Brevet FR3135134A1 — publié le 20231103

Titre : Procédé d’augmentation de la capacité d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique existant et appareil de séparation d’air Dans un procédé d’augmentation de capacité de production d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système principal de colonnes, on installe une colonne additionnelle de séparation d’air, on envoie de l’air refroidi à la colonne additionnelle sous forme gazeuse et éventuellement sous forme liquide, on soutire un gaz riche en azote est soutiré en tête de colonne additionnelle on vaporise un liquide enrichi en oxygène, provenant de la cuve de colonne additionnelle, la chaleur pour vaporiser le liquide est apportée par la condensation dans un échangeur de chaleur d’une première partie du gaz riche en azote, le liquide enrichi en oxygène vaporisé est envoyé dans une colonne du système principal de colonnes, la première partie du gaz est comprimée dans un compresseur dont la température d’entrée est une température cryogénique et une deuxième partie du gaz riche en azote est détendue dans une turbine qui entraîne le compresseur. Figure de l’abrégé : Fig 1 Procédé d’augmentation de la capacité d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique existant et appareil de séparation d’air La présente invention est relative à un procédé d’augmentation de la capacité d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique existant et appareil de séparation d’air. Elle concerne également un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique. Afin d’augmenter la capacité de l’appareil, par un procédé souvent appelé dégoulottage, il est prévu d’ajouter un module cryogénique permettant l’enrichissement en oxygène de l’air destiné à être séparé dans au moins une des colonnes de distillation de l’ASU. Le but de la présente invention est de définir une solution compétitive pour dégoulotter un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique sans ou à moindre surinvestissement initial. Il est souvent nécessaire d’augmenter la capacité d’un appareil de séparation d’air pour répondre à la croissance du besoins d’un client. Il est possible de surdimensionnement dès le départ l’appareil complet, ce qui génère un surcoût. Pour réduire un surcoût, on peut surdimensionner uniquement les parties de l’appareil devant fonctionner à des températures en dessous de l’ambiante. Sinon il est possible d’installer un deuxième appareil en parallèle de l’existant pour fournir la production supplémentaire. Il est connu de WO2000/060294 de rajouter un appareil de séparation d’air à simple colonne à un appareil à double colonne existant et d’envoyer un gaz enrichi en oxygène provenant de la simple colonne pour alimenter la double colonne. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé d’augmentation de capacité de production d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système principal de colonnes, dans lequel l’appareil de séparation d’air existant comprend un système principal de colonnes, une ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer un débit d’air se refroidir dans la ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer le débit d’air refroidi dans la ligne d’échange principale au système principal de colonne pour être séparé et des moyens pour soutirer au moins un produit enrichi en oxygène du système principal de colonnes et selon le procédé d’augmentation de la capacité de l’appareil On installe une colonne additionnelle de séparation d’air On envoie de l’air refroidi et épuré en eau et en dioxyde de carbone à la colonne additionnelle sous forme gazeuse et éventuellement sous forme liquide On soutire un gaz riche en azote en tête de colonne additionnelle On vaporise un liquide enrichi en oxygène, provenant de la cuve de colonne additionnelle La chaleur pour vaporiser le liquide est apportée par la condensation dans un échangeur de chaleur d’une première partie du gaz riche en azote Le liquide enrichi en oxygène vaporisé est envoyé dans une colonne du système principal de colonnes, éventuellement après avoir été re-mélangé avec un débit d’air destiné au système principal de colonnes caractérisé en ce que la première partie du gaz est comprimée dans un compresseur dont la température d’entrée est une température cryogénique et en ce qu’une deuxième partie du gaz riche en azote est détendu dans une turbine qui entraîne le compresseur. Selon d’autres aspects facultatifs : avant l’augmentation de capacité il y a débit total D de gaz rentrant dans le système principal de colonnes et après l’augmentation de capacité le débit total D est augmenté au plus de 10%, préférentiellement au plus de 5%. avant l’augmentation de capacité il y a une quantité totale Q d’oxygène contenue dans le(s) débit(s) d’alimentation du système principal de distillation et après