Brevet FR3014180A1 — publié le 20150605

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Il est connu d'utiliser des procédés tels que décrits dans EP-A- 0 504 029 pour produire de l'oxygène sous haute pression (> 15 bars), tout en produisant du liquide fatal. Une partie de l'air va vers le surpresseur de la turbine Claude tandis que le reste se refroidit dans la ligne d'échange, puis est détendu dans la turbine Claude. Sans production de liquide, pour une pression d'oxygène de 40 bara, l'écart au bout chaud de la ligne d'échange peut être supérieur à 10°C. Ainsi, ces procédés sont reconnus économiques du point de vue de l'investissement, mais souffrent d'une consommation d'énergie très importante lorsqu' une faible production, voire aucune production de liquide n'est requise. Il est également connu d'utiliser des procédés de type « surpresseur froid » utilisant un surpresseur alimenté par de l'air à une température en dessous de 100°C. C'est un moyen assez efficace en terme d'énergie (gain jusqu'à 5-6%), mais plus couteux en investissement : cela rajoute une machine (le surpresseur froid) et cela augmente grandement la ligne d'échange, qui se trouve resserrée sur toute la partie supérieure vers le bout chaud (augmentation de 30% à 50% de la surface d'échange). Le gain énergétique obtenu ne permet pas, en particulier sur les unités de petites tailles, de payer le surcout en investissement. Un but de l'invention est de proposer une alternative pour réaliser des schémas de procédé permettant d'améliorer les performances énergétiques par rapport à EP25 A-0504029, tout en se maintenant à un investissement inférieur aux procédés utilisant un surpresseur froid. En particulier, l'invention peut permettre de réduire la consommation d'énergie pour un appareil de séparation d'air qui produit de l'oxygène à haute pression, notamment quand la demande en liquide est faible ou nulle. L'invention 30 permet notamment de réduire la consommation d'énergie en réduisant la pression en amont du surpresseur de la turbine Claude (et donc sollicitant moins le compresseur/le surpresseur qui fournit cette pression), tout en maintenant la pression d'air nécessaire à la vaporisation de l'oxygène. Une demande en liquide est faible quand elle constitue moins que 5% de l'air à distiller pour tous les liquides produits comme produits finaux. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées thermiquement entre elles par au moins un vaporiseur-condenseur, dans lequel : i) une partie de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation est comprimée dans un premier surpresseur pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, et le débit d'air comprimé à la haute pression est envoyé dans un premier échangeur de chaleur à une température d'entrée égale à T1 ii) une première partie constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression est sortie de l'échangeur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, surpressée au moyen d'un deuxième surpresseur, élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3 puis refroidie dans un second échangeur de chaleur et renvoyée dans le premier échangeur de chaleur, de préférence au bout chaud de celui-ci, qu'elle traverse jusqu'à son bout froid en ayant été (pseudo) liquéfiée, puis est détendue au moyen d'une vanne ou d'une turbine pour être envoyée à au moins une des colonnes, iii) une deuxième partie constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression est refroidie dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température inférieure à T2, détendue dans une turbine et envoyée au moins en partie à la première colonne, iv) une fraction du débit d'air total, représentant entre 35 et 70% de l'air, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, est envoyée dans le premier échangeur, refroidie jusqu'au bout froid, et alimente la première colonne de distillation y) des fluides enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne, vi) éventuellement une troisième partie constituant moins de 10% du débit d'air à la haute pression poursuit jusqu'au bout froid, se liquéfie, et est envoyée, après détente dans une vanne ou une turbine, au système de colonnes, éventuellement après avoir été remélangée avec la fraction d'air liquéfié générée dans l'étape iii) vii) un liquide (41, 141) soutiré d'une des colonnes est pressurisé à une pression supérieure à 20 bars abs et se vaporise dans le premier échangeur de chaleur, ix) la turbine de détente (11, 111) de la deuxième partie est couplée au deuxième surpresseur et x) aucune autre turbine n'est couplée au premier ou au deuxième surpresseur. 10 Selon d'autres objets facultatifs : - T1-T2 est supérieur à 20°C, voire supérieur à 40°C. - T1-T2 est inférieur à 100°C, voire inférieur à 80°C. - T3-T2 est supérieur à 80°C, voire à 90°C, voire à 100°C, voire à 120°C. 15 - T3-T1 est supérieur à 20°C, voire supérieur à 35°C ou même supérieur à 50°C. - la première partie de l'air est refroidie à partir de la température T3 jusqu'à la température proche de T1 au moyen du second échangeur de chaleur autre que le premier échangeur de chaleur, pouvant être un réfrigérant à l'eau. 20 - la quantité totale de liquide produit comme produit final ou produits finaux n'excède pas 5% du débit d'air total. - le taux de compression du deuxième surpresseur est entre 2 et 3, voire entre 2 et 2.5. 