PROCESS AND APPARATUS FOR OBTAINING SUBSTANTIALLY PURE ARGON

Abstract: 1. Process for the production of substantially pure argon from crude argon which contains as impurities 1 to 3% of oxygen and 1 to 3% of nitrogen, in which process the total elimination of the oxygen is effected after compression at moderate pressure (in 2) of the said crude argon by catalytic reaction (in 5) with an excess of hydrogen supplied thereto (in 3), separation of the water thus formed (in 8-9-11-12) being performed, and the thus processed argon containing the nitrogen impurity and the said excess of hydrogen, is then submitted to condensation and separation of the phases (17-22), return in (30-33) of the gaseous fraction rich in hydrogen to the processing line, distillation in a column (18) under low pressure of the liquid fraction consisting of argon essentially containing nitrogen as an impurity (in 26), elimination (in 35) of a residue at the head of the distillation column (18), and recovery (in 27) of a liquid fraction of pure argon at the foot of the column, the said condensation of the argon processed under moderate pressure being performed (in 17) by heat exchange with the liquid argon substantially purified under atmospheric pressure, characterised in that the condensation and separation of the phases occur in two stages, the first being a condensation (17) of the said processed gas at the foot of the distillation column (18), and then after substantial expansion (38) to form a two-phase mixture, separation of the said gaseous fraction rich in hydrogen (22) from the said liquid fraction intended to be distilled.

Description: La présente invention a pour objet un procédé et une installation d'obtention d'argon substantiellement pur à partir d'argon brut contenant, à titre d'impuretés, 1 à 3 % d'oxygène et 1 à 3 ss d'azote. C'est à partir d'une installation classique de séparation d'air qu'un mélange d'argon de cette composition est soutiré et il importe, dans un grand nombre d'applications, d'obtenir de l'argon rigoureusement pur. Pour obtenir cette pureté, on a déÅaà proposé d'assurer, après compression à moyenne pression de l'argon impur ou argon brut, l'élimination complète de l'oxygène par réaction catalytique avec de. l'hydrogène en excès, la séparation de lteau ainsi formée, et de soumettre ensuite l'argon ainsi traité comprenant une faible teneur, par exemple de l'ordre de 1 , d'hydrogène excédentaire d'abord à une condensation partielle avec séparation des phases, renvoi dans la chaine de traitement de la fraction gayeuse riche en hydrogène, et distillation sous basse pression de la fraction liquide constituée d'argon contenant comme impureté essentiellement l'azote, rejet à l'atmosphère d'un résiduaire en tette de colonne de dis stillation et recouvrement dture fraction liquide argon pur en cuve de colonne, la condensation partielle stef- fectuant par un échange thermique entre l'argon traité sous pression moyenne et l'argon épuré substantiellement sous pression atmosphérique. Dans cette proposition, on a renvoyé la fraction gazeuse riche en hydrogène dès sa séparation d'avec la fraction liquide, c'est-à-dire sous la moyenne pression, à la chante de traitement, et malgré cela, on a été contraint d'assurer ce recyclage à l'entrée du compresseur de cycle pour tenir compte des pertes de charge. Cette dispositior permet une récupération substantielle de l'hydrogène, sans parvenir toutefois à récupérer la totalité de l'hydrogène excédentaire. En effet, la sépa ration sous pression moyenne, si elle permet d'éliminer une fraction gazeuse essentiellement riche en hydrogène (par exemple sous 5,1 bars absolus 63,4%) et moyennement riche en argon (34, 3 %0) et relativement pauvre en azote (2,3%), ne permet de récupérer qu'unie proportion de l'ordre de 73 % de l'hydrogène, le reste étant perdu définitivement avec le résiduaire issu de la colonne de distillation. Dans certains cas, cette perte d'hydrogène est particulièrement préjudiciable lorsque les problèmes d'approvisionnement en hydrogène sont critiques. La présente invention a pour objet d'obtenir de l'argon substantiellement pur avec une perte quasi-nulle d'hydrogène. Selon l'invention, la séparation des phases intervient seulement après détente de l'argon traité, jus qutà une pression intermédiaire entre ladite pression moyenne et la pression basse de distillation, le cas échéant égale à cette dernière Grâce à cette disposition, la fraction gazeuse recyclée à l'entrée du compresseur, si elle est beaucoup plus importante et, si elle présente l'inconvénient d'entraîner une quantité nettement plus importante d'argon et d'azote, présente l'avantage