Brevet FR3020866A1 — publié le 20151113

La présente invention est relative à une colonne de distillation et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique pour la production 5 éventuelle d'un mélange de krypton et de xénon Sur un appareil dit « à pompe » , l'oxygène est soutiré sous forme liquide d'une colonne basse pression d'une double colonne, pressurisé, puis vaporisé pour être produit comme de l'oxygène gazeux sous pression. Au moment de fabriquer une colonne, la question se pose souvent d'une 1() production ultérieure d'un mélange krypton/xénon qui n'est pas requise dans l'immédiat. Les solutions classiques, lorsque l'on veut produire du Kr/Xe, sont en général coûteuses en investissement car on vise à maximiser le rendement Kr/Xe. 15 Pour des appareils dans lesquels l'option Kr/Xe n'est qu'une option pour le futur (appareils sur mesure), ou bien sur des appareils standardisés (ou partiellement standardisés) pour lesquels le Kr/Xe n'est qu'une option, un tel surinvestissement peut être problématique. Les appareils selon l'invention ne nécessitent qu'un faible 20 surinvestissement et donnent ainsi la possibilité d'une production Kr/Xe à moindre coût. Selon l'art antérieur, pour les appareils où l'oxygène produit est soutiré gazeux de la colonne basse pression (BP), et que l'on veut produire du Kr/Xe, on ajoute quelques plateaux théoriques en cuve de colonne basse pression, juste en 25 dessous du soutirage d'oxygène gazeux, et juste au dessus du vaporiseur de cuve de la colonne, et on soutire un petit débit d'oxygène liquide au niveau du vaporiseur dans lequel est concentré tout le Kr et le Xe de l'appareil de séparation d'air. Ce petit débit de soutirage d'oxygène liquide, riche en Kr/Xe est ensuite envoyé à une unité de purification de Kr/Xe pour produire la mixture Kr/Xe épurée. Avec un tel schéma, le rendement en Kr/Xe est proche de 100% au sortir 5 de la colonne basse pression. US-A-2004/0007016 décrit un procédé de séparation d'air dans lequel de l'oxygène liquide est soutiré de la colonne basse pression à une position séparée de la cuve de la colonne basse pression par un tronçon de plateaux théoriques. Le mélange riche en Kr/Xe est soutiré en cuve de la colonne basse pression. 10 Selon l'invention, on permet une modification de l'installation à un stade très tardif pour permettre une production de Kr/Xe ou pas. Selon un objet de l'invention, il est prévu une colonne de distillation, capable de fonctionner à une pression de fonctionnement, pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la 15 double colonne comprenant une première colonne capable de fonctionner à une première pression et la colonne capable de fonctionner à la pression de fonctionnement qui est inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant adaptée à être reliée à la cuve de la colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur, la colonne contenant plusieurs tronçons d'éléments 20 d'échange de masse et de chaleur, une extrémité d'une première conduite et une extrémité d'une deuxième conduite étant reliées à la cuve de la colonne, la première conduite étant reliée à une première vanne capable de fermer la première conduite, l'autre extrémité de la première conduite étant capable d'être reliée à un échangeur de chaleur et éventuellement à une pompe et la deuxième 25 conduite étant reliée à une deuxième vanne capable de fermer la deuxième conduite et une troisième conduite ayant une extrémité reliée à un niveau intermédiaire de la colonne et comprenant la troisième conduite étant reliée à une troisième vanne capable de fermer la troisième conduite. Selon d'autres objets facultatifs : - le niveau intermédiaire de la colonne est juste en dessous du tronçon le 5 plus bas de la colonne. - le niveau intermédiaire de la colonne est séparé de la cuve de la colonne par au moins un plateau théorique et au plus 10 plateaux théoriques. -l'autre extrémité de la troisième conduite n'est pas reliée à un autre élément. 