Brevet FR2974890A1 — publié le 20121109

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique, en particulier, pour la production d'oxygène ayant une pureté d'au 5 plus 97 % mol. voire d'au plus 95 % mol. Pour fournir de l'oxygène à divers procédés, y compris les procédés d'oxycombustion, il est nécessaire de réduire l'énergie de séparation pour produire de l'oxygène impur, sans coproduction d'azote. Classiquement la solution de référence était un appareil de séparation d'air à double colonne. dans lequel de l'air se condense dans le plus des bas des deux vaporiseurs d'une colonne basse pression. La puissance de rectification reste trop importante et la production d'azote moyenne pression est possible. Grâce à la présente invention, la surpuissance de rectification est consommé en passant à un système à trois vaporiseurs dans la colonne basse pression, les deux vaporiseurs les plus bas étant à condensation partielle et étant reliés en série. Ceci permet de réduire la pression d'air et de gagner environ 2% sur l'énergie de séparation Il est connu d'utiliser un appareil de séparation d'air comprenant trois vaporiseurs dans la colonne basse pression. Par exemple dans EP-A-0447112, les trois vaporiseurs sont réchauffés par de l'azote comprimé pour le vaporiseur de cuve, par de l'azote moyenne pression pour le vaporiseur d'en haut et par de l'air pour le vaporiseur du milieu. 25 Selon un objet de la présente invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles dans lequel : i) on comprime un débit d'air et on l'épure 30 ii) on refroidit au moins une première partie du débit d'air et on l'envoie dans un vaporiseur de cuve de la colonne basse pression iii) on condense au moins partiellement au moins la première partie de l'air dans le vaporiseur de cuve pour produire un premier débit au moins partiellement condensé et on envoie au moins une partie du premier débit au moins partiellement 10 15 20 condensé dans un deuxième vaporiseur de la colonne basse pression, situé au-dessus du vaporiseur de cuve, où elle se condense partiellement pour former un deuxième débit au moins partiellement condensé iv) on envoie au moins une partie du deuxième débit au moins partiellement condensé à la colonne moyenne pression, éventuellement après une étape supplémentaire de condensation partielle v) on sépare de l'air dans la colonne moyenne pression pour former un débit gazeux enrichi en azote, un débit liquide enrichi en azote et un débit liquide enrichi en oxygène vi) on envoie au moins une partie du débit liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et au moins une partie du débit liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression vii) on envoie au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote à un troisième vaporiseur, situé au-dessus du deuxième vaporiseur, où il se condense avant d'être envoyé à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression et viii) on soutire un débit riche en oxygène de la colonne basse pression et on le réchauffe pour former un produit de l'installation. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - aucun produit riche en azote n'est soutiré en tête de la colonne moyenne pression. - on envoie au moins une partie du premier débit au moins partiellement condensé dans un séparateur de phases et on envoie au moins une partie du gaz formé dans le séparateur de phases dans le deuxième vaporiseur de la colonne basse pression où elle se condense partiellement pour former le deuxième débit au moins partiellement condensé. - au moins une partie du premier débit se condense dans le vaporiseur de cuve pour former le premier débit qui comprend 5 à 15 mol. % de liquide et/ou 10 à 20% du gaz formé dans le séparateur de phases se condense dans le deuxième vaporiseur. - tout le premier débit au moins partiellement condensé est envoyé du vaporiseur de cuve au deuxième vaporiseur et le premier débit au moins partiellement condensé comprend entre 5 et 15% de liquide et/ou le deuxième débit au moins partiellement condensé comprend entre 15% et 35% de liquide. - une partie du débit gazeux enrichi en azote est réchauffée puis détendue dans une turbine et éventuellement envoyée à la régénération. - tout l'air gazeux alimentant la colonne moyenne pression provient du deuxième vaporiseur. - la colonne moyenne pression opère à une pression en dessous de 4 bars, voire en dessous de 3,8 bars -de l'oxygène liquide éventuellement pressurisé se vaporise par échange de chaleur avec de l'air destiné à la colonne moyenne pression - la première partie de l'air n'est pas comprimée ou détendue en aval du vaporiseur de cuve. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression thermiquement reliées entre elles, la colonne basse pression contenant un vaporiseur de cuve, un deuxième vaporiseur au-dessus du vaporiseur de cuve et un troisième vaporiseur au-dessus du deuxième vaporiseur, une ligne d'échange, un compresseur, une unité d'épuration, une conduite pour envoyer un débit d'air au compresseur et ensuite à l'unité d'épuration, une conduite pour envoyer au moins une partie de l'air de l'unité d'épuration à la ligne d'échange et ensuite au vaporiseur de cuve pour former un premier débit partiellement condensé, une conduite pour envoyer au moins une partie du premier débit partiellement condensé au deuxième vaporiseur pour former un deuxième débit au moins partiellement condensé, une conduite pour envoyer au moins une partie du deuxième débit au moins partiellement condensé ou un troisième débit dérivé d'au moins une partie du deuxième débit à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un gaz enrichi en azote de la colonne moyenne pression au troisième vaporiseur, une conduite pour envoyer le gaz enrichi en azote condensé du troisième vaporiseur à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression et une conduite pour soutirer un fluide riche en oxygène de la colonne basse pression pour l'envoyer à la ligne d'échange pour s'y réchauffer en formant un produit. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, l'appareil comprend : - un séparateur de phases relié au vaporiseur de cuve et au deuxième vaporiseur. - une turbine reliée à la tête de la colonne moyenne pression. - entre 1 et 15 plateaux théoriques entre le vaporiseur de cuve et le deuxième vaporiseur. - du liquide riche en oxygène peut se vaporiser dans la ligne d'échange ou dans un vaporiseur dédié. Tous les pourcentages mentionnés sont des pourcentages molaires. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure, qui illustre un appareil selon l'invention. L'appareil comprend une double colonne avec une colonne moyenne pression 19 et une 10 colonne basse pression 21. Ces colonnes sont reliées thermiquement entre elles par un troisième vaporiseur 37 situé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression. Dans ce vaporiseur se condense de l'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression : le condensat ainsi produit sera envoyé à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression. 15 Un compresseur d'air 3 comprime tout l'air 1 à une pression de 3,6 bars absolus. L'air est envoyé à l'unité d'épuration 7 et divisé en deux. Une première partie 9 est envoyée à la ligne d'échange 15 où elle se refroidit. Ensuite elle est envoyée à un vaporiseur de cuve 17 de la colonne basse pression 21 où elle se condense partiellement pour former un premier débit 20 comprenant entre 5 et 15% de liquide et 85 et 95% de gaz. Selon une première variante, le premier débit est ensuite séparé dans un séparateur de phases 63, sans avoir été détendu en aval du vaporiseur de cuve. La partie liquide 49 est envoyée en cuve de la colonne moyenne pression 19 alors que le gaz 51 est envoyé au deuxième 25 vaporiseur 27, situé entre 1 et 15 plateaux théoriques au-dessus du vaporiseur de cuve. Le gaz 51 se condense partiellement dans le deuxième vaporiseur 27 pour former un deuxième débit partiellement condensé comprenant entre 10 et 20% de liquide et 80 et 90% de gaz.. Selon une deuxième variante, le premier débit est envoyé directement au deuxième vaporiseur 30 sans être séparé ou détendu. Le premier débit se condense alors plus encore pour former un deuxième débit partiellement condensé comprenant entre 15% et 35% de liquide et 65% et 85% de gaz.5 Ensuite selon les deux variantes, le deuxième débit partiellement condensé est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 19, constituant de préférence le seul apport d'air gazeux à cette colonne. Eventuellement une partie du débit 9 peut être envoyée directement à la colonne moyenne pression sans passer par les deux vaporiseurs 17,27. Entre 1 et 15 plateaux théoriques séparent le vaporiseur de cuve 17 et le deuxième vaporiseur 27. Du liquide 25 riche en oxygène est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 19, 10 refroidi dans l'échangeur 23 puis détendu par une vanne et envoyé à la colonne basse pression au-dessus du troisième vaporiseur 37. Du liquide 35 riche en azote est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression 19, refroidi dans l'échangeur 23 puis détendu par une vanne et envoyé à la colonne basse pression en tête de la colonne 21. 