Brevet FR3114382A1 — publié le 20220325

Titre : Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique à trois colonnes dont deux colonnes concentriques Un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprend trois colonnes (K1, K2, K3) dont deux concentriques, le diamètre externe de la troisième colonne étant au plus égal à celui de la deuxième colonne, une conduite pour alimenter la troisième colonne en air (AG1), une conduite de reflux (13) reliée à un niveau intermédiaire de la section supérieure de la première colonne pour soutirer un liquide enrichi en azote, la conduite étant reliée à la tête de la deuxième colonne et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de chaleur et de moyens d’échange de masse, et une conduite (9) intermédiaire pour soutirer un liquide à un niveau intermédiaire de la première colonne. Figure de l’abrégé : FIG. 2 Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique à trois colonnes dont deux colonnes concentriques La présente invention est relative à un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant au moins trois colonnes de séparation dont deux colonnes concentriques. Il est connu de séparer l’air dans une double colonne de distillation comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression. Classiquement la cuve de la deuxième colonne est thermiquement reliée à la tête de la première colonne. Une troisième colonne peut être reliée à la deuxième colonne et éventuellement à la première colonne. Cette troisième colonne peut être de type colonne Etienne, opérant à une pression entre les première et deuxième pressions et alimentée par un liquide enrichi en oxygène provenant de la cuve de la première colonne. Un fluide enrichi en oxygène et un fluide enrichi en azote produits dans la troisième colonne peuvent alimenter la deuxième colonne à des niveaux différents. Cette troisième colonne peut être de type de colonne de mélange étant alimentée en tête par un liquide riche en oxygène provenant de la deuxième colonne et en cuve par un gaz moins riche en oxygène, tel que de l’air. Dans ce cas, la troisième colonne produit directement un gaz riche en oxygène soutiré en tête de la troisième colonne. Alors que la première et la deuxième colonne forment une structure appelée double colonne, la troisième colonne est indépendante de cette structure. Dans une configuration régulière, la deuxième colonne est superposée à la première colonne et a un diamètre supérieur à celui de la première colonne. La section de la boîte froide devant contenir les deux colonnes est donc dictée par le diamètre de la deuxième colonne. Ajouter une colonne supplémentaire, telle qu’une troisième colonne décrite ci-dessus, augmente encore la section de la boite froide, voire nécessite l'adjonction d'une boite supplémentaire. D’autres architectures que cette architecture sont connues, telles que celles décrites dans EP1078212B1, mais nécessitent néanmoins un élargissement de la boite froide ou une autre boite. Il est donc avantageux de bénéficier de l'espace disponible sous la deuxième colonne de grand diamètre pour y loger la colonne additionnelle. De façon avantageuse, elle sera concentrique à la première colonne. L'espace disponible (et donc l'épaisseur de cette colonne concentrique) étant limité, cette configuration est particulièrement adaptée pour ajouter une colonne qui traite une charge gazeuse (ce qui dimensionne au premier ordre la section de passage de la colonne) faible par rapport au débit d'air alimentant le système composé de la première et de la deuxième colonne. C'est le cas pour la troisième colonne de type colonne Etienne, qui traite environ 40% mol du débit total d'air d’alimentation à une pression intermédiaire, ou de type colonne de mélange, qui traite environ 30% mol du débit total d'air d’alimentation, par exemple à la première pression. Le choix du garnissage de cette colonne concentrique (et de la première et deuxième colonnes) pourra être judicieusement adapté pour que sa capacité soit telle qu'il ne soit pas nécessaire d'avoir un diamètre extérieur de la colonne concentrique supérieur à celui de la deuxième colonne. Selon un objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonne dont une première colonne de distillation capable d’opérer à une première pression ayant une section