CA2762315A1 - Appareil et procede de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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Abstract

Une installation de séparation d'air comprenant une première colonne (1) distiller moyenne pression, une deuxième colonne (2) distiller basse pression, une troisième colonne (3) distiller basse pression, un premier condenseur-vaporiseur (9,9A), un deuxième condenseur-vaporiseur (5) disposé dans la cuve de la deuxième colonne, une conduite (33) pour amener de l'air à la première colonne, une conduite (35) pour amener un liquide enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la troisième colonne, au moins une conduite (23) pour amener du liquide de la cuve de la troisième colonne au premier condenseur-vaporiseur, une conduite (25) pour amener un liquide de cuve de la première colonne à la troisième colonne, une conduite (21) pour amener du liquide du premier condenseur-vaporiseur à la deuxième colonne, une conduite (15,19) pour amener du gaz de la tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne, les première, deuxième et troisième colonnes étant disposées côte à côte.

Description

Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique.
II est connu, pour un appareil de séparation d'air classique (de type double colonne ) d'installer = la colonne basse pression au dessus de la colonne moyenne pression avec un échange thermique par le vaporiseur ;
= la colonne basse pression et la colonne moyenne pression côte à
io côte, avec des pompes de retour liquide (soit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression vers le vaporiseur-condenseur, soit d'azote liquide du vaporiseur-condenseur vers la colonne moyenne pression) et des tuyauteries de transport de gaz (retour de l'oxygène gazeux du vaporiseur-condenseur vers la colonne basse pression et d'envoi d'azote gazeux de la colonne moyenne pression vers le vaporiseur-condenseur).
Il est connu que la première disposition permet d'obtenir une meilleure performance énergétique car elle économise les pertes de charges dans les tuyauteries de retour de gaz (effet prépondérant), et l'énergie des pompes de retour de liquide.
II est connu, pour un appareil de séparation d'air ayant deux vaporiseurs-condenseurs dans la colonne basse pression d'installer = Architecture#1 : La colonne basse pression (avec ses deux vaporiseurs) au dessus de la colonne moyenne pression (Figures 1 et 4, FR-A-2724011).
= Architecture#2 : La section basse de la colonne basse pression au sol, et la section haute de la colonne basse pression par-dessus la colonne moyenne pression de sorte à avoir un échange thermique direct via le vaporiseur de tête de moyenne pression (Figures 2 et 3 de FR-A-272401 1).
= Architecture#3: La colonne basse pression (avec ses deux vaporiseurs) à côté de la colonne moyenne pression (US-A-6134915, EP-A-0195065).
Il est connu que les architectures #1 et 2 permettent d'obtenir une performance énergétique équivalente. Dans les deux cas, on a des pertes de
2 charge dans les tuyauteries de gaz, et on n'a pas de pompe de retour de liquide).
Aucun document ne propose de poser la partie supérieure d'une colonne basse pression sur le sol, ni encore moins une partie supérieure de la colonne basse pression ne contenant pas de condenseur-rebouilleur.
De façon surprenante, pour les procédés à très basse énergie utilisant une double colonne avec au moins deux vaporiseurs dans la colonne basse pression, on arrive à la conclusion que l'architecture la plus performante en termes de consommation énergétique est d'installer - la colonne moyenne pression au sol, - le tronçon supérieur de la colonne basse pression au sol, - le tronçon inférieur de la colonne basse pression au sol.
La raison principale est que la différence de pression entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression est typiquement inférieure à 2 bar abs., ce qui rend l'installation de pompe de remontée de liquide nécessaire dans les cas où des sections de colonne basse pression sont installées au dessus de la colonne moyenne pression.
Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant une première colonne à distiller capable d'opérer à une moyenne pression, une deuxième colonne à distiller capable d'opérer à une basse pression, une troisième colonne à distiller capable d'opérer à une basse pression ou à la basse pression, un premier condenseur-vaporiseur, un deuxième condenseur-vaporiseur disposé dans la cuve de la deuxième colonne, une conduite pour amener de l'air au moins à la première colonne, une conduite pour amener un liquide enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la troisième colonne, au moins une conduite pour amener du liquide de la cuve de la troisième colonne au premier condenseur-vaporiseur, une conduite pour amener un liquide de cuve de la première colonne à la troisième colonne, une conduite pour amener du liquide du premier condenseur-vaporiseur à la deuxième colonne, une conduite pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne, les première, deuxième et troisième colonnes étant disposées côte à côte, éventuellement étant toutes disposées sur un sol.
3
4 PCT/FR2010/051101 De préférence, la deuxième colonne contient au moins un troisième condenseur vaporiseur placé au-dessus du deuxième condenseur vaporiseur.
Un élément de l'installation, par exemple un vaporiseur d'oxygène liquide, capable d'opérer à une température cryogénique, peut être disposé en dessous d'une des colonnes et dans lequel les deux autres colonnes et l'élément sont posés directement sur le sol.
Des moyens de pressurisation peuvent être reliés à la cuve de la deuxième colonne et au vaporiseur d'oxygène liquide.
Le premier condenseur-vaporiseur est éventuellement au-dessus de la io première colonne et est relié à la tête de la première colonne pour permettre le rebouillage par un gaz de la première colonne.
De préférence, l'installation ne comprend qu'une seule pompe reliée à
deux des colonnes.
La pompe est éventuellement reliée aux deux conduites d'amenée de liquide depuis la cuve de la deuxième colonne au premier condenseur-rebouilleur.
Une conduite de gaz relie éventuellement le premier condenseur avec la cuve de la troisième colonne.
La tête de la deuxième colonne et/ou de la troisième colonne est éventuellement à un niveau plus bas que le premier condenseur-rebouilleur et de préférence plus bas que la tête de la première colonne.
Eventuellement, les densités des garnissages dans la première colonne sont inférieures à celles des garnissages de la deuxième colonne et/ou de la troisième colonne.
De préférence, la troisième colonne ne contient pas de condenseur-rebouilleur.
La deuxième colonne peut contenir également un troisième condenseur-rebouilleur ainsi que des moyens d'échange de chaleur et de matière disposés au-dessus du troisième condenseur-rebouilleur.
La conduite pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne peut être reliée à une conduite de gaz vaporisé
dans le premier condenseur-rebouilleur .
L'élément de l'installation est de préférence un vaporiseur d'oxygène liquide, disposé en dessous de la troisième colonne.

La différence de pression entre la pression d'opération de la première colonne et la pression d'au moins une des deuxième et troisième colonnes est de préférence inférieure à 3 bar, préférentiellement 2.5 bar, préférentiellement 2 bar.
La différence de pression entre la pression d'opération du sommet de la deuxième colonne et de la cuve de la troisième colonne est éventuellement inférieure à 1 bar, préférentiellement inférieure à 0.5 bar, préférentiellement inférieure à 0.2 bar.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui io montrent des installations de séparation d'air selon l'invention.
Dans la Figure 1, l'installation comprend une première colonne 1 opérant à une moyenne pression, une deuxième colonne 2 opérant à une basse pression et une troisième colonne 3 opérant une basse pression légèrement inférieure à celle de la deuxième colonne 2, les colonnes basse pression fonctionnant de préférence avec une différence de pression de moins de 500 mbar (et préférentiellement 200 mbar) mesurée entre la cuve de la colonne 3 et le sommet de la colonne 2. La différence de pression entre la colonne moyenne pression 1 et la pression de la colonne basse pression 2 ou 3, mesurées au milieu de chaque colonne, est inférieure à 3 bar, préférentiellement 2.5 bar, préférentiellement 2 bar.
Les trois colonnes 1, 2, 3 sont posées sur le sol 27, mais la troisième colonne 3 est surélevée car un vaporiseur de produit 11 est posé en dessous de cette colonne. Il est évidemment possible de placer le vaporiseur 11 ailleurs et de poser la colonne 3 directement sur le sol 27. Le sol 27 est constitué
par une fondation en béton ou autre surface plate.
