Brevet FR2945111A1 — publié le 20101105

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Dans l'objectif d'éviter l'émission de CO2 dans l'atmosphère, les cycles d'oxycombustion trouvent un intérêt croissant. La taille des appareils de séparation d'air liée à la centrale pour la combustion avec l'oxygène au lieu d'air doit être beaucoup plus grande que les plus gros des appareils de séparation d'air existants. Pour ne pas trop dégrader l'efficacité globale de l'ensemble centrale électrique/appareil de séparation d'air, de l'oxygène avec un coût spécifique très bas est demandé, tout en gardant des coûts d'investissement le plus bas possible. Il n'existe pratiquement pas de besoin d'une production d'azote. Aujourd'hui, on recherche des procédés toujours plus performants pour satisfaire les demandes en oxygène de l'oxycombustion; regardant la taille possible et probable de ce marché, l'invention de nouveaux schémas spécialisés pour l'oxycombustion est nécessaire. On entend par le terme �oxycombustion� une combustion au cours de laquelle le charbon est brûlé dans un fluide pauvre en azote pouvant aller de l'oxygène pur (> 95 % mol.) à un fluide contenant entre 75 et 95 0/0 mol. d'oxygène. Un des points faibles des processus existants est le vaporiseur/condenseur : • Déjà pour les appareils de séparation d'air de grande capacité d'aujourd'hui (4000 t/j), il y a des problèmes pour les installer dans la virole ; ce problème va s'aggraver encore plus avec les capacités envisagées. • Même avec une meilleure épuration de l'air et/ou d'autres technologies, il y aura toujours le danger d'une vaporisation à sec et l'accumulation des hydrocarbures dans le vaporiseur, ce qui peut mener à des accidents graves. • Le vaporiseur demeurera un des éléments très coûteux, dû à sa construction et au matériel utilisé, généralement l'aluminium. Un but de l'invention est de montrer un procédé de séparation de l'air pour la production d'oxygène très basse pression (allant de 1.2 à 5barabs, ou inférieur à 4 bars, les exemple détaillés concernant une pression de 1.7 barabs) et à basse pureté (entre 75 et 95 % mol.) avec une énergie de séparation très basse, tout en respectant les contraintes des débits très élevées. En sus, aucun vaporiseur n'est nécessaire dans le schéma proposé. Par contre, il est possible d'opérer le procédé selon l'invention en dehors de ces gammes de pureté et de pression. 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 et US-A-3535886. Toutes les pressions sont des pressions absolues. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de distillation cryogénique de l'air pour la production d'oxygène gazeux à une pureté d'entre 75 et 95 mol. %, notamment d'entre 85 et 95 mol% et une pression inférieure à 5 bar abs, notamment inférieur à 2 bars abs avec une double colonne comprenant une colonne moyenne pression qui est intégralement ou partiellement thermiquement couplée avec une colonne basse pression, de préférence au moyen d'un déflegmateur,caractérisé en ce qu'une première partie de l'air destiné à la double colonne est refroidie dans une ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange, comprimée dans un surpresseur froid, envoyée de nouveau à la ligne d'échange et ensuite envoyée à une colonne de la double colonne. Selon un autre objet de l'invention : - on détend un débit d'azote provenant de la colonne moyenne pression dans une turbine d'azote ; - une deuxième partie de l'air se refroidit dans la ligne d'échange et est envoyée en cuve d'une colonne de mélange et un débit d'oxygène liquide est envoyé de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, un débit de gaz riche en oxygène est soutiré de la tête de la colonne de mélange et réchauffé dans la ligne d'échange ; - on réchauffe l'oxygène liquide en amont de la colonne de mélange par échange de chaleur avec un débit d'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression, de préférence après avoir détendu dans la turbine d'azote ; - la première partie de l'air est envoyée en aval du surpresseur froid à un vaporiseur d'oxygène, distinct de la ligne d'échange, alimenté par un débit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression, éventuellement pressurisé, la première partie de l'air est au moins partiellement liquéfiée et envoyée à la double colonne et l'oxygène liquide est au moins partiellement vaporisé et l'oxygène gazeux produit se réchauffe dans la ligne d'échange ; - la colonne moyenne pression opère à entre 3,5 bars et 4,3 bars. