Brevet FR2943408A1 — publié le 20100924

La présente invention est relative à un procédé et à une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier l'invention concerne les procédés de production d'oxygène avec des puretés au moins égale à 99 mol.%. Le procédé selon l'invention permet de réduire la consommation d'énergie de l'appareil face aux coûts d'énergie toujours grandissants. La réduction de la consommation énergétique des appareils de séparation d'air devient un enjeu croissant au fur et à mesure que le coût de l'énergie augmente. io Toutes les pressions mentionnées sont des pressions absolues. Un appareil de séparation d'air peut produire : - soit de l'oxygène sous pression, pas de liquide (azote LIN ou oxygène LOX) ni d'azote sous pression, et de l'argon liquide (LAR) ; - soit de l'oxygène impur, pas de liquide (LIN ou LOX) ni d'azote sous 15 pression, et avec production d'argon liquide ou non ; Alors il est possible de soutirer en tête de colonne moyenne pression d'une double colonne un débit d'azote gazeux sous pression qui peut être détendu dans une turbine d'azote pour produire du froid sans dégrader pour autant le rendement en oxygène de l'installation. 20 Pour le type de production requis, les appareils à compression exclusivement chaude présentent un écart de température au bout chaud élevé, de l'ordre de 6 à 7°C. Il a déjà été mis en évidence, pour des appareils produisant de l'oxygène impur (avec ou sans argon) et sans production liquide ni azote sous pression, 25 l'intérêt de coupler une turbine d'azote (récupérant de l'azote en tête de colonne moyenne pression) à un surpresseur cryogénique situé sur la ligne d'air haute pression se liquéfiant dans la ligne d'échange, permettant de réduire cet écart de température. Ce type de technologie permet de réduire la consommation énergétique de l'appareil ainsi que la pression au refoulement du surpresseur. 30 Dans le cas de production d'oxygène pur, l'invention ci-jointe met en évidence qu'en utilisant à la fois : a) une turbine d'azote à un surpresseur cryogénique sur la ligne d'air haute pression permettant de réduire l'écart de température au bout chaud de la ligne d'échange et b) une turbine d'air produisant le froid nécessaire à la liquéfaction de la quantité requise d'air pour produire de l'oxygène pur, couplée à un surpresseur chaud sur la même ligne, on parvient à réduire nettement la consommation énergétique de l'unité. Les gains par rapport aux dispositifs existants sont les suivants (pour de l'oxygène gazeux produit à 35 bars) : - 1.5 % d'économie de puissance par rapport à un dispositif de type compresseur principal avec surpresseur d'air et turbine d'azote couplée à un surpresseur cryogénique et sans 2ème ensemble turbine couplé à surpresseur ; io - 2.5 % d'économie de puissance par rapport à un dispositif de type compresseur principal, avec deux surpresseurs chauds d'air en série et un surpresseur chaud en parallèle avec le deuxième surpresseur chaud couplé à une turbine Claude (détendant de l'air et l'envoyant à la colonne moyenne pression) ; 15 - 10 % d'économie de puissance par rapport à un dispositif de type surpresseur froid et récupération de l'énergie de la turbine d'azote via une génératrice ; - 15% d'économie de puissance par rapport à un dispositif de type surpresseur froid sans turbine azote. 20 Cette invention a surtout de l'utilité dans le cadre de production d'oxygène pur. La pression d'air haute pression obtenue au refoulement du surpresseur cryogénique est de l'ordre de 85 bars abs. Pour comparaison, la pression d'air haute pression est de : 25 - env. 80 bar pour un dispositif de type compresseur principal, avec deux surpresseurs chauds d'air en série et un surpresseur chaud en parallèle avec le deuxième surpresseur chaud couplé à une turbine Claude (détendant de l'air et l'envoyant à la colonne moyenne pression) optimisé énergétiquement ; - env. 140 bars pour un dispositif de type compresseur principal + 30 surpresseur d'air avec turbine azote et surpresseur cryogénique ; - env. 40 bars pour un dispositif de type surpresseur froid avec turbine d'azote couplée à une génératrice. Le nombre de machines de l'unité reste raisonnable (un compresseur principal, une machine constituant les surpresseurs 9 et 11 et deux ensembles couplés turbine / surpresseur). Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique au moyen d'un appareil de séparation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression , une colonne basse pression, la colonne moyenne pression et la colonne basse pression étant thermiquement reliées entre elles, et une colonne de séparation d'argon et une ligne d'échange dans lequel : io i) tout l'air est comprimé à la pression de la colonne moyenne pression ii) une partie de l'air à la moyenne pression est envoyé à un bout chaud d'une ligne d'échange, refroidie dans la ligne d'échange et envoyée au moins en partie à la colonne moyenne pression 15 iii) le reste de l'air à la moyenne pression est surpressé dans un premier surpresseur à une première pression supérieure à la moyenne pression iv) l'air à la première pression est divisé en deux v) une fraction de l'air à la première pression est surpressée dans un deuxième surpresseur, refroidie jusqu'à une température intermédiaire de la 20 ligne d'échange, détendue dans une turbine (19) et envoyée à la colonne moyenne pression vi) l'autre fraction de l'air à la première pression est surpressée dans un troisième surpresseur, refroidie à une température intermédiaire T de la ligne d'échange, surpressée dans un surpresseur froid à la température T, renvoyée 25 à la ligne d'échange, refroidie dans la ligne d'échange, détendue puis envoyée au moins en partie à la colonne moyenne pression vii) des débits enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression viii) un liquide riche en oxygène contenant au moins 99 mol. 30 d'oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression, pressurisé puis vaporisé dans la ligne d'échange ix) un gaz enrichi en azote est soutiré de la tête de la colonne basse pression et se réchauffe dans la ligne d'échange x) un gaz enrichi en azote est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression, réchauffé dans la ligne d'échange, détendu dans une turbine d'azote et réchauffé dans la ligne d'échange et xi) un gaz enrichi en argon est soutiré de la colonne basse pression et envoyé à la colonne de séparation d'argon pour produire un débit encore plus enrichi en argon, éventuellement sous forme liquide et/ou éventuellement comme produit final. Selon d'autres aspects facultatifs : - la turbine d'azote entraîne le surpresseur froid et la turbine détendant la io pression de la colonne moyenne pression entraîne le deuxième surpresseur ; - la température intermédiaire T diffère d'au plus 5°C de la température de vaporisation du liquide riche en oxygène ; - l'écart de température de la ligne d'échange au bout chaud ne dépasse pas 2°C ; 15 - la pression de sortie du surpresseur froid est entre 80 et 90 bar abs ; - le premier surpresseur et le troisième surpresseur forment une seule machine et/ ou sont sur le même axe. Eventuellement, le procédé ne produit ni de l'oxygène liquide ni de l'azote liquide comme produits finaux. 20 La colonne moyenne pression peut être thermiquement reliée à la colonne basse pression au moyen d'un rebouilleur de cuve alimenté par tout l'azote de tête gazeux de la colonne moyenne pression. Eventuellement, la colonne de séparation d'argon produit un débit encore plus enrichi en argon, sous forme liquide éventuellement comme produit final. 25 Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique au moyen d'un appareil de séparation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression, une colonne basse pression, la colonne moyenne pression et la colonne basse pression étant thermiquement reliées entre elles, et une colonne de séparation 30 d'argon, une ligne d'échange, un compresseur principal, un premier surpresseur, un deuxième surpresseur, un troisième surpresseur, un surpresseur froid, une turbine d'air, une turbine d'azote , des moyens pour envoyer tout l'air à comprimer au compresseur principal pour le pressuriser à la pression de la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer une partie de l'air à la moyenne pression dans la ligne d'échange et au moins en partie à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer le