EP0379435B1 - Procédé et installation de séparation d'air et de production d'oxygène ultra-pur - Google Patents

Procédé et installation de séparation d'air et de production d'oxygène ultra-pur Download PDF

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EP0379435B1
EP0379435B1 EP90400145A EP90400145A EP0379435B1 EP 0379435 B1 EP0379435 B1 EP 0379435B1 EP 90400145 A EP90400145 A EP 90400145A EP 90400145 A EP90400145 A EP 90400145A EP 0379435 B1 EP0379435 B1 EP 0379435B1
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medium pressure
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an installation for producing ultra-pure oxygen from a main double column air distillation apparatus according to the preamble of claims 1, 5, 9 and 13.
  • ultra-pure oxygen oxygen practically free of methane (and therefore of hydrocarbons) and argon, for example containing less than 0.1 ppm of hydrocarbons and less than 10 ppm of argon , these contents being fixed in advance and being able to vary according to the applications. Ultra-pure oxygen is especially intended for the electronics industries.
  • the invention aims to allow the production of ultra-pure oxygen at the cost of an inexpensive modification of the main distillation apparatus and, above all, without additional energy expenditure.
  • a preferential execution allows the production of high purity oxygen substantially free of hydrocarbons.
  • the installation shown in Figure 1 is intended to separate air into its constituents to produce: nitrogen gas under pressure of oxygen gas at about 99.5% purity; and ultra-pure oxygen having a predetermined maximum content of methane and argon, for example less than 0.1 ppm of methane and less than 10 ppm of argon.
  • the production of ultra-pure oxygen corresponds to a small fraction, preferably between 5 and 10%, of the oxygen production of the installation.
  • the installation comprises a main air distillation apparatus 1 itself comprising a double distillation column 2.
  • the double column comprises a medium pressure column 3 surmounted by a low pressure column 4.
  • a condenser-vaporizer 5 connects indirect heat exchange of the top nitrogen of column 3 and the tank liquid (oxygen at around 99.5% purity) of column 4.
  • the air to be treated, purified and cooled to its dew point is mainly introduced under medium pressure, ie approximately 6 bars absolute, at the bottom of column 3 via a pipe 6. Its condensation produces "rich liquid” LR , part of which is expanded in an expansion valve 7 and introduced at an intermediate level of the column 4, which operates at low pressure, ie slightly above atmospheric pressure. "Lean liquid” LP, consisting essentially of nitrogen, is taken off at the top of column 3 and then, after expansion in an expansion valve 8, is introduced at the top of column 4.
  • the double column 2 also includes a pipe 9 production of gaseous oxygen at 99.5% purity, at the bottom of column 4, a pipe 10 for producing nitrogen gas at 6 bars, at the top of column 3, and a pipe 11 for discharging a waste gas W (impure nitrogen) from the top of column 4.
  • a pipe 9 production of gaseous oxygen at 99.5% purity at the bottom of column 4
  • a pipe 10 for producing nitrogen gas at 6 bars at the top of column 3
  • a pipe 11 for discharging a waste gas W (impure nitrogen) from the top of column 4.
  • a first auxiliary column 12 having a small number of theoretical plates, with between 3 and 8, is connected to the tank of column 4 by lines 13 for the gas supply and 14 for the return of the liquid, and is equipped with a head condenser 15. The latter is supplied by a portion of the rich liquid LR, expanded in an expansion valve 16.
  • a second auxiliary column 17 is supplied at an intermediate location, via a pipe 18, by the head vapor of the column 12. It has + + nl theoretical plates below the pipe 18.
  • Its tank includes a vaporizer 19 and its at the top a condenser 20.
  • the vaporizer is heated by means of air at 6 bars, derived from line 6 by a line 21, and the condenser 20 is cooled by the rest of the rich liquid LR, expanded in an expansion valve 22.
  • the rich liquid vaporized in the condensers 15 and 20 is returned to column 4 via a common line 23.