essentiel de comprendre la presque totalité de l'hydrogène. A titre d'exemple, à une pression de détente de 1,9 bars absolus, la fraction gazeuse présente ici une composition relativement faible en hydrogène (15,48 %0), importante en argon (79,9 ) et non négligeable en azote (4,62 %), avec récupération à près de 100 0 de l'hydrogène. Dans le procédé selon l'invention et en se référant aux exemples indiqués, le débit recyclé représente 3,8 o du débit total du compresseur, alors que, dans le procédé selon l'étant & térieur de la technique, ce débit recyclé ne représentait que 0,68 ; du débit total du com- presseur. malgré cet inconvénient du recyclage d'une partie importante de l'argon traité, l'économie du procédé selon l'invention peut s'avérer partIculièrement utile et positive dans un grand nombre de cas où l'épargne de l'hydrogène s'avère être le facteur le plus important. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation selon l'invention - la figure 2 est une variante de réalisation. En se référant à la figure 1, un conduit d'avec née d'argon brut à traiter 1 (argon de 1 à 3 < 0 et azote de 1 à 3 %0) substantiellement à la pression atmosphérique (basse pression de la colonne de production d'argon brut non représentée) est raccordé à ltentrée d'un compresseur 2, avec apport d'hydrogène e quantité excédentaire par un conduit 3, la sortie du compresseur étant raccordée par une canalisation 4 à un réacteur catalytique 5 assurant la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène et de là à un ou plusieurs échangeurs thermiques 6 assurant le refroidissement à une température peu supérieure à OOC de l'argon traité. La sortie de cet ensemble d'échange thermique 6 étant raccordée par une canalisation 7 à un séparateur d'eau 8, dans lequel la phase liquide est constituée par de l'eau soutirée par une canalisation d'évacua tion 9. L'argon traité issu en tête du séparateur 8 est amené par une canalisation 10 à deux dessicateurs 11, 12 fonctionnant en alternance et dont la sortie est raccordée par une canalisation 13 à une ligne d'échange 14 d'un scsangeur 15 et de là par une canalisation 16 à un serpentin 17 placé en cuve d'une colonne de déazotation 1± le serpentin 17 est raccordé par une canalisation 19 à une vanne de détente 38 commandée par un pressostat 20 mesaurant la pression en amont, le sortie de la vanne de détente 38 étant raccordée par une canalisatiom 2; à un séparateur de phases 22. le séparateur de phases 22 est raccordé, par une vanne régulatrice de débit 23 commandée par un dispositif 24 asservi au niveau "N" de la fraction liquide dans le séparateur 22, à un point milieu 26 de la colonne de déazotation 18, présentant en cuve un conduit de soutirage d'argon pur 27 et en tête une conduite d'évacuation d'un résiduaire 28. On notera qu'en tête du séparateur 22 est agencée une conduite 30 à vanne régulatrice 31 asservie à un pressostat 32, cette conduite 30 aboutissant à une ligne d'échange 33 de l'échangeur 15 pour être raccordée via la conduite 34 à l'entrée du compresseur de cycle 2. La conduite d'évacuation de résiduaire 28 est raccordée à une ligne d'échange 35 de l'échangeur 15 avant de déboucher à l'atmosphère. Le fonctionnement est le suivant De l'argon impur comprenant 1 à 3 % d'azote et 1 à 3 % d'oxygène avec une quantité d'hydrogène excédentaire par rapport à la quantité stoéchiométrique pour réagir avec l'oxygène est introduit par la canalisation 3 et est amené à la pression moyenne (par exemple de 5 bars) par le compresseur 2 et de le au réacteur 5 où la totalité de l'oxygène réagit avec l'hydrogène pour se transfor- mer en eau. L'argon traité issu du réacteur 5 contenant les memes quantités d'argon et d'azote, dépourvu totalement d'oxygène, mais comprenant de l'eau et une légère quantité excédentaire d'hydrogène, par exemple 1S, est refroidi dans les échangeurs 6 et est débarrassé dans le séparateur 8 de l'eau qu'il contient. les quantités résiduelles d'eau encore présentes dans l'argon traité sont finalement éliminees dans les dessicateurs 11 ou 12, de sorte que le mélange peut alors etre refroidi, toujours sous la moyenne pression, dans l'échangeur 6 jusqu' être complètement liquéfié dans le serpentin-échangear 17, après quoi l'argon traité est détendu par la vanne 3S à une pression interné- diaire (1,9 bars par exemple) et est transféré dans le séparateur 22, où la fraction gazeuse contenant la totalité de l'hydrogène est transférée, via la vanne régulatrice 31, vers l'entrée du compresseur 2 après avoir été réchauffée dans l'échangeur 15. La fraction liquide issue du séparateur 22, et qui est presque totalement débarrassée de l'hydrogène, est