reste de l'air à la moyenne pression dans le premier surpresseur pour le pressuriser à une première pression supérieure à la moyenne pression, une conduite pour envoyer une fraction de l'air à la première pression au deuxième surpresseur, ensuite à la ligne d'échange, une conduite pour la prélever à une température intermédiaire de la ligne d'échange et pour l'envoyer dans la turbine d'air et ensuite à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer l'autre fraction de l'air à la première pression au troisième surpresseur et pour io l'envoyer du troisième surpresseur à la ligne d'échange, des moyens pour le prélever à une température intermédiaire T de la ligne d'échange et pour l'envoyer au un surpresseur froid à la température T, une conduite pour envoyer l'autre fraction du surpresseur froid à la ligne d'échange, de la ligne d'échange à un moyen de détente et du moyen de détente au moins en partie à la colonne 15 moyenne pression, des conduites pour envoyer des débits enrichis en azote et en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un liquide riche en oxygène contenant au moins 99 mol. % d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, des moyens de pressurisation pour pressuriser le liquide riche en oxygène et des moyens pour 20 envoyer le liquide pressurisé dans la ligne d'échange, une conduite pour soutirer un premier gaz enrichi en azote de la tête de la colonne basse pression et pour l'envoyer se réchauffer dans la ligne d'échange, des moyens pour soutirer un deuxième gaz enrichi en azote de la tête de la colonne moyenne pression, pour le réchauffer dans la ligne d'échange, une conduite pour envoyer 25 le deuxième gaz réchauffé à la turbine d'azote et une conduite pour envoyer le deuxième gaz détendu dans la turbine d'azote se réchauffer dans la ligne d'échange et des moyens pour soutirer un gaz enrichi en argon de la colonne basse pression et pour l'envoyer à la colonne de séparation d'air argon pour produire un débit encore plus enrichi en argon. 30 Eventuellement la turbine d'azote est couplée au surpresseur froid et la turbine d'air est couplée au deuxième surpresseur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui illustré un procédé selon l'invention. Le procédé de la figure permet la production d'oxygène à 99,5 mol.%, de l'azote basse pression et éventuellement de l'argon. Le système de colonnes comprend une double colonne classique avec une colonne moyenne pression 39 thermiquement reliée à une colonne basse pression 41 par un rebouilleur 38 et une colonne argon 51. De l'air 1 est pressurisé à 5 bars dans un compresseur principal 3, refroidi par le refroidisseur 3 puis épuré dans l'unité d'épuration 7. Ensuite l'air est divisé en deux parties 4,6. La partie 6 reste à 5 bars, est refroidie dans la ligne d'échange 21 et envoyée sous forme gazeuse à la colonne moyenne io pression 39. Le reste 4 de l'air est surpressé dans un premier surpresseur 9 jusqu'à environ 30 bars et divisé en deux. Une première fraction 8 est de nouveau surpressée dans un deuxième surpresseur 10 (qui peut être entraîné par le même arbre que le premier surpresseur 9), refroidi dans la ligne d'échange 21 jusqu'à une température intermédiaire et envoyé à une turbine 15 Claude 19, couplée au deuxième surpresseur 10 pour être détendu à la pression de la colonne moyenne pression 39 formant le débit 23. La deuxième fraction 13 est surpressée (à environ 50 bars pour de l'oxygène à 35 bars, la valeur précise dépendant de la pression d'oxygène gazeux produit), refroidie à une température intermédiaire T de la ligne 20 d'échange et envoyé à cette température dans un surpresseur froid 22. L'air ainsi comprimé (à environ 85 bars pour de l'oxygène à 35 bars) est renvoyé à la ligne d'échange, refroidi jusqu'au bout froid de celle-ci puis détendu dans une turbine 31 pour fournir un débit liquide envoyé à la colonne moyenne pression 39. 