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de distillation cryogénique de l'air capable de produire de l'oxygène gazeux à une pureté d'entre 75 et 95 mol. %%, notamment d'entre 85 et 95 mol% et une pression inférieure à 5 bar abs notamment inférieur à 2 bars abs comprenant une ligne d'échange et une double colonne comprenant une colonne moyenne pression qui est totalement ou partiellement thermiquement couplée avec une colonne basse pression, de préférence au moyen d'un déflegmateur, caractérisé en ce qu'il comprend un surpresseur froid et une conduite pour envoyer une première partie de l'air destiné à la double colonne dans une ligne d'échange pour la refroidir jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange, une conduite pour envoyer la première partie de l'air ainsi refroidie au surpresseur froid, une conduite pour envoyer la première partie de l'air du surpresseur froid de nouveau à la ligne d'échange et une conduite pour envoyer la première partie de l'air surpressée dans le surpresseur froid et refroidie à une colonne de la double colonne. L'appareil comprend éventuellement : - une turbine d'azote et une conduite pour envoyer un débit d'azote provenant de la colonne moyenne pression dans la turbine d'azote ; - une colonne de mélange, une conduite pour envoyer une deuxième partie de l'air se refroidir dans la ligne d'échange et ensuite en cuve de la colonne de mélange, une conduite pour envoyer un débit d'oxygène liquide de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange et une conduite pour soutirer un débit de gaz riche en oxygène de la tête de la colonne de mélange et l'envoyer à la ligne d'échange ; - un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer l'oxygène liquide en amont de la colonne de mélange à l'échangeur pour échange de chaleur avec un débit d'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression, de préférence en aval de la turbine d'azote ; - un vaporiseur d'oxygène, une conduite pour envoyer la première partie de l'air en aval du surpresseur froid au vaporiseur d'oxygène, une conduite pour envoyer au vaporiseur d'oxygène par un débit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression, éventuellement en aval d'un moyen de pressurisation, une conduite pour envoyer la première partie de l'air au moins partiellement liquéfiée à la double colonne et une conduite pour envoyer l'oxygène liquide au moins partiellement vaporisé dans la ligne d'échange. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures qui illustrent des procédés selon l'invention. Le procédé de la Figure 1 utilise un déflegmateur entre les colonnes de moyenne et de basse pression d'un appareil de séparation d'air, soutire l'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression pour y éviter la vaporisation à sec et transforme ce liquide dans une colonne de mélange. Les colonnes moyenne et basse pression sont couplées entre elles au moyen d'un déflegmateur. Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur principal 3 et divisé en deux. Une première partie 5 de l'air est envoyée directement à une ligne d'échange principale 7. Cette première partie 5 est soutirée de la ligne d'échange à un niveau intermédiaire de celle-ci, détendue dans une turbine 9 et envoyée en cuve d'une colonne de mélange 11 opérant à entre 1,8 et 2,1 bars, voire plus selon la pression de production de l'oxygène. La deuxième partie 13 de l'air est surpressée dans un surpresseur 15, envoyée à la ligne d'échange 7, soutirée à un niveau intermédiaire, comprimé dans un compresseur froid 17, renvoyée au bout chaud de la ligne d'échange 7 et ensuite refroidie dans la ligne d'échange avant d'être envoyée à la colonne moyenne pression 19 d'une double colonne 21 sous forme gazeuse. Cette colonne moyenne pression 19 opérant à entre 3,5 et 4 bars est posée côte à côte contre la colonne basse pression 23, opérant à environ 1,4 bar en cuve et 1,35 bar en tête, de sorte qu'il y a un échange de chaleur entre la paroi de la colonne moyenne pression et la paroi de colonne basse pression, de sorte qu'il constitue un ensemble à déflegmateur. L'air se sépare dans la colonne moyenne pression pour former un liquide enrichi en oxygène en cuve de colonne et un gaz enrichi en azote en tête de colonne. Le liquide enrichi en oxygène 25 est détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 23. Le gaz enrichi en azote 27 est divisé en deux. Une première partie enrichie en azote 29 est détendue dans une turbine 31 sans avoir été refroidie. La deuxième partie 32 est envoyée à la ligne d'échange 7 où elle se réchauffe partiellement, est détendue dans une turbine 33 et renvoyée à la ligne d'échange pour poursuivre son réchauffement jusqu'au bout chaud. Un liquide enrichi en azote 37 est soutiré d'un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression 19, détendue puis envoyée en tête de la colonne basse pression 23. Un gaz enrichi en azote 39 est soutiré en tête de la colonne basse pression 23 et se réchauffe dans la ligne d'échange principale 7. Un liquide riche en oxygène 41 est soutiré en cuve de la colonne basse pression 23, pressurisé par une pompe 52 et se refroidit contre la première partie d'azote détendu provenant de la turbine 31 dans un échangeur 39. L'azote