation dans le premier échangeur 3 est 25% plus petit que celui de l'échangeur du condenseur de tête de l'art antérieur. Ceci permet d'avoir une colonne plus compacte et de réduire les dimensions de la boîte froide. Dans ce cas, le AT (différence de température entre le liquide vaporisant et le gaz condensant) pour le premier échangeur 3 est beaucoup plus petit que celui du deuxième échangeur 3 et légèrement plus petit que celui de l'art antérieur de la Figure 2. Pour la Figure 4, la colonne 1 est divisée en deux sections 1A et 1B, les deux sections étant séparées par un condenseur intermédiaire 7 disposé au plus 60 plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne 1. La colonne reçoit un mélange 11 enrichi en argon et en oxygène provenant de la colonne basse pression de la double colonne et le liquide de cuve de la colonne 1 est renvoyé à la colonne basse pression. Ce mélange se sépare dans les deux sections 1A et 1B, contenant des plateaux ou des garnissages structurés pour former un débit 9 riche en argon en tête de la colonne. Un débit de liquide riche LR 5 provenant de la cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne est envoyé au premier échangeur 3. Une partie du liquide s'y vaporise pour former le débit 8A mais une partie de la purge (liquide très riche LTR) du premier échangeur 3 est envoyée comme le débit 5A au condenseur intermédiaire 7 pour être vaporisée formant le débit 8B. Les échangeurs 3,7 utilisent comme fluides frigorigènes 5,5A des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression. Le fluide frigorigène 5A du deuxième échangeur 3 s'y vaporise à une température d'ébullition supérieure à la température à laquelle se vaporise le fluide frigorigène 5 dans le premier échangeur 3, puisqu'il est enrichi en oxygène par rapport à celui-ci. Un débit liquide riche vaporisé 8B est prélevé dans le deuxième échangeur 3. La section 1B est 20% moins large que la section 1A qui est elle-même 2% moins large que la colonne de l'art antérieur de la Figure 2. De plus le volume de l'échangeur effectuant la vaporisation-condensation dans le premier échangeur 3 est 68% plus petit que celui de l'échangeur du condenseur de tête de l'art antérieur. Ceci permet d'avoir une colonne plus compacte et de réduire les dimensions de la boîte froide. Dans ce cas, le AT pour le premier échangeur 3 est beaucoup plus grand que celui du deuxième échangeur 3 et plus grand que celui de l'art antérieur de 5 la Figure 2. Il sera compris dans les cas des Figures 3 et 4 qu'il y a des moyens permettant à une partie des fluides de contourner le condenseur intermédiaire afin d'assurer la continuité de la distillation. Ces tubulures de contournement pourront être prévues à cet effet. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'un fluide enrichi en argon utilisant une colonne (1) comprenant une première section (1A) et une deuxième section (1B) et munie d'un premier et d'un deuxième échangeurs condensant tout ou partie des débits gazeux montant des colonnes, le premier échangeur (3) étant situé en tête et le deuxième échangeur (7) étant situé entre la première et la deuxième sections, au plus 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% dans lequel on introduit un mélange comprenant de l'argon et de l'oxygène en cuve de la colonne, on soutire un fluide enrichi en argon (9) en tête de la colonne et les échangeurs utilisent comme fluides frigorigènes des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression et le fluide frigorigène du deuxième échangeur s'y vaporise à une température d'ébullition identique ou supérieure à la température à laquelle se vaporise le fluide frigorigène dans le premier échangeur. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le fluide frigorigène alimentant le deuxième échangeur (7) est formé en tout ou partie par du liquide soutiré du premier échangeur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le deuxième échangeur (7) est situé entre 13 et 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne (1) et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% et inférieur à 80%. 4. Procédé selon la revendication 3 lequel le deuxième échangeur (7) est situé entre 18 et 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne (1) et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% et inférieur à 60%. 5. Appareil de production d'un fluide enrichi en argon comprenant une colonne (1) comprenant une première section (1A) et une deuxième section (1B) placée au-dessus de la première section, la colonne étant munie d'unpremier et d'un deuxième échangeurs capables de condenser tout ou partie des débits gazeux montant des colonnes, le premier échangeur (3) étant situé en tête et le deuxième échangeur (7) étant situé au plus 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où, en cours d'opération, la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1 %, des moyens (11) pour introduire un mélange comprenant de l'argon et de l'oxygène en cuve de la colonne, des moyens (9) pour soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la colonne et des moyens pour envoyer aux échangeurs comme fluides frigorigènes des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression. 6. Appareil selon la revendication 5 dans lequel le diamètre de la première section (1A) étant supérieur à celui de la deuxième section (1B), de préférence d'au moins 20%. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6 comprenant des moyens pour envoyer comme le fluide frigorigène au deuxième échangeur (7) du liquide soutiré du premier échangeur (3). 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le volume du premier échangeur (3) est inférieur au volume du deuxième échangeur (7). 9. Appareil selon la revendication 7 ou 8 dans lequel le deuxième échangeur (7) est conçu pour fonctionner avec une différence de température entre le liquide vaporisant et le gaz condensant inférieur à celle du premier échangeur (3). 10. Appareil selon la revendication 5 ou 6 comprenant des moyens pour envoyer le même liquide comme fluide frigorigène au premier et au deuxième échangeurs (3,7).