Brevet FR2990019A1 — publié le 20131101

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier elle concerne les procédés et les appareils de séparation d'air utilisant au moins une double colonne, comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression. La tête de la première colonne est reliée thermiquement à la cuve de la deuxième colonne et la première colonne est alimentée en air refroidi et épuré. Dans le cadre d'une unité intégrée utilisant un gazéifieur et une turbine à gaz alimenté en carburant par le gazéifieur, la consommation d'oxygène impur (typiquement 95%) sous pression (typiquement 50 bara et plus) s'accompagne d'une consommation d'azote sous pression pour le gazéifieur et pour la turbine à gaz. Lorsque le client valorise l'ensemble de l'azote sous pression disponible, les schémas avec double colonne dont une deuxième pression opérant à une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique permettent d'obtenir une bonne énergie de séparation de l'oxygène. On propose d'améliorer l'efficacité d'un tel système, entre autres, par l'utilisation de turbines de détente diphasique sur les remontées de liquide entre colonnes. On propose de remplacer la détente (classiquement fait par une vanne) des liquides (en général sous-refroidis) entre colonnes, par une détente dans une turbine diphasique recevant un liquide en entrée et produisant deux phases (liquide-gaz) en sortie. Dans un appareil classique avec une deuxième colonne opérant quasiment à la pression atmosphérique, les hauteurs hydrostatiques entre colonnes réduisent fortement la différence de pression disponible aux bornes des vannes, ce qui ne permet pas d'installer une turbine diphasique. Par contre, dans le cas d'appareil sous pression où la deuxième colonne opère à une pression d'au moins 2 bars abs, le différentiel de pression entre colonnes reste important même en prenant en compte les hauteurs hydrostatiques. Le gain en énergie est d'environ 2%. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression et au moins une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à 2 bars abs et la première pression étant supérieure d'au moins 2 bars à la première pression, le système comprenant éventuellement une troisième colonne opérant à une pression entre la première et la deuxième pression, dans lequel de l'air est envoyé à la première colonne, un premier liquide enrichi en azote est soutiré de la première colonne, le liquide enrichi en azote est détendu et envoyé à la deuxième colonne, un premier liquide enrichi en oxygène est soutiré de la cuve de la première colonne, le liquide enrichi en oxygène ou un liquide dérivé du liquide enrichi en oxygène est détendu et envoyé à la deuxième colonne, le cas échéant au moins une partie du liquide enrichi en oxygène est envoyée à la troisième colonne pour y être séparé, un gaz riche en azote est soutiré de la deuxième colonne, un fluide riche en oxygène est soutiré de la cuve de la deuxième colonne, un deuxième liquide enrichi en oxygène est, le cas échéant, envoyé de la troisième colonne vers la deuxième colonne, un deuxième liquide enrichi en azote est, le cas échéant, envoyé de la tête de la troisième colonne vers la deuxième colonne et au moins une turbine détend un liquide sous-refroidi provenant de la première colonne ou, le cas échéant, de la troisième colonne et le débit diphasique produit est envoyé vers une colonne opérant à plus basse pression que la colonne d'où provient le liquide détendu dans la turbine. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, il est prévu un procédé dans lequel : - le premier liquide enrichi en oxygène est, détendu dans la au moins une turbine éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne. - un liquide intermédiaire de la première colonne est sous-refroidi, détendu dans la au moins une turbine éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne. - le premier liquide enrichi en azote est sous-refroidi, détendu dans la au m oins une turbine éventuellement après sous-refroidissement éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à la tête de la deuxième colonne. - de l'azote gazeux provenant de la tête de la première colonne est condensé dans un rebouilleur de cuve de la troisième colonne et le liquide ainsi condensé est sous-refroidi, détendu dans la turbine et envoyé en tête de la deuxième colonne. - du liquide de cuve de la troisième colonne est détendu dans la au moins une turbine éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne. - du liquide de cuve de la troisième colonne est détendu dans la au moins une turbine éventuellement après sous-refroidissement et envoyé au condenseur de tête de la troisième colonne où il se vaporise, le gaz formé étant envoyé à la deuxième colonne. - le système comprend une troisième colonne et le premier liquide 20 enrichi en oxygène est détendu dans la au moins une turbine, éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la troisième colonne. