Brevet FR3011916A1 — publié le 20150417

La présente invention est relative à un procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Dans le cadre de la fourniture d'oxygène aux procédés de gazéification, la consommation d'oxygène impur (typiquement de l'ordre de 95% mol.) 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 associée. Lorsque le client valorise l'ensemble de l'azote sous pression disponible, les schémas avec colonne basse pression sous pression permettent d'obtenir de bonne énergie de séparation de l'oxygène. Une colonne basse pression est dite « sous pression » quand elle opère à une pression supérieure 15 à 2 bars abs. On propose d'améliorer l'efficacité d'un tel système par une intégration thermique entre colonnes plus poussée. L'invention est particulière intéressante sur des schémas qui ont naturellement un bout chaud de la ligne d'échange écarté ou si l'on dispose de 20 puissance frigorifique à valoriser. Un écart typique de bout chaud d'un procédé dans lequel cette invention serait employée serait entre 6 et 10°C. US-A-5341646 décrit un appareil de séparation comprenant trois colonnes, une colonne haute pression, une colonne basse pression et une 25 colonne à pression intermédiaire opérant à une pression entre la basse pression et la haute pression. De l'air est envoyé à la colonne haute pression et l'azote de tête de la colonne haute pression se condense dans un condenseur intermédiaire de la colonne à pression intermédiaire. Un débit d'azote de cycle se condense dans 30 le condenseur de cuve de la colonne à pression intermédiaire. De l'azote gazeux est produit en tête de la colonne intermédiaire. L'azote de tête de la colonne à pression intermédiaire se condense dans la cuve de la colonne basse pression et de l'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression est pressurisé et se vaporise dans la ligne d'échange. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air 5 par distillation cryogénique dans un ensemble de colonnes comprenant une première colonne opérant à une première pression, une deuxième colonne opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression et une troisième colonne opérant à une troisième pression inférieure à la deuxième pression dans lequel : 10 i) de l'air comprimé, épuré et refroidi est envoyé à la première colonne où il se sépare pour former un liquide enrichi en oxygène et un gaz enrichi en azote ii) une partie du gaz enrichi en azote de la première colonne se condense dans un vaporiseur-condenseur de cuve de la deuxième colonne, 15 iii) du liquide enrichi en oxygène est envoyé de la première colonne à la deuxième colonne, iv) un liquide enrichi en oxygène est envoyé de la cuve de la deuxième colonne à la troisième colonne, y) un gaz enrichi en azote est envoyé de la tête de la deuxième 20 colonne à un premier vaporiseur-condenseur de la troisième colonne où il se condense, le liquide condensé étant renvoyé à la deuxième colonne, vi) un gaz riche en azote est soutiré en tête de la troisième colonne, vii) un liquide contenant au moins 85% d'oxygène est soutiré en cuve de la troisième colonne, pressurisé et vaporisé pour former un produit gazeux 25 contenant au moins 85% d'oxygène, caractérisé en ce que le premier vaporiseur-condenseur de la troisième colonne est un vaporiseur-condenseur disposé à un point intermédiaire de la troisième colonne, la troisième colonne a un deuxième vaporiseur-condenseur qui est un vaporiseur-condenseur de cuve, un gaz enrichi en azote de la 30 deuxième colonne est comprimé dans un compresseur ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante et envoyé au deuxième vaporiseur-condenseur pour s'y condenser, le vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne est un vaporiseur-condenseur de cuve qui est le seul vaporiseur-condenseur présent dans la deuxième colonne, le gaz de tête de la première colonne est envoyé au vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne sans avoir été comprimé, éventuellement un liquide riche en azote est pressurisé puis envoyé de la tête de la deuxième colonne à la tête de la première colonne et de l'azote gazeux est soutiré en tête de la première colonne et réchauffé pour former un produit du procédé. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - on envoie un liquide intermédiaire de la première colonne vers la troisième colonne. - tout le gaz enrichi en azote de la tête de la deuxième colonne est envoyé aux premier et deuxième vaporiseurs-condenseurs. - le liquide contenant au moins 85% d'oxygène est pressurisé à une pression supérieure à 30 bars abs, préférentiellement supérieure à 40 bara avant d'être vaporisé ou pseudo-vaporisé. - la troisième pression est supérieure à 2 bars abs. - le compresseur ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante a une température d'entrée supérieure à la température de vaporisation du liquide contenant au moins 85% d'oxygène moins 5°C. - le liquide contenant au moins 85% d'oxygène se vaporise dans un échangeur de chaleur où se refroidit l'air comprimé, l'écart des températures au bout chaud de l'échangeur de chaleur étant inférieur à 10°C, préférentiellement inférieure à 6°C. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un ensemble de colonnes comprenant une première colonne opérant à une première pression, une deuxième colonne opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression et une troisième colonne opérant à une troisième pression inférieure à la deuxième pression, la deuxième colonne ayant un vaporiseur-condenseur de cuve, le troisième colonne ayant un premier vaporiseur-condenseur, une conduite pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi à la première colonne où il se sépare pour former un liquide enrichi en oxygène et un gaz enrichi en azote, une conduite pour envoyer une partie du gaz enrichi en azote de la première colonne se condenser dans le vaporiseur-condenseur de cuve de la deuxième colonne, une conduite pour envoyer du liquide enrichi en oxygène de la première colonne à la deuxième colonne, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la deuxième colonne à la troisième colonne, une conduite pour envoyer un gaz enrichi en azote de la tête de la deuxième colonne à un premier vaporiseur-condenseur de la troisième colonne où il se condense, une conduite pour envoyer le liquide condensé du premier vaporiseur-condenser à la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la troisième colonne, une conduite pour soutirer un liquide contenant au moins 85% d'oxygène en cuve de la troisième colonne, des moyens pour pressuriser le liquide et un échangeur de chaleur pour vaporiser le liquide pressurisé pour former un produit gazeux contenant au moins 85% d'oxygène caractérisé en ce que le premier vaporiseur-condenseur de la troisième colonne est un vaporiseurcondenseur disposé à un point intermédiaire de la troisième colonne, la troisième colonne a un deuxième vaporiseur-condenseur qui est un vaporiseurcondenseur de cuve, un gaz enrichi en azote de la deuxième colonne est comprimé dans un compresseur ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante et envoyé au deuxième vaporiseur-condenseur pour s'y condenser, le vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne est un vaporiseur-condenseur de cuve qui est le seul vaporiseur-condenseur présent dans la deuxième colonne, l'appareil comprend des moyens pour envoyer le gaz de tête de la première colonne au vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne sans avoir été comprimé, éventuellement des moyens pour pressuriser un liquide riche en azote et des moyens pour envoyer le liquide riche pressurisé de la tête de la deuxième colonne à la tête de la première colonne, et une conduite pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la première colonne et des moyens pour le réchauffer pour former un produit du procédé. L'appareil peut comprendre des moyens pour envoyer un liquide intermédiaire de la première colonne vers la troisième colonne. L'appareil peut comprendre des moyens pour envoyer tout le gaz enrichi en azote de la tête de la deuxième colonne aux premier et deuxième vaporiseurs-condenseurs. L'utilisation du compresseur froid permet de réduire fortement, par effet de cascade, la pression de la première colonne, ce qui permet un gain appréciable d'énergie. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. L'appareil de séparation d'air comprend un échangeur de chaleur 13, un échangeur de chaleur 49, une première colonne 21 opérant à une première pression entre 11 et 20 bara, une deuxième colonne 23 opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression et entre 1 et 11 bara et une troisième colonne 25 opérant à une troisième pression inférieure à la deuxième pression. La troisième pression est entre 2 bars abs et 6 bara. L'air 1 est comprimé à la première pression et puis divisé en deux. Une partie 5 à la première pression se refroidit dans l'échangeur 13 et est envoyé à la première colonne 21 sous forme gazeuse. Le reste 3 est surpressé dans le surpresseur 7 jusqu'à une pression de 49 bara et divisé en deux. Une partie 15 est envoyée à l'échangeur 13 où elle est refroidie jusqu'à une température intermédiaire de l'échangeur puis détendue dans une turbine Claude 11 et envoyée à la colonne 21 après être mélangé au débit 5 pour former le débit 14. Le reste 17 de l'air surpressé est de nouveau surpressé dans un surpresseur 9 couplé à la turbine 11 et envoyé à l'échangeur 13 où il se refroidit. Le débit 17 refroidi et pseudo-liquéfié est détendu dans une turbine 19 pour former un débit au moins partiellement liquide qui est envoyé à la colonne 21. Tout l'air 1 est envoyé à la colonne 21 où