Brevet FR3013431A1 — publié le 20150522

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Les vaporiseurs-condenseurs à film (en anglais « downflow vaporizers ») sont particulièrement efficaces et permettent des gains en énergie sur les appareils de séparation d'air. Ils sont, par contre, sensibles aux contaminants moins volatiles que l'oxygène, qui ont tendance à s'y déposer en quantité significativement plus importante que dans les vaporiseurs d'autres technologies. L'utilisation des vaporiseurs-condenseurs à film nécessite généralement la mise en oeuvre de précautions strictes en termes de dimensionnement et de surveillance de l'épuration en tête, d'analyses en ligne et de fréquence de dégivrage, de façon à éviter que la quantité de contaminants déposés devienne dangereuse. Dans la plupart des schémas d'appareils de séparation d'air, les contaminants moins volatils que l'oxygène se concentrent naturellement dans le bain d'oxygène liquide, qui se vaporise dans le vaporiseur-condenseur principal qui assure le rebouillage de la colonne basse pression. L'objet de la présente invention est de proposer des appareils de séparation d'air dans lesquels l'oxygène qui se vaporise dans le vaporiseur principal a une concentration de contaminants particulièrement faible, ce qui rend propice et sûre l'utilisation de vaporiseurs-condenseurs à film tombant. On propose de mettre au point des procédés de séparation d'air dans lesquels au moins l'un des vaporiseurs assurant le rebouillage de la colonne basse pression ( dite « colonne BP ») est du type vaporiseur à film tombant et dans lesquels la plus grande partie des contaminants peu volatils de l'air, se concentre dans un liquide qui n'est pas envoyé dans la colonne BP. Ce liquide étant ensuite partiellement vaporisé et/ou distillé dans des vaporiseurs ou colonnes, sans que jamais des fractions liquides significativement enrichies en contaminants peu volatils, issues de ces vaporiseurs et colonnes, ne soient renvoyées dans la colonne basse pression équipée du vaporiseur principal à film tombant. La purge la plus concentrée en contaminants peu volatils peut soit être éliminée sous forme liquide, soit être vaporisée dans un échangeur, chauffé par l'air ambiant, l'eau chaude, la vapeur d'eau, soit comprimée par pompe et vaporisée dans un des échangeurs en aluminium brasé de l'AS U. L'invention est applicable sur les schémas avec ou sans Kr/Xe, avec ou sans production d'argon. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie un débit d'air gazeux, comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau d'une première colonne de distillation ii) éventuellement on envoie un débit d'air liquéfié et épuré à un deuxième niveau de la première colonne, plus élevé que le premier niveau iii) on soutire un premier débit liquide enrichi en oxygène à un troisième niveau au-dessus du premier niveau, et le cas échéant en dessous du deuxième niveau et on l'envoie à une deuxième colonne opérant à plus basse pression que la première colonne et dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne iv) on envoie un débit enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la deuxième colonne y) on soutire un débit riche en oxygène en cuve de la deuxième colonne vi) on soutire un débit enrichi en azote en tête de la deuxième colonne vii) on soutire un débit enrichi en argon à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne et on l'envoie se séparer dans un premier élément de séparation viii) le gaz de tête du premier élément de séparation se condense dans un condenseur et est renvoyé dans le premier élément de séparation ix) le condenseur est disposé dans la cuve d'un deuxième élément de séparation, on envoie le liquide de cuve de la première colonne au condenseur et on soutire un liquide enrichi en contaminants lourds en cuve du deuxième élément de séparation et x) on rejette au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds à l'air, éventuellement après l'avoir vaporisé. Selon d'autres aspects facultatifs : - on envoie tout le liquide enrichi en contaminants lourds à l'air. - au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds est vaporisée dans un échangeur de chaleur dédié. - la cuve de la deuxième colonne est thermiquement reliée à la tête de la première colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur, de préférence par un vaporiseur-condenseur à film - le liquide est vaporisé par échange de chaleur avec de l'air, de l'eau ou de la vapeur d'eau. - le débit d'air gazeux se refroidit dans une ligne d'échange en amont de la première colonne et au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds se vaporise dans la ligne d'échange. - le premier élément de séparation est une colonne de distillation et on soutire un fluide enrichi en argon de la colonne. - le premier et/ou le deuxième élément de séparation est un séparateur de phases. - le deuxième élément de séparation est une colonne de distillation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation par distillation cryogénique comprenant une première colonne de distillation, une deuxième colonne de distillation opérant à plus basse pression que la première colonne et dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, des moyens pour envoyer on envoie un débit d'air gazeux, comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la première colonne de distillation, éventuellement des moyens pour envoyer un débit d'air liquéfié et épuré à un deuxième niveau de la première colonne, plus élevé que le