Brevet FR2943773A1 — publié le 20101001

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, en particulier à un procédé et à un appareil visant la production d'argon. Pour des raisons d'efficacité énergétique globale d'un appareil de séparation d'air, on peut être amené à produire une mixture gazeuse enrichie en argon, à une pureté commerciale ou non, qui est ensuite re-mélangée à l'azote résiduaire. Cette mixture gazeuse est généralement soutirée en tête de la colonne de séparation d'argon. Cependant, la répartition de pression entre la tête de colonne de séparation d'argon et l'azote résiduaire rend difficile le re- mélange car il y a peu de différentiel de pression. Il est proposé d'améliorer l'état de l'art en utilisant la pression hydrostatique de l'argon liquide. En effet, il suffit de soutirer la mixture enrichie en argon sous forme liquide de la colonne de séparation d'argon, puis de la vaporiser dans un échangeur situé au moins 5m plus bas que le point de soutirage. Ainsi, la vapeur obtenue est à une pression suffisamment élevée pour permettre une régulation fiable du re-mélange dans l'azote résiduaire. Deux autres avantages sont induits par cette méthode : • La mixture étant produite sous forme liquide, on peut indifféremment la vaporiser comme décrit précédemment, ou l'envoyer à une colonne de déazotation. Il n'y a pas de différence de fonctionnement de la colonne de production de mixture. • La vaporisation dans l'échangeur, typiquement le sous refroidisseur, est favorable énergétiquement car elle apporte une source supplémentaire de sous refroidissement des liquides. Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant une ligne d'échange, un système de colonnes alimenté par un débit d'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange, une colonne de séparation d'argon alimentée par un débit enrichi en argon provenant du système de colonnes, des moyens pour envoyer un débit liquide riche en argon d'un point de soutirage de la colonne de séparation d'argon à un échangeur de chaleur, des moyens pour prélever de l'échangeur au moins une partie du débit liquide vaporisé, des moyens pour envoyer un débit enrichi en azote du système de colonnes à la ligne d'échange, des moyens pour mélanger au moins une partie du débit liquide vaporisé avec au moins une partie du débit enrichi en azote en amont de la ligne d'échange, le point de soutirage de la colonne de séparation d'argon étant disposé au moins 3 mètres, voire au moins 5 mètres au-dessus de l'échangeur. Optionnellement, l'installation comprend : - des moyens pour envoyer un deuxième débit liquide riche en argon du point de soutirage au système de colonnes, en particulier à une colonne de déazotation ; - des moyens pour prélever un débit riche en argon de la colonne de séparation d'argon ou dérivé de la colonne de séparation d'argon comme 10 produit final ; - des moyens pour faire varier le débit liquide vaporisé en fonction de la quantité du débit riche en argon requis comme produit final ; - des moyens pour envoyer à l'échangeur au moins un liquide à sous- refroidir provenant du système de colonnes et/ou destiné au système de 15 colonnes ou à un condenseur de la colonne de séparation d'argon ou à un condenseur de la colonne de déazotation ; - le ou les liquides à sous-refroidir comprennent un liquide riche en argon et/ou un liquide enrichi en oxygène et/ou de l'air liquéfié et/ou un liquide enrichi en azote ; 20 - des moyens pour envoyer un gaz froid du système de colonnes à l'échangeur ; - le gaz froid est le débit enrichi en azote provenant du système de colonnes et que le débit liquide vaporisé est mélangé avec le débit enrichi en azote en aval de l'échangeur ; 25 - l'échangeur fait partie de ou constitue la ligne d'échange. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans un appareil comprenant une ligne d'échange, un système de colonnes alimenté par un débit d'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange, une colonne de séparation d'argon alimentée par un débit enrichi en argon 30 provenant du système de colonnes, dans lequel on envoie un débit liquide riche en argon d'un point de soutirage de la colonne de séparation d'argon à un échangeur de chaleur, on prélève de l'échangeur au moins une partie du débit liquide vaporisé, on envoie un débit enrichi en azote du système de colonnes à la ligne d'échange, on mélange au moins une partie du débit liquide vaporisé avec au moins une partie du débit enrichi