  • the liquefied air leaving the vaporizer 19 can be returned to the corresponding level in column 4 or, as shown, be combined with the rich liquid withdrawn from the tank of column 4, since its flow rate is low compared to that of this rich liquid.
  • a pipe 24 connects the top of the column 17 to an intermediate point of the column 4.
  • the oxygen conveyed through line 13 contains argon and methane as impurities. Methane separates from oxygen and argon in column 12 with n theoretical plates, the more completely the greater the number. The calculation shows that a number less than or equal to 8 is sufficient for the usual applications of ultra-pure oxygen.
  • the invention applies in the same way to main air distillation apparatuses producing oxygen with a purity of less than 99.5%, for example 95 or 97%.
  • the gas drawn off through line 13 then contains nitrogen, which easily separates from the oxygen in the auxiliary column 17.
  • the vaporizer 19 it is possible to use the place of air, to heat the vaporizer 19, a gas depleted in oxygen taken from the lower or intermediate part of the column 3.
  • the oxygen content of the heating gas must however remain sufficient to allow to ensure, by condensation of this gas, the vaporization of ultra-pure oxygen. In fact, this vaporization takes place at a pressure higher than that of the tank of column 4 due to the presence of the nl additional plates of column 17.
  • FIG. 2 shows how the invention can be applied to a main air distillation apparatus 1A provided with an oxygen-argon separation column 26.
  • a main air distillation apparatus 1A provided with an oxygen-argon separation column 26.
  • a pipe 13A called "argon tapping" starts from an intermediate location of the column 4, N theoretical plates above the tank.
  • This pipe opens into the tank of column 26 and conveys a gas essentially consisting of oxygen and argon, and a return pipe 14A starts from the lowest point of column 26 and opens into column 4 at approximately the level 13A argon stitching.
  • the column 26 is equipped with a head condenser 15A supplied by the portion of the rich liquid LR which is not expanded in the valve 7, this liquid being expanded in an expansion valve 16A.
  • the rich liquid vaporized leaving the condenser 15A is returned to column 5, a little below the rich liquid coming from> valve 7.
  • the raw argon produced at the top of column 26 is discharged through a line 27.
  • the main distillation apparatus 1A is modified as follows to produce ultra-pure oxygen.
  • a vaporizer 19A is placed in the tank of the column 17A. This vaporizer is heated as before by air at 6 bars conveyed by line 21 and combined with the rich liquid LR after condensation.
  • the oxygen-argon gas mixture conveyed by line 13A contains methane as an impurity.
  • the methane separates from the oxygen and the argon in the lower section 12A with n theoretical plates of column 26, the more completely the greater the number.
  • the calculation shows that a number n less than or equal to 8 is sufficient for the usual applications of ultra-pure oxygen.
  • a line 29 for drawing off liquid oxygen at approximately 99.5% purity can, as shown, from an intermediate location of the column 17A Located substantially N + n trays Theories below the top of this column 17A.
  • This oxygen is practically free of hydrocarbons and can therefore be used for certain applications where hydrocarbons are undesirable, for example in the medical field.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé et une installation permettant de produire de l'oxygène ultra-pur à partir d'un appareil principal de distillation d'air à double colonne selon le préambule des revendications 1, 5, 9 et 13.
  • Un procédé et une installation de ce type sont décrits dans le document EP-A-299.364.
  • Par "oxygène ultra-pur", on entend de l'oxygène pratiquement exempt de méthane (et donc d'hydrocarbures) et d'argon, par exemple contenant moins de 0,1 ppm d'hydrocarbures et moins de 10 ppm d'argon, ces teneurs étant fixées à l'avance et pouvant varier suivant les applications. L'oxygène ultra-pur est notamment destiné aux industries électroniques.
  • L'invention a pour objet de permettre la production d'oxygène ultra-pur au prix d'une modification peu coûteuse de l'appareil principal de distillation et, surtout, sans dépense additionnelle d'énergie.
  • Les caractéristiques, pour ce faire, d'un procédé et d'une installation selon l'invention sont énoncées dans la partie caractérisante des revendications 1, 5, 9 et 13.