il se sépare. Un débit enrichi en oxygène 33 est envoyé de la première colonne vers le milieu de la deuxième colonne 23 après détente. Un débit intermédiaire 35 est envoyé de la première colonne à la troisième colonne 25 après sous-refroidissement dans 49, puis détente. De l'azote liquide de la tête de la première colonne 21 est sous-refroidi, puis détendu et envoyé à la tête de la troisième colonne 25 après sous-refroidissement dans 49, puis détente. De l'azote gazeux 65 est soutiré de la première colonne et se réchauffe dans l'échangeur 13 pour former un produit d'azote sous pression entre 11 et 20 bara. Une autre partie de l'azote se condense dans le vaporiseur-condenseur de cuve 27 de la deuxième colonne et est renvoyée en tête de la première colonne. Un liquide de cuve 51 de la deuxième colonne 23 est sous-refroidi, puis détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la troisième colonne 25. Un liquide de tête 39 de la deuxième colonne 23 est divisé en deux, une partie 55 étant sous-refroidi, puis détendu et envoyé en tête de la troisième colonne 25 et le reste 53 étant pressurisé par une pompe 57 pour être renvoyé en tête de la première colonne 21. Un gaz de tête 41 de la deuxième colonne 23 est divisé en deux. Une partie 43 est envoyée à un premier vaporiseur-condenseur 31 qui se trouve à un niveau intermédiaire de la troisième colonne 25. La partie 43 s'y condense et est envoyé en tête de la deuxième colonne 23. L'autre partie 45 du gaz 41 est renvoyée à l'échangeur de chaleur 13 où elle se réchauffe jusqu'à une température de -120°C. La partie 45 se réchauffe à une température supérieure à la température de vaporisation du liquide 59 moins 5°C. Dans cet exemple, la partie 45 est à un niveau de température pas plus que 5°C en dessous du palier de vaporisation de l'oxygène sous pression. La partie 45 peut également être à un niveau de température au-dessus de ce palier. Ensuite le gaz 45 est comprimé dans un compresseur 47, renvoyée à l'échangeur 13 où elle se refroidit jusqu'au bout froid et envoyé au deuxième vaporiseur- condenseur 29 qui est un vaporiseur-condenseur de cuve de la troisième colonne 25. La partie 45 se condense dans le vaporiseur-condenseur 29 et le débit condensé est détendu et envoyé en tête de la deuxième colonne 23. Un gaz de tête 63 est soutiré en tête de la troisième colonne 25 et se réchauffe dans les échangeurs 49, 13 pour servir de résiduaire. Le liquide de cuve 59 de la troisième colonne 25 contient au moins 85% mol d'oxygène, voire au moins 95% mol d'oxygène mais moins que 98% d'oxygène. Ce liquide 59 est pressurisé par la pompe 61 jusqu'à une pression d'au moins 30 bars abs et ensuite se vaporise (ou se pseudo-vaporise si sa pression est supercritique) dans l'échangeur 13 pour former un débit d'oxygène pressurisé à envoyer au gazéifieur. L'écart des températures au bout chaud de l'échangeur de chaleur 13 étant inférieur à 10°C, préférentiellement inférieure à 6°C, par exemple entre 2 et 3°C.5 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un ensemble de colonnes comprenant une première colonne opérant à une première pression (21), une deuxième colonne (23) opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression et une troisième colonne (25) opérant à une troisième pression inférieure à la deuxième pression dans lequel : i) de l'air comprimé, épuré et refroidi est envoyé à la première colonne où il se sépare pour former un liquide enrichi en oxygène et un gaz enrichi en azote, ii) une partie du gaz enrichi en azote de la première colonne se condense dans un vaporiseur-condenseur de cuve (27) de la deuxième colonne, iii) du liquide enrichi en oxygène (33) est envoyé de la première colonne à la deuxième colonne, iv) un liquide enrichi en oxygène est envoyé de la cuve de la deuxième colonne à la troisième colonne, y) un gaz enrichi en azote (43) est envoyé de la tête de la deuxième colonne à un premier vaporiseur-condenseur (31) de la troisième colonne où il se condense, le liquide condensé étant renvoyé à la deuxième colonne, vi) un gaz riche en azote (63) est soutiré en tête de la troisième 25 colonne, vii) un liquide (59) contenant au moins 85% d'oxygène est soutiré en cuve de la troisième colonne, pressurisé et vaporisé pour former un produit gazeux contenant au moins 85% d'oxygène, caractérisé en ce que le premier vaporiseur-condenseur de la troisième 30 colonne est un vaporiseur-condenseur disposé à un point intermédiaire de la troisième colonne, la troisième colonne a un deuxième vaporiseur-condenseur (29) qui est un vaporiseur-condenseur de cuve, un gaz enrichi en azote de la deuxième colonne est comprimé dans un compresseur (47) ayant unetempérature d'entrée inférieure à la température ambiante et envoyé au deuxième vaporiseur-condenseur pour s'y condenser, le vaporiseurcondenseur (27) de la deuxième colonne est un vaporiseur-condenseur de cuve qui est le seul vaporiseur-condenseur présent dans la deuxième colonne, le gaz de tête de la première colonne est envoyé au vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne sans avoir été comprimé, éventuellement un liquide riche en azote est pressurisé puis envoyé de la tête de la deuxième colonne à la tête de la première colonne et de l'azote gazeux est soutiré en tête de la première colonne et réchauffé pour former un produit du procédé. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie un liquide intermédiaire (35) de la première colonne (21) vers la troisième colonne (25). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout le gaz enrichi en azote de la tête de la deuxième colonne est envoyé aux premier et deuxième vaporiseurs-condenseurs (29, 31). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide (59) contenant au moins 85% d'oxygène est pressurisé à une pression supérieure à 30 bars abs, préférentiellement supérieure à 40 bara avant d'être vaporisé ou pseudo-vaporisé. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la troisième pression est supérieure à 2 bars abs. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le compresseur (47) ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante a une température d'entrée supérieure à la température de vaporisation du liquide contenant au moins 85% d'oxygène moins 5°C. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide contenant au moins 85% d'oxygène se vaporise dans un échangeur de chaleur (13) où se refroidit l'air comprimé, l'écart des températures au bout 30chaud de l'échangeur de chaleur étant inférieur à 10°C, préférentiellement inférieur à 6°C. 8. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un ensemble de colonnes comprenant une première colonne (21) opérant à une première pression, une deuxième colonne (23) opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression et une troisième colonne (25) opérant à une troisième pression inférieure à la deuxième pression, la deuxième colonne ayant un vaporiseur-condenseur (27) de cuve, le troisième colonne ayant un premier vaporiseur-condenseur (31), une conduite pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi à la première colonne où il se sépare pour former un liquide enrichi en oxygène et un gaz enrichi en azote, une conduite pour envoyer une partie du gaz enrichi en azote de la première colonne se condenser dans le vaporiseur-condenseur de cuve de la deuxième colonne, une conduite pour envoyer du liquide enrichi en oxygène (33) de la première colonne à la deuxième colonne, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la deuxième colonne à la troisième colonne, une conduite pour envoyer un gaz enrichi en azote (43) de la tête de la deuxième colonne au premier vaporiseur-condenseur de la troisième colonne où il se condense, une conduite pour envoyer le liquide condensé du premier vaporiseur-condenser à la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un gaz riche en azote (63) en tête de la troisième colonne, une conduite pour soutirer un liquide contenant au moins 85% d'oxygène (59) en cuve de la troisième colonne, des moyens (61) pour pressuriser le liquide et un échangeur de chaleur pour vaporiser le liquide pressurisé pour former un produit gazeux contenant au moins 85% d'oxygène caractérisé en ce que le premier vaporiseur-condenseur de la troisième colonne est un vaporiseur-condenseur disposé à un point intermédiaire de la troisième colonne, la troisième colonne a un deuxième vaporiseur-condenseur (29) qui est un vaporiseur-condenseur de cuve, un gaz enrichi en azote de la deuxième colonne est comprimé dans un compresseur (47) ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante et envoyé au deuxième vaporiseur-condenseur pour s'y condenser, le vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne est un vaporiseur-condenseur de cuve qui est le seul vaporiseur-condenseur présent dans la deuxième colonne, l'appareil comprend des moyens pour envoyer le gaz de tête de la première colonne au vaporiseur-condenseur de la deuxième colonne sans avoir été comprimé, éventuellement des moyens pour pressuriser un liquide riche en azote et des moyens pour envoyer le liquide riche pressurisé de la tête de la deuxième colonne à la tête de la première colonne, et une conduite pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la première colonne et des moyens pour le réchauffer pour former un produit du procédé. 9. Appareil selon la revendication 8 comprenant des moyens pour envoyer un liquide intermédiaire (35) de la première colonne vers la troisième colonne. 10. Appareil selon l'une des revendications 8 ou 9 comprenant des 15 moyens pour envoyer tout le gaz enrichi en azote de la tête de la deuxième colonne aux premier et deuxième vaporiseurs-condenseurs (29, 31). 20