en azote en amont de la ligne d'échange, le point de soutirage de la colonne de séparation d'argon étant disposé au moins 3 mètres, voire au moins 5 mètres au-dessus de l'échangeur. Optionnellement, le procédé comprend l'étape de : - envoyer un deuxième débit liquide riche en argon du point de soutirage au système de colonnes, en particulier à une colonne de déazotation ; - prélever un débit riche en argon de la colonne de séparation d'argon ou dérivé de la colonne de séparation d'argon comme produit final ; - faire varier le débit liquide vaporisé en fonction de la quantité du débit 10 riche en argon requis comme produit final ; - envoyer à l'échangeur au moins un liquide à sous-refroidir provenant du système de colonnes et/ou destiné au système de colonnes ou à un condenseur de la colonne de séparation d'argon ou à un condenseur de la colonne de déazotation ; 15 - sous-refroidir un liquide riche en argon et/ou un liquide enrichi en oxygène et/ou de l'air liquéfié et/ou un liquide enrichi en azote ; - envoyer un gaz froid du système de colonnes à l'échangeur, le gaz froid pouvant être le débit enrichi en azote provenant du système de colonnes et que le débit liquide vaporisé est mélangé avec le débit enrichi en azote en 20 aval de l'échangeur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui représente un appareil de séparation d'air selon l'invention. Un débit d'air gazeux 2 comprimé et épuré est refroidi dans une ligne d'échange 6 dont l'échangeur 23 peut constituer la partie la plus froide, de 25 manière connue. L'air gazeux 2 est envoyé en cuve d'une colonne moyenne pression 1 d'une double colonne, constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression 3 thermiquement reliée entre elles par un rebouilleur 5 ou autre moyen connu. L'air se sépare pour former du liquide riche 11 enrichi en oxygène en 30 cuve de la colonne moyenne pression 1 et du liquide pauvre enrichi en azote en tête de la colonne. Ces deux liquides sont sous-refroidis, éventuellement dans l'échangeur 23. Ensuite le liquide riche est divisé en deux, une partie 13 étant envoyée au condenseur 9 d'une colonne de séparation d'argon 7 et une partie 15 étant envoyée à la colonne basse pression 3. Du liquide pauvre 35 est envoyé en tête de la colonne basse pression 3. Un produit riche en oxygène (non-illustré) est soutiré en bas de la colonne basse pression 3 et un gaz riche en azote 27 est soutiré en tête de la colonne basse pression 3. Un débit enrichi en argon 41 soutiré de la colonne basse pression 3 alimente la colonne de séparation d'argon 7. La tête de la colonne de séparation d'argon se trouve fréquemment à plus de 30 mètres du sol, voire plus. Un débit liquide riche en argon 21 est soutiré de la tête de la colonne de séparation d'argon 7 à une hauteur H1 et une conduite descend à la hauteur H2 d'un échangeur 23, la différence OH entre les deux hauteurs étant supérieur à 5 mètres. Le liquide 21 se trouvé pressurisé, par l'effet de la pression hydrostatique, d'une élévation de pression de 650 mmbars environ et se vaporise dans l'échangeur pour former un gaz pressurisé 25. Ce gaz pressurisé 25 est mélangé avec l'azote 29 pour former un gaz résiduaire rejeté à l'atmosphère. Il est à noter que le débit 21 peut constituer le seul fluide enrichi en argon sortant de l'installation, l'appareil ne produisant de produit final riche en argon. Dans ce cas, la colonne de séparation d'argon sert uniquement à assurer une bonne pureté pour le produit riche en oxygène de la colonne basse pression 3. Par contre il est également possible d'utiliser le procédé selon l'invention dans le contexte d'un appareil produisant un produit final riche en argon. Dans ce cas, l'appareil comprend une colonne de déazotation 17 alimentée à partir de la colonne de séparation d'argon 7. Comme illustré à la figure, pour le cas où un produit riche en argon est désiré, une partie 19 de l'argon liquide soutiré en tête de la colonne 7 est envoyé à une colonne de déazotation 17 pour produire en cuve un produit liquide 39 riche en argon. Le rebouillage de cette colonne 17 est assuré par de l'azote moyenne pression 31 provenant de la colonne 1, l'azote ainsi condensé étant envoyé au condenseur de tête de la colonne de déazotation 17, en même temps qu'un débit de liquide pauvre 33 de la colonne moyenne pression. Un débit de purge 36 est soutiré du condenseur de la colonne de déazotation et un débit d'azote basse pression 37 vaporisé dans le condenseur est