Brevet FR3118146A1 — publié le 20220624

Titre : Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, on envoie au moins une partie du premier liquide enrichi en oxygène (15) d’une première colonne (K01) à un premier vaporiseur-condenseur (E10) où il se vaporise partiellement sous forme de film à une pression supérieure à la deuxième pression formant un deuxième liquide (38) enrichi en oxygène constituant au moins 30% du liquide enrichi en oxygène envoyé au premier vaporiseur-condenseur et un troisième gaz (43) enrichi en oxygène, on envoie un fluide enrichi en argon (19) d’une deuxième colonne (K02) à une troisième colonne (K10) et le fluide se sépare dans la colonne formant un débit riche en argon (45) en tête de colonne et un débit riche en oxygène (41) en cuve de colonne et le troisième gaz enrichi en oxygène est détendu dans une turbine (D07) avec production de travail. Figure de l’abrégé : FIG. 1 Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique La présente invention est relative à un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique, avec ou sans production d’argon. Il est bien connu de séparer de l’air dans un ensemble composé d’une première colonne K01 opérant à une première pression K01, une deuxième colonne K02 opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, et une colonne de production d’argon K10. Dans ce cas, le froid est généralement produit en détendant de l’air ou de l’azote dans une turbine. Il est un but de l’invention de proposer un procédé de séparation d’air particulièrement performant du niveau énergie. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : on envoie un débit d'air comprimé, épuré et refroidi à une première colonne opérant sous une première pression où il se sépare formant un premier liquide enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote on envoie au moins une partie du premier liquide enrichi en oxygène à un premier vaporiseur-condenseur où il se vaporise partiellement sous forme de film à une pression supérieure à une deuxième pression formant un deuxième liquide (38) enrichi en oxygène constituant au moins 30% du liquide enrichi en oxygène envoyé au premier vaporiseur-condenseur et un troisième gaz enrichi en oxygène on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en azote à une deuxième colonne opérant sous la deuxième pression inférieure à la première pression on chauffe la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un deuxième vaporiseur-condenseur de cuve on envoie un fluide enrichi en argon de la deuxième colonne à une troisième colonne et le fluide se sépare dans la colonne formant un débit riche en argon en tête de colonne et un débit riche en oxygène en cuve de colonne le débit riche en argon et/ou une partie du fluide enrichi en argon se condense dans le premier vaporiseur-condenseur et le troisième gaz enrichi en oxygène est détendu dans une turbine avec production de travail, éventuellement après réchauffage. Selon d’autres aspects facultatifs : l’écart de température entre le liquide enrichi en oxygène et la température du liquide sortant en bas du côté condensation du premier vaporiseur- condenseur est inférieur à 1°C, de préférence inférieur à 0.5°C. la turbine entraîne un surpresseur sur l’un des fluides gazeux du procédé. le fluide gazeux est le gaz résiduaire servant à la régénération de l’épuration en tête. la turbine (D07) entraîne une génératrice. la génératrice tourne à la même vitesse que la turbine l’énergie de la génératrice passe dans un convertisseur de fréquence pour alimenter le réseau électrique à 50 ou 60 Hz selon les pays. la turbine (D07) entraîne un surpresseur et une génératrice, les trois sur le même arbre, tournant à la même vitesse. de la chaleur servant à réchauffer le gaz à détendre sert à sous-refroidir un liquide provenant de la première colonne ou de l’échangeur principal. le premier vaporiseur-condenseur est à la fois un condenseur de tête de la troisième colonne et un condenseur d’une partie du fluide enrichi en argon (19) ou d’un fluide enrichi en argon prélevé à un niveau intermédiaire dans la troisième colonne. le premier vaporiseur-condenseur n’est pas un condenseur de tête de la troisième colonne et on condense dans le premier vaporiseur-condenseur (E10) une partie du fluide enrichi en argon ou un fluide enrichi en argon prélevé à un niveau intermédiaire dans la troisième colonne. on introduit la partie du fluide enrichi en argon ou du fluide enrichi en argon prélevé à un niveau intermédiaire dans la troisième colonne à un niveau intermédiaire de la troisième colonne. le deuxième liquide enrichi en oxygène est envoyé se vaporiser dans un condenseur de tête de la troisième colonne par échange de chaleur avec le gaz de tête de la troisième colonne. le premier vaporiseur-condenseur est un condenseur de tête de la troisième colonne et on condense le gaz riche en argon de la tête de la troisième colonne dans le premier vaporiseur-condenseur. le débit riche en argon est mélangé avec le fluide résiduaire de la deuxième colonne. le gaz à détendre n’est pas réchauffé dans un échangeur principal où se refroidit l’air d’alimentation en amont de la détente. le gaz à détendre est à entre 1,7 et 2,7 bars abs. