Brevet FR3119884A1 — publié le 20220819

Titre : Procédé de séparation d’air par distillation cryogénique Dans un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression plus basse que la première colonne, la température T1 à laquelle un débit d’air (11) sort après refroidissement de l’échangeur de chaleur en montant vers le bout froid de celui-ci et rentre dans la première colonne est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée du débit d’air. Figure de l’abrégé : Figure 1 Procédé de séparation d’air par distillation cryogénique La présente invention est relative à un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique. Un appareil de séparation comprend généralement une ligne d’échange où l’air à distiller se refroidit contre au moins deux produits de la distillation et un système de colonne, dont une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première colonne. La tête de la première colonne est thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne. WO19126927 décrit un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans lequel la ligne d’échange principale est située sous le système de colonnes à distiller, et avec le bout chaud de l’échangeur disposé vers le bas. L’air destiné à la première colonne se refroidit dans la ligne d’échange avant d’être envoyé dans la première colonne. Au cours de son refroidissement, de bas en haut de la ligne d’échange principale, cet air se condense en partie. Il faut s’assurer que le liquide obtenu est bien entrainé par le gaz, pour éviter que le liquide stagne dans la ligne d’échange, et donc toute possibilité d’enrichissement local en oxygène et impuretés secondaires de l’air (typiquement C n H m ) qui présente un risque de sécurité. Obtenir une vitesse suffisante de gaz, et ce y compris en marche réduite implique d’avoir des pertes de charges importantes sur l’air destiné à la première colonne, ce qui est couteux en énergie. Dans un appareil de séparation d’air, le liquide de cuve (LR) de la première colonne est détendu et envoyé à un point intermédiaire de la deuxième colonne. Le liquide de tête (LP) de la première colonne est détendu et envoyé à la tête de la deuxième colonne. Les deux liquides sont sousrefroidis dans un échangeur de chaleur contre un gaz de tête de la deuxième colonne. Dans cet échangeur appelé sous-refroidisseur, notamment dans une configuration courants-croisés, le refroidissement du liquide de tête enrichi en azote appelé liquide pauvre LP et le liquide de cuve enrichi en oxygène appelé liquide riche LR se fait en deux sections distinctes, comme si on avait deux échangeurs en série. Cela signifie que le liquide enrichi en oxygène est refroidi à une température supérieure à celle d’entrée du liquide de tête de la première colonne. Dans cette configuration, on n’épuise pas complètement le froid disponible dans le résiduaire. Le sous-refroidisseur classique est illustré à la page 96 de « Industrial Gas Handbook » de Kerry, CRC Press 2007. La disposition exacte des fluides n’est pas toujours illustrée dans des brevets ou d’autres documents pour des raisons de simplification des figures. Par ailleurs, l’échappement de la turbine d’insufflation est envoyé directement dans la deuxième colonne, pour des raisons de simplicité. On envoie un gaz relativement chaud dans la deuxième colonne. Cela a pour conséquence de réduire la récupération frigorifique des fluides froids et nécessite de condenser en partie (typiquement autour de 1 à 2%) l’air qui sort de la ligne d’échange principale et qui va vers la cuve de la première colonne. L’invention consiste à alimenter la colonne par au moins un débit d’air à une température supérieure à 1°C, voire 2°C par rapport à sa température de rosée, y compris dans les marches réduites de l’appareil. Cette mise en œuvre permet d’éviter de condenser l’air destiné à la première colonne dans la ligne d’échange principale. Ainsi l’air sort de la ligne d’échange principale à une température supérieure à 1°C, voire 2°C par rapport à sa température de rosée. Un moyen de s’assurer que l’air destiné à la première colonne soit suffisamment au-dessus du point de rosée est de pousser le refroidissement de certains fluides entrants dans le système de distillation, ainsi que des fluides internes au système de distillation. On peut dans ce cas dimensionner une ligne d’échange avec de très faibles pertes de charge, sans avoir à prendre en compte un critère d’entrainement de liquide vis-à-vis de la sécurité. Il s’agit de récupérer le plus possible de froid des fluides issus de la distillation (azote résiduaire, oxygène, azote à la deuxième pression plus pur que l’azote résiduaire). Une variante pour assurer que l’air destiné à la première colonne soit suffisamment au-dessus du point de rosée consiste à modifier le sousrefroidissement afin de réduire la température d’un liquide rentrant dans la deuxième colonne. Dans le sous-refroidisseur, le refroidissement du liquide enrichi en oxygène est poussé de façon à sortir à une température inférieure à celle d’entrée du liquide enrichi. On a donc une zone commune dans le sous-refroidisseur où les deux liquides sont refroidis à la fois contre au moins un débit d’azote provenant de la deuxième colonne. Selon une autre variante, dans la ligne d’échange, l’échappement de la turbine est renvoyé vers la ligne d’échange pour se refroidir contre l’azote résiduaire (et éventuellement l’azote plus pur provenant de la deuxième colonne) et contre l’oxygène. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne dans lequel : un débit d’air épuré en eau et en dioxyde de carbone est refroidi dans un échangeur de chaleur et est envoyé à la première colonne sous forme gazeuse un liquide enrichi en oxygène est soutiré de la cuve de la première colonne et envoyé à la deuxième colonne après avoir été sousrefroidi dans un sousrefroidisseur un liquide enrichi en azote est soutiré de la partie supérieure de la première colonne et envoyé à la deuxième colonne après avoir été sousrefroidi dans le sousrefroidisseur un gaz riche en azote et un fluide riche en oxygène sont soutirés de la deuxième colonne et se réchauffent dans l’échangeur de chaleur l’échangeur de chaleur est disposé en dessous de la première colonne qui est elle-même disposée en dessous de la deuxième colonne, le débit d’air se refroidissant dans l’échangeur en circulant vers le haut caractérisé en ce que la température T1 à laquelle le débit d’air sort de l’échangeur de chaleur et rentre dans la première colonne est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée du débit d’air. Selon d’autres aspects facultatifs : un autre débit d’air épuré en eau et en dioxyde de carbone est refroidi dans l’échangeur de chaleur, sort de l’échangeur de chaleur à une température T2, est détendu dans une turbine, est renvoyé à l’échangeur de chaleur à une température T3 et est refroidi dans l’échangeur jusqu’à une température T4 avant d’être envoyé à la deuxième colonne sous forme gazeuse, la température T2 étant supérieure à T1. T4 est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée du débit détendu T4 est supérieure, inférieure ou égale à T1 un autre débit d’air épuré en eau et en dioxyde de carbone substantiellement à la deuxième pression est refroidi dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à sa température de rosée et envoyé à la deuxième colonne sans avoir été détendu. le liquide enrichi en oxygène est refroidi dans le sousrefroidisseur jusqu’à une température inférieure à celle à laquelle le liquide enrichi en azote rentre dans le sousrefroidisseur, les deux liquides sousrefroidis étant détendus chacun dans une vanne respective avant d’être envoyés à la deuxième colonne. la première colonne et éventuellement la deuxième colonne sont alimentées en air uniquement par des débits d’air gazeux la première colonne et la deuxième colonne ne produisent que des débits gazeux comme produits finaux. l’échangeur de chaleur et le sous-refroidisseur sont constitués par un seul corps de plaques d’aluminium brasées ensemble. la perte de charge du débit d’air épuré en eau et en dioxyde de carbone destiné à la première colonne en se refroidissant dans l’échangeur de chaleur ne dépasse pas 120 mbar, voire 100 mbar un débit de liquide est soutiré à un niveau intermédiaire de la première colonne, est sousrefroidi dans le sousrefroidisseur jusqu’à une température intermédiaire entre celle de sortie de sousrefroidisseur du liquide enrichi en oxygène et celle de sortie de sousrefroidisseur du liquide enrichi en azote et envoyé à la deuxième colonne L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure. représente un procédé selon l’invention. Le procédé utilise un système de colonnes comprenant une première colonne K1 opérant à une première pression et une deuxième colonne K2 opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression. La première colonne K1 est thermiquement reliée à la deuxième colonne K2 par un vaporiseur de cuve de la deuxième colonne. La première colonne est disposée en dessous de la deuxième colonne K2 et la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne. Un échangeur de chaleur