  • Une exécution préférentielle permet la production d'oxygène de haute pureté sensiblement exempt d'hydrocarbures.
  • Les caractéristiques, pour ce faire, d'un procédé et d'une installation selon l'invention sont énoncées dans les revendications 10 et 14.
  • Quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :
    • - la figure 1 représente schématiquement une installation conforme à l'invention; et
    • - la figure 2 représente schématiquement une variante de cette installation.
  • L'installation représentée à la figure 1 est destinée à séparer de l'air en ses constituants pour produire : de l'azote gazeux sous pression de l'oxygène gazeux à environ 99,5 % de pureté ; et de l'oxygène ultra-pur ayant une teneur maximale prédéterminée en méthane et en argon, par exemple moins de 0,1 ppm de méthane et moins de 10 ppm d'argon. La production d'oxygène ultra-pur correspond à une petite fraction, de préférence comprise entre 5 et 10 %, de la production d'oxygène de l'installation.
  • L'installation comprend un appareil principal de distillation d'air 1 comprenant lui-même une double colonne de distillation 2. La double colonne comprend une colonne moyenne pression 3 surmontée d'une colonne basse pression 4. Un condenseur-vaporiseur 5 met en relation d'échange thermique indirect l'azote de tête de la colonne 3 et le liquide de cuve (oxygène à environ 99,5 % de pureté) de la colonne 4.
  • L'air à traiter, épuré et refroidi à son point de rosée, est en majeure partie introduit sous la moyenne pression, soit environ 6 bars absolus, au bas de la colonne 3 par une conduite 6. Sa condensation produitdu "liquide riche" LR, dont une partie est détendue dans une vanne de détente 7 et introduite à un niveau intermédiaire de la colonne 4, laquelle fonctionne à la basse pression, soit légèrement au-dessus de la pression atmosphérique. Du "liquide pauvre" LP, constitué essentiellement d'azote, est prélevé en tête de la colonne 3 puis, après détente dans une vanne de détente 8, est introduit en tête de la colonne 4. La double colonne 2 comporte également une conduite 9 production d'oxygène gazeux à 99,5 % de pureté, au bas de la colonne 4, une conduite 10 de production d'azote gazeux sous 6 bars, en haut de la colonne 3, et une conduite 11 d'évacuation d'un gaz résiduaire W (azote impur) partant du sommet de la colonne 4.
  • Une première colonne auxiliaire 12 ayant un petit nombre de plateaux théoriques, avec compris entre 3 et 8, est reliée à la cuve de la colonne 4 par des conduites 13 d'amenée de gaz et 14 de retour du liquide, et est équipée d'un condenseur de tête 15. Ce dernier est alimenté par une partie du liquide riche LR, détendue dans une vanne de détente 16.
  • Une seconde colonne auxiliaire 17 est alimentée en un emplacement intermédiaire, via une conduite 18, par la vapeur de tête de la colonne 12. Elle comporte + + nl plateaux théoriques au-dessous de la conduite 18. Sa cuve comporte un vaporiseur 19 et son sommet un condenseur 20. Le vaporiseur est chauffé au moyen d'air sous 6 bars, dérivé de la conduite 6 par une conduite 21, et le condenseur 20 est refroidi par le reste du liquide riche LR, détendu dans une vanne de détente 22. Le liquide riche vaporisé dans les condenseurs 15 et 20 est renvoyé dans la colonne 4 via une conduite commune 23. L'air liquéfié sortant du vaporiseur 19 peut être renvoyé au niveau correspondant dans la colonne 4 ou, comme représenté, être réuni au liquide riche soutiré en cuve de la colonne 4, étant donné que son débit est faible par rapport à celui de ce liquide riche.
  • Une conduite 24 relie le sommet de la colonne 17 à un point intermédiaire de la colonne 4.