prélevé. Ce soutirage du liquide 19 pourrait être remplacé par un soutirage de gaz riche en argon en tête de la colonne de séparation d'argon 7. L'échangeur 23 peut être un sous-refroidisseur indépendant qui sert à échanger de la chaleur par contact indirect entre l'azote résiduaire 27, l'argon liquide 21 et au moins un autre liquide de l'installation choisi dans le groupe de l'air liquide 4, du liquide pauvre 35 ou 33, du liquide riche 11, 13, 15 et l'argon liquide 39. Alternativement l'échangeur 23 peut constituer la partie la plus froide de la ligne d'échange -6. Dans ce cas, l'échangeur 23 sert à échanger de la chaleur par contact indirect entre l'azote résiduaire 27, l'argon liquide 21 et au moins un autre liquide de l'installation choisi dans le groupe de l'air liquide 4, du liquide pauvre 35 ou 33, du liquide riche 11, 13, 15 et l'argon liquide 39. L'échangeur 23 ne fait pas partie de la colonne de déazotation. REVENDICATIONS1. Installation de séparation d'air comprenant une ligne d'échange, un système de colonnes (1,3) alimenté par un débit d'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange (6,23), une colonne de séparation d'argon (7) alimentée par un débit enrichi en argon provenant du système de colonnes, des moyens pour envoyer un débit liquide riche en argon d'un point de soutirage de la colonne de séparation d'argon à un échangeur de chaleur (23), des moyens pour prélever de l'échangeur au moins une partie du débit liquide vaporisé, des moyens pour envoyer un débit enrichi en azote du système de colonnes à la ligne d'échange, des moyens pour mélanger au moins une partie du débit liquide vaporisé avec au moins une partie du débit enrichi en azote en amont de la ligne d'échange, le point de soutirage de la colonne de séparation d'argon étant disposé au moins 3 mètres, voire au moins 5 mètres au-dessus de l'échangeur. 2. Installation selon la revendication 1 comprenant des moyens pour envoyer un deuxième débit liquide riche en argon du point de soutirage au système de colonnes, en particulier à une colonne de déazotation (17). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2 comprenant des moyens pour prélever un débit riche en argon de la colonne de séparation d'argon (7) ou dérivé de la colonne de séparation d'argon comme produit final. 25 4. Installation selon la revendication 3 comprenant des moyens pour faire varier le débit liquide vaporisé en fonction de la quantité du débit riche en argon requis comme produit final. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant 30 des moyens pour envoyer à l'échangeur (23) au moins un liquide à sous-refroidir provenant du système de colonnes (1,3) et/ou destiné au système de colonnes ou à un condenseur (9) de la colonne de séparation d'argon (7) ou à un condenseur de la colonne de déazotation (17) .20 6. Installation selon la revendication 5 dans laquelle le ou les liquides à sous-refroidir comprennent un liquide riche en argon et/ou un liquide enrichi en oxygène et/ou de l'air liquéfié et/ou un liquide enrichi en azote. 7. Installation selon la revendication 5 ou 6 comprenant des moyens pour envoyer un gaz froid du système de colonnes (1,3) à l'échangeur (23). 8. Installation selon la revendication 7 dans laquelle le gaz froid est le débit enrichi en azote (27) provenant du système de colonnes (1,3) et que le 10 débit liquide vaporisé est mélangé avec le débit enrichi en azote en aval de l'échangeur. 9. Installation selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échangeur (23) fait partie de ou constitue la ligne d'échange (6). 15 10. Procédé de séparation d'air dans un appareil comprenant une ligne d'échange (6,23)), un système de colonnes (1,3) alimenté par un débit d'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange, une colonne de séparation d'argon (7) alimentée par un débit enrichi en argon provenant du système de 20 colonnes, dans lequel on envoie un débit liquide riche en argon d'un point de soutirage de la colonne de séparation d'argon à un échangeur de chaleur (23), on prélève de l'échangeur au moins une partie du débit liquide vaporisé, on envoie un débit enrichi en azote du système de colonnes à la ligne d'échange, on mélange au moins une partie du débit liquide vaporisé avec au moins une 25 partie du débit enrichi en azote en amont de la ligne d'échange, le point de soutirage de la colonne de séparation d'argon étant disposé au moins 3 mètres, voire au moins 5 mètres au-dessus de l'échangeur. 30