détendu ainsi liquéfié est envoyé en tête de la colonne basse pression 23. Le liquide riche en oxygène est partiellement vaporisé dans l'échangeur 39 pour former un fluide diphasique. Le fluide diphasique riche en oxygène 41 est envoyé de l'échangeur 38 à la tête de la colonne de mélange 11. En tête de la colonne de mélange, de l'oxygène gazeux 43 est soutiré, envoyé à la ligne d'échange 7 et réchauffé pour former le produit principal de l'appareil contenant entre 75 et 95 mol. % d'oxygène à une pression inférieure à 5 bars, voire inférieur à 4 bars ou inférieur à 2 bars. Le liquide de cuve 45 et un liquide intermédiaire 47 de la colonne de mélange sont détendus et envoyés à la colonne basse pression 23 au même niveau que le liquide enrichi en oxygène. En ajoutant un groupe frigorifique dans la ligne d'échange principale, l'écart au bout chaud est de 3 K et monte jusqu'au bout froid à environ 7 K avec une différence logarithmique moyenne de température d'environ 2.5K. Ce schéma possède une énergie de séparation d'environ 0.283 kWh/Nm3, pour de l'oxygène à 1,7 bars, inférieure à celle que l'on trouve pour les schémas de l'art antérieur, en particulier, ceux de US-A-5592832, US-A-6079223, EP-A-1050729 et US-A-6318119. Ce chiffre de 0.283 kWh/Nm3 est obtenu avec une vaporisation partielle de l'oxygène d'environ 10% dans la ligne d'échange avant la colonne de mélange. L'échangeur 38 permettant la vaporisation partielle et la turbine froide 31 pour l'azote moyen pression peuvent être supprimés avec une petite dégradation de l'énergie de séparation. La pureté de l'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression est de 97.8% mol. pour ce cas particulier. La pression en tête de la colonne moyenne pression est d'environ 4.3 barabs. La différence de température minimale peut même être diminuée jusqu'à 0 K en baissant la pression de la colonne moyenne pression . Si le processus d'oxycombustion permet une pureté de l'oxygène de 90 % mol., l'énergie de séparation diminue à environ 0.261 kWh/Nm3, pour 85 % mol., même à environ 0.246 kWh/Nm3, tout en gardant le rendement à 99 %. Ceci s'explique par la chute de la pression de la colonne moyenne pression de 4.3 barabs pour 95 % mol. de pureté jusqu'à 3.55 barabs pour 85 % mol. de pureté. Le processus de la Figure 2 utilise un déflegmateur entre les colonnes de moyenne et de basse pression d'un appareil de séparation d'air, soutire d'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression pour y éviter la vaporisation à sec et transforme ce liquide en vapeur dans un vaporiseur. Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur principal 3 et divisé en deux. Une première partie 5 de l'air est envoyée directement à une ligne d'échange principale 7 où elle se refroidit avant être envoyée à la colonne moyenne pression 19 sous forme gazeuse La deuxième partie 13 de l'air est surpressée dans un surpresseur 15, envoyée à la ligne d'échange 7, soutirée à un niveau intermédiaire, comprimée dans un compresseur froid 17, renvoyée au bout chaud de la ligne d'échange 7 et ensuite refroidie dans la ligne d'échange avant d'être envoyée au vaporiseur d'oxygène 51 où elle se condense au moins partiellement. L'air au moins partiellement condensé est divisé en deux débits 16,18 envoyés respectivement à la colonne moyenne pression 19 et à la colonne basse pression 23. Cette colonne moyenne pression 19 opérant à entre 3,5 bar et 4,3 bar est posée côte à côte contre la colonne basse pression 23 opérant à environ 1,4 bar en cuve et 1,35 bar en tête, de sorte qu'il y a un échange de chaleur entre la paroi de la colonne moyenne pression et la paroi de colonne basse pression à travers un déflegmateur. L'air se sépare dans la colonne moyenne pression 19 pour former un liquide enrichi en oxygène en cuve de colonne et un gaz enrichi en azote en tête de colonne. Le liquide enrichi en oxygène 25 est détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 23. Le gaz enrichi en azote 27 est détendu dans une turbine 33 et renvoyé à la ligne d'échange pour poursuivre son réchauffement jusqu'au bout chaud. Un liquide enrichi en azote 37 est soutiré d'un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression 19, détendu puis envoyé en tête de la colonne basse pression 23. Un gaz enrichi en azote 39 est soutiré en tête de la colonne basse pression 23 et se réchauffe dans la ligne d'échange principale 7. Un liquide riche en oxygène est soutiré en cuve de la colonne basse pression 23, pressurisé par la pompe 52 puis envoyé au vaporiseur d'oxygène où il se vaporise. Ensuite, l'oxygène se réchauffe pour former le produit principal 53 de l'appareil, de l'oxygène gazeux ayant une pureté entre 75 et 95 mol. % d'oxygène qui se réchauffe dans l'échangeur 7. Le compresseur froid de ces schémas est entraîné uniquement par la turbine d'air 9 de la Figure 1 ou par la turbine d'azote 33 des deux