l’augmentation de capacité la quantité totale Q est augmentée de plus de 5%, préférentiellement de plus de 10%. la deuxième partie du gaz riche en azote détendu dans la turbine est mélangée avec de l’azote produit par le système principal de colonnes et de préférence ensuite réchauffée dans la ligne principale d’échange. la première partie du gaz riche en azote se condense dans l’échangeur de chaleur et est envoyée en tête de la colonne additionnelle comme reflux. le système principal de colonne comprend une première colonne opérant à une première colonne et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne. le système principal comprend une colonne de production d’argon alimenté par un gaz enrichi en argon provenant de la deuxième colonne. pour augmenter la capacité de l’unité de séparation d’air, on rajoute une deuxième colonne additionnelle, on envoie un gaz enrichi en argon de la deuxième colonne se séparer dans la deuxième colonne additionnelle et on envoie un gaz de tête de la deuxième colonne additionnelle se séparer dans la colonne de production d’argon. tout ou une partie du reflux de la deuxième colonne additionnelle est apporté par la condensation d’une partie du gaz de tête de la deuxième colonne additionnelle dans un échangeur de chaleur alimenté par un liquide provenant du système principal de colonnes, préférentiellement du liquide avec une teneur en oxygène supérieure ou égale à celle de l’air et éventuellement une partie du reflux est également apportée par du liquide provenant de la cuve de colonne de production argon. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système principal de colonnes, une ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer un débit d’air se refroidir dans la ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer le débit d’air refroidi dans la ligne d’échange principale au système principal de colonne pour être séparé, des moyens pour soutirer au moins un produit enrichi en oxygène du système principal de colonnes, une colonne additionnelle de séparation d’air, des moyens pour envoyer de l’air refroidi et épuré en eau et en dioxyde de carbone à la colonne additionnelle sous forme gazeuse et éventuellement sous forme liquide, des moyens pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la colonne additionnelle, des moyens pour vaporiser un liquide enrichi en oxygène provenant de la cuve de colonne additionnelle, un échangeur de chaleur pour vaporiser le liquide enrichi en oxygène par la condensation d’une première partie du gaz riche en azote, des moyens pour envoyer le liquide enrichi en oxygène vaporisé dans une colonne du système principal de colonnes, éventuellement après avoir été re-mélangé avec un débit d’air destiné au système principal de colonnes, un compresseur pour comprimer la première partie du gaz dont la température d’entrée est une température cryogénique et une turbine pour détendre une deuxième partie du gaz riche en azote qui entraîne le compresseur. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. montre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique modifiée pour augmenter sa capacité. montre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique modifiée pour augmenter sa capacité. montre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique modifiée pour augmenter sa capacité. montre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique. L’appareil comprend au minimum un système principal de colonnes, une ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer un débit d’air se refroidir dans la ligne d’échange principale et des moyens pour envoyer le débit d’air refroidi dans la ligne d’échange principale au système principal de colonne pour être séparé. Dans cet exemple, le système principal de colonnes comprend une colonne K1 opérant à une première pression et une deuxième colonne K2 opérant à une deuxième pression, inférieure à une première pression. Les colonnes sont thermiquement reliées entre elles par un condenseur 61. Un débit d’air haute pression 1 est divisé en deux, une partie de l’air 5 est comprimée par un surpresseur C et ensuite se refroidit en traversant complètement la ligne d’échange principale L, est détendue dans une vanne pour le liquéfier et puis est divisée en une fraction liquide 35 qui alimente la colonne K1 et une fraction liquide 33 qui alimente la colonne K2. Le reste 7 du débit haute pression se refroidit dans la ligne d’échange principale jusqu’à une température intermédiaire de celle-ci, est détendu dans une turbine T couplée au surpresseur C pour former un débit détendu. De l’air moyenne pression 3 se refroidit en traversant complètement la ligne d’échange principale et est mélangé avec le débit détendu pour former le débit d’air 9. Avant la modification de l’appareil, tout le débit 9 est envoyé sous forme gazeuse à la première colonne