Brevet FR2948184A1 — publié le 20110121

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. L'invention s'applique en particulier aux procédés de séparation d'air utilisant un surpresseur d'air chaud, un surpresseur d'air froid et deux turbines d'air. Un surpresseur d'air froid est un surpresseur alimenté par de l'air à une température plus froide que la température du bout chaud de la ligne d'échange principale de l'appareil, typiquement alimenté par de l'air à moins que -20°C. Un procédé de ce genre est illustré dans WO-A-2004099690. Dans ce procédé utilisant une double colonne classique avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression thermiquement reliées entre elles, l'air épuré provenant du compresseur principal est divisé en deux. Une partie est envoyée à un surpresseur chaud, refroidie dans la ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire puis détendue dans deux turbines Claude connectées en parallèle. Une partie de l'air provenant du surpresseur chaud peut éventuellement être liquéfiée dans la ligne d'échange au lieu d'être envoyée aux turbines. Le reste de l'air provenant du compresseur principal se refroidit dans la ligne d'échange sans être surpressé en amont de celui-ci et est surpressé dans un surpresseur froid à une température intermédiaire de la ligne d'échange, renvoyé dans la ligne d'échange à une température intermédiaire de la ligne d'échange, liquéfié et envoyé à au moins une colonne de la double colonne. Au moins un gaz résiduaire se réchauffe dans la ligne d'échange où se vaporise aussi un liquide pressurisé provenant de la double colonne, en particulier de l'oxygène. La configuration optimale dans ce cas est d'alimenter le surpresseur froid à une pression proche de la pression de sortie du compresseur principal. Le reste de l'air (70% du débit environ) alimente les turbines Claude après passage dans le surpresseur chaud. En cas de panne du surpresseur froid, la pression de sortie du compresseur principal est très insuffisante pour permettre la vaporisation de l'oxygène. La présente invention cherche à trouver une solution à ce problème. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une double ou triple colonne de séparation d'air, dont la colonne opérant à la pression la plus élevée opère à une pression dite moyenne pression et une ligne d'échange où se refroidit tout l'air destiné à la distillation dans lequel en fonctionnement normal : a) tout l'air est porté à une haute pression plus supérieure d'au moins 5 bars à la moyenne pression et épuré à cette haute pression, b) l'air épuré est divisé en deux fractions, c) une première fraction à la haute pression est envoyé à un surpresseur chaud, la première fraction surpressée se refroidit dans la ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire d) la première fraction refroidie est divisé en deux portions, chaque portion se détend dans une turbine, e) la pression d'admission des première et deuxième turbines est (les pressions des deux turbines sont) supérieure d'au moins 5 bars à la moyenne pression, f) la pression de refoulement d'au moins une des deux turbines est sensiblement égale à la moyenne pression, g) on envoie au moins une partie de l'air détendu dans au moins une des turbines à la colonne moyenne pression de la double ou triple colonne, h) une deuxième fraction de l'air épuré à la haute pression est refroidie dans une première série de passages de la ligne d'échange et ensuite surpressé avec une température d'admission égale à une température intermédiaire de la ligne d'échange dans un surpresseur froid mécaniquement relié à la deuxième turbine, le surpresseur chaud étant mécaniquement relié à la première turbine, i) le surpresseur froid refoule la deuxième fraction d'air à une température supérieure à la température d'admission, et la deuxième fraction d'air ainsi surpressée est réintroduite dans une deuxième série de passages de la ligne d'échange, éventuellement à un point intermédiaire de celle-ci, dans laquelle au moins une partie de la deuxième fraction se (pseudo) condense, j) au moins un liquide pressurisé provenant d'une des colonnes de la double ou triple colonne est (pseudo) vaporisé dans la ligne d'échange à une température de vaporisation