premier niveau, des moyens pour soutirer un premier débit liquide enrichi en oxygène à un troisième niveau au-dessus du premier niveau, et le cas échéant en dessous du deuxième niveau et pour l'envoyer à la deuxième colonne, des moyens pour envoyer un débit enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un débit riche en oxygène en cuve de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un débit enrichi en azote en tête de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un débit enrichi en argon à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne, un premier élément de séparation, des moyens pour envoyer le débit enrichi en argon se séparer dans le premier élément de séparation, un deuxième élément de séparation, un condenser disposé dans la cuve du deuxième élément de séparation' des moyens pour envoyer un gaz de tête du premier élément de séparation se condenser dans le condenseur et des moyens pour envoyer le gaz condensé dans le premier élément de séparation, des moyens pour envoyer le liquide de cuve de la première colonne au condenseur, des moyens pour soutirer un liquide enrichi en contaminants lourds en cuve du deuxième élément de séparation et pour rejeter au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds à l'air, éventuellement après l'avoir vaporisé. Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend un échangeur de chaleur pour vaporiser au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds. des moyens pour envoyer de l'air, de l'eau ou de la vapeur d'eau à l'échangeur de chaleur dédié. le premier élément de séparation est une colonne de distillation le premier et/ou le deuxième élément de séparation est un séparateur de phases. le deuxième élément de séparation est une colonne de distillation. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures qui représentent des procédés selon l'invention. Dans la figure 1, un appareil de séparation d'air comprend une première 5 colonne K01, une deuxième colonne K02, une troisième colonne K10 et une quatrième colonne K25. La première colonne KO1 est surmontée de la deuxième colonne K02 et le gaz de tête de la colonne KO1 chauffe la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un condenseur E02, qui est un vaporiseur à film. 10 La troisième colonne K10 est surmontée de la quatrième colonne K25 et le gaz de tête de la colonne K10 chauffe la cuve de la colonne K25 au moyen d'un condenseur E04. Un débit d'air gazeux, comprimé, refroidi et épuré AIR MP est envoyé à un premier niveau de la première colonne de distillation K01. Un débit d'air liquéfié et 15 épuré AIR LIQ est envoyé à un deuxième niveau de la première colonne, plus élevé que le premier niveau. Un premier débit liquide enrichi en oxygène LR1 est soutiré à un troisième niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la deuxième colonne K02 opérant à plus basse pression que la première colonne et dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne. 20 Un débit enrichi en azote 11 est envoyé de la tête de la première colonne KO1 à la tête de la deuxième colonne K02.Un débit liquide riche en oxygène OL est soutiré en cuve de la deuxième colonne K02.Un débit enrichi en azote WN2 est soutiré en tête de la deuxième colonne K02. On soutire un débit enrichi en argon 7 à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne et on l'envoie se séparer dans 25 la troisième colonne K10. On renvoie le liquide de cuve 9 de la troisième colonne vers la deuxième colonne. On soutire un débit enrichi en argon ARGON de la troisième colonne K10. Le gaz de tête de la troisième colonne K10 se condense dans un condenseur de cuve de la quatrième colonne K25 et est renvoyé en tête de la troisième colonne K10. On envoie le liquide de cuve LR2 de la première 30 colonne KO1 au condenseur E04, ce liquide contenant tous les contaminants lourds présents dans l'air, au lieu d'envoyer ces contaminants à la deuxième colonne K02. On soutire un liquide PURGE enrichi en contaminants lourds en cuve de la quatrième colonne. On rejette au moins une partie du liquide enrichi en 35 contaminants lourds PURGE à l'air, éventuellement après l'avoir vaporisé. De préférence, tout le liquide enrichi en contaminants lourds est envoyé à l'air et on ne récupère pas les contaminants qu'il contient, tels que le Kr/Xe. Le liquide , ou une partie du liquide peut être vaporisé dans un échangeur de chaleur dédié, par exemple par échange de chaleur avec de l'air, de l'eau ou de la vapeur 40 d'eau. Sinon le liquide PURGE ou une partie de ce liquide peut se vaporiser dans la ligne d'échange où se refroidit l'air. Un débit d'air liquéfié 3 est envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne et peut provenir d'une conduite d'air liquéfié venant de la ligne d'échange 5 ou de la première colonne K01. Un autre débit d'air liquéfié 5 est envoyé à un point intermédiaire de la quatrième colonne K25 et peut provenir d'une conduite d'air liquéfié venant de la ligne d'échange ou de la première colonne K01. Un liquide intermédiaire 15 de la quatrième colonne est envoyé à un niveau 10 intermédiaire de la deuxième colonne K02. Un liquide enrichi en azote 15 est envoyé de la tête de la première colonne à la tête de la quatrième colonne 15. Le débit enrichi en argon provenant de la troisième colonne peut constituer un produit, peut être enrichi en argon ou peut être rejeté à l'air. 15 La Figure 1 peut être adaptée pour produire de l'oxygène uniquement sous forme gazeuse. Ici le débit OL est remplacé par un soutirage d'oxygène gazeux. Les débits d'air liquéfiés 1,3,5 sont supprimés ainsi que les plateaux théoriques de la quatrième colonne K25. Dans ce cas, le débit PURGE représente 0,2% du débit d'air. 20 La Figure 2 montre un procédé dans lequel la troisième colonne K10 est remplacée par un séparateur de phases. Dans ce cas, il n'y a aucune production d'argon. Le gaz enrichi en argon 7 est envoyé à l'élément séparateur K10 où il se condense partiellement ; le gaz formé se condense dans le vaporiser E04 et est renvoyé à l'élément K10. Le liquide 9 de l'élément K10 est renvoyé à la deuxième 25 colonne K02. Les schémas peuvent également inclure des ensembles de distillation tels qu'une colonne Etienne par exemple. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie un débit d'air (AIR MP) gazeux, comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau d'une première colonne de distillation (K01) ii) éventuellement on envoie un débit d'air (AIR LIQ) liquéfié et épuré à un deuxième niveau de la première colonne, plus élevé que le premier niveau iii) on soutire un premier débit liquide (LR1) enrichi en oxygène à un troisième niveau au-dessus du premier niveau, et le cas échéant en dessous du deuxième niveau et on l'envoie à une deuxième colonne (K02) opérant à plus basse pression que la première colonne et dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne iv) on envoie un débit enrichi en azote (11) de la tête de la première colonne à la tête de la deuxième colonne y) on soutire un débit riche en oxygène (OL) en cuve de la deuxième colonne vi) on soutire un débit enrichi en azote (WN2) en tête de la deuxième colonne vii) on soutire un débit enrichi en argon (7) à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne et on l'envoie se séparer dans un premier élément de séparation (K10) viii) le gaz de tête du premier élément de séparation se condense dans un condenseur (É04) et est renvoyé dans le premier élément de séparation ix) le condenseur est disposé dans la cuve d'un deuxième élément de séparation (K25), on envoie le liquide de cuve (LR2) de la première colonne au condenseur et on soutire un liquide enrichi en contaminants lourds (PURGE) en cuve du deuxième élément de séparation et x) on rejette au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds à l'air, éventuellement après l'avoir vaporisé. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie tout le liquide enrichi en contaminants lourds (PURGE) à l'air. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds est vaporisée dans un échangeur de chaleur dédié. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le liquide est vaporisé par échange de chaleur avec de l'air, de l'eau ou de la vapeur d'eau. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit d'air gazeux se refroidit dans une ligne d'échange en amont de la première colonne et au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds se vaporise dans la ligne d'échange. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier élément de séparation (K10) est une colonne de distillation et on soutire un fluide enrichi en argon (ARGON) de la colonne. 20 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou le deuxième élément de séparation est un séparateur de phases. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 25 deuxième élément de séparation (K25) est une colonne de distillation. 9. Appareil de séparation par distillation cryogénique comprenant une première colonne de distillation (K01), une deuxième colonne de distillation (K02) opérant à plus basse pression que la première colonne et 30 dont la cuve est thermiquement reliée à la tête de la première colonne, des moyens pour envoyer on envoie un débit d'air (AIR MP) gazeux, comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la première colonne de distillation, éventuellement des moyens pour envoyer un débit d'air (AIR HP) liquéfié et épuré à un deuxième niveau de la première colonne, plus 35 élevé que le premier niveau, des moyens pour soutirer un premier débit liquide (LR1) enrichi en oxygène à un troisième niveau au-dessus du premier niveau, et le cas échéant en dessous du deuxième niveau et pour l'envoyer à la deuxième colonne, des moyens pour envoyer un débit 15enrichi en azote (11) de la tête de la première colonne à la tête de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un débit riche en oxygène en cuve de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un débit enrichi en azote (WN2) en tête de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un débit enrichi en argon (7) à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne, un premier élément de séparation (K10), des moyens pour envoyer le débit enrichi en argon se séparer dans le premier élément de séparation, un deuxième élément de séparation (K25), un condenseur (E04) disposé dans la cuve du deuxième élément de séparation, des moyens pour envoyer un gaz de tête du premier élément de séparation se condenser dans le condenseur et des moyens pour envoyer le gaz condensé dans le premier élément de séparation, des moyens pour envoyer le liquide de cuve (LR2) de la première colonne au condenseur, des moyens pour soutirer un liquide (PURGE) enrichi en contaminants lourds en cuve du deuxième élément de séparation et pour rejeter au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds à l'air, éventuellement après l'avoir vaporisé. 10. Appareil selon la revendication 9 comprenant un échangeur de chaleur pour vaporiser au moins une partie du liquide enrichi en contaminants lourds.