Un débit d'air 33 comprimé, épuré et refroidi est envoyé en cuve de la première colonne 1 où il se sépare formant un débit enrichi en oxygène 25 et un débit riche en azote. Le débit enrichi en oxygène 25 est envoyé à un niveau inférieur de la troisième colonne 3. Le débit riche en azote se condense dans le condenseur de tête 9 de la première colonne. Ce condenseur 9 est refroidi par un débit de liquide de cuve 23 pompé provenant de la troisième colonne 3 et pressurisé par une pompe 13 également posé sur le sol 27. Le liquide vaporisé
17 provenant du condenseur 9 est mélangé avec un gaz de tête 15 de la deuxième colonne 2 pour former un débit gazeux 19 qui alimente la cuve de la troisième colonne 3. La tête de la colonne de la deuxième colonne 2 est alimentée par un liquide 21 provenant du condenseur 9.
La deuxième colonne 2 contient un ou deux rebouilleurs, voire plus, dont un rebouilleur de cuve 5 et éventuellement un rebouilleur intermédiaire 7. Ces
5 rebouilleurs peuvent être réchauffés par tout moyen adapté, y compris un débit d'air, comprimé à froid ou non ou un débit d'azote, comprimé à froid ou non.
Un débit d'oxygène gazeux ou liquide 29 est soutiré à un niveau inférieur de la deuxième colonne 2. Ce débit si liquide peut être pressurisé par une pompe (non-illustrée) et envoyé au vaporiseur 11 pour former un débit gazeux io pressurisé.
Un débit d'azote liquide 35 est détendu dans une vanne et envoyé en tête de la troisième colonne 3 et un débit gazeux 31 riche en azote est soutiré
en tête de la troisième colonne 3. De préférence, la tête de la troisième colonne 3 est plus basse que la tête de la première colonne 1, ainsi facilitant ce transfert par écoulement gravitaire.
La différence entre la Figure 2 et la Figure 1 est que la Figure 1 montre un condenseur 9 qui est un vaporiseur à bain alors que la Figure 2 monte un vaporiseur à film 9. Dans ce cas, le débit 21 soutiré du condenseur est biphasique et est envoyé en tête de la deuxième colonne comme dans la Figure 1. Aucun débit 17 n'est produit.
Les Figures 3 et 4 sont des variantes des Figures 1 et 2 respectivement montrant le cas où le vaporiseur 11 est absent ou posé ailleurs qu'en dessous d'une des colonnes. Dans ce cas, les trois colonnes reposent directement sur le sol 27.
Les Figures 5 et 6 montrent respectivement des variantes des Figures 1 et 2 où la deuxième colonne ne contient qu'un seul rebouilleur, le rebouilleur de cuve 5. Dans ce cas, la deuxième colonne est évidemment plus courte. Le rebouilleur de cuve 5 peut être chauffé par de l'azote ou de l'air, éventuellement comprimé, éventuellement comprimé à froid.
Il sera compris que selon l'invention, au plus une voire deux pompes seront nécessaire. La première pompe est la pompe 13 utilisée pour la remontée de liquide de cuve de la troisième colonne vers le condenseur de tête de la première colonne. La deuxième pompe, utilisée dans le cas où l'oxygène est requis sous forme pressurisée, servira à pressuriser l'oxygène liquide.
Pour
6 les autres remontées de liquide, tel que le liquide 25, la différence de pression entre les colonnes devrait suffire à entraîner le liquide.
La première colonne 1 contient des garnissages relativement peu denses (par exemple de densité de 250 à 500 m2/m3) et la deuxième et/ou la troisième colonne contient des garnissages relativement denses( 600 à 1000 m2/m3) afin d'avoir une première colonne 1 la plus haute possible, et une deuxième et/ou troisième colonne 2, 3 la plus basse possible pour que l'écoulement puisse s'opérer de manière gravitaire entre le vaporiseur situé au dessus de la première colonne, vers la deuxième et/ou vers la troisième colonne. Ainsi le io passage des liquides dans les conduites 21, 35 est facilité.