et caractérisé en ce que si l'un des surpresseurs ne fonctionne pas, une première partie de l'air épuré à la haute pression est envoyée au surpresseur toujours en fonctionnement, une deuxième partie de l'air épuré se refroidit à la haute pression à une température intermédiaire de la ligne d'échange, est détendue puis est envoyée à l'atmosphère sans avoir été surpressée par le surpresseur toujours en fonctionnement, de préférence après réchauffage dans la ligne d'échange et une troisième partie de l'air épuré se refroidit à la haute pression à une température intermédiaire de la ligne d'échange, est détendue dans la turbine couplée au surpresseur toujours en marche puis est envoyée au moins en partie à la colonne opérant à la moyenne pression, sans avoir été surpressée par le surpresseur toujours en fonctionnement. Optionnellement : - on envoie la deuxième partie de l'air épuré à l'atmosphère, uniquement quand l'un des surpresseurs ne fonctionne pas ; - si, éventuellement uniquement si, le surpresseur froid ne fonctionne pas, une partie de l'air surpressé dans le surpresseur chaud se refroidit dans la ligne d'échange, se liquéfie et est envoyée à au moins une colonne de la double ou triple colonne ; - si, éventuellement uniquement si, le surpresseur froid ne fonctionne pas, la partie de l'air surpressée dans le surpresseur chaud, se refroidit dans la première série de passages de la ligne d'échange, sort de la ligne d'échange sans passer par le surpresseur froid et rentre dans la ligne d'échange dans la deuxième série de passages, l'air ayant passé dans ces deux séries de passages étant ensuite envoyé au système de colonnes ; - si, éventuellement uniquement si, le surpresseur froid ne fonctionne pas, de l'air provenant du surpresseur chaud et/ou ayant courtcircuité le surpresseur chaud se refroidit dans la ligne d'échange et est détendu dans la turbine couplée au surpresseur chaud, avant d'être envoyé au moins en partie à la colonne opérant à la moyenne pression ; - si le surpresseur chaud ne fonctionne pas, de préférence uniquement si le surpesseur chaud ne fonctionne pas, la troisième partie de l'air épuré est envoyée à la haute pression à la turbine couplée au surpresseur froid, sans avoir été surpressée dans le surpresseur froid. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : a) une double ou triple colonne de séparation d'air, dont la colonne opérant à la pression la plus élevée opère à une pression dite moyenne pression, b) une ligne d'échange c) un surpresseur chaud et un surpresseur froid d) une première turbine et une deuxième turbine, chacune couplée à un des surpresseurs e) des moyens pour porter tout l'air à une haute pression plus élevée que la moyenne pression et des moyens pour l'épurer à cette haute pression f) des moyens pour diviser l'air épuré en deux fractions et pour en envoyer une fraction au surpresseur chaud et une fraction au surpresseur froid après refroidissement dans la ligne d'échange g) des moyens pour réintroduire la deuxième fraction d'air provenant du surpresseur froid dans la ligne d'échange h) des moyens pour envoyer au moins un liquide pressurisé provenant d'une des colonnes dans la ligne d'échange et i) une vanne, des moyens pour envoyer de l'air épuré à la haute pression et non surpressé à la ligne d'échange pour s'y refroidir et ensuite à la vanne et des moyens pour envoyer l'air détendu dans la vanne à la distillation et/ou à l'atmosphère. Optionnellement : - l'installation comprend des moyens pour court-circuiter le surpresseur froid, ces moyens étant reliés à la ligne d'échange, de préférence uniquement à la ligne d'échange ; - l'installation comprend des moyens pour court-circuiter les première et deuxième turbines, ces moyens étant reliés au surpresseur chaud et au bout froid de la ligne d'échange et/ou au système de colonnes ; - les moyens pour court-circuiter les première et deuxième turbines sont reliés au surpresseur froid. En fonctionnement normal : - les conditions d'admission et de refoulement des deux turbines sont proches ou identiques en termes de pression et de température ; - l'air envoyé aux turbines est à la pression de sortie du surpresseur chaud ; - au moins une partie de l'air surpressé dans le surpresseur chaud est envoyée aux turbines ; - éventuellement une partie de l'air provenant du surpresseur chaud se refroidit contre au moins un liquide qui se vaporise dans la ligne d'échange, est détendue, liquéfiée et envoyée à une colonne de la double ou triple colonne ; - on produit au moins un produit final sous forme liquide ; - tout l'air gazeux destiné aux colonnes de la double ou triple colonne provient des turbines de détente d'air. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la Figure qui montre une partie de l'appareil de séparation d'air selon l'invention. Dans ce procédé utilisant une double colonne (non illustrée), en opération normale, l'air 11 provenant du compresseur principal (non illustré) et d'une unité d'épuration (non illustrée) est divisé en deux parties uniquement. Une partie 13 est envoyée à un surpresseur chaud Cl, refroidie dans la ligne d'échange 91 jusqu'à une température intermédiaire puis envoyée par la vanne ouverte 4 et les conduites 23,27 pour être détendue dans deux turbines Ti, T2 connectées en parallèle par les conduites 31,35. L'air détendu 35 provenant des turbines T1,T2 est envoyé à la colonne moyenne pression de la double colonne. Une partie de l'air provenant du surpresseur chaud Cl peut éventuellement être liquéfiée dans la ligne d'échange au lieu d'être envoyée aux turbines. Le reste 15 de l'air provenant du compresseur principal se refroidit dans une première série de passages de la ligne d'échange 91 en passant par la vanne ouverte 9 et est surpressé dans un surpresseur froid C2 à une température intermédiaire de la ligne d'échange, renvoyé dans la ligne d'échange à une température intermédiaire de celle-ci dans une deuxième série de passages, liquéfié et envoyé à au moins une colonne de la double colonne, par exemple la colonne moyenne pression. Même si la figure n'illustre qu'un seul passage, il sera compris qu'il y aura une pluralité de passages en parallèle pour permettre le transport du débit. Au moins un gaz résiduaire WN arrive de la colonne basse pression par la conduite 39 et se réchauffe dans la ligne d'échange où se vaporise aussi un liquide pressurisé 41 provenant de la double colonne, en particulier de l'oxygène pressurisé. Dans ce cas d'opération normale, les vannes 1, 2, 5 et 6 sont fermées, de sorte que les conduites 21, 25, 29, 39 ne reçoivent pas d'air. Les conduites 19 et 17 ne sont pas obligatoirement présentes et leur fonctionnement ne sera pas décrit. On assume que les vannes 3 et 7 sont fermées pour l'explication du procédé selon l'invention. Si le surpresseur froid C2 ne fonctionne pas, l'air 11 provenant du compresseur principal (non illustré) est divisé en deux. Une partie 13 est envoyée au surpresseur chaud Cl. Comme les vannes 1,2 et 4 sont ouvertes et la vanne 9 fermée, l'air surpressé dans le surpresseur chaud Cl est envoyé en partie à la conduite 21 et en partie à la conduite 23,27. L'air passant par la conduite 23,27 et la vanne 4 est refroidi dans la ligne d'échange 91 jusqu'à une température intermédiaire pour être détendu dans une seule turbine Claude Ti. La turbine T2 ne fonctionne pas puisqu'elle est ordinairement couplée au surpresseur froid C2. L'air détendu 35 est envoyé à la colonne moyenne pression de la double colonne. L'air envoyé par la conduite 21 et la vanne 2 se refroidit dans la ligne d'échange 91 jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci dans les passages où se refroidit normalement l'air destiné au compresseur froid C2. L'air est envoyé à la vanne 5 par la conduite 39 à une température intermédiaire de la ligne d'échange à travers les passages normalement parcouru par l'air provenant du compresseur froid C2. L'air provenant de la vanne 5 se liquéfie avant d'être envoyé à au moins une colonne de la double colonne. Une partie de l'air provenant de la conduite 27 peut éventuellement également être liquéfiée dans la ligne d'échange au lieu d'être envoyé aux turbines. Le reste 15 de l'air provenant du compresseur principal est envoyé par la vanne 1 et la conduites 25,27 se refroidir avec l'air provenant de la vanne 4 dans la ligne d'échange 91 jusqu'à une température intermédiaire. Une partie de l'air provenant de la conduite 25 est détendue dans la turbine restante