15 Du liquide 47 est soutiré d'un point intermédiaire de la colonne moyenne pression 19 au niveau de l'arrivée de l'air 33, refroidi dans l'échangeur 23 puis détendu par une vanne et envoyé à la colonne basse pression au-dessus du troisième vaporiseur 37 en tête de la colonne 21 en dessous de l'arrivée du liquide riche en azote 35. De l'azote gazeux 45 est soutiré en tête de la colonne basse pression 21, réchauffé dans l'échangeur 23 et ensuite dans la ligne d'échange 15 avant d'être envoyé à l'atmosphère. De l'azote gazeux 39 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 19, condensé dans le 25 troisième vaporiseur 37 puis envoyé à la tête de la colonne moyenne pression et/ou à la tête de la colonne basse pression. De l'oxygène liquide 55 est soutiré en cuve de la colonne basse pression, ayant une pureté d'au plus 97% mol., voire d'au plus 95% mol. L'oxygène liquide est pressurisé par une 30 pompe 57 et vaporisé soit au moyen d'un vaporiseur 29 soit dans la ligne d'échange 15 si sa pression est suffisamment élevée. Pour assurer la vaporisation de l'oxygène liquide, une deuxième partie de l'air 11 est surpressée dans un surpresseur 13 et se refroidit dans la ligne d'échange 15. Cette deuxième partie de l'air constitue entre 25 et 45% de l'air 1. 20 L'oxygène liquide peut se vaporiser par échange de chaleur avec l'air surpressé pour former un débit gazeux pressurisé 61 qui se réchauffe dans la ligne d'échange 15 afin de constituer au moins un produit de l'appareil. Un débit de purge 59 est soutiré du vaporiseur 29. Une autre partie d'azote gazeux 41 est soutirée de la tête de la colonne moyenne pression 19, réchauffée dans la ligne d'échange et détendue dans une turbine 43 pour fournir les frigories requises pour la séparation. Le débit détendu peut ensuite servir pour la régénération de l'unité d'épuration 7. Les vaporiseurs utilisés pour cette invention peuvent être des vaporiseurs à film ou des vaporiseurs à bain. L'installation peut comprendre en plus de la colonne moyenne pression et la colonne basse pression, une colonne à pression intermédiaire ou une colonne de mélange. Les frigories nécessaires pour l'appareil peuvent être fournies exclusivement par une seule turbine d'azote moyenne pression ou une autre turbine peut fournir un complément de frigories, cette turbine pouvant être une turbine d'air qui envoie de l'air à la colonne basse pression ou moyenne pression. L'oxygène produit par l'installation peut être produit en soutirant un gaz de la colonne basse pression et en le réchauffant dans la ligne d'échange. Il est possible d'arranger les colonnes moyenne pression et basse pression côte à côte ou de 25 diviser les colonnes en plusieurs sections reliées entre elles. Il est envisageable d'utiliser une colonne basse pression à quatre vaporiseurs, dont trois connectés en série, de la même façon des deux vaporiseurs connectés en série de la Figure 1. De cette façon, l'air serait partiellement condensé dans le vaporiseur de cuve, envoyé au 30 moins en partie à un deuxième vaporiseur où il se condense partiellement, ensuite envoyé au moins en partie à un troisième vaporiseur où il se condense partiellement, la colonne moyenne pression recevant de l'air partiellement condensé du troisième vaporiseur. 20 Il est possible de relier chaque vaporiseur avec le vaporiseur de dessus en passant par un séparateur de phases. Pour le cas avec trois vaporiseurs, il y aurait un ou deux séparateurs de phases en tout. L'azote gazeux serait condensé dans le vaporiseur le plus haut des quatre vaporiseurs de la colonne basse pression.5 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins une colonne moyenne pression (19) et une colonne basse pression (21) 5 reliées thermiquement entre elles dans lequel : i) on comprime un débit d'air (1) et on l'épure ii) on refroidit au moins une première partie du débit d'air (9) et on l'envoie dans un vaporiseur de cuve (17) de la colonne basse pression iii) on condense au moins partiellement au moins la première partie de l'air dans le 10 vaporiseur de cuve pour produire un premier débit au moins partiellement condensé et on envoie au moins une partie du premier débit au moins partiellement condensé dans un deuxième vaporiseur (27) de la colonne basse pression, situé au-dessus du vaporiseur