figures. Des schémas simplifiés avec moins des compresseurs/turbines sont facilement envisageables.30 REVENDICATIONS1. Procédé de distillation cryogénique de l'air pour la production d'oxygène gazeux à une pureté d'entre 75 et 95 mol. %, notamment d'entre 85 et 95 mol% et une pression inférieure à 5 bar abs, notamment inférieur à 2 bars abs avec une double colonne (21) comprenant une colonne moyenne pression (19) qui est intégralement ou partiellement thermiquement couplée avec une colonne basse pression (23),de préférence au moyen d'un déflegmateur, caractérisé en ce qu'une première partie de l'air destiné à la double colonne est refroidie dans une ligne d'échange (7) jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange, comprimée dans un surpresseur froid (17), envoyée de nouveau à la ligne d'échange et ensuite envoyée à une colonne de la double colonne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détend un débit d'azote provenant de la colonne moyenne pression dans une turbine d'azote (31,33). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel une deuxième partie de l'air se refroidit dans la ligne d'échange et est envoyé en cuve d'une colonne de mélange (11) et un débit d'oxygène liquide est envoyé de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange, un débit de gaz riche en oxygène est soutiré de la tête de la colonne de mélange et réchauffé dans la ligne d'échange. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel on réchauffe l'oxygène liquide en amont de la colonne de mélange (11) par échange de chaleur avec un débit d'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression, de préférence après l'avoir détendu dans la turbine d'azote (31). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première partie de l'air est envoyée en aval du surpresseur froid (17) à un vaporiseur d'oxygène (51), distinct de la ligne d'échange, alimenté par un débit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression (23), éventuellement pressurisé, la première partie de l'air est au moins partiellement liquéfiée et envoyée à la double colonne et l'oxygène liquide est au moins partiellement vaporisé et l'oxygène gazeux produit se réchauffe dans la ligne d'échange. 6. Appareil de distillation cryogénique de l'air capable de produire de l'oxygène gazeux à une pureté d'entre 75 et 95 mol. %%, notamment d'entre 85 et 95 mol% et une pression inférieure à 5 bar abs notamment inférieur à 2 bars abs comprenant une ligne d'échange (7) et une double colonne (21) comprenant une colonne moyenne pression (19) qui est totalement ou partiellement thermiquement couplée avec une colonne basse pression (23), de préférence au moyen d'un déflegmateur, caractérisé en ce qu'il comprend un surpresseur froid (17) et une conduite pour envoyer une première partie de l'air destiné à la double colonne dans la ligne d'échange pour la refroidir jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange, une conduite pour envoyer la première partie de l'air ainsi refroidie au surpresseur froid, une conduite pour envoyer la première partie de l'air du surpresseur froid de nouveau à la ligne d'échange et une conduite pour envoyer la première partie de l'air surpressée dans le surpresseur froid et refroidie à une colonne de la double colonne. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant une turbine 25 d'azote (31,33) et une conduite pour envoyer un débit d'azote provenant de la colonne moyenne pression dans la turbine d'azote. 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant une colonne de mélange, une conduite pour envoyer une deuxième partie de l'air se 30 refroidir dans la ligne d'échange et ensuite en cuve de la colonne de mélange, une conduite pour envoyer un débit d'oxygène liquide de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange (11) et une conduite pour soutirer un débit de gaz riche en oxygène de la tête de la colonne de mélange et l'envoyer à la ligne d'échange. 9. Appareil selon la revendication 8 comprenant un échangeur de chaleur (38), une conduite pour envoyer l'oxygène liquide en amont de la colonne de mélange à l'échangeur pour échange de chaleur avec un débit d'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression, de préférence en aval de la turbine d'azote (31). 10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 comprenant un vaporiseur d'oxygène (51), une conduite pour envoyer la première partie de l'air en aval du surpresseur froid au vaporiseur d'oxygène, une conduite pour envoyer au vaporiseur d'oxygène par un débit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression (23), éventuellement en aval d'un moyen de pressurisation (52), une conduite pour envoyer la première partie de l'air au moins partiellement liquéfiée à la double colonne et une conduite pour envoyer l'oxygène liquide au moins partiellement vaporisé dans la ligne d'échange (7).