25 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées entre elles, un premier échangeur de chaleur, un second échangeur de chaleur, un premier 30 surpresseur pour comprimer une partie de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, une conduite pour envoyer le débit d'air comprimé du premier surpresseur dans le premier échangeur de chaleur à une température d'entrée égale à T1, une conduite pour sortir une première partie constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression du premier échangeur de chaleur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, un deuxième surpresseur (9, 109) pour surpresser la première partie, élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3, une conduite pour envoyer la première partie refroidie dans le second échangeur, une conduite pour envoyer la première partie du second échangeur au premier échangeur de chaleur, une conduite pour sortir la première partie du bout froid du premier échangeur en ayant été (pseudo) liquéfiée, une vanne ou une turbine pour détendre la première partie sortant du bout froid pour être envoyée à au moins une des colonnes, une conduite pour envoyer une deuxième partie constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression se refroidir dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température inférieure à T2, une turbine pour détendre la deuxième partie refroidie et une conduite pour envoyer la deuxième partie de la turbine vers la première colonne, des moyens pour envoyer une fraction comprise entre 35 et 70% du débit d'air total, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, dans le premier échangeur pour se refroidir jusqu'au bout froid, et alimenter la première colonne de distillation, des conduites pour envoyer des fluides enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un liquide d'une des colonnes, des moyens pour pressuriser le liquide soutiré à une pression supérieure à 20 bars abs et une conduite pour envoyer le liquide pressurisé se vaporiser dans le premier échangeur de chaleur, la turbine de détente de la deuxième partie étant couplée au deuxième surpresseur et aucune autre turbine n'étant couplée au premier ou deuxième surpresseur . L'invention sera décrite de manière plus détaillée en référant aux figures 1 et 2 qui illustrent des procédés selon l'invention. La Figure 1 illustre un procédé de production d'oxygène gazeux pressurisé par distillation cryogénique de l'air. Le procédé utilise une installation comprenant au moins une première colonne 119 opérant à une première pression et une deuxième colonne 121 opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées entre elles thermiquement au moyen d'un rebouilleur de cuve 123 de la deuxième colonne. Une partie seulement, représentant au moins 30% et au plus 65% du débit d'air d'alimentation est portée à haute pression, au moins 5 bars au dessus de la première pression. Un débit d'air constituant tout l'air à distiller est comprimé dans un compresseur principal (non-illustré) sensiblement égale, aux pertes de charges près, à la première pression pour faire un débit 101 L'air est divisé en deux parties 112, 114. La partie 114, représentant entre 30 et 65% du débit 101, est surpressée dans un surpresseur 104 sous une troisième pression au moins 5 bars supérieure à la première pression, refroidi dans un refroidisseur 106, pour former le flux 115, puis envoyée à l'échangeur principal 107. L'air 115 est refroidi dans l'échangeur principal depuis une température d'entrée d'air T1 jusqu'à une température T2 supérieure à -50°C, par exemple entre -30°C et 10°C, qui est une température intermédiaire de l'échangeur principal 107. Une partie 103 de l'air sort de l'échangeur à la température T2 et sans avoir été refroidie ou réchauffée, elle est comprimée dans un surpresseur 109 jusqu'à une haute pression, de l'ordre de 45 bara voire 65 bara ou plus. Cette partie 103 constitue moins que 50% du débit d'air 101 et plus que 10% du débit d'air 101 et de préférence entre 20% et 30% du débit 101. De préférence T1-T2 est compris entre 20°C et 100°C, de préférence entre 20 40°C et 60°C Le surpresseur 109 est entraîné par une turbine de détente reliée mécaniquement au surpresseur, sans système additionnel de dissipation d'énergie. L'air surpressé se trouve à une température T3 supérieure à la température d'entrée d'air T1 d'au moins 20°C, voire d'au moins 35°C, ou même d'au moins 25 50°C. Ainsi est-il nécessaire de refroidir l'air surpressé au moyen d'un refroidisseur 108, par exemple un refroidisseur à l'eau, indépendant de l'échangeur principal 107, jusqu'à une température proche de la température T1, par exemple différant de T1 d'au plus 5°C dans un sens ou dans l'autre. L'air surpressé est ensuite refroidi et liquéfié dans l'échangeur principal 107 en 30 traversant tout l'échangeur, et puis est détendu, par exemple dans une vanne ou dans une turbine 110 et envoyé au système de distillation. De préférence T3-T2 est supérieur à 40°C, voire supérieur à 80°C, ou même supérieur à 120°C. 3014 180 6 L'air 105 qui n'est pas envoyé au surpresseur 109 constituant entre 15% et 45% du débit d'air 101 poursuit son refroidissement