de cuve, où elle se condense partiellement pour former un deuxième débit au moins partiellement condensé 15 iv) on envoie au moins une partie du deuxième débit au moins partiellement condensé à la colonne moyenne pression, éventuellement après une étape supplémentaire de condensation partielle v) on sépare de l'air dans la colonne moyenne pression pour former un débit gazeux enrichi en azote, un débit liquide enrichi en azote (35) et un débit liquide enrichi en oxygène 20 (25) vi) on envoie au moins une partie du débit liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et au moins une partie du débit liquide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression vii) on envoie au moins une partie (39) du débit gazeux enrichi en azote à un troisième 25 vaporiseur (37), situé au-dessus du deuxième vaporiseur, où il se condense avant d'être envoyé à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression et viii) on soutire un débit riche en oxygène (55) de la colonne basse pression et on le réchauffe pour former un produit de l'installation. 30 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie au moins une partie du premier débit au moins partiellement condensé dans un séparateur de phases (63) et on envoie au moins une partie du gaz formé dans le séparateur de phases dans le deuxième vaporiseur de la colonne basse pression où elle se condense partiellement pour former le deuxième débit au moins partiellement condensé. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel au moins une partie du premier débit se condense dans le vaporiseur de cuve (17) pour former le premier débit qui comprend 5 à 15 mol. % de liquide et/ou 10 à 20% du gaz formé dans le séparateur de phases (63) se condense dans le deuxième vaporiseur (27). 4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout le premier débit au moins partiellement condensé est envoyé du vaporiseur de cuve (17) au deuxième vaporiseur (27) et le premier débit au moins partiellement condensé comprend entre 5 et 15% de liquide et/ou le deuxième débit au moins partiellement condensé comprend entre 15% et 35% de liquide. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une partie du débit gazeux enrichi en azote est réchauffée puis détendue dans une turbine (43) et éventuellement envoyée à la régénération. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout l'air gazeux alimentant la colonne moyenne pression provient du deuxième vaporiseur (27). 7. Appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression (19) et 20 une colonne basse pression (21) thermiquement reliées entre elles, la colonne basse pression contenant un vaporiseur de cuve (17), un deuxième vaporiseur (27) au-dessus du vaporiseur de cuve et un troisième vaporiseur (37)au-dessus du deuxième vaporiseur, une ligne d'échange (15), un compresseur (3), une unité d'épuration (7), une conduite pour envoyer un débit d'air au compresseur et ensuite à l'unité d'épuration, une conduite pour envoyer au 25 moins une partie de l'air de l'unité d'épuration à la ligne d'échange et ensuite au vaporiseur de cuve pour former un premier débit partiellement condensé, une conduite pour envoyer au moins une partie du premier débit partiellement condensé au deuxième vaporiseur pour former un deuxième débit au moins partiellement condensé, une conduite pour envoyer au moins une partie du deuxième débit au moins partiellement condensé ou un troisième débit 30 dérivé d'au moins une partie du deuxième débit à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en oxygène (25) de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en azote (35) de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un gaz enrichi en azote (39) de la colonne moyenne pression au troisième vaporiseur, une conduite pour15 envoyer le gaz enrichi en azote condensé du troisième vaporiseur à la colonne moyenne pression et/ou à la colonne basse pression et une conduite pour soutirer un fluide riche en oxygène (55) de la colonne basse pression pour l'envoyer à la ligne d'échange pour s'y réchauffer en formant un produit. 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant un séparateur de phases (63) relié au vaporiseur de cuve et au deuxième vaporiseur. 9. Appareil selon la revendication 7 ou 8 comprenant une turbine (43) reliée à la 10 tête de la colonne moyenne pression. 10. Appareil selon la revendication 7, 8 ou 9 dans lequel entre 1 et 15 plateaux théoriques séparent le vaporiseur de cuve et le deuxième vaporiseur. 15