supérieure et une section inférieure, une deuxième colonne de distillation capable d’opérer à une deuxième pression inférieure à la première pression et ayant un diamètre et une troisième colonne de séparation, par exemple de distillation, de section annulaire, ayant un diamètre interne et un diamètre externe, disposée autour de la première colonne, le diamètre externe de la troisième colonne étant au plus égal à celui de la deuxième colonne, l’appareil comprenant également une conduite pour envoyer de l’air à la première colonne, une conduite pour envoyer un fluide enrichi en oxygène à un point intermédiaire de la deuxième colonne, une conduite pour alimenter la troisième colonne en air ou en au moins un fluide provenant de la première, une conduite de reflux reliée à un niveau intermédiaire de la section supérieure de la première colonne pour soutirer un liquide enrichi en azote, la conduite étant reliée à la tête de la deuxième colonne et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de masse, et une conduite pour soutirer un liquide de la première colonne, la conduite étant reliée à un autre colonne du système de colonnes et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens de transfert de masse. Selon d’autres aspects facultatifs : - la tête de la troisième colonne est reliée pour recevoir du liquide de cuve de la deuxième colonne. - l’appareil comprend une conduite pour sortir un gaz riche en oxygène en tête ou en un point intermédiaire de la troisième colonne. -la troisième colonne est reliée pour recevoir du liquide de cuve de la première colonne. -la deuxième colonne est reliée pour recevoir du liquide de tête de la troisième colonne. - l’appareil ne comprend pas d’espace entre la paroi extérieure de la section supérieure de la première colonne et la paroi intérieure de la troisième colonne, -la paroi extérieure de la première colonne est la paroi intérieure de la troisième colonne. -l’appareil est conçu pour opérer avec une différence de pression entre celle de la troisième colonne et celle de la première colonne inférieure à 3,5 bars, de préférence inférieure à 2 bars. - la cuve de la troisième colonne est disposée en dessous de la cuve de la première colonne. -la première colonne est entièrement contenue à l’intérieur de la troisième colonne. - l’appareil comprend une enceinte isolée thermiquement contenant les première, deuxième et troisième colonnes. - la deuxième colonne a un diamètre supérieur à celui de la première colonne. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonne dont une première colonne de distillation capable d’opérer à une première pression ayant une section supérieure et une section inférieure, une deuxième colonne de distillation capable d’opérer à une deuxième pression inférieure à la première pression et ayant un diamètre et une troisième colonne de séparation, par exemple de distillation, de section annulaire, ayant un diamètre interne et un diamètre externe, disposée de façon annulaire autour de la première colonne, le diamètre externe de la troisième colonne étant au plus égal à celui de la deuxième colonne, dans lequel on envoie de l’air à la première colonne, on envoie un fluide enrichi en oxygène à un point intermédiaire de la deuxième colonne, on alimente la troisième colonne en air ou en au moins un fluide provenant de la première, on soutire un liquide enrichi en azote à travers une conduite de reflux reliée à un niveau intermédiaire de la section supérieure de la première colonne, la conduite de reflux étant reliée à la tête de la deuxième colonne et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de chaleur et de moyens d’échange de masse, et on soutire un liquide enrichi en oxygène de la première colonne par une conduite reliée à un autre colonne du système de colonnes et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de masse. Si la troisième colonne est alimentée en air, le débit d’air alimentant la troisième colonne peut être compris entre 20% et 40% (base molaire) du débit total d’alimentation des première, deuxième et troisième colonnes. La deuxième colonne n’est pas nécessairement alimentée en air. Si la troisième colonne est alimentée en liquide enrichi en oxygène en provenance de la première colonne, le débit alimentant la troisième colonne peut être compris entre 