10 -l'autre extrémité de la deuxième conduite n'est pas reliée à un autre élément. -les première et deuxième conduites sont reliées à la cuve de la colonne par une conduite commune. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation 15 d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la double colonne comprenant une première colonne capable de fonctionner à une première pression et une deuxième colonne selon l'une des revendications précédentes capable de fonctionner à la pression de fonctionnement qui est inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant reliée à la 20 cuve de la deuxième colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur, chaque colonne contenant plusieurs tronçons d'éléments d'échange de masse et de chaleur et la deuxième conduite est reliée à un échangeur de chaleur pour permettre la vaporisation d'oxygène liquide. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : 25 Pour avoir un appareil capable de produire un mélange Kr/Xe dans lequel l'autre extrémité de la première conduite est reliée à une unité de traitement pour produire le mélange et la première vanne est ouverte. L'autre extrémité de la troisième conduite peut être reliée à l'échangeur de chaleur. Sinon, si la production d'un mélange Kr/Xe n'est pas requise, la première vanne est fermée et la première conduite n'est reliée qu'à la cuve de la deuxième 5 colonne. La première conduite sera relativement courte pour ne pas augmenter inutilement la taille de la boîte froide. L'existence de ces connexions, qui sont les première, deuxième et troisième conduites, permettent de repousser la décision de produire un mélange Kr/Xe ou pas. 10 Il est relativement simple de rajouter une connexion entre la première conduite et l'unité de traitement qui produit le mélange Kr/Xe, si nécessaire. De même, soit la deuxième soit la troisième conduite soit les deux peuvent être reliées à l'échangeur de chaleur pour assurer la vaporisation d'oxygène liquide et éventuellement de la purge de déconcentration. 15 L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures 1 à 3. La Figure 1 représente un appareil de séparation selon l'invention en fonctionnement. Les figures 2 et 3 représentent l'appareil de figure 1 pendant des étapes de fabrication. Dans la figure 1, un appareil de séparation d'air comprend une double 20 colonne comprenant une première colonne 1 opérant à une première pression et une deuxième colonne 3 opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression. La tête de la première colonne 1 est reliée thermiquement avec la cuve de la deuxième colonne 3 au moyen d'un vaporiseur-condenseur 5. Un liquide enrichi en oxygène 15 est soutiré en cuve de la première 25 colonne 1, détendu et envoyé vers la deuxième colonne 3. Un liquide enrichi en azote 17 est soutiré en tête de la première colonne 1, détendu et envoyé vers la tête de la deuxième colonne 3. De l'air 7 comprimé et épuré se refroidit dans l'échangeur de chaleur 9 et rentre sous forme gazeuse dans la première colonne 3. De l'oxygène liquide 13 enrichi en Kr/Xe est soutiré en cuve de la deuxième colonne et envoyé à une unité de traitement 21. De l'oxygène liquide 19, moins riche en Kr/Xe que le liquide 13 est soutiré d'un collecteur 23 juste en dessous du premier tronçon 25 de la deuxième colonne 3, en comptant du bas. Ce liquide 19 est pressurisé par une pompe 11 et se vaporise dans l'échangeur de chaleur 9. Ainsi fonctionne le procédé selon l'invention quand la décision a été prise pour produire de l'oxygène enrichi en Kr/Xe. En choisissant la structure de la colonne des manières illustrées dans les Figures 2 et 3, cette décision de production de Kr/Xe peut être prise le plus tardivement possible et en impliquant le moins possible de modifications. Dans la Figure 2, on constate qu'une conduite CO reliée à la cuve de la deuxième colonne 5 à une extrémité est connectée à l'autre extrémité à une extrémité de chacune de deux conduites Cl, C2, les deux pouvant être fermées par une vanne respective. L'autre extrémité de la