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant 25 au moins une première colonne opérant à une première pression et au moins une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à 2 bars abs et la première pression étant supérieure d'au moins 2 bars à la première pression, le système comprenant éventuellement une troisième colonne opérant à une pression entre la première et la deuxième 30 pression, une conduite pour envoyer de l'air à la première colonne, une première conduite pour soutirer un premier liquide enrichi en azote de la première colonne, des moyens de détente pour le liquide enrichi en azote reliés à la première conduite, une deuxième conduite reliée aux moyens de détente et à la deuxième colonne, une troisième conduite pour soutirer un premier liquide enrichi en oxygène de la cuve de la première colonne, des moyens pour détendre le liquide enrichi en oxygène ou un liquide dérivé du liquide enrichi en oxygène reliés à la troisième conduite, une quatrième conduite reliée au moyens pour détendre le liquide enrichi en oxygène ou le liquide qui en est dérivé et reliée à la deuxième colonne, le cas échéant une cinquième conduite pour envoyer au moins une partie du liquide enrichi en oxygène à la troisième colonne pour y être séparé, une sixième conduite pour soutirer un gaz riche en azote de la deuxième colonne, une septième conduite pour soutirer un fluide riche en oxygène de la cuve de la deuxième colonne, le cas échéant une huitième conduite pour envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la troisième colonne vers la deuxième colonne, le cas échéant, une neuvième conduite pour envoyer un deuxième liquide enrichi en azote de la tête de la troisième colonne vers la deuxième colonne et au moins une turbine pour détendre un liquide sous-refroidi provenant de la première colonne ou, le cas échéant, de la troisième colonne et des moyens pour envoyer le débit diphasique produit dans la turbine vers une colonne opérant à plus basse pression que la colonne d'où provient le liquide détendu dans la turbine. L'invention sera décrite plus en détail en se référant à la figure qui illustre un procédé selon l'invention. L'appareil comprend trois colonnes de distillation K1, K2, K3 et deux échangeurs de chaleur 13, 113. La première colonne K1 opère à une pression entre 8 et 15 bars abs et 25 la deuxième colonne K2 opère à une pression entre 2 et 6 bars abs. La tête de la première colonne K1 est reliée thermiquement à la cuve de la deuxième colonne K2 par un rebouilleur R1. La troisième colonne K3 opère à une pression entre celle de la première colonne et celle de la deuxième colonne. De l'air 1 à substantiellement la pression de la première colonne K1 est 30 divisé en deux parties 3, 5. La première partie 5 se refroidit dans l'échangeur de chaleur 13 et est envoyé à la première colonne K1 sous forme gazeuse. La deuxième partie 3 est surpressée dans un surpresseur Cl pour former un débit 7 et puis divisé en deux. Une fraction 9 du débit 7 est partiellement refroidie dans l'échangeur 13 et puis détendu dans une turbine ET1. Le débit détendu dans la turbine ET1 est mélangé avec le débit 5 et envoyé à la première colonne K1. L'autre fraction 11 est surpressée dans un surpresseur C2 couplé à la turbine ET1 et puis refroidit dans l'échangeur 13 où elle se condense ou pseudo-condense. La fraction 11 est envoyée à la sortie de l'échangeur 13 à la turbine ET2 et de la turbine sous forme diphasique à la colonne K1. Du liquide enrichi en oxygène 23 est soutiré en cuve de la première colonne, se refroidit dans le sous-refroidisseur 113 et est détendu dans une turbine T3 pour produire un débit diphasique qui alimente la troisième colonne K2 au milieu de la colonne. Du liquide 25 pris à un point intermédiaire de la colonne K1 et ayant une composition voisine de celle de l'air est envoyé au sous-refroidisseur 113 et détendu dans une turbine T2 pour produire un débit diphasique qui alimente la deuxième colonne K2. De l'azote liquide 37 est soutiré en tête de la colonne K1, refroidi dans le sous-refroidisseur 113, 15 détendu dans la turbine Ti et envoyé en tête de la deuxième colonne K2. De l'azote gazeux est soutiré en tête de la première colonne K1 et divisé en deux. Une partie 17 se réchauffe dans l'échangeur 13 et le reste 19 sert à réchauffer le rebouilleur de cuve R2 de la troisième colonne K3. L'azote ainsi condensé 21 est renvoyé à la tête de la première colonne K1. Le liquide de 20 cuve 27 de la troisième colonne K3 est refroidi dans le sous-refroidisseur 113 et divisé en deux. Une partie 33 est détendue dans une turbine T4 pour produire un débit diphasique qui est envoyé au condenseur de tête R3 de la troisième colonne pour y être vaporisé. Le gaz ainsi formé 29 est envoyé à la deuxième colonne K2. L'autre partie 35 du liquide de cuve 27 est détendu dans 25 une turbine T6 et envoyé à la deuxième colonne K2. Du liquide 31 enrichi en azote est envoyé de la tête de la troisième colonne K3 au sous-refroidisseur 113 et ensuite à la turbine T5 avant d'être envoyé à la tête de la colonne K2. De l'azote de la tête de la première colonne se condense dans le rebouilleur de cuve R1 de la deuxième colonne, ainsi vaporisant de l'oxygène 30 en cuve de la colonne K2. De l'oxygène liquide 37 est soutiré en cuve de la deuxième colonne K2, pressurisé par une pompe P et vaporisé dans l'échangeur 13. De l'azote gazeux 15 de la deuxième colonne K2 est réchauffé dans l'échangeur 13. La présence de la troisième colonne n'est pas essentielle. La deuxième colonne peut contenir d'autres rebouilleurs ou condenseurs. Le sous-refroidissement avant détente dans l'une des turbines Ti à T6 n'est pas essentiel.5 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une première colonne (K1) opérant à une première pression et au moins