30% et 50% (base molaire) du débit d’air total d’alimentation des première, deuxième et troisième colonnes. La deuxième et la troisième colonnes ne sont pas nécessairement alimentées par de l’air. Selon l’invention, la troisième colonne est une colonne annulaire disposée autour de la partie supérieure de la première colonne. De préférence la pression opératoire de la colonne annulaire diffère de moins de 3,5 bars de la pression opératoire de la première colonne. De préférence la température opératoire de la colonne annulaire (troisième colonne) diffère de moins de 5 °C de la température opératoire de la première colonne. Ainsi le différentiel de température est suffisamment petit pour empêcher un transfert de chaleur suffisamment significatif entre les première et troisième colonnes pour perturber la distillation effectuée dans chacune des colonnes. Si les températures des colonnes sont trop différentes, il est nécessaire de prévoir un système d’isolation thermique, tel que par exemple une lame de gaz. La troisième colonne comprend une paroi cylindrique extérieure et une paroi cylindrique intérieure. La lame de gaz constituée par une espace annulaire dans l’espace entouré par la paroi intérieure et en contact avec cette paroi intérieure. Dépourvue de moyen d’échange de masse et de chaleur, l’espace est ouvert en bas et/ou en haut pour isoler la troisième colonne de la première colonne, mais ne permet pas un court-circuitage de gaz à distiller. De préférence au moins un soutirage gaz ou liquide est effectué depuis la partie de la première colonne entourée par la troisième colonne. Ce soutirage relié à la première colonne traverse la troisième colonne de préférence dans une zone dépourvue de moyens d’échange de masse et de chaleur. La configuration des sections garnies de la troisième colonne K3 est de préférence établie de telle sorte que tout soutirage (liquide ou gaz) de la première colonne se fasse dans une zone dépourvue de garnissage de la troisième colonne. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. montre schématiquement un appareil à trois colonnes, la troisième colonne opérant à une pression intermédiaire entre celles des deux autres colonnes. montre schématiquement un appareil à trois colonnes, la troisième colonne étant une colonne de mélange. illustre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant une première colonne K1 capable d’opérer à une première pression ayant une section supérieure et une section inférieure et une deuxième colonne K2 capable d’opérer à une deuxième pression inférieure à la première pression et ayant un diamètre. La deuxième colonne K2 est disposée au-dessus de la première colonne K1, formant une structure unique. Un débit d’air 1 est envoyé comme gaz d’alimentation en cuve de la première colonne K1 où il se séparer par distillation en un liquide enrichi en oxygène en cuve et un gaz enrichi en azote en tête. La première colonne K1 est également alimenté par un débit d’air 3 biphasique qui dans la figure passe dans une conduite à travers les garnissages Un passage en dehors des garnissages serait préférable. Une troisième colonne K3 de forme annulaire, ayant un diamètre interne et un diamètre externe, est disposée autour de la première colonne K1 ; dans le cas illustré, la troisième colonne est plus haute que la première colonne, de sorte que la cuve de la troisième colonne K3 se trouve en dessous de la cuve de la première colonne K1. La pression opératoire de la colonne annulaire K3 diffère de moins de 3.5 bars de la pression opératoire de la première colonne K1. La première colonne peut par exemple opérer à 6 bars et la troisième K3 à une pression comprise entre 3.5 et 4 bars. La première colonne K1 comprend trois sections de garnissages, les unes au-dessus des autres, séparées entre elles par des espaces libres, la troisième colonne K3 en compte deux. Evidemment le nombre de sections peut varier en fonction des séparations à réaliser. Les sections de la colonne K1 sont à base circulaire et celles de la colonne K3 à base annulaire. Dans ce cas, la paroi extérieure de la première colonne K1 constitue la paroi intérieure de la troisième colonne K3. Il est également possible que la première colonne ait une paroi extérieure et la troisième colonne une paroi intérieure distincte, avec un