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. , et représentent des schémas de procédé selon l’invention. montre un appareil à trois colonnes, dont une première colonne K01 opérant à une première pression K01, une deuxième colonne K02 opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, et une colonne de production d’argon K10. La première colonne K01 est thermiquement relié à la deuxième colonne K02 par le condenseur de cuve E02 de la deuxième colonne K02 de manière connue. Un débit d'air est comprimé par un compresseur (non-illustré) jusqu'a la haute pression, le débit comprimé est épuré dans une unité d'épuration (non-illustrée) et le débit épuré est divise en deux. La majeure partie de l'air 5 est séparée de nouveau en deux pour former deux débits 5A et 5B. Le débit 5A est surpressé dans une surpresseur 6 couple a une turbine D01. L'air 5A est ensuite refroidi dans un refroidisseur D01 E, se refroidit partiellement dans la ligne d'échange 9 et est envoyé à la turbine D01. L'air détendu est envoyé à la deuxième colonne K02. L'air 5B est envoyé à la ligne d'échange 9 ou il se refroidit avant d'être envoyé sous forme gazeuse à la cuve de la première colonne K01. Le reste de l'air 7 est surpressé dans un surpresseur 8 jusqu'à une pression élevée. Après s'être refroidi dans la ligne d'échange 9, le débit est divisé en deux, une partie 11 étant envoyée à la première colonne K01 et le reste 13 à la deuxième colonne K02 après sousrefroidissement dans E04, les deux sous forme liquide. D’autres façons de refroidir l’air et de générer du froid peuvent remplacer celles-ci. Un liquide riche en azote 13 est refroidi dans le sousrefroidisseur E04 et alimente la deuxième colonne K02. Un débit de liquide riche 15 (liquide enrichi en oxygène) est soutire en cuve de la première colonne K01. Une partie du liquide riche alimente un condenseur de tête E10 de la colonne argon K10. Le condenseur E10 sert à condenser le gaz de tête de la colonne argon K10. Le liquide riche 15 est partiellement vaporisé dans le vaporiseur de film E10 sous forme de film pour former un liquide enrichi en oxygène et un gaz enrichi en oxygène. Le gaz vaporisé sort par le bas du vaporiseur E10 à co-courant du liquide qui se vaporise ; seul le gaz vaporisé instantanément provenant du liquide entrant sort par le haut. Le condenseur vaporiseur E10 est représenté sans virole (enveloppe cylindrique) autour : cela signifie que l’on utilise un (ou plusieurs) échangeur(s) à plaques en aluminium brasé où l’on a soudé des dômes aux extrémités supérieure et inférieure pour alimenter en liquide et récupérer/séparer les fractions gazeuses en liquides en bas. On pourrait aussi mettre ce condenseur vaporiseur E10 dans une virole. Le liquide enrichi en oxygène constitue au moins 30% du liquide envoyé au vaporiseur E10. Ainsi le vaporiseur E10 est massivement purgé : cela permet de diminuer la concentration en oxygène du fluide vaporisé et donc d'augmenter la pression de vaporisation à température donnée. L’écart de température entre le liquide enrichi en oxygène 38 et la température du liquide sortant en bas-côté condensation du condenseur E10 est inférieur à 1°C, de préférence inférieur à 0.5 °C Le liquide 38 est envoyé à la deuxième colonne K02 et le gaz 43 est réchauffé dans le sousrefroidisseur E04 avant d’être détendu dans une turbine D07 et ensuite envoyé comme gaz 32 alimenter la deuxième colonne K02. Il n'est pas forcément nécessaire de réchauffer le liquide vaporisé 43 venant du vaporiseur E10. On pourrait aussi l'envoyer directement à la turbine D07 mais on produirait un débit diphasique qu'il faudrait gérer. Si la turbine est au sol, ceci nécessite un pot séparateur et pompe sur la fraction liquide ; sinon la turbine peut être disposé au-dessus du point d'injection du gaz 32 dans la deuxième colonne K02 pour que le liquide s'écoule en pente descendante. Dans ce cas, une turbine sans paliers huilées c’est-à-dire à paliers magnétiques ou à paliers à roulements ou à palier gaz sera utilisée. La pression d’entrée de la turbine D07 est entre 1,7 et 1,9 bars abs et la deuxième pression est de l’ordre de 1,4 bars abs. Le