E à plaques aluminium brasées est disposé en dessous de la première colonne K1. Un débit d’air 1 est comprimé par le compresseur 3 à la première pression, refroidi par le refroidisseur 5 et épuré en eau et en dioxyde de carbone dans l’unité d’épuration 7. Pour se refroidir, l’air est envoyé au bout chaud de l’échangeur E en bas de l’échangeur et monte vers le haut, puisque le bout froid de l’échangeur se trouve en haut. L’air épuré 9 se refroidit dans l’échangeur de chaleur E et est divisé en deux à une température T2 qui est une température intermédiaire de l’échangeur E. Une partie 11 de l’air poursuit son refroidissement dans l’échangeur jusqu’à une température T1 supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée de la fraction d’air 9. A cette température T1, elle sort de l’échangeur E et est envoyée en cuve de la colonne K1 comme débit gazeux d’alimentation. La perte de charge de l’air 9, 11 traversant l’échangeur E ne dépasse pas 120, voire 100 mbar. L’air se sépare dans la première colonne pour former un liquide 10 enrichi en oxygène en cuve et un liquide enrichi en azote 12 en tête. Le liquide 10 et le liquide 12 sont envoyés à un sousrefroidisseur S où se réchauffe au moins un débit d’azote gazeux 15 provenant de la deuxième colonne K2. Le liquide 10 rentre dans le sous-refroidisseur au bout chaud de celui-ci et est refroidi jusqu’à une température inférieure à celle à laquelle le liquide 12 rentre dans le sousrefroidisseur S. Le liquide 12 sort du bout froid du sous-refroidisseur. Le liquide sousrefroidi 10 et le liquide sous refroidi 12 sont chacun détendu dans une vanne et le liquide 10 est envoyé à un niveau de la deuxième colonne K2 et le liquide 12 est envoyé à un niveau de la deuxième colonne K2 supérieur à celui auquel rentre le liquide 10. Ainsi le sousrefroidisseur comprend une section où les liquides 10 et 12 se refroidissent tous deux contre l’azote 15. Le sous-refroidisseur S peut être placé à côté de la colonne K1 et avoir son bout chaud disposé vers le bas. Une partie 13 de l’air à la température T2 est détendue dans une turbine T sans avoir été comprimée en aval de l’échangeur, est renvoyée à l’échangeur de chaleur E à une température T3 et est refroidie dans l’échangeur E à une température T4 avant d’être envoyé à la deuxième colonne sous forme gazeuse, la température T2 étant supérieure à T1. T4 peut être supérieure, égale ou inférieure à T1. T4 est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée du débit détendu 13. La partie 13 sort au bout froid de l’échangeur E et est envoyée directement à la deuxième colonne K2 sous forme gazeuse à un niveau en dessous de l’arrivée du liquide détendu 10. Comme pour l’air 11, la partie 13 se refroidit dans l’échangeur en allant vers le haut. La colonne K2 sépare les débits 10 et 12 par distillation pour former un gaz 15 enrichi en azote en tête de colonne et un gaz enrichi en oxygène 17 en bas de la colonne. Le gaz 17 se réchauffe en descendant dans l’échangeur E et ensuite sert de produit du procédé. Le gaz 15 réchauffé dans le sousrefroidisseur et ensuite en descendant dans l’échangeur E est divisé en deux, une partie servant à régénérer l’épuration 7 et le reste servant de produit ou de résiduaire. Ici la première colonne K1 est alimentée en air uniquement par des débits d’air gazeux. La deuxième colonne K2 pourrait aussi est alimentée en air, dans ce cas ce serait une alimentation en air gazeux exclusivement. Le procédé ne produit que des débits gazeux 15, 17 comme produits finaux. La purge du condenseur de cuve de la colonne K2 n’est pas considérée comme un produit final. Le sous-refroidisseur S peut être intégré à la ligne d’échange principale E. Cela permet d’encore mieux optimiser l’épuisement des fluides froids 15, 17 issus de la distillation (éventuellement aussi de l’azote pur provenant de la deuxième colonne K2) pour refroidir le plus possible les liquides riche et pauvre 10, 12 et l’air à la deuxième pression issu d’une turbine d’insufflation. En plus des fluides 15, 17, un débit d’air liquéfié soutiré de la colonne K1 peut être sousrefroidi dans le sousrefroidisseur S avant d’être envoyé à la colonne K2. montre une possibilité pour l’alimentation du procédé en air. D’autres variantes sont également possibles, par exemple celle de FR3090831, utilisant un système de colonnes comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première colonne, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne. Dans ce cas, trois débits d’air sont utilisés. L’air est comprimé jusqu’à la pression de la deuxième