dans l'échangeur à une température inférieure à T2. Tout l'air 105 est détendu dans une turbine 111 couplée au surpresseur 109 jusqu'à la première pression et puis envoyée sous état gazeux ou 5 légèrement diphasique à la première colonne 119. Alternativement, une fraction de l'air peut poursuivre son refroidissement jusqu'au bout froid de l'échangeur et se liquéfier. Ce flux est éventuellement mélangé avec le débit surpressé comme décrit ci-dessus. Le mélange des deux flux d'air liquéfiés est ensuite détendu pour être envoyé à au moins une colonne de distillation. Alternativement, chaque flux d'air 10 liquéfié est détendu indépendamment et envoyé à au moins une colonne de distillation. Le reste 112 de l'air à la pression de sortie du compresseur principal n'est ni surpressé ni détendu dans une turbine. Cet air est refroidi jusqu'au bout froid de l'échangeur à la pression de sortie du compresseur principal et est mélangé avec le 15 débit détendu dans la turbine 111 pour être envoyé à la première colonne 119 sous forme principalement gazeuse. La première colonne peut opérer à une pression entre 4 bara et 15 bara. Un débit enrichi en oxygène 129 est envoyé de la cuve de la première colonne 119 à une région intermédiaire de la deuxième colonne 121. Un liquide intermédiaire 131 de la première colonne 119 est détendu puis envoyé à la deuxième colonne 121 à un niveau supérieur. La tête de la deuxième colonne est alimentée en tête par le liquide de tête 133 de la première colonne. Un liquide 141 riche en oxygène est soutiré en cuve de la deuxième colonne, pressurisé dans une pompe 143 à une pression supérieure à 30 bars abs pour former un liquide pressurisé 145, puis vaporisé dans l'échangeur 107 pour former un produit gazeux riche en oxygène. On obtient un gain d'énergie d'environ 2% par rapport à une solution classique, qui se paye largement du fait du très faible surcout de la solution par rapport à l'ajout d'un surpresseur froid. Dans la variante de la Figure 2, l'air 1 est divisé en une partie 4 et une partie 13. La partie 13, représentant entre 35 et 70% de l'air 1, se refroidit dans l'échangeur de chaleur 7 à la pression de l'air 1 et alimente sous forme gazeuse la première colonne 19. L'autre partie 4, représentant entre 30 et 65% du débit 101, est surpressée dans un premier surpresseur 2, refroidie dans un refroidisseur puis refroidie dans l'échangeur 7 jusqu'à une température intermédiaire T2 puis divisée en deux. Une partie 3, représentant 10-50% du débit 4, est sortie de l'échangeur 7 pour être surpressée par le deuxième surpresseur 9, est refroidie par un réfrigérant 8 puis envoyée au bout chaud de l'échangeur 7. Dans l'échangeur 7 elle se liquéfie puis est détendue dans une vanne ou une turbine liquide avant d'être divisée en deux (débit 15) pour alimenter les colonnes 19,21. Le reste 5 de l'air, représentant entre 50 et 90% du débit 4, se refroidit dans l'échangeur 7 jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci, est détendu dans une turbine 11 entraînant le deuxième surpresseur 9 et puis est envoyé sous forme gazeuse à la colonne 19. La première colonne 19 peut opérer à une pression entre 4 bara et 15 bara. Un débit enrichi en oxygène 29 est envoyé de la cuve de la première colonne 19 à une région intermédiaire de la deuxième colonne 21. Un liquide intermédiaire 31 de la première colonne 19 est détendu puis envoyé à la deuxième colonne 21 à un niveau supérieur. La tête de la deuxième colonne est alimentée en tête par le liquide de tête 33 de la première colonne. Un liquide 41 riche en oxygène est soutiré en cuve de la deuxième colonne, pressurisé dans une pompe 43 à une pression supérieure à 30 bars abs pour former un liquide pressurisé 45, puis vaporisé dans l'échangeur 7 pour former un produit 20 gazeux riche en oxygène HP 02. De l'azote moyenne pression gazeux 51 est soutiré de la tête de la première colonne. L'appareil produit de l'oxygène liquide 39, OL refroidi dans le sousrefroidisseur 49 et de l'azote liquide 37, NL. 25 L'invention est applicable pour tout type de distillation. Le système de colonne peut opérer avec une deuxième colonne entre par exemple 1,2 bars et 6 bars abs. Le système de colonne peut comporter une double colonne comme illustrée ou peut comprendre une colonne à pression intermédiaire opérant entre la première et la deuxième pression. Le débit pressurisé et vaporisé est ici de l'oxygène, mais peut 30 être de l'azote ou de l'argon. Il est également possible de vaporiser plusieurs liquides pressurisés pour former des produits sous pression. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression (19, 119) et une deuxième colonne (21, 121) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées thermiquement entre elles par au moins un vaporiseur-condenseur, dans lequel : i) une partie (4, 114) de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation est comprimée dans un premier surpresseur (2, 104) pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, et le débit d'air comprimé à la haute pression est envoyé dans un premier échangeur de chaleur (7, 107) à une température d'entrée égale à T1 ii) une première partie (3, 103) constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression est sortie de l'échangeur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, surpressée au moyen d'un deuxième surpresseur (9, 109), élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3 puis refroidie dans un second échangeur de chaleur (8, 108) et renvoyée dans le premier échangeur de chaleur, de préférence au bout chaud de celui-ci, qu'elle traverse jusqu'à son bout froid en ayant été (pseudo) liquéfiée, puis est détendue au moyen d'une vanne ou d'une turbine (110) pour être envoyée à au moins une des colonnes, iii) une deuxième partie (5, 105) constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression est refroidie dans le premier échangeur de chaleur (7, 107) jusqu'à une température inférieure à T2, détendue dans une turbine (11, 111) et envoyée au moins en partie à la première colonne, iv) une fraction (13, 112) du débit d'air total, représentant entre 35 et 70% de l'air, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, est envoyée dans le premier échangeur, refroidie jusqu'au bout froid, et alimente la première colonne de distillation y) des fluides enrichis en azote et en oxygène (29, 129, 33, 133) sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne,vi) éventuellement une troisième partie constituant moins de 10% du débit d'air à la haute pression poursuit jusqu'au bout froid, se liquéfie, et est envoyée, après détente dans une vanne ou une turbine, au système de colonnes, éventuellement après avoir été remélangée avec la fraction d'air liquéfié générée dans l'étape iii) vii) un liquide (41, 141) soutiré d'une des colonnes est pressurisé à une pression supérieure à 20 bars abs et se vaporise dans le premier échangeur de chaleur, ix) la turbine de détente (11, 111) de la deuxième partie est couplée au deuxième surpresseur et x) aucune autre turbine n'est couplée au premier ou au deuxième surpresseur. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel T1-T2 est supérieur à 20°C, voire supérieure à 40°C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel T1-T2 est inférieur à 100°C, voire inférieur à 80°C. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel T3-T2 est supérieur à 80°C, voire à 90°C, voire à 100°C, voire à 120°C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel T3-T1 est supérieur à 20°C, voire supérieur à 35°C ou même supérieur à 50°C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première partie de l'air est refroidie à partir de la température T3 jusqu'à la température proche de T1 au moyen du second échangeur de chaleur (8, 108) autre que le premier échangeur de chaleur (7, 107), pouvant être un réfrigérant à l'eau. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité totale de liquide produit comme produit final ou produits finaux n'excède pas 5% du débit d'air total. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le taux de compression du deuxième surpresseur est entre 2 et 3, voire entre 2 et 2.5. 9. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins une première colonne (19, 119) opérant à une première pression et une deuxième colonne (21, 121) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées entre elles, un premier échangeur de chaleur (7, 107), un second échangeur de chaleur (8, 108), un premier surpresseur (2) pour comprimer une partie de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, une conduite pour envoyer le débit d'air comprimé du premier surpresseur dans le premier échangeur de chaleur à une température d'entrée égale à T1, une conduite pour sortir une première partie constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression du premier échangeur de chaleur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, un deuxième surpresseur (9, 109) pour surpresser la première partie, élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3, une conduite pour envoyer la première partie refroidie dans le second échangeur, une conduite pour envoyer la première partie du second échangeur au premier échangeur de chaleur, une conduite pour sortir la première partie du bout froid du premier échangeur en ayant été (pseudo) liquéfiée, une vanne ou une turbine pour détendre la première partie sortant du bout froid pour être envoyée à au moins une des colonnes, une conduite pour envoyer une deuxième partie constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression se refroidir dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température inférieure à T2, une turbine (11, 111) pour détendre la deuxième partie refroidie et une conduite pour envoyer la deuxième partie de la turbine vers la première colonne, des moyens pour envoyer une fraction (112) comprise entre 35 et 70% du débit d'air total, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, dans le premier échangeur pour se refroidir jusqu'au bout froid, et alimenter la première colonne de distillation, des conduites pour envoyer des fluides enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un liquide (41, 141) d'une des colonnes, des moyens pour pressuriser le liquide soutiré à une pression supérieure à 20 bars abs et une conduite pour envoyer le liquide pressurisé se vaporiser dans lepremier échangeur de chaleur, la turbine de détente de la deuxième partie étant couplée au deuxième surpresseur et aucune autre turbine n'étant couplée au premier ou deuxième surpresseur .