espace entre les deux parois. Cet espace serait ouvert sur une des extrémités pour permettre éventuellement l’établissement d’une lame de gaz isolante. La deuxième colonne K2 a le même diamètre que le diamètre externe de la troisième colonne K3. De cette façon, les colonnes K2, K3 peuvent avoir une virole de même diamètre, voire commune. Le haut de la troisième colonne K3 est séparé de la cuve de la colonne K2 par une barrière frusto-conique 19 empêchant le passage de tout fluide. L’azote gazeux formé en tête de la première colonne est soutiré par une conduite passant dans un espace au-dessus des garnissages de la troisième colonne K3. L’azote 5 est envoyé à un échangeur de chaleur E1 où il se condense pour former un liquide. De l’azote liquide 15 est soutiré par une conduite passant dans un espace au-dessus des garnissages de la troisième colonne K3. Il est mélangé avec l’azote condensé 5 provenant de l’échangeur E1. Du liquide enrichi en oxygène 17 est soutiré de la cuve la première colonne K1 à travers la troisième colonne K3 dans un espace dépourvu de garnissages. Le liquide 17 est éventuellement sous refroidi dans un échangeur de chaleur E2 et envoyé alimenter la troisième colonne K3 où il se sépare. Le gaz enrichi en azote formé en tête de la colonne K3 est soutiré de la colonne et condensé dans l’échangeur de chaleur E3 avant d’être envoyé en partie en tête de la colonne K3 comme reflux, et pour une autre partie en tête la deuxième colonne comme reflux. Le liquide de cuve 7 enrichi en oxygène de la troisième colonne K3 est divisé en deux. Une partie 9 est vaporisée dans l’échangeur de chaleur E1 et alimente la cuve de la troisième colonne K3. Le reste 11 est détendu dans une vanne à une pression proche de celle de la deuxième colonne, et envoyé comme source froide dans l’échangeur E3, où il est majoritairement vaporisé. La fraction vaporisée et éventuellement une fraction liquide restante sont envoyées comme alimentation de la deuxième colonne. La deuxième colonne K2, qui n’est pas illustrée en détail, correspond à une colonne basse pression habituelle d’une double colonne. Ainsi la ou les fractions du liquide vaporisé 11 qui alimente(nt) la deuxième colonne est séparée/sont séparées pour former de l’azote en tête de la deuxième colonne K2 et un liquide riche en oxygène en cuve de la deuxième colonne K2. La deuxième colonne K2 est reliée pour recevoir du liquide de tête 15 de la troisième colonne K3 L’appareil peut donc produire de l’oxygène gazeux et/ou liquide de la deuxième colonne K2 et de l’azote liquide et/ou gazeux de la première colonne. La troisième colonne K3 correspond à une colonne Etienne bien connue dans l’art. Le débit 17 alimentant la troisième colonne K3 peut être compris entre 30% et 50% (base molaire) du débit d’air total d’alimentation des première, deuxième et troisième colonnes (débits 1 et 3). illustre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant une première colonne K1 capable d’opérer à une première pression ayant une section supérieure et une section inférieure et une deuxième colonne K2 capable d’opérer à une deuxième pression inférieure à la première pression et ayant un diamètre. La deuxième colonne K2 est disposée au-dessus de la première colonne K1, formant une structure unique. La première colonne K1 comprend deux sections de garnissages les unes au-dessus des autres séparées par un espace, la troisième colonne K3 compte deux sections de garnissages G. Evidemment le nombre de sections peut varier en fonction des séparations à réaliser. Les sections de la troisième colonne K3 sont à base annulaire. Dans ce cas, la paroi extérieure de la première colonne K1 constitue la paroi intérieure de la troisième colonne K3. Il est également possible que la première colonne ait une paroi extérieure et la troisième colonne une paroi intérieure distincte, avec un espace entre les deux parois. Cet espace serait ouvert sur une des extrémités pour permettre éventuellement l’établissement d’une lame de gaz isolante. La deuxième colonne K2 a préférentiellement le même diamètre que le diamètre externe de la troisième colonne K3. De cette façon, les colonnes K2, K3 peuvent avoir une virole commune. Le haut de la troisième colonne K3 et le haut de la première colonne K1 sont séparé de la cuve de la colonne K2 par une