deuxième conduite C2 est reliée à une conduite 19A reliée à l'échangeur de chaleur 9, de préférence via la pompe 11. Au moment de la construction, les extrémités de la première et deuxième conduites Cl, C2 ne sont pas reliées à une autre conduite (à part la première conduite Cl pour la deuxième conduite C2). Si la décision est prise de faire fonctionner la colonne sans production de 25 Kr/Xe, les vannes des première et troisième conduites seront fermées ou les première et troisième conduites seront condamnées d'une autre manière. Comme la vanne de la deuxième conduite C2 est ouverte, l'oxygène de la cuve passe dans la conduite 19A qui a été rajoutée et alimente le client en oxygène gazeux après vaporisation dans l'échangeur 9. Si, par contre la décision est prise de faire fonctionner la colonne avec production de Kr/Xe, la vanne de la deuxième conduite C2 est fermée, les vannes des première et troisième conduites sont ouvertes. La première conduite Cl est reliée à une conduite 13A amenant le liquide vers l'unité de traitement 21 pour enrichir le débit en Kr/Xe. La troisième conduite C3 est reliée, par l'addition d'une conduite 19B, à la conduite 19A et déverse de l'oxygène liquide à vaporiser dans les passages de 10 l'échangeur de chaleur 9 via la pompe 11. L'intérêt de la Figure 2 est qu'au niveau de la sécurité de l'appareil, tant que les conduites 19B et 13A pour la concentration de Kr/Xe ne sont pas installées, on a un appareil « à pompes » classique, donc non concentré en hydrocarbures au niveau du bain de cuve de la colonne 3. 15 Dans cette option, on n'investit donc, pour le Kr/Xe futur/potentiel, que des piquages en attente (conduites Cl, C3) et un distributeur supplémentaire 23 conçus pour pouvoir effectuer le futur soutirage d'oxygène liquide intermédiaire pour la production d'oxygène pompé. La Figure 3 présente une autre façon de construire la deuxième colonne, en 20 attendant la décision pour la production de Kr/Xe. Ici on retrouve les conduites CO, Cl, C2, C3 de la Figure 4. Dans ce cas, si on décide de ne pas produire du Kr/Xe, on produit l'oxygène à partir de la troisième conduite C3, celle-ci étant reliée à la conduite 19B déjà installée ainsi qu'à la conduite 19A. Ici la deuxième conduite C2 joue le rôle de ligne de déconcentration et est connectée également 25 aux conduites 19A, 19B. La première conduite Cl est fermée. Quand on décide de produire du Kr/Xe, la première conduite Cl est reliée à l'unité de traitement 21 en rajoutant la conduite 13A, on ferme la deuxième conduite C2 et on soutire l'oxygène liquide comme pour le cas précédent du distributeur 23 par la troisième conduite C3. Dans cette variante, le rendement Xe au sortir de la colonne BP est donc conservé proche de 70%, alors que le rendement en Kr est diminué. Afin 5 d'augmenter le rendement Kr, on peut décider d'augmenter volontairement le petit débit de LOX vers l'unité de purification de Kr/Xe. Le tableau ci-dessous donne, à titre indicatif, quelques chiffres de rendement Kr/Xe (au sortir de la colonne BP) dans les différentes options : Appareil « à pompes » Avec Sans tronçon Kr/Xe tronçon Kr/Xe Q LOX vers 1% Qair 1% Qair 2% Qair Kr/Xe Rendement Xe (sortie colonne 3) ',' 70 % Rendement Kr (sortie colonne 3) ',' 70 % ',' 30 % ',' 40 % L'avantage d'une telle variante est que l'investissement supplémentaire à 10 faire pour produire le Kr/Xe est moindre. Même si le tronçon entre le soutirage d'oxygène liquide et le soutirage de cuve est très petit, la présence d'un tronçon sous-entend la présence d'un distributeur, nécessairement coûteux, au-dessus du tronçon pour la distribution du liquide. Ainsi la suppression du tronçon permet des économies importantes. 