  • En fonctionnement, l'oxygène véhiculé par la conduite 13 contient de l'argon et du méthane comme impuretés. Le méthane se sépare de l'oxygène et de l'argon dans la colonne 12 à n plateaux théoriques, d'autant plus complètement que le nombre est grand. Le calcul montre qu'un nombre inférieur ou égal à 8 suffit pour les applications habituelles de l'oxygène ultra-pur.
  • Ainsi, c'est un mélange constitué pratiquement uniquement d'oxygène et d'argon qui pénètre dans la colonne 17 via la conduite 18. De l'oxygène liquide ultra-pur ayant la teneur maximale voulue en argon et en méthane est soutiré par une conduite 25 en cuve de la colonne 17.
  • De plus, compte tenu des taux de reflux nécessaires dans la colonne 17 et des débits à mettre en jeu, il est nécessaire de concentrer en argon la vapeur renvoyée vers l'appareil principal de distillation via la conduite 24. C'est pourquoi la colonne 17 comporte au-dessus de son alimentation un certain nombre de plateaux additionels, le reflux étant assuré dans toute la colonne par le condenseur de tête 20.
  • L'invention s'applique de la même façon à des appareils principaux de distillation d'air produisant de l'oxygène à une pureté inférieure à 99,5 %, par exemple à 95 ou à 97 %. En effet, le gaz soutiré par la conduite 13 contient alors de l'azote, qui se sépare facilement de l'oxygène dans la colonne auxiliaire 17. Par ailleurs, comme indiqué en pointillé en 21A à la figure 1, on peut utiliser à la place de l'air, pour chauffer le vaporiseur 19, un gaz appauvri en oxygène prélevé dans la partie inférieure ou intermédiaire de la colonne 3. La teneur en oxygène du gaz de chauffage doit toutefois rester suffisante pour permettre d'assurer, par la condensation de ce gaz, la vaporisation de l'oxygène ultra-pur. En effet, cette vaporisation a lieu à une pression supérieure à celle de la cuve de la colonne 4 en raison de la présence des nl plateaux supplémentaires de la colonne 17.
  • La variante représentée à la figure 2 montre comment l'invention peut être appliquée à un appareil principal de distillation d'air 1A pourvu d'une colonne 26 de séparation oxygène-argon. On utilisera les mêmes références numériques, éventuellement suivies du suffixe A, pour désigner les éléments correspondant à ceux de la figure 1.
  • Pour la production d'argon, une conduite 13A dite "de piquage argon" part d'un emplacement intermédiaire de la colonne 4, N plateaux théoriques au-dessus de la cuve. Cette conduite débouche en cuve de la colonne 26 et véhicule un gaz constitué essentiellement d'oxygène et d'argon, et une conduite de retour 14A part du point le plus bas de la colonne 26 et débouche dans la colonne 4 à peu près au niveau du piquage argon 13A. La colonne 26 est équipée d'un condenseur de tête 15A alimenté par la partie du liquide riche LR non détendue dans la vanne 7, ce liquide étant détendu dans une vanne de détente 16A. Le liquide riche vaporisé sortant du condenseur 15A est renvoyé dans la colonne 5, un peu au-dessous du liquide riche issu de la >vanne 7. L'argon brut produit en tête de la colonne 26 est évacué par une conduite 27.
  • L'appareil principal de distillation 1A est modifié de la façon suivante pour produire de l'oxygène ultra-pur.
  • A un niveau correspondant à un petit nombre n de plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne 26 (n compris entre 3 et 8), du liquide est soutiré par une conduite 18A et envoyé en tête d'une colonne auxiliaire 17A. Une conduite 28 renvoie la vapeur de tête de cette colonne au même niveau de la colonne 26. On désignera par 12A la partie inférieure de la colonne 26 définie sous les conduites 18A et 28, cette partie 12A correspondant à la première colonne auxiliaire 12 de la figure 1, comme cela apparaîtra ci-dessous.
  • Un vaporiseur 19A est disposé dans la cuve de la colonne 17A. Ce vaporiseur est chauffé comme précédemment par de l'air à 6 bars véhiculé par la conduite 21 et réuni au liquide riche LR après condensation.
