EP1697690A2 - Method and installation for enriching a gas stream with one of the components thereof - Google Patents

Method and installation for enriching a gas stream with one of the components thereof

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EP1697690A2
EP1697690A2 EP04805813A EP04805813A EP1697690A2 EP 1697690 A2 EP1697690 A2 EP 1697690A2 EP 04805813 A EP04805813 A EP 04805813A EP 04805813 A EP04805813 A EP 04805813A EP 1697690 A2 EP1697690 A2 EP 1697690A2
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EP
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fraction
flow
column
separation unit
mixing
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Withdrawn
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EP04805813A
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German (de)
French (fr)
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Patrick Le Bot
Xavier Pontone
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Definitions

  • an air separation process using an apparatus comprising at least one medium pressure column, a low pressure column thermally connected with the low medium pressure column and a mixing column operating at a pressure above the pressure of the medium pressure column in which i) compressed and purified air is sent to the medium pressure column ii) flows enriched in nitrogen and oxygen from the medium pressure column to the column low pressure iii) an oxygen-enriched liquid is sent from the low-pressure column to the head of the mixing column iv) an oxygen-enriched gas is drawn off from the head of the mixing column characterized in that a liquid flow enriched in nitrogen from the medium pressure column, it is pressurized, it is vaporized at least partially and the tank of the mixing column is supplied with at least part of the vapor liquid Orise.

Abstract

The invention relates to a method of enriching a pressurised gas stream (1) with one of the components (A) thereof. The inventive method comprises the following steps: the stream is separated into at least first and second fractions (2, 3); at least one part of the first fraction (2) is sent to a separation unit (ASU); the separation unit supplies at least two discharges, including a first discharge (10) having a greater A content than that of the fraction (2) supplied to the separation unit; at least one part of the first discharge (10) is mixed with at least one part of the second fraction (3) such as to form a pressurised gas mixture (15); the second fraction (3) is expanded and, subsequently, at least one part of the first discharge (10) is mixed therein.