reste 28 du liquide riche 15 est éventuellement envoyé à la deuxième colonne K02. On préfèrera dans la plupart des cas envoyer l’intégralité du liquide riche au vaporiseur condenseur E10. Un débit gazeux 39 riche en azote est soutire en tête de la première colonne K01 comme produit. Un débit gazeux 35 riche en azote est soutire en tête de la deuxième colonne K02, se réchauffe dans le sous-refroidisseur et dans l’échangeur 9. Un débit d'oxygène liquide 33 est soutire en cuve de la deuxième colonne K02, pressurise par la pompe P01 et ensuite se vaporise dans la ligne d'échange 9. La colonne argon K10 est alimentée en cuve par un débit 19 riche enrichi en argon provenant de la colonne K02. Le liquide de cuve de la colonne argon 41 est de l'oxygène assez pur qui est pompé dans une pompe P02, et renvoyé en cuve de la deuxième colonne K02. Un débit d'argon est soutiré comme produit de la tête de la colonne K10. La production d’argon n’est pas essentielle. II est évidemment envisageable de vaporiser d'autres liquides dans la ligne d'échange. La turbine D07 peut entraîner un surpresseur sur l’un des fluides gazeux du procédé. Ce fluide gazeux peut être le gaz résiduaire servant à la régénération de l’épuration en tête. La turbine peut entraîner une génératrice. La génératrice peut tourner à la même vitesse que la turbine L’énergie de la génératrice peut passer dans un convertisseur de fréquence pour alimenter le réseau électrique à 50 ou 60 Hz selon les pays. La turbine peut entraîner un surpresseur et une génératrice, les trois sur le même arbre, tournant à la même vitesse. La chaleur servant à réchauffer le gaz 43 sert à sous-refroidir un liquide 28 provenant de la première colonne K01 ou de l’échangeur principal E01. On peut condenser une partie du fluide enrichi en argon 19 dans le premier vaporiseur-condenseur (E10). La partie condensée du fluide 19 sera alors introduite dans la troisième colonne K10 à un niveau intermédiaire de celle-ci. Le débit riche en argon 45 peut être mélangé avec le fluide résiduaire 35 de la deuxième colonne K02. Dans ce cas, il n’y a pas de production d’argon. La deuxième colonne K02 peut contenir le vaporiseur E10 et/ou la colonne K10. La deuxième colonne K02 peut supporter le vaporiseur E10. illustre une variante de la précédente figure où le vaporiseur à film E10 est remplacé par un déphlegmateur à film et où l’on condense deux fluides à des compositions différentes (et donc des températures différentes) pour augmenter la pression d’entrée dans la turbine D07. illustre une variante de où le condenseur de tête E10B de la colonne argon est alimenté par du liquide enrichi en oxygène ayant servi à condenser un débit enrichi en argon. Dans ce schéma, un débit enrichi en argon 19 est soutiré de la deuxième colonne K02 et divisé en deux. Une partie du débit 19 est envoyée en cuve de la colonne K10 sous forme gazeuse et une autre partie est envoyée à un premier vaporiseur-condenseur E10 où elle est condensée et ensuite envoyée sous forme liquide à la colonne K10 à un niveau au-dessus de l’arrivée de gaz. Le débit 15 de liquide enrichi en oxygène est envoyé en totalité au premier vaporiseur-condenseur (E10) où il est partiellement vaporisé sous forme de film à une pression supérieure à la deuxième pression. Les gaz formés sont mélangés et envoyés se réchauffer dans le sousrefroidisseur E03 pour former un débit entièrement gazeux 43 pour alimenter une turbine D07 avec une pression d’entrée entre 2,3 et 2,5 bars. Le débit détendu dans la turbine D07 est mélangé avec le débit de purge 43B du condenseur E10 et le débit formé est envoyé à la deuxième colonne K02. On pourrait aussi alimenter les débits 43 et 43B à deux niveaux différents dans la colonne K02 car leurs compositions sont différentes : le débit 43 est moins enrichi en oxygène que 43B. Le gaz détendu dans cette figure sera plus riche en azote que celui des figures précédentes, ce qui permet de réduire le débit détendu et donc la taille de la turbine D07. Le liquide non-vaporisé du débit 15 constitue au moins 30% du liquide enrichi en oxygène envoyé au premier vaporiseur-condenseur. Il est détendu et est envoyé au condenseur le gaz de tête de la colonne K10 où il se vaporise. Ce condenseur peut être un vaporiseur à film ou un vaporiseur à bain et fonctionne à une pression proche de celle de la deuxième colonne K02. Le premier vaporiseur-condenseur E10 peut être un vaporiseur à film ou un déphlegmateur. Dans tous les cas, l’argon produit par la colonne K10 n’est pas nécessaire un produit de l’appareil et peut être mélangé à l’azote résiduaire et envoyé à l’atmosphère. Alternativement, le liquide envoyé au vaporiseur condenseur E10 pourrait être partiellement ou totalement de l’air liquide 11 ou 13 issu du compresseur 8. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : on envoie un débit d'air (5B) comprimé, épuré et refroidi à une première colonne (K01) opérant sous une première pression où il se sépare formant un premier liquide enrichi en oxygène et un premier débit enrichi en azote on envoie au moins une partie du premier liquide enrichi en oxygène (15) à un premier vaporiseur-condenseur (E10) où il se vaporise partiellement sous forme de film à une pression supérieure à une deuxième pression formant un deuxième liquide (38) enrichi en oxygène constituant au moins 30% du liquide enrichi en oxygène envoyé au premier vaporiseur-condenseur et un troisième gaz (43) enrichi en oxygène on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en azote (17) à une deuxième colonne (K02) opérant sous la deuxième pression inférieure à la première pression on chauffe la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un deuxième vaporiseur-condenseur de cuve (E02) on envoie un fluide enrichi en argon (19) de la deuxième colonne à une troisième colonne (K10) et le fluide se sépare dans la colonne formant un débit riche en argon (45) en tête de colonne et un débit riche en oxygène (41) en cuve de colonne le débit riche en argon et/ou une partie du fluide enrichi en argon se condense dans le premier vaporiseur-condenseur et le troisième gaz enrichi en oxygène est détendu dans une turbine avec production de travail, éventuellement après réchauffage. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’écart de température entre le liquide enrichi en oxygène (38) et la température du liquide sortant en bas du côté condensation du premier vaporiseur- condenseur (E10) est inférieur à 1°C, de préférence inférieur à 0.5°C. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la turbine (D07) entraîne un surpresseur sur l’un des fluides gazeux du procédé. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le fluide gazeux est le gaz résiduaire servant à la régénération de l’épuration en tête. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la turbine (D07) entraîne une génératrice. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la génératrice tourne à la même vitesse que la turbine Procédé selon la revendication précédente dans lequel l’énergie de la génératrice passe dans un convertisseur de fréquence pour alimenter le réseau électrique à 50 ou 60 Hz selon les pays. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la turbine (D07) entraîne un surpresseur et une génératrice, les trois sur le même arbre, tournant à la même vitesse. Procédé selon 1 ou 2 dans lequel de la chaleur servant à réchauffer le gaz à détendre (43) sert à sous-refroidir un liquide (17) provenant de la première colonne ou de l’échangeur principal (E01). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier vaporiseur-condenseur (E10) est à la fois un condenseur de tête de la troisième colonne et un condenseur d’une partie du fluide enrichi en argon (19) ou d’un fluide enrichi en argon prélevé à un niveau intermédiaire dans la troisième colonne (K10). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier vaporiseur-condenseur n’est pas un condenseur de tête de la troisième colonne et on condense dans le premier vaporiseur-condenseur (E10) une partie du fluide enrichi en argon (19) ou un fluide enrichi en argon prélevé à un niveau intermédiaire dans la troisième colonne (K10). Procédé selon la revendication 10 ou 11 dans lequel on introduit la partie du fluide enrichi en argon (19) ou du fluide enrichi en argon prélevé à un niveau intermédiaire dans la troisième colonne (K10) à un niveau intermédiaire de la troisième colonne. Procédé selon l’une des revendications 10, 11 et 12 dans lequel le deuxième liquide enrichi en oxygène est envoyé se vaporiser dans un condenseur de tête (E10B) de la troisième colonne (K10) par échange de chaleur avec le gaz de tête de la troisième colonne. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9 dans lequel le premier vaporiseur-condenseur est un condenseur de tête (E10) de la troisième colonne et on condense le gaz riche en argon de la tête de la troisième colonne (K10) dans le premier vaporiseur-condenseur. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le débit riche en argon (45) est mélangé avec le fluide résiduaire de la deuxième colonne (35). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz à détendre n’est pas réchauffé dans un échangeur principal (9) où se refroidit l’air d’alimentation en amont de la détente. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz à détendre (32) est à entre 1,7 et 2,7 bars abs.