barrière de section circulaire ayant le même diamètre que la deuxième colonne 2 et empêchant le passage de tout fluide à part l’azote destiné à et provenant d’un échangeur E02. Un débit d’air gazeux AG1 est envoyé comme gaz d’alimentation en cuve de la première colonne K1 où il se sépare par distillation en un liquide enrichi en oxygène en cuve et un gaz enrichi en azote en tête. Un débit enrichi en oxygène LR est soutiré de la cuve de la première colonne K1 et envoyé à la deuxième colonne K2 pour s’y séparer. Le gaz de tête NG de la première colonne K1 se condense dans l’échangeur de chaleur E02 dans la cuve de la deuxième colonne K2. Le liquide condensé est renvoyé en tête de la première colonne comme reflux. De l’azote liquide LPS est soutiré de la tête de la première colonne dans une conduite traversant un espace sans garnissages de la troisième colonne et est envoyé en tête de la deuxième colonne K2 de manière connue. De l’azote liquide LPI est soutiré d’un point intermédiaire de la première colonne K1 dans une conduite traversant un espace préférentiellement sans garnissages de la troisième colonne K3 et est envoyé en haut de la deuxième colonne K2 de manière connue. La troisième colonne K3 fonctionne comme une colonne de mélange, assurant un mélange entre un liquide riche en oxygène envoyé en tête de la colonne et de l’air AG envoyé en cuve de la colonne. Le produit de la troisième colonne K3 est un gaz riche en oxygène OGI soutiré en tête de la colonne. Un liquide très riche en oxygène LTR1 est soutiré à un point intermédiaire de la troisième colonne K3 et un second liquide très riche en oxygène LTR2 est soutiré en cuve de la troisième colonne K3. Ces deux liquides LTR1, LTR2 sont envoyés à la deuxième colonne K2. Le débit d’air AG alimentant la troisième colonne K3 peut être compris entre 20% et 40% (base molaire) du débit total d’alimentation (AG1 +AG) des première et troisième colonnes. La pression de la troisième colonne K3 peut être supérieure, égale ou inférieure à celle de la première colonne K1. La présence de la pompe du débit OL soutiré en cuve de la deuxième colonne K2 permet d’obtenir la pression voulue. Toutefois si la pression de la colonne K3 diffère de celle de la première colonne de moins de 3,5 bars, la présence d’une lame de gaz ne sera pas nécessaire. Ainsi la pression de la première colonne K1 peut être de 6 bars et celle de la troisième colonne entre 3 et 9 bars. Dans les deux cas, la troisième colonne peut entourer seulement une partie de la première colonne, par exemple la partie supérieure ou la partie inférieure. De préférence, dans les deux cas, la deuxième colonne a un diamètre supérieur à celui de la première colonne et/ou égal ou supérieur au diamètre extérieur de la troisième colonne. Le plus grand diamètre d’une colonne est considéré comme son diamètre. Par exemple si la deuxième colonne comprend une section supérieure, souvent appelée un minaret, à plus petit diamètre que la partie principale de la colonne, c’est le diamètre de la partie principale qui est considéré comme le diamètre. Pour les deux figures, les garnissages de la première colonne K1 sont des garnissages structurés. Pour les deux figures, les garnissages de la troisième colonne K3 sont des garnissages vrac. De préférence la pression de la troisième colonne diffère de celle de la première colonne d’au moins 1 bar. Pour le cas de la Figure 2, les pressions de la première et troisième colonne peuvent être égales. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes dont une première colonne de distillation (K1) capable d’opérer à une première pression ayant une section supérieure et une section inférieure, une deuxième colonne de distillation (K2) capable d’opérer à une deuxième pression inférieure à la première pression et ayant un diamètre et une troisième colonne de séparation (K3), par exemple de distillation, de section annulaire, ayant un diamètre interne et un diamètre externe, disposée autour de la première colonne, le diamètre externe de la troisième colonne étant au plus égal à celui de la deuxième colonne, l’appareil comprenant également une conduite pour envoyer de l’air (1, 3, AG1) à la première colonne, une conduite pour envoyer un fluide enrichi en oxygène à un point intermédiaire de la deuxième colonne, une conduite pour alimenter la troisième colonne en air (AG1) ou en au moins un fluide (17) provenant de la première colonne, une conduite de reflux (13) reliée à un niveau intermédiaire de la section supérieure de la première colonne pour soutirer un liquide enrichi en azote, la conduite étant reliée à la tête de la deuxième colonne et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de masse, et une conduite (9) pour soutirer un liquide de la première colonne, la conduite étant reliée à une autre colonne (K2, K3) du système de colonnes et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens de transfert de masse. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la tête de la troisième colonne (K3) est reliée pour recevoir du liquide de cuve (OL) de la deuxième colonne (K2). Appareil selon la revendication 2 comprend une conduite pour sortir un gaz riche en oxygène en tête (OGI) ou en un point intermédiaire de la troisième colonne (K3). Appareil selon la revendication 1 dans lequel la troisième colonne (K3) est reliée pour recevoir du liquide de cuve (17) de la première colonne (K1). Appareil selon la revendication 4 dans lequel la deuxième colonne (K2) est reliée pour recevoir du liquide de tête de la troisième colonne (K3). Appareil selon l’une des revendications 1 à 5 ne comprenant pas d’espace entre la paroi extérieure de la section supérieure de la première colonne (K1) et la paroi intérieure de la troisième colonne (K3), la paroi extérieure de la première colonne étant de préférence la paroi intérieure de la troisième colonne. Appareil selon l’une des revendications précédentes conçu pour opérer avec une différence de pression entre celle de la troisième colonne (K3) et celle de la première colonne (K1) inférieure à 3,5 bars, de préférence inférieure à 2 bars. Appareil selon l’une des revendications précédentes dans lequel la cuve de la troisième colonne (K3) est disposée en dessous de la cuve de la première colonne (K1). Appareil selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première colonne (K1) est entièrement contenue à l’intérieur de la troisième colonne (K3). Appareil selon l’une des revendications précédentes comprenant une enceinte isolée thermiquement contenant les première, deuxième et troisième colonnes. Procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonne dont une première colonne de distillation (K1) capable d’opérer à une première pression ayant une section supérieure et une section inférieure, une deuxième colonne de distillation (K2) capable d’opérer à une deuxième pression inférieure à la première pression et ayant un diamètre et une troisième colonne de séparation (K3), par exemple de distillation, de section annulaire, ayant un diamètre interne et un diamètre externe, disposée de façon annulaire autour de la première colonne, le diamètre externe de la troisième colonne étant au plus égal à celui de la deuxième colonne, dans lequel on envoie de l’air (1 ,3, AG1) à la première colonne, on envoie un fluide enrichi en oxygène à un point intermédiaire de la deuxième colonne, on alimente la troisième colonne en air (AG) ou en au moins un fluide (17) provenant de la première, on soutire un liquide enrichi en azote (15) à travers une conduite de reflux reliée à un niveau intermédiaire de la section supérieure de la première colonne, la conduite de reflux étant reliée à la tête de la deuxième colonne et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de masse, et on soutire un liquide enrichi en oxygène (17, LR)de la première colonne par une conduite reliée à un autre colonne du système de colonnes et passant à travers une région de la troisième colonne dépourvue de moyens d’échange de masse. Procédé selon la revendication 11 dans lequel la troisième colonne (K3) est alimentée en air (AG), caractérisé en ce que le débit d’air alimentant la troisième colonne est compris entre 20% et 40% (base molaire) du débit total d’alimentation des première, deuxième et troisième colonnes Procédé selon la revendication 11 dans lequel la troisième colonne (K3) est alimentée en liquide enrichi en oxygène (17) en provenance de la première colonne (K1), caractérisé en ce que le débit alimentant la troisième colonne est compris entre 30% et 50% (base molaire) du débit d’air total d’alimentation des première, deuxième et troisième colonnes.