  • En fonctionnement, le mélange gazeux oxygène-argon véhiculé par la conduite 13A contient du méthane comme impureté. Le méthane se sépare de l'oxygène et de l'argon dans le tronçon inférieur 12A à n plateaux théoriques de la colonne 26, d'autant plus complètement que le nombre est grand. Le calcul montre qu'un nombre n inférieur ou égal à 8 suffit pour les applciations habituelles de l'oxygène ultra-pur.
  • Ainsi, c'est un mélange constitué pratiquement uniquement d'oxygène et d'argon qui pénètre dans la colonne 17A. En choisissant le taux de reflux en tête de la colonne 17A à peu près égal à celui du bas de la colonne 4, on retrouve au niveau de la conduite 29 la teneur 99,5% de l'oxygène produit en cuve de la colonne 4, et la colonne 17A possède n1 plateaux théoriques au-dessous de cette conduite, ce qui permet d'obtenir en cuve de l'oxygène liquide ultra-pur ayant la teneur maximale voulue en argon. Cet oxygène ultra-pur est soutiré par la conduite 25.
  • A titre d'exemple numérique, on peut choisir de l'ordre de 30 à 40 et n1 de l'ordre de 15 à 30.
  • Il est noter que, comme représenté à la figure 2, une conduite 29 de soutirage d'oxygène liquide à environ 99,5 % de pureté peut, comme représenté, partir d'un emplacement intermédiaire de la colonne 17A Situé sensiblement N + n plateaux théoriques au-dessous du sommet de cette colonne 17A. Cet oxygène est pratiquement exempt d'hydrocarbures et peut par conséquent être utilisé pour certaines applications où les hydrocarbures sont indésirables, par exemple dans le domaine médical.

Claims (16)

1. Procédé pour produire de l'oxygène ultra-pur à partir d'un appareil principal de distillation d'air (1) à double colonne (2), comprenant une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (4), comportant les étapes d'envoyer dans la cuve d'une première colonne auxiliaire (12) un premier gaz produit dans la colonne basse pression (4), de renvoyer dans cette dernière le liquide produit en cuve de la première colonne auxiliaire, de distiller dans une deuxième colonne auxiliaire (17) un fluide produit dans la première colonne auxiliaire, l'oxygène ultra-pur étant produit en cuve de cette deuxième colonne auxiliaire,
caractérisé en ce que le premier gaz est prélevé en cuve de la colonne basse pression (4), on distille dans la deuxième colonne auxiliaire un fluide produit en tête de la première colonne auxiliaire, on chauffe la cuve de la deuxième colonne auxiliaire (17) en y condensant un gaz de chauffage disponible sous la moyenne pression au niveau de la partie inférieure ou intermédiaire de la colonne moyenne pression (3), et on renvoie le condensat dans l'appareil principal de distillation d'air (1).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième colonne auxiliaire (17) comporte un condenseur de tête (20) et est alimentée en un point intermédiaire par la vapeur de tête de la première colonne auxiliaire (12), la vapeur de tête de la deuxième colonne auxiliaire étant renvoyée dans la colonne basse pression (4).
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le gaz de chauffage est constitué par de l'air comprimé prélevé sur l'alimentation (6) de la colonne moyenne pression (3).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'air condensé en cuve de la deuxième colonne auxiliaire (17) est adjoint au liquide riche (LR) produit en cuve de la colonne moyenne pression (3).
5. Installation de séparation d'air et de production d'oxygène ultra-pur, du type comprenant un appareil principal de distillation d'air (1) à double colonne (2) comportant une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (4), une première colonne auxiliaire (12) dont la cuve est reliée à la colonne basse pression (4) par une première conduite de gaz (13) et par une deuxième conduite de liquide (14) et une deuxième colonne auxiliaire (17) reliée par une troisième conduite (18) à la première colonne auxiliaire et dont la cuve comporte un échangeur de chaleur indirect (19),
caractérisée en ce que la première conduite (13) est reliée à la cuve de la colonne basse pression (4), la troisième conduite (18) est reliée à la tête de la première colonne auxiliaire, et en ce qu'elle comporte des moyens (21) pour prélever au niveau de la partie inférieure ou intermédiaire de la colonne moyenne pression (3) un gaz de chauffage sous la moyenne pression et l'introduire dans l'échangeur de chaleur de la deuxième colonne auxiliaire, et des moyens pour renvoyer dans l'appareil principal de distillation d'air (1) le condensat issu de l'échangeur de chaleur.