15 Cela est intéressant par exemple si l'option Kr/Xe n'est qu'une hypothèse pour le futur, ou sur des appareils standardisés (ou partiellement standardisés) avec une option Kr/Xe (retenue ou non selon le cas). Le soutirage partiel de LOX pour la production d'oxygène (au dessus du vaporiseur), se fera par l'intermédiaire d'un distributeur conçu à cet effet. De multiples options existent pour réaliser une telle fonction. A noter qu'il est possible d'utiliser la présente invention dans le cas où le liquide riche en oxygène est soutiré de la deuxième colonne à un niveau de la deuxième colonne au moins un plateau théorique au-dessus de la cuve de la deuxième colonne ou, comme illustré, sans plateau théorique entre la cuve et le soutirage. Dans les deux cas des Figures 2 et 3, les première et deuxième conduites 1() Cl,C2 peuvent déboucher directement dans la cuve de la colonne 3, la conduite CO n'existant pas. Il est évidemment possible de fabriquer la deuxième colonne 3 à un premier endroit et la première colonne à un deuxième endroit et de les assembler ultérieurement. 15 REVENDICATIONS1. Colonne de distillation (3), capable de fonctionner à une pression de fonctionnement, pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la double colonne comprenant une première colonne (1) capable de fonctionner à une première pression et la colonne capable de fonctionner à la pression de fonctionnement qui est inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant adaptée à être reliée à la cuve de la colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur (5), la colonne contenant plusieurs tronçons d'éléments d'échange de masse et de chaleur (25), une extrémité d'une première conduite (Cl) et une extrémité d'une deuxième conduite (C2) étant reliées à la cuve de la colonne, la première conduite étant reliée à une première vanne capable de fermer la première conduite, l'autre extrémité de la première conduite étant capable d'être reliée à un échangeur de chaleur (9) et éventuellement à une pompe (11) et la deuxième conduite étant reliée à une deuxième vanne capable de fermer la deuxième conduite et une troisième conduite ayant une extrémité reliée à un niveau intermédiaire de la colonne et comprenant la troisième conduite (C3) étant reliée à une troisième vanne capable de fermer la troisième conduite. 2. Colonne selon la revendication 1 dans lequel le niveau intermédiaire de la colonne (3) est juste en dessous du tronçon le plus bas de la colonne. 3. Colonne selon la revendication 1 dans le niveau intermédiaire de la colonne (3) est séparé de la cuve de la colonne par au moins un plateau théorique et au plus 10 plateaux théoriques. 4. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'autre extrémité de la troisième conduite (C3) n'est pas reliée à un autre élément. 5. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'autre extrémité de la deuxième conduite (C2) n'est pas reliée à un autre élément. 6. Colonne selon l'une des revendications précédentes dans lequel les 10 première et deuxième conduites (Cl, C2) sont reliées à la cuve de la colonne par une conduite commune (CO). 7. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la double colonne comprenant une première colonne (1) 15 capable de fonctionner à une première pression et une deuxième colonne (3) selon l'une des revendications précédentes capable de fonctionner à la pression de fonctionnement qui est inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant reliée à la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur (5), chaque colonne contenant plusieurs tronçons 20 d'éléments d'échange de masse et de chaleur et la deuxième conduite (C2) est reliée à un échangeur de chaleur (9) pour permettre la vaporisation d'oxygène liquide. 8. Appareil selon la revendication 7 capable de produire un mélange 25 Kr/Xe dans lequel l'autre extrémité de la première conduite (Cl) est reliée à une unité de traitement (21) pour produire le mélange et la première vanne est ouverte. 9. Appareil selon l'une des revendications 7 et 8 capable de produire un mélange Kr/Xe dans lequel l'autre extrémité de la troisième conduite (C3) est reliée à l'échangeur de chaleur (9). 10. Appareil selon la revendication 7 dans lequel la première vanne est fermée et la première conduite (Cl) n'est reliée qu'à la cuve de la deuxième colonne.