Brevet FR2947898A1 — publié le 20110114

La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique. Elle vise en particulier à réduire l'énergie de séparation d'un procédé de production de l'oxygène impur, de préférence sans co-production d'azote. L'oxygène impur contient au plus 97,5% mol. d'oxygène, de préférence au plus 95% mol. d'oxygène. Selon l'art antérieur il est connu d'utiliser un appareil de séparation d'air à double colonne dont la colonne basse pression possède deux vaporiseurs. Le vaporiseur de cuve est chauffé par de l'air et l'autre vaporiseur par de l'azote provenant de la colonne haute pression. La puissance de rectification io reste trop importante, puisque la production d'azote moyenne pression est possible, ce qui montre que l'on a mis trop d'énergie dans le système. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : a) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi à un vaporiseur- 15 condenseur placé dans la cuve d'une colonne basse pression d'une double colonne où il se condense au moins partiellement b) on envoie soit de l'air au moins partiellement condensé soit un fluide dérivé de l'air au moins partiellement condensé du vaporiseurcondenseur à une colonne moyenne pression de la double colonne où il se 20 sépare pour former un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène c) on envoie au moins une partie du débit enrichi en oxygène et au moins une partie du débit enrichi en azote à une colonne basse pression de la double colonne pour produire un débit riche en azote et un premier liquide riche en oxygène 25 d) on condense au moins partiellement au moins une partie du débit enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression dans un vaporiseur-condenseur intermédiaire de la colonne basse pression e) on envoie le premier liquide riche en oxygène de la colonne basse pression à un vaporiseur-condenseur de cuve de la colonne basse 30 pression et on chauffe le vaporiseur-condenseur de cuve au moyen de l'air envoyé au vaporiseur-condenseur et éventuellement au moyen du fluide dérivé de l'air caractérisé en ce que le premier liquide riche en oxygène se sépare dans le vaporiseur-condenseur de cuve par effet de déflegmation équivalent à une distillation d'au moins 2 plateaux théoriques et d'au plus 10 plateaux théoriques pour produire un deuxième liquide riche en oxygène plus riche en oxygène que le premier liquide riche en oxygène et un fluide enrichi en azote par rapport au premier liquide riche en oxygène et en ce que l'on soutire le deuxième liquide riche en oxygène d'une partie inférieure du vaporiseurcondenseur de cuve et en ce que l'on soutire le fluide enrichi en azote d'une partie supérieure du vaporiseur-condenseur de cuve. io Selon d'autres caractéristiques facultatifs : - l'échange de chaleur dans le vaporiseur-condenseur de cuve est un échange à contre-courant ; - on envoie de l'air à la partie inférieure du vaporiseur-condenseur de cuve, l'air envoyé au vaporiseur-condenseur de cuve s'y sépare pour former un 15 flux enrichi en oxygène et un flux enrichi en azote et dans lequel le flux enrichi en azote est soutiré d'une partie supérieure du vaporiseur-condenseur de cuve et le flux enrichi en oxygène est soutiré d'une partie inférieure du vaporiseurcondenseur de cuve. Dans ce cas, les flux enrichis servent également à chauffer l'oxygène en plus de l'air ; 20 - on envoie le flux enrichi en azote et/ou le flux enrichi en oxygène à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression ; - on envoie de l'air à la partie inférieure du vaporiseur-condenseur de cuve, l'air s'y condense partiellement en montant et forme un fluide diphasique qui est soutiré d'une partie supérieure du vaporiseur-condenseur. Dans ce cas, 25 le fluide diphasique participe également au chauffage de l'oxygène ; - le vaporiseur-condenseur de cuve est un vaporiseur à film ; - l'enrichissement opéré sur le premier liquide riche en oxygène est équivalent à une distillation utilisant au plus 5 plateaux théoriques de distillation ; 30 - le vaporiseur-condenseur de cuve est un échangeur en aluminium à plaques et à ailettes brasées ; - le premier liquide riche en oxygène a une pureté de P % mol. et le deuxième liquide riche en oxygène a une pureté d'entre (P+3) % mol. et (P+15) % mol., voire entre (P+5) % mol. et (P+10) % mol. Une double colonne est classiquement constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, superposées ou pas, thermiquement reliées entre elles par un ou, dans ce cas deux, vaporiseur(s)-condenseur(s). Le principe d'un déflegmateur entre les colonnes de moyenne et de basse pression d'un appareil de séparation d'air est connu de US-A-3756035 io et US-A-3535886. Contrairement au déflegmateur classique complet connu de ces documents, selon l'invention, le nombre de plateaux théoriques de distillation nécessaire coté oxygène est très réduit : l'équipement reste dimensionné par l'échange thermique (et non l'échange de matière comme dans le cas classique) : on peut donc utiliser une technologie d'échange 15 thermique éprouvée telle qu'un échangeur aluminium à plaques et