alors transférée dans la colonne de déazotation où, de façon bien connue, l'argon se liquéfie en cuve avec une grande pureté et peut être soutiré par la canalisation 27, le résiduaire contenant l'azote à éliminer étant dirigé par la canalisation 28 vers l'échangeur 15 où il est réchauffé avant d'être rejeté à l'atmosphère. Selon la variante de réalisation de la figure 2, l'argon traité sous pression moyenne est toujours li- quéfié en 41 par échange avec l'argon liquide pur en cuve de la colonne de déazotation 40 et est dirigé vers un séparateur 45 via la vanne de détente asservi à un dispositif régulateur 44.Le séparateur 45 présente une partie verticalement allongée vers le bas 46 qui est reliée directement à la colonne de déazotation 40 par une simple canalisation 47 aboutissant en un point d'introduction 48 à un niveau H' au-dessus du point le plus bas de la canalisation 47, tandis que la fraction gazeuse comprenant l'hydrogène est évacuée également par une simple canalisation 49, toutes les vannes à la pression de détente étant alors supprimées. La pression du séparateur 45 est aux pertes de charge près du circuit, égale à la pression de l'argon brut à l'aspiration du compresseur ; la hauteur h de la colonne de lIquide dans la partie 46 du séparateur 45 correspond à la différence entre la pression de la colonne de distillation 40 et celle du séparateur 45 ; il faut donc définir une hauteur H d'introduction de l'argon traité détendu dans le séparateur 45 supérieure à cette dif férence en toutes circonstances et une hauteur Hl égale ment supérieure à cette différence (en valeur absolue) en toutes circonstances. le séparateur 45 est donc dimensionné de telle façon que sa partie supérieure assure la fonction de séparation gaz-liquide, le prolongement vers le bas présente une section suffisante pour que la vitesse d'écoulement descendante du liquide soit suffisamment faible pour éviter l'entraînement simultané de bulles gazeuses. L'invention concerne l'obtention d'argon pur à partir d'argon brut issu d'une colonne de distillation d'air.

Claims: REVETDICiLTI ONS 1. Procédé d'obtention d'argon substantiellement pur, à partir d'argon brut contenant à titre dimpuretés, 1 à 3 % d'oxygène et 1 à 3 < 0 a'azote, selon lequel on assure, après compression à moyenne pression (en 2) dudit argon brut, l'élimination complète de l'oxygène par réaction catalytique (en 5) avec de l'hydrogène en excès (en 3)-, la séparation de l'eau ainsi formée (en 8-9) et on soumet ensuite l'argon ainsi traité comprenant une faible proportion d'hydrogène excédentaire d'abord à une conden- sation aveus séparation des phases (17-22), renvoi (en 3033) dans la chaîne de traitement de la fraction gazeuse riche en hydrogène, distillation (en 18) sous basse pres- sion de la fraction liquide constituée d'argon contenant comme impureté essentiellement de l'azote (en 26), rejet à l'atmosphère (en 35) d'un résiduaire en tête de colonne de distillation (18), et recouvrement (en 27) d'une frac- tion liquide d'argon pur en cuve de colonne la condensation s'effectuant (en 17) avec échange thermique entre l'argon traité sous moyenne pression et l'argon épuré substantiellement sous pression atmosphérique, caractérisé en ce que la séparation des phases (22) intervient seulement après détente (en 38) de l'argon traité, jusqu'à une pros- sion intermédiaire entre ladite pression moyenne et la pression basse de distillation, le cas échéant égale à cette dernière. 2. Installation d'obtention d'argon substantiellement pur, pour la mise en oeuvre du procédé, selon la revendication 1, du genre présentant une chaîne de traitement comprenant successivement un compresseur (2), un réacteur (5), un échangeur refroidisseur (6), des moyens dessiccateurs (-9-11-12), des moyens de refroidissement et de condensation (15) (17), un séparateur (22) (45) et une colonne de distillation (18) (40), caractérisée par l'insertion d'une vanne de détente (38) (43) située en amont dudit séparateur (22). 3. Installation d'obtention d'argon substantiel liement pur, selon la revendication 2, caractérisée en ce que des vannes de régulation (23 et 31) sont placées sur des canalisations de sortie basse (26) et haute (30) du séparateur (22). 4. Installatio d'obtention d'argon substantiellement pur, selon la revendication 2, caractérisée en ce que le séparateur (45) a une partie allongée verticalement vers le bas et est raccordée, à sa partie basse, directement (en 47) à la colonne de distillation (40).

Inventors: GRENIER, MAURICE
Applicants: L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE
Application year: 1980
Main classification: C01B23
IPC codes: F25J3, C01B23