25 Les débits d'air 6 et 23 sont mélangés et envoyés en cuve de la colonne moyenne pression 39. Du liquide riche 43 de la cuve de la colonne moyenne pression est envoyé à la colonne basse pression 41 et au condenseur de la colonne argon (non-illustré). Du liquide pauvre 35 est envoyé de la colonne moyenne pression 30 39 à la colonne basse pression. De l'oxygène liquide 45 est envoyé de la cuve de la colonne basse pression 41 par la pompe 46 au condenseur 38 et le débit ainsi vaporisé 51 est envoyé à la cuve de la colonne basse pression. La colonne argon 51 est alimenté par un débit enrichi en argon 47 et du liquide de cuve 49 de la colonne argon est renvoyé à la colonne basse pression tandis qu'un débit riche en argon est soutiré de la tête de la colonne. Ce débit peut être rejeté à l'atmosphère ou exploité comme produit selon les besoins. De l'oxygène liquide 37 est soutiré du condenseur 38, pressurisé jusqu'à la pression souhaitée par le client, par exemple 35 bars par la pompe 48 et envoyé à la ligne d'échange 21 pour former le produit 55. La température d'entrée du surpresseur froid 22 est choisie pour différer d'au plus 5°C de la température de vaporisation de l'oxygène liquide. Ce soutirage du condenseur est assimilé à un soutirage en cuve de la colonne basse pression. Les colonnes peuvent évidemment être superposées. io De l'azote gazeux 29 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 39, réchauffé dans la ligne d'échange 21 à une température inférieure à T, détendu dans une turbine d'azote 17, renvoyé au bout froid de la ligne d'échange et réchauffé jusqu'au bout chaud. La turbine d'azote 17 est couplée au surpresseur froid 22. 15 De l'azote résiduaire 53 soutiré de la colonne basse pression se réchauffe dans la ligne d'échange et une partie 57 du débit sert à régénérer l'unité d'épuration 7. Ceci permet d'opérer avec un écart de températures de 2°C au bout chaud de la ligne d'échange 21 et une consommation d'énergie de 0,46 20 kW/Nm3 pour de l'oxygène pur (99.6% mol.) à 35 bars (pour un rendement de turbines de 85%, de surpresseurs de 75% et de pompe d'oxygène liquide de 60%). REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique au moyen d'un appareil de séparation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression (39), une colonne basse pression (41), la colonne moyenne pression et la colonne basse pression étant thermiquement reliées entre elles, et une colonne de séparation d'argon (51) et une ligne d'échange dans lequel : i) tout l'air est comprimé à la pression de la colonne moyenne pression io ii) une partie de l'air à la moyenne pression est envoyé à un bout chaud d'une ligne d'échange (21), refroidie dans la ligne d'échange et envoyée au moins en partie à la colonne moyenne pression iii) le reste de l'air à la moyenne pression est surpressé dans un premier surpresseur (9) à une première pression supérieure à la moyenne 15 pression iv) l'air à la première pression est divisé en deux v) une fraction de l'air à la première pression est surpressée dans un deuxième surpresseur (10), refroidie jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange, détendue dans une turbine (19) et envoyée à la colonne 20 moyenne pression vi) l'autre fraction de l'air à la première pression est surpressée dans un troisième surpresseur (11) , refroidie à une température intermédiaire T de la ligne d'échange, surpressée dans un surpresseur froid (22) à la température T, renvoyée à la ligne d'échange, refroidie dans la ligne d'échange, 25 détendue puis envoyée au moins en partie à la colonne moyenne pression vii) des débits enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression viii) un liquide riche en oxygène contenant au moins 99 mol. 0/0 d'oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression, pressurisé puis 30 vaporisé dans la ligne d'échange ix) un gaz enrichi en azote est soutiré de la tête de la colonne basse pression et se réchauffe dans la ligne d'échange 25 30x) un gaz enrichi en azote est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression, réchauffé dans la ligne d'échange, détendu dans une turbine d'azote (17) et réchauffé dans la ligne d'échange et xi) un gaz enrichi en argon est soutiré de la colonne basse pression et envoyé à la colonne de séparation d'argon pour produire un débit encore plus enrichi en argon, éventuellement sous forme liquide et/ou éventuellement comme produit final. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la turbine d'azote (17) io entraîne le surpresseur froid (22) et la turbine (19) détendant la pression de la colonne moyenne pression entraîne le deuxième surpresseur (10). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la température intermédiaire T diffère d'au plus 5°C de la température de vaporisation du 15 liquide riche en oxygène. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel l'écart de température de la ligne d'échange au bout chaud ne dépasse pas 2°C. 20 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pression de sortie du surpresseur froid (22) est entre 80 et 90 bar abs. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes ne produisant ni de l'oxygène liquide ni de l'azote liquide comme produits finaux. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne moyenne pression est thermiquement reliée à la colonne basse pression au moyen d'un rebouilleur de cuve (38) alimenté par tout l'azote gazeux de tête de la colonne moyenne pression. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne de séparation d'argon (51) produit un débit encore plus enrichi en argon, sous forme liquide éventuellement comme produit final. 9. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique au moyen d'un appareil de séparation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression (39), une colonne basse pression (41), la colonne moyenne pression et la colonne basse pression étant thermiquement reliées entre elles, et une colonne de séparation d'argon (51), une ligne d'échange (21), un compresseur principal (3), un premier surpresseur (9), un deuxième surpresseur (10), un troisième surpresseur (11), un surpresseur froid (22), une turbine d'air (19), une turbine d'azote (17), des moyens pour envoyer tout l'air à comprimer au compresseur principal pour le pressuriser à la pression de la colonne moyenne io pression, une conduite pour envoyer une partie de l'air à la moyenne pression dans la ligne d'échange et au moins en partie à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer le reste de l'air à la moyenne pression dans le premier surpresseur pour le pressuriser à une première pression supérieure à la moyenne pression, une conduite pour envoyer une fraction de l'air à la 15 première pression au deuxième surpresseur, ensuite à la ligne d'échange, une conduite pour la prélever à une température intermédiaire de la ligne d'échange et pour l'envoyer dans la turbine d'air et ensuite à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer l'autre fraction de l'air à la première pression au troisième surpresseur et pour l'envoyer du troisième surpresseur à la ligne 20 d'échange, des moyens pour le prélever à une température intermédiaire T de la ligne d'échange et pour l'envoyer au un surpresseur froid à la température T, une conduite pour envoyer l'autre fraction du surpresseur froid à la ligne d'échange, de la ligne d'échange à un moyen de détente (31) et du moyen de détente au moins en partie à la colonne moyenne pression, des conduites pour 25 envoyer des débits enrichis en azote et en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un liquide riche en oxygène contenant au moins 99 mol. % d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, des moyens de pressurisation (48) pour pressuriser le liquide riche en oxygène et des moyens pour envoyer le liquide pressurisé dans 30 la ligne d'échange, une conduite pour soutirer un premier gaz enrichi en azote de la tête de la colonne basse pression et pour l'envoyer se réchauffer dans la ligne d'échange, des moyens pour soutirer un deuxième gaz enrichi en azote de la tête de la colonne moyenne pression, pour le réchauffer dans la ligne d'échange, une conduite pour envoyer le deuxième gaz réchauffé à la turbined'azote et une conduite pour envoyer le deuxième gaz détendu dans la turbine d'azote se réchauffer dans la ligne d'échange et des moyens pour soutirer un gaz enrichi en argon de la colonne basse pression et pour l'envoyer à la colonne de séparation d'air argon pour produire un débit encore plus enrichi en argon. 10. Installation selon la revendication 9 dans laquelle la turbine d'azote (17) est couplée au surpresseur froid (22) et la turbine d'air (19) est couplée au deuxième surpresseur (10). i0