ailettes brasées, par exemple de type vaporiseur à film (avec ici l'oxygène gazeux qui ressort par le haut, au lieu de sortir par le bas). Ceci permet de réduire la pression d'air et de gagner environ 2.7% sur l'énergie de séparation par rapport à un appareil à double colonne avec deux 20 vaporiseurs-condenseurs dans la colonne basse pression mais dans lesquels aucune déflegmation n'intervient. L'invention sera décrite en plus de détail en faisant référence aux figures. La Figure 1 est un graphique montrant en abscisses la position en élévation dans le condenseur-rebouilleur de cuve, en ordonnées à gauche la 25 température en °C, en ordonnées à droite la différence de température en °C entre les passages de réchauffement pour l'oxygène et les passages de refroidissement pour l'air. La Figure 2 montre une installation pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Dans la Figure 1, on observe que le premier liquide riche en oxygène 30 est envoyé par le haut du vaporiseur-condenseur de cuve à -182,5°C (par exemple, à 88% mol. 02). La partie qui se vaporise ressort par le haut à contre- courant. Le deuxième liquide riche en oxygène sort par le bas à -181,4°C (par ex à 95% mol. 02). Un gaz enrichi en azote par rapport au premier liquide riche en oxygène sort par le haut du vaporiseur-condenseur. Ainsi, une distillation a lieu dans l'échangeur, avec un nombre de plateaux théoriques supérieur à 2 mais au plus égal à 10, préférentiellement au plus égal à 5. L'air entre par le bas du vaporiseur-condenseur de cuve à -180,2°C et se condense partiellement en sortant entièrement par le haut du vaporiseurcondenseur à -180,9°C sous forme biphasique. Le liquide (sous forme de film ou de gouttelettes) est entraîné vers le haut grâce à une vitesse de gaz suffisante. La perte de charge qui est résulte n'est pas pénalisante pour l'écart minimal de l'échangeur, car l'écart minimal (ici 1,2°C) se situe vers les plateaux io théoriques du bas (soit au début de la condensation) et l'écart de température a tendance à s'écarter par la suite, ce qui permet de contrecarrer l'effet de la perte de charge. Aucune distillation n'a lieu du côté de l'air. Dans la Figure 2, une installation de séparation comprend un compresseur 3, une unité d'épuration 5, un surpresseur 11, une turbine 31 et 15 une double colonne, avec une colonne moyenne pression 13 et une colonne basse pression 15. La colonne basse pression contient un vaporiseurcondenseur intermédiaire 19 et un vaporiseur-condenseur de cuve 17. De l'air 1 est envoyé au compresseur 3 et comprimé à une pression qui est substantiellement celle de la colonne moyenne pression 13. Des pressions 20 plus basses ou plus élevées peuvent être choisies. Ensuite l'air est épuré dans l'unité d'épuration 5 puis divisé en deux. Une partie 7 se refroidit dans la ligne d'échange 49 et est envoyée entièrement au vaporiseur-condenseur 17. Cet air 7 rentre par le bas du vaporiseur-condenseur de cuve 17 et soit s'y condense partiellement soit y est séparé. Dans le cas de la condensation partielle qui est 25 celui illustré, un fluide biphasique est récupéré en haut du vaporiseurcondenseur 17 et envoyé sous cette forme à la colonne moyenne pression 13 en dessous de l'arrivée d'air liquide. Dans le cas où le vaporiseur-condenseur fonctionne comme un déflegmateur pour l'air, un fluide enrichi en azote est produit en haut du 30 vaporiseur-condenseur 17 et un fluide enrichi en oxygène est récupéré en bas de celui-ci, les deux fluides étant ensuite envoyés à la colonne moyenne pression 13, sans être mélangés ou après avoir été mélangés. Une autre partie 9 de l'air provenant de l'unité d'épuration 5 est surpressée dans un surpresseur 11 et envoyée à l'échangeur 49 puis ensuite à un vaporiseur externe 25 où elle se condense. L'air ainsi condensé est détendu dans une vanne 29 à la pression de la colonne moyenne pression 13 quelques plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne. Dans la colonne moyenne pression 13, l'air se sépare pour former un liquide enrichi en oxygène 41 et un gaz enrichi en azote. Le liquide enrichi en oxygène 41 est refroidi dans un sous-refroidisseur 21, détendu et envoyé à la colonne basse pression 15. De l'air liquide 39 est refroidi dans le sous-refroidisseur 21, détendu et envoyé à la colonne basse pression 15 à un niveau supérieur et de l'azote liquide de la tête de la colonne moyenne pression est refroidi dans le sous-refroidisseur 21, détendu et envoyé à tête de la colonne basse pression 15. De l'azote de la tête de la colonne basse pression 15 se réchauffe dans le sous-refroidisseur 21 et ensuite dans 15 l'échangeur 49 avant d'être rejeté à l'atmosphère comme azote résiduaire. De l'azote gazeux de la colonne moyenne pression 13 est divisé en deux et envoyé en partie au vaporiseur-condenseur intermédiaire 19 où il se condense avant d'être renvoyé à la colonne moyenne pression 13 et/ou à la colonne basse pression 15. 