une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à 2 bars abs et la première pression étant supérieure d'au moins 2 bars à la première pression, le système comprenant éventuellement une troisième colonne (K3) opérant à une pression entre la première et la deuxième pression, dans lequel de l'air est envoyé à la première colonne, un premier liquide enrichi en azote est soutiré de la première colonne, le liquide enrichi en azote est détendu et envoyé à la deuxième colonne, un premier liquide enrichi en oxygène est soutiré de la cuve de la première colonne, le liquide enrichi en oxygène ou un liquide dérivé du liquide enrichi en oxygène est détendu et envoyé à la deuxième colonne, le cas échéant au moins une partie du liquide enrichi en oxygène est envoyée à la troisième colonne pour y être séparé, un gaz riche en azote est soutiré de la deuxième colonne, un fluide riche en oxygène est soutiré de la cuve de la deuxième colonne, un deuxième liquide enrichi en oxygène est, le cas échéant, envoyé de la troisième colonne vers la deuxième colonne, un deuxième liquide enrichi en azote est, le cas échéant, envoyé de la tête de la troisième colonne vers la deuxième colonne et au moins une turbine (Ti, T2, T3, T4, T5, T6) détend un liquide sous-refroidi provenant de la première colonne ou, le cas échéant, de la troisième colonne et le débit diphasique produit est envoyé vers une colonne opérant à plus basse pression (K2,K3) que la colonne d'où provient le liquide détendu dans la turbine. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier liquide enrichi en oxygène détendu dans la au moins une turbine (Ti, T2, T3, T4, T5, T6) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel un liquide intermédiaire de la première colonne (K1) est détendu dans la au moins une turbine (T2) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne (K2). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier liquide enrichi en azote est détendu dans la au moins une turbine (Ti) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à la tête de la deuxième colonne. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de l'azote gazeux provenant de la tête de la première colonne (K1) est condensé dans un rebouilleur de cuve (R2) de la troisième colonne (K3) et le liquide ainsi condensé est détendu dans la au moins une turbine (Ti) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé en tête de la deuxième colonne. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel du liquide de cuve de la troisième colonne (K3) est détendu dans la au moins une turbine (T6) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne (K2). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel du liquide de cuve de la troisième colonne (K3) est détendu dans la au moins une turbine (T4) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé au condenseur de tête (R3) de la troisième colonne où il se vaporise, le gaz formé étant envoyé à la deuxième colonne (K2). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 3 à 7 dans lequel le système comprend une troisième colonne (K3) et le premier liquide enrichi en 30 oxygène est détendu dans une turbine (T3) éventuellement après sous-refroidissement et envoyé à un point intermédiaire de la troisième colonne. 9. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant au moins une première colonne (K1) opérant à une première pression et au moins une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression, la deuxième pression étant supérieure à 2 bars abs et la première pression étant supérieure d'au moins 2 bars à la première pression, le système comprenant éventuellement une troisième colonne (K3) opérant à une pression entre la première et la deuxième pression, une conduite pour envoyer de l'air à la première colonne, une première conduite pour soutirer un premier liquide enrichi en azote de la première colonne, des moyens de détente pour le liquide enrichi en azote reliés à la première conduite, une deuxième conduite reliée aux moyens de détente et à la deuxième colonne, une troisième conduite pour soutirer un premier liquide enrichi en oxygène de la cuve de la première colonne, des moyens pour détendre le liquide enrichi en oxygène ou un liquide dérivé du liquide enrichi en oxygène reliés à la troisième conduite, une quatrième conduite reliée au moyens pour détendre le liquide enrichi en oxygène ou le liquide qui en est dérivé et reliée à la deuxième colonne, le cas échéant une cinquième conduite pour envoyer au moins une partie du liquide enrichi en oxygène à la troisième colonne pour y être séparé, une sixième conduite pour soutirer un gaz riche en azote de la deuxième colonne, une septième conduite pour soutirer un fluide riche en oxygène de la cuve de la deuxième colonne, le cas échéant une huitième conduite pour envoyer un deuxième liquide enrichi en oxygène de la troisième colonne vers la deuxième colonne, le cas échéant, une neuvième conduite pour envoyer un deuxième liquide enrichi en azote de la tête de la troisième colonne vers la deuxième colonne et au moins une turbine (Ti, T2, T3, T4, T5, T6) pour détendre un liquide sous-refroidi provenant de la première colonne ou, le cas échéant, de la troisième colonne et des moyens pour envoyer le débit diphasique produit dans la turbine vers une colonne opérant à plus basse pression que la colonne d'où provient le liquide détendu dans la turbine.