colonne et puis épuré. Ensuite l’air est divisé en deux, une partie étant refroidi à la pression de la deuxième colonne et envoyée à la deuxième colonne en montant dans l’échangeur. La température finale en sortant de l’échangeur sera est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à sa température de rosée à la deuxième pression. L’autre partie est surpressée à la pression de la première colonne. Une fraction de cette partie se refroidit dans l’échangeur en montant et en sort à une température T1 supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée de la fraction d’air. Le reste de la partie est refroidi dans l’échangeur jusqu’à une température T2, détendu dans une turbine d’insufflation, renvoyé dans l’échangeur à une température T3, refroidi jusqu’au bout froid de l’échangeur de chaleur à une température T4 et envoyé à la deuxième colonne. T4 est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée. Procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne dans lequel : un débit d’air (11) épuré en eau et en dioxyde de carbone est refroidi dans un échangeur de chaleur (E) et est envoyé à la première colonne sous forme gazeuse un liquide enrichi en oxygène (10) est soutiré de la cuve de la première colonne et envoyé à la deuxième colonne après avoir été sousrefroidi dans un sousrefroidisseur (S) un liquide enrichi en azote (12) est soutiré de la partie supérieure de la première colonne et envoyé à la deuxième colonne après avoir été sousrefroidi dans le sousrefroidisseur un gaz riche en azote (15) et un fluide riche en oxygène (17) sont soutirés de la deuxième colonne et se réchauffent dans l’échangeur de chaleur l’échangeur de chaleur est disposé en dessous de la première colonne qui est elle-même disposée en dessous de la deuxième colonne, le débit d’air se refroidissant dans l’échangeur en circulant vers le haut caractérisé en ce que la température T1 à laquelle le débit d’air (11) sort de l’échangeur de chaleur et rentre dans la première colonne est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée du débit d’air. Procédé selon la revendication 1 dans lequel un autre débit d’air (13) épuré en eau et en dioxyde de carbone est refroidi dans l’échangeur de chaleur (E), sort de l’échangeur de chaleur à une température T2, est détendu dans une turbine (T), est renvoyé à l’échangeur de chaleur à une température T3 et est refroidi dans l’échangeur jusqu’à une température T4 avant d’être envoyé à la deuxième colonne (K2) sous forme gazeuse, la température T2 étant supérieure à T1. Procédé selon la revendication 2 dans lequel T4 est supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à la température de rosée du débit détendu (13). Procédé selon la revendication 1 dans lequel un autre débit d’air épuré en eau et en dioxyde de carbone substantiellement à la deuxième pression est refroidi dans l’échangeur de chaleur jusqu’à une température supérieure d’au moins 1°C, de préférence d’au moins 2°C à sa température de rosée et envoyé à la deuxième colonne sans avoir été détendu. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide enrichi en oxygène (10) est refroidi dans le sousrefroidisseur jusqu’à une température inférieure à celle à laquelle le liquide enrichi en azote rentre dans le sousrefroidisseur, les deux liquides sousrefroidis étant détendus chacun dans une vanne respective avant d’être envoyés à la deuxième colonne (K2). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première colonne (K1) et éventuellement la deuxième colonne (K2) sont alimentées en air uniquement par des débits d’air gazeux. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première colonne (K1) et la deuxième colonne (K2) ne produisent que des débits gazeux comme produits finaux. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’échangeur de chaleur (E) et le sous-refroidisseur (S) sont constitués par un seul corps de plaques d’aluminium brasées ensemble. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la perte de charge du débit d’air (11) épuré en eau et en dioxyde de carbone destiné à la première colonne en se refroidissant dans l’échangeur de chaleur ne dépasse pas 120 mbar, voire 100 mbar. Procédé selon l’une des revendications précédentes un débit de liquide est soutiré à un niveau intermédiaire de la première colonne (K1), est sousrefroidi dans le sousrefroidisseur (S) jusqu’à une température intermédiaire entre celle de sortie de sousrefroidisseur du liquide enrichi en oxygène et celle de sortie de sousrefroidisseur du liquide enrichi en azote et envoyé à la deuxième colonne (K2).