K1. Un débit liquide enrichi en oxygène 31 est envoyé de la colonne K1 à la colonne K2. Un débit liquide enrichi en azote 34 est envoyé de la colonne K1 à la colonne K2. Un débit liquide riche en oxygène est soutiré de la colonne K2, pressurisé dans une pompe et se vaporise comme débit 37 dans la ligne d’échange principale. De l’azote gazeux 41 est soutiré en tête de la colonne K2 et se réchauffe dans le sousrefroidisseur S et la ligne d’échange principale L. Afin d’augmenter la production d’oxygène de l’appareil, une colonne additionnelle K3 est rajoutée. Cette colonne peut être alimentée par un débit d’air épuré et refroidi indépendant des débits 1, 3. Sinon, comme dans la figure, le débit alimentant la colonne additionnelle K3 peut être une fraction de l’air alimentant le système principal de colonnes K1, K2. Ici une fraction 11 de l’air 3 et/ou l’air détendu est prise et alimente la colonne K3 sous forme gazeuse uniquement. Un gaz enrichi en azote 21 est soutiré en tête de cette simple colonne K3 et est divisé en deux. Une partie 25 du gaz enrichi en azote est détendue dans une turbine T1 et ensuite se mélange avec l’azote 41 réchauffé dans le sousrefrodisseur S. Le mélange se réchauffe dans la ligne d’échange L. Dans le cas où le fluide est diphasique en sortie turbine, la phase liquide peut être pompée et valorisée comme reflux supplémentaire dans les colonnes de distillation. Le reste 23 de l’azote de tête de la colonne K3 est envoyé à un rebouilleur R où il vaporise le liquide de cuve 17 de la colonne K3. Ce liquide, enrichi en oxygène, se vaporise formant le gaz 19 enrichi en oxygène qui est mélangé avec le débit d’air 9 pour former l’air 15 envoyé à la colonne K1. Sinon le gaz 19 peut être envoyé à la colonne K1 sans être mélangé avec un autre gaz. En sortie du rebouilleur R, l’azote 23 se trouve liquéfié formant un débit 27 qui est réintroduite en tête de la colonne de distillation supplémentaire K3 pour en assurer le reflux. Le compresseur C1 a une température d’entrée cryogénique et est entraîné par la turbine T1. Avant l’augmentation de capacité il y a débit total D de gaz rentrant dans le système principal de colonnes K1, K2 et après l’augmentation de capacité le débit total D est augmenté au plus de 10%, préférentiellement au plus de 5%. Avant l’augmentation de capacité il y a une quantité totale Q d’oxygène contenue dans le(s) débit(s) d’alimentation du système principal de distillation et après l’augmentation de capacité la quantité totale Q est augmentée de plus de 5%, préférentiellement de plus de 10%. Il sera compris que la manière de comprimer et de refroidir l’air destiné à la distillation peut être différente de celle décrite ici pour l’appareil à modifier. montre un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique modifiée de la même manière que dans la sauf qu’une partie 105 de l’air liquéfié dans la ligne d’échange principale L de l’appareil est également introduite dans la colonne de distillation supplémentaire K3. En cuve de la colonne de distillation supplémentaire, une partie 117 du liquide riche en oxygène n’est pas vaporisée dans le rebouilleur R mais prélevée sous forme liquide et réintroduite dans l’air liquide à destination des colonnes de distillation principales K1, K2. montre une variante de la avec production d’argon. Ici l’appareil initiale comprend la double colonne K1, K2 ainsi qu’une colonne argon K4 alimentée par un gaz enrichi en argon 55 provenant de la colonne basse pression K2. Du liquide enrichi en oxygène 133 est envoyé de cuve de la colonne K1 vers le rebouilleur de tête R5 de la colonne K4 qui produit de l’argon 63. Pour augmenter la capacité du système à trois colonnes existants K1, K2n K4 une colonne K5 ayant un condenseur de tête R4 sera rajoutée. Ce condenseur R4 est typiquement un condenseur-vaporiseur, le vaporiseur étant alimenté par du liquide riche en oxygène135 pris en cuve de la colonne K1. Une partie 53 du gaz provenant de la colonne K2 alimente la colonne K5, produisant un liquide de cuve 59 qui est pompé pour l’envoyer à la colonne K2 comme reflux ainsi qu’un gaz de tête 61 qui alimente la colonne K4. Ce reflux supplémentaires 59 sert à améliorer la distillation. Procédé d’augmentation de capacité de production d’un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système principal de colonnes, dans lequel l’appareil de séparation d’air existant comprend un système principal de colonnes (K1, K2, K4), une ligne d’échange principale (L), des moyens pour envoyer un débit d’air se refroidir dans la ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer le débit d’air refroidi dans la ligne d’échange principale au système principal de colonne pour être séparé et des moyens pour soutirer au moins un produit enrichi en oxygène (37) du système principal de colonnes et selon le procédé d’augmentation