Claims (14)

1. Installation de séparation d'air comprenant une première colonne (1) à distiller capable d'opérer à une moyenne pression, une deuxième colonne (2) à distiller capable d'opérer à une basse pression, une troisième colonne (3) à
distiller capable d'opérer à une basse pression ou à la basse pression, un premier condenseur-vaporiseur (9,9A), un deuxième condenseur-vaporiseur (5) disposé dans la cuve de la deuxième colonne, une conduite (33) pour amener de l'air au moins à la première colonne, une conduite (35) pour amener un liquide enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la troisième colonne, au moins une conduite (23) pour amener du liquide de la cuve de la troisième colonne au premier condenseur-vaporiseur, une conduite (25) pour amener un liquide de cuve de la première colonne à la troisième colonne, une conduite (21) pour amener du liquide du premier condenseur-vaporiseur à la deuxième colonne, une conduite (15,19) pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne, les première, deuxième et troisième colonnes étant disposées côte à côte, éventuellement étant toutes disposées sur un sol (27).
2. Installation selon la revendication 1 dans lequel un élément de l'installation, par exemple un vaporiseur d'oxygène liquide (11), capable d'opérer à une température cryogénique, est disposé en dessous d'une des colonnes (1, 2, 3) et dans lequel les deux autres colonnes et l'élément sont posés directement sur le sol.
3. Installation selon la revendication 2 comprenant des moyens de pressurisation reliés à la cuve de la deuxième colonne (2) et au vaporiseur d'oxygène liquide (11).
4. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le premier condenseur-vaporiseur (9,9A) est au-dessus de la première colonne (1) et est relié à la tête de la première colonne pour permettre le rebouillage par un gaz de la première colonne.
5. Installation selon l'une des revendications précédentes ne comprenant qu'une seule pompe (13) reliée à deux des colonnes.
6. Installation selon la revendication 5 dans laquelle la pompe (13) est reliée aux deux conduites (23) d'amenée de liquide depuis la cuve de la deuxième colonne (2) au premier condenseur-rebouilleur (9,9A).
7. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite de gaz (17,19) reliant le premier condenseur-rebouilleur (9) avec la cuve de la troisième colonne (3).
8. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la tête de la deuxième colonne (2) et/ou de la troisième colonne (3) est à un niveau plus bas que le premier condenseur-rebouilleur (9,9A) et de préférence plus bas que la tête de la première colonne (1) et éventuellement les densités des garnissages dans la première colonne (1) sont inférieures à celles des garnissages de la deuxième colonne (2) et/ou de la troisième colonne (3).
9. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la troisième colonne ne contient pas de condenseur-rebouilleur.
10. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la deuxième colonne (2) contient également un troisième condenseur-rebouilleur (7) ainsi que des moyens d'échange de chaleur et de matière disposés au-dessus du troisième condenseur-rebouilleur.
11. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la conduite (15,19) pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne est reliée à une conduite (17) de gaz vaporisé
dans le premier condenseur-rebouilleur (9).
12. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'élément de l'installation est un vaporiseur d'oxygène liquide (11), disposé
en dessous de la troisième colonne (3).
13. Procédé de séparation d'air utilisant une installation selon l'une des revendications précédentes dans lequel la différence de pression entre la pression d'opération de la première colonne (1) et la pression d'au moins une des deuxième et troisième colonnes (2,3) est inférieure à 3 bar, préférentiellement 2.5 bar, préférentiellement 2 bar.
14. Procédé de séparation d'air utilisant une installation selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel la différence de pression entre la pression d'opération du sommet de la deuxième colonne (2) et de la cuve de la troisième colonne (3) est inférieure à 1 bar, préférentiellement inférieure à 0.5 bar, préférentiellement inférieure à 0.2 bar.
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