20 Le reste 33 de l'azote gazeux de la colonne moyenne pression 13 est réchauffé partiellement dans l'échangeur 49 puis détendu dans la turbine 31 qui fournit les frigories de l'installation. L'azote détendu est ensuite réchauffé dans l'échangeur 49 et utilisé pour la régénération de l'unité d'épuration 5. Si le débit est insuffisant, on peut prendre une partie 45 de l'azote résiduaire (à plus 25 basse pression) que l'on comprime dans une soufflante 45 pour le mélanger au débit turbiné. Le vaporiseur-condenseur 17 de cuve est un échangeur en aluminium à plaques et à ailettes brasées, par exemple de type vaporiseur à film. Dans ce cas, l'oxygène gazeux vaporisé dans le vaporiseur-condenseur ressort par le 30 haut du vaporiseur-condenseur, au lieu de sortir par le bas. On alimente le vaporiseur-condenseur 17 par le premier liquide enrichi par le haut, à l'aide d'une distribution adéquate, à partir du liquide provenant de la section de distillation située au dessus du vaporiseur-condenseur 17. De l'oxygène liquide 22 ayant une pureté d'au plus 97,5% mol. d'oxygène, voire d'au plus 95 % mol. d'oxygène, est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 15, pressurisé par une pompe 23 et envoyé à un vaporiseur 25. Un débit de purge 27 est soutiré du vaporiseur 25 et l'oxygène gazeux est réchauffé dans l'échangeur 49. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : a) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi à un vaporiseurcondenseur (17) placé dans la cuve d'une colonne basse pression (15) d'une double colonne où il se condense au moins partiellement b) on envoie soit de l'air au moins partiellement condensé, soit un fluide dérivé de l'air au moins partiellement condensé du vaporiseurcondenseur à une colonne moyenne pression (13) de la double colonne où il se sépare pour former un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène c) on envoie au moins une partie du débit enrichi en oxygène et au moins une partie du débit enrichi en azote à une colonne basse pression de la double colonne pour produire un débit riche en azote et un premier liquide 15 riche en oxygène d) on condense au moins partiellement au moins une partie du débit enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression dans un vaporiseur-condenseur intermédiaire (19) de la colonne basse pression e) on envoie le premier liquide riche en oxygène de la colonne basse 20 pression à un vaporiseur-condenseur de cuve de la colonne basse pression et on chauffe le vaporiseur-condenseur de cuve au moyen de l'air envoyé au vaporiseur-condenseur et éventuellement au moyen du fluide dérivé de l'air caractérisé en ce que le premier liquide riche en oxygène se sépare dans le vaporiseur-condenseur de cuve par effet de déflegmation équivalent à 25 une distillation d'au moins 2 plateaux théoriques et d'au plus 10 plateaux théoriques pour produire un deuxième liquide riche en oxygène plus riche en oxygène que le premier liquide riche en oxygène et un fluide enrichi en azote par rapport au premier liquide riche en oxygène et en ce que l'on soutire le deuxième liquide riche en oxygène d'une partie inférieure du vaporiseur- 30 condenseur de cuve et en ce que l'on soutire le fluide enrichi en azote d'une partie supérieure du vaporiseur-condenseur de cuve . 20 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie de l'air à la partie inférieure du vaporiseur-condenseur de cuve (17), l'air envoyé au vaporiseur-condenseur de cuve s'y sépare pour former un flux enrichi en oxygène et un flux enrichi en azote et dans lequel le flux, enrichi en azote est soutiré d'une partie supérieure du vaporiseur-condenseur de cuve et le flux enrichi en oxygène est soutiré d'une partie inférieure du vaporiseurcondenseur de cuve. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on envoie le flux io enrichi en azote et/ou le flux enrichi en oxygène à la colonne moyenne pression (13) et/ou à la colonne basse pression (15). 4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie de l'air à la partie inférieure du vaporiseur-condenseur de cuve (17), l'air s'y condense 15 partiellement en montant et forme un fluide diphasique qui est soutiré d'une partie supérieure du vaporiseur-condenseur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le vaporiseur-condenseur de cuve (17) est un vaporiseur à film. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'enrichissement opéré sur le premier liquide riche en oxygène est équivalent à une distillation utilisant au plus 5 plateaux théoriques de distillation. 25 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le vaporiseur-condenseur de cuve (17) est un échangeur en aluminium à plaques et à ailettes brasées. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel 30 le premier liquide riche en oxygène a une pureté de P % mol. et le deuxième liquide riche en oxygène a une pureté d'entre (P+3) % mol. et (P+15) % mol., voire entre (P+5) % mol. et (P+10) % mol. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échange de chaleur qui s'effectue dans le vaporiseur-condenseur de cuve (17) est un échange à contre-courant. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'air est introduit par le bas du vaporiseur-condenseur de cuve (17) et l'oxygène par le haut du vaporiseur-condenseur de cuve.