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la deuxième colonne auxiliaire (17) comporte un condenseur de tête (20) et est alimentée en un point intermédiaire par la vapeur de tête de la première colonne auxiliaire (12), la vapeur de tête de la deuxième colonne auxiliaire étant renvoyée dans la colonne basse pression (4).
7. Installation selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que le gaz de chauffage est constitué par de l'air comprimé prélevé sur l'alimentation (6) de la colonne moyenne pression (3).
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour adjoindre au liquide riche (LR) produit en cuve de la colonne moyenne pression (3) l'air condensé dans l'échangeur de chaleur (19).
9. Procédé pour produire de l'oxygène ultra-pur à partir d'un appareil principal de distillation d'air (1A) à double colonne (2), comprenant une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (4), comportant les étapes d'envoyer dans la cuve d'une première colonne auxiliaire (12A) un premier gaz prélevé au piquage argon de la colonne basse pression (4), de renvoyer dans cette dernière le liquide produit en cuve de la première colonne auxiliaire, de distiller dans une deuxième colonne auxiliaire (17) un fluide produit dans la première colonne auxiliaire, l'oxygène ultra-purétant produit en cuve de cette deuxième colonne auxiliaire,
caractérisé en ce qu'on chauffe la cuve de la deuxième colonne auxiliaire (17A) en y condensant un gaz de chauffage disponible sous la moyenne pression au niveau de la partie inférieure ou intermédiaire de la colonne moyenne pression (3), et on renvoie le condensat dans la colonne basse pression (4) de l'appareil principal de distillation d'air (1A).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on prélève de l'oxygène liquide pratiquement exempt d'hydrocarbures à un niveau intermédiaire (29) de la deuxième colonne auxiliaire (17A).
11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le gaz de chauffage est constitué par de l'air comprimé prélevé sur l'alimentation (6) de la colonne moyenne pression (3).
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'air condensé en cuve de la deuxième colonne auxiliaire (17A) est adjoint au liquide riche (LR) produit en cuve de la colonne moyenne pression (3).
13. Installation de séparation d'air et de production d'oxygène ultra-pur, du type comprenant un appareil principal de distillation d'air (1A) à double colonne (2) comportant une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (4), une première colonne auxiliaire (12A) dont la cuve est reliée à la zone de piquage argon de la colonne basse pression (4) par une première conduite de gaz (13A) et par une deuxième conduite de liquide (14A) et une deuxième colonne auxiliaire (17A) reliée par une troisième conduite (18A) à la première colonne auxiliaire et dont la cuve comporte un échangeur de chaleur indirect (19A),
caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (21A) pour prélever au niveau de la partie inférieure ou intermédiaire de la colonne moyenne pression (3) un gaz de chauffage sous la moyenne pression et l'introduire dans l'échangeur de chaleur (19A) de la deuxième colonne auxiliaire, et des moyens pour renvoyer dans la colonne basse pression (4) de l'appareil principal de distillation d'air (1A) le condensat issu de l'échangeur de chaleur.
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la deuxième colonne auxiliaire (17A) est équipée à un niveau intermédiaire d'une conduite (29) de soutirage d'oxygène pratiquement exempt d'hydrocarbures.
15. Installation selon l'une des revendications 9 et 14, caractérisée en ce que le gaz de chauffage est constitué par de l'air comprimé prélevé sur l'alimentation (6) de la colonne moyenne pression (3).
16. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour adjoindre au liquide riche (LR) produit en cuve de la colonne moyenne pression (3) l'air condensé dans l'échangeur de chaleur (19A).
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