de la capacité de l’appareil On installe une colonne additionnelle (K3) de séparation d’air On envoie de l’air refroidi et épuré en eau et en dioxyde de carbone à la colonne additionnelle sous forme gazeuse et éventuellement sous forme liquide On soutire un gaz riche en azote (21) en tête de colonne additionnelle On vaporise un liquide enrichi en oxygène (17) provenant de la cuve de colonne additionnelle La chaleur pour vaporiser le liquide est apportée par la condensation dans un échangeur de chaleur (R) d’une première partie du gaz riche en azote (23) Le liquide enrichi en oxygène vaporisé est envoyé dans une colonne du système principal de colonnes, éventuellement après avoir été re-mélangé avec un débit d’air destiné au système principal de colonnes caractérisé en ce que la première partie (23) du gaz est comprimée dans un compresseur (C1) dont la température d’entrée est une température cryogénique et en ce qu’une deuxième partie du gaz riche en azote (25) est détendu dans une turbine (T1) qui entraîne le compresseur. Procédé selon la revendication 1 dans lequel avant l’augmentation de capacité il y a débit total D de gaz rentrant dans le système principal de colonnes (K1, K2, K4), et après l’augmentation de capacité le débit total D est augmenté au plus de 10%, préférentiellement au plus de 5%. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel avant l’augmentation de capacité il y a une quantité totale Q d’oxygène contenue dans le(s) débit(s) d’alimentation du système principal de distillation et après l’augmentation de capacité la quantité totale Q est augmentée de plus de 5%, préférentiellement de plus de 10%. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la deuxième partie du gaz riche en azote détendu dans la turbine (T1) est mélangée avec de l’azote (41) produit par le système principal de colonnes et de préférence ensuite réchauffée dans la ligne principale d’échange. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première partie du gaz riche en azote se condense dans l’échangeur de chaleur (R) et est envoyée en tête de la colonne additionnelle (K3) comme reflux (27). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le système principal de colonne (K1, K2, K4), comprend une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le système principal comprend une colonne de production d’argon (K4) alimentée par un gaz (51) enrichi en argon provenant de la deuxième colonne (K2). Procédé selon la revendication 7 dans lequel pour augmenter la capacité de l’unité de séparation d’air on rajoute une deuxième colonne additionnelle (K5), on envoie un gaz enrichi en argon (53) de la deuxième colonne (K2) se séparer dans la deuxième colonne additionnelle et on envoie un gaz de tête de la deuxième colonne additionnelle se séparer dans la colonne de production d’argon. Procédé selon la revendication 8 dans lequel tout ou une partie du reflux de la deuxième colonne additionnelle (K5) est apporté par la condensation d’une partie du gaz de tête de la deuxième colonne additionnelle dans un échangeur de chaleur (R4) alimenté par un liquide (135) provenant du système principal de colonnes, préférentiellement d’un liquide avec une teneur en oxygène supérieure ou égale à celle de l’air et éventuellement une partie du reflux est également apportée par du liquide provenant de la cuve de colonne de production argon. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique comprenant un système principal de colonnes (K1, K2, K4), une ligne d’échange principale (L), des moyens pour envoyer un débit d’air se refroidir dans la ligne d’échange principale, des moyens pour envoyer le débit d’air refroidi dans la ligne d’échange principale au système principal de colonne pour être séparé, des moyens pour soutirer au moins un produit enrichi en oxygène du système principal de colonnes, une colonne additionnelle de séparation d’air (K3), des moyens pour envoyer de l’air refroidi et épuré en eau et en dioxyde de carbone (11) à la colonne additionnelle sous forme gazeuse et éventuellement sous forme liquide, des moyens pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la colonne additionnelle, des moyens pour vaporiser un liquide enrichi en oxygène (37) provenant de la cuve de colonne additionnelle, un échangeur de chaleur (R ) pour vaporiser le liquide enrichi en oxygène par la condensation d’une première partie du gaz riche en azote, des moyens pour envoyer le liquide enrichi en oxygène vaporisé dans une colonne du système principal de colonnes, éventuellement après avoir été re-mélangé avec un débit d’air destiné au système principal de colonnes, un compresseur (C1) pour comprimer la première partie du gaz dont la température d’entrée est une température cryogénique et une turbine (T2) pour détendre une deuxième partie du gaz riche en azote qui entraîne le compresseur.