Ti et le reste est détendu dans une vanne 6 qui court-circuiter la turbine Ti et se mélange avec le gaz résiduaire 39, pour se réchauffer dans la ligne d'échange. Au moins un gaz résiduaire WN arrive par la conduite 39 et se réchauffe dans la ligne d'échange où se vaporise aussi un liquide pressurisé 41 provenant de la double colonne, en particulier de l'oxygène. En cas de panne du surpresseur chaud, les vannes 2 et 4 sont fermées, les vannes 1,6 et 9 ouvertes et l'air 11 provenant du compresseur principal (non illustré) est envoyé en totalité par la conduite 15 et divisé en deux. Une partie passe par la vanne 1 et la conduite 23,27 pour être envoyée à la ligne d'échange 91 jusqu'à une température intermédiaire pour être détendue en partie dans une seule turbine T2. La turbine Ti ne fonctionne pas puisqu'elle est ordinairement couplée au surpresseur chaud Cl. Le reste de l'air à température intermédiaire est détendu dans la vanne 6 et mélangé avec le gaz résiduaire 39, pour se réchauffer dans la ligne d'échange. L'air envoyé par la vanne 9 se refroidit dans la ligne d'échange 91 et est surpressé dans le surpresseur froid C2, renvoyé à la ligne d'échange 91 et liquéfié. Une partie de l'air provenant de la conduite 25 peut éventuellement également être liquéfiée dans la ligne d'échange au lieu d'être envoyé à la turbine T2. Au moins un gaz résiduaire WN arrive par la conduite 39 et se réchauffe dans la ligne d'échange où se vaporise aussi un liquide pressurisé 41 provenant de la double colonne, en particulier de l'oxygène. Dans ce cas de panne du surpresseur chaud, les vannes 2 et 4 sont fermées, de sorte que la conduites 13, 21, 31, 39 ne reçoivent pas d'air. Il est possible de prévoir uniquement des moyens pour fonctionner quand le surpresseur chaud est en panne ou uniquement des moyens pour fonctionner quand le surpresseur froid est en panne. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant une double ou triple colonne de séparation d'air, dont la colonne opérant à la pression la plus élevée opère à une pression dite moyenne pression et une ligne d'échange (91) où se refroidit tout l'air destiné à la distillation dans lequel en fonctionnement normal : a) tout l'air est porté à une haute pression plus supérieure d'au moins 5 bars à la moyenne pression et épuré à cette haute pression, b) l'air épuré est divisé en deux fractions, c) une première fraction à la haute pression est envoyé à un surpresseur chaud (Cl), la première fraction surpressée se refroidit dans la ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire d) la première fraction refroidie est divisé en deux portions, chaque portion se détend dans une turbine respective (Tl ,T2), e) la pression d'admission des première et deuxième turbines est (les pressions des deux turbines sont) supérieure d'au moins 5 bars à la moyenne pression, f) la pression de refoulement d'au moins une des deux turbines est 20 sensiblement égale à la moyenne pression, g) on envoie au moins une partie de l'air détendu dans au moins une des turbines à la colonne moyenne pression de la double ou triple colonne, h) une deuxième fraction de l'air épuré à la haute pression est refroidie dans une première série de passages de la ligne d'échange et ensuite 25 surpressé avec une température d'admission égale à une température intermédiaire de la ligne d'échange dans un surpresseur froid (C2) mécaniquement relié à la deuxième turbine, le surpresseur chaud étant mécaniquement relié à la première turbine, i) le surpresseur froid refoule la deuxième fraction d'air à une 30 température supérieure à la température d'admission, et la deuxième fraction d'air ainsi surpressée est réintroduite dans une deuxième série de passages de la ligne d'échange, éventuellement à un point intermédiaire de celle-ci, dans laquelle au moins une partie de la deuxième fraction se (pseudo) condense,j) au moins un liquide pressurisé provenant d'une des colonnes de la double ou triple colonne est (pseudo) vaporisé dans la ligne d'échange à une température de vaporisation et caractérisé en ce que si l'un des surpresseurs ne fonctionne pas, une première partie de l'air épuré à la haute pression est envoyée au surpresseur toujours en fonctionnement, une deuxième partie de l'air épuré se refroidit à la haute pression à une température intermédiaire de la ligne d'échange, est détendue puis est envoyée à l'atmosphère sans avoir été surpressée par le surpresseur toujours en fonctionnement, de préférence après réchauffage dans la ligne d'échange et une troisième partie de l'air épuré se refroidit à la haute pression à une température intermédiaire de la ligne d'échange, est détendue dans la turbine couplée au surpresseur toujours en marche puis est envoyée au moins en partie à la colonne opérant à la moyenne pression, sans avoir été surpressée par le surpresseur toujours en fonctionnement. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie la deuxième partie de l'air épuré à l'atmosphère, uniquement quand l'un des surpresseurs (Cl ,C2) ne fonctionne pas. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel si, éventuellement uniquement si, le surpresseur froid (C2) ne fonctionne pas, une partie de l'air surpressé dans le surpresseur chaud se refroidit dans la ligne d'échange (91), se liquéfie et est envoyée à au moins une colonne de la double ou triple colonne. 4. Procédé selon la revendications 3 dans lequel si, éventuellement uniquement si, le surpresseur froid (C2) ne fonctionne pas, la partie de l'air surpressée dans le surpresseur chaud, se refroidit dans la première série de passages de la ligne d'échange (91), sort de la ligne d'échange sans passer par le surpresseur froid et rentre dans la ligne d'échange dans la deuxième série de passages, l'air ayant passé dans ces deux séries de passages étant ensuite envoyé au système de colonnes. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel si, éventuellement uniquement si, le surpresseur froid (C2) ne fonctionne pas, de l'air provenant du surpresseur chaud et/ou ayant courtcircuité le surpresseur chaud se refroidit dans la ligne d'échange (91) et est détendu dans la turbine (Ti) couplée au surpresseur chaud (Cl), avant d'être envoyé au moins en partie à la colonne opérant à la moyenne pression. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel, si le surpresseur chaud (Cl) ne fonctionne pas, de préférence uniquement si le surpresseur chaud ne fonctionne pas, la troisième partie de l'air épuré est envoyée à la haute pression à la turbine (T2) couplée au surpresseur froid (C2), sans avoir été surpressée dans le surpresseur froid. 7. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : a) une double ou triple colonne de séparation d'air, dont la colonne opérant à la pression la plus élevée opère à une pression dite moyenne pression, b) une ligne d'échange (91), c) un surpresseur chaud (Cl )et un surpresseur froid (C2), d) une première turbine (Ti) et une deuxième turbine (T2), chacune couplée à un des surpresseurs, e) des moyens pour porter tout l'air à une haute pression plus élevée que la moyenne pression et des moyens pour l'épurer à cette haute pression, f) des moyens pour diviser l'air épuré en deux fractions et pour en envoyer une fraction au surpresseur chaud et une fraction au surpresseur froid après refroidissement dans la ligne d'échange, g) des moyens pour réintroduire la deuxième fraction d'air provenant du surpresseur froid dans la ligne d'échange, h) des moyens pour envoyer au moins un liquide pressurisé provenant d'une des colonnes dans la ligne d'échange et i) une vanne (4,5), des moyens pour envoyer de l'air épuré à la haute pression et non surpressé à la ligne d'échange pour s'y refroidir et ensuite à lavanne et des moyens pour envoyer l'air détendu dans la vanne à la distillation et/ou à l'atmosphère. 8. Installation selon la revendication 7 comprenant des moyens (3a, 5) pour court-circuiter le surpresseur froid (C2), ces moyens étant reliés à la ligne d'échange (91), de préférence uniquement à la ligne d'échange. 9. Installation selon la revendication 7 ou 8 comprenant des moyens (6, 8, 29, 35, 37) pour court-circuiter les première et deuxième turbines (Ti, T2), ces moyens étant reliés au surpresseur chaud (Cl) et au bout froid de la ligne d'échange (91) et/ou au système de colonnes. 10. Installation selon la revendication 9 dans laquelle les moyens (6, 8, 29, 35, 37) pour court-circuiter les première et deuxième turbines sont reliés au surpresseur froid (Cl).