Description

Procédé et installation d'enrichissement d'un flux gazeux en l'un de ses constituants Method and installation for enriching a gas stream with one of its constituents
La présente invention est relative à un procédé et à une installation d'enrichissement d'un flux gazeux en l'un de ses constituants. En particulier, elle concerne un procédé d'enrichissement d'air en oxygène. L'enrichissement en oxygène de l'air est devenu nécessaire dans l'industrie sidérurgique. La réduction ou la suppression de coke chaud dans le Haut Fourneau, au profit généralement de l'injection de charbon pulvérulent (PCI) implique cette nécessaire évolution. Le moyen connu de EP-A-0531182 pour réaliser économiquement cet enrichissement consiste en la distillation cryogénique d'une partie du flux d'air du Haut Fourneau. Il est ainsi obtenu un flux riche en azote et un flux riche en oxygène, ce dernier étant ensuite re-mélangé dans le flux d'air en aval de l'unité de séparation d'air. La pression du flux d'oxygène étant proche de celle du flux d'air alimentant l'appareil de séparation d'air (ASU), un procédé à colonne de mélange s'avérera particulièrement adapté et économique. La Figure 1 montre un appareil de séparation décrit dans EP-A-0531182 destiné à enrichir l'air en oxygène. Il est alimenté à partir du réseau d'air constituant la charge d'un Haut Fourneau, à une pression P. L'appareil de distillation d'air est destiné à produire de l'oxygène basse pureté, par exemple ayant une pureté de 80 à 97 % et de préférence de 85 à 95 % sous une pression déterminée légèrement supérieure à la pression P., par exemple avantageusement sous une pression supérieure de 1 x 104 Pa abs à 1 x 105 Pa à la pression P. L'appareil comprend essentiellement une ligne d'échange thermique 1A, une double colonne de distillation 2A comprenant elle-même une colonne moyenne pression 3A, une colonne basse pression 4A et un condenseur- vaporiseur principal 5A, et une colonne de mélange 6A. Les colonnes 3A et 4A fonctionnent typiquement sous environ 5,45 x 105 Pa et environ 1 ,5 x 105 Pa respectivement. Comme expliqué en détail dans le document US-A-4022030, une colonne de mélange est une colonne qui a la même structure qu'une colonne de distillation mais qui est utilisée pour mélanger de façon proche de la réversibilité un gaz relativement volatil, introduit à sa base, et un liquide moins volatil, introduit à son sommet. Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet donc de réduire la consommation d'énergie liée à la distillation. Dans le cas présent, ce mélange est mis à profit, en outre, pour produire directement de l'oxygène impur sous la pression P, comme cela sera décrit ci-dessous. Dans le cas de la Figure 1 , un débit d'air est comprimé à la pression de la colonne de mélange par un compresseur 14A, refroidi dans la ligne d'échange 1A, sous-refroidi dans le sous-refroidisseur 21A et envoyé en cuve de la colonne de mélange 6A. Du « liquide riche » (air enrichi en oxygène), prélevé en cuve de la colonne 3A est, après détente dans une vanne de détente 10A, introduit dans la colonne 4A. Du « liquide pauvre » (azote impur) prélevé en un point intermédiaire 11 A de la colonne 3A est, après détente dans une vanne de détente 12 A, introduit au sommet de la colonne 4A, constituant le gaz résiduaire de l'installation, et l'azote gazeux pur sous la moyenne pression éventuellement produit en tête de la colonne 3A, sont réchauffés dans la ligne d'échange 1A et évacués de l'installation. Ces gaz sont indiqués respectivement par NI et NG sur la figure 1. De l'oxygène liquide, plus ou moins pur suivant le réglage de la double colonne 2A, est soutiré en cuve de la colonne 4A, porté par une pompe 13A à une pression P1 , légèrement supérieure à la pression P précitée pour tenir compte des pertes de charge (P1-P inférieur à 2 x 105 Pa), et introduit au sommet de la colonne 6. De la colonne de mélange 6A sont soutirés trois courants de fluide : à sa base, du liquide voisin du liquide riche et réuni à ce dernier via une conduite 15A munie d'une vanne de détente 15A' ; en un point intermédiaire, un mélange essentiellement constitué d'oxygène et d'azote, qui est renvoyé en un point intermédiaire de la colonne basse pression 4A via une conduite 16A munie d'une vanne de détente 17A ; et à son sommet de l'oxygène impur qui, après réchauffement dans la ligne d'échange thermique, est évacué, sensiblement à la pression P, de l'installation via une conduite 18A en tant que gaz de production Ol. On a également représenté sur la figure des échangeurs de chaleur auxiliaires 19A, 20A, 21 A assurant la récupération du froid disponible dans les fluides en circulation dans l'installation. La Figure 2 montre schématiquement un appareil intégré d'enrichissement d'un débit d'air destiné à un haut fourneau selon l'art antérieur. Un débit d'air est comprimé dans une soufflante S pour former un flux comprimé 1. Ce flux est divisé en deux fractions 2 et 3. La première fraction 2 est refroidi au moyen d'un refroidisseur R, par exemple un refroidisseur à l'eau, comprimé dans un suppresseur C et envoyé à une unité de séparation d'air (ASU). L'appareil de séparation d'air fonctionne par exemple par distillation cryogénique et comprend une unité d'épuration et une ligne d'échange et amont des colonnes de séparation. Il produit un débit d'oxygène contenant entre 80 et 95 % mol. d'oxygène 10 et un débit d'azote 11 qui peut être un débit résiduaire. Au moins une partie du débit enrichi en oxygène 10 est mélangé avec la deuxième fraction d'air 3. Le débit mélangé enrichi en oxygène 15 est chauffé dans un Cowpers W et envoyé à un haut fourneau HF. De façon à vaincre les pertes de charges dans le circuit comprenant l'unité de séparation d'air (entre la prise d'air sur le vent de haut fourneau vers l'unité de séparation et la ré-injection du flux d'oxygène) un compresseur C sera installé. Il permet de relever la pression de la totalité du flux d'air destiné à l'appareil de séparation d'air d'après la Figure 2) ou (en variante de la Figure 1 ) du flux d'air destiné à alimenter la colonne de mélange (soit environ 30% du flux d'air traité par l'unité de séparation) Un but de l'invention est d'intégrer une unité de séparation d'air dans ce procédé sidérurgique de façon plus économique et plus fiable, sans aucune utilisation de compresseurs de flux gazeux dans l'unité de séparation d'air autres que ceux liés à l'arbre de la turbine de détente assurant le maintien en froid de l'unité de séparation. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé d'enrichissement d'un flux gazeux pressurisé en l'un de ses constituants A comprenant les étapes de i) diviser le flux en au moins une première et une deuxième fractions ; ii) envoyer au moins une partie de la première fraction dans une unité de séparation ; iii) fournir à partir de l'unité de séparation au moins un premier et un deuxième débits dont le premier débit a une teneur en constituant A supérieure à celle de la première fraction ; iv) mélanger au moins une partie du premier débit avec au moins une partie de la deuxième fraction pour former un mélange gazeux pressurisé caractérisé en ce que l'on détend la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit. Selon d'autres aspects facultatifs : - le flux gazeux pressurisé et la première fraction ont sensiblement la même pression et en particulier seules les pertes de charges sont la cause de variation de pression entre ces deux fluides ; - le premier débit et la deuxième fraction détendu ont sensiblement la même pression et en particulier seules les pertes de charges sont la cause de variation de pression entre ces deux fluides ; - l'unité de séparation est autonome en besoin d'énergie de compression des débits gazeux produits par l'unité ou destiné à l'unité ; - le flux gazeux pressurisé est de l'air et éventuellement le constituant A est de l'oxygène ; - le flux gazeux pressurisé est de l'air destiné à un haut fourneau ; - l'unité de séparation est une unité de séparation fonctionnant par distillation cryogénique ; - l'unité de séparation comprend une colonne moyenne pression, une colonne basse pression reliée thermiquement avec la colonne moyenne pression et une colonne de mélange ; - on ne comprime aucune partie de la première fraction destinée à une colonne de distillation ou on ne comprime aucune partie de la première fraction destinée à la colonne de mélange ou à la colonne moyenne pression suite à la division du flux ; Selon un mode de fonctionnement particulier i) selon une première marche on comprime au moins une partie de la première fraction et on ne détend pas la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit et ii) selon une deuxième marche, (par exemple quand le compresseur C ne marche pas) on ne comprime pas au moins une partie de la première fraction (on ne comprime pas la première fraction) et on détend la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation d'enrichissement d'un flux gazeux pressurisé en l'un de ses constituants A comprenant i) des moyens pour diviser le flux gazeux pressurisé en au moins une première et une deuxième fractions ii) une unité de séparation iii) des moyens pour envoyer au moins une partie de la première fraction à l'unité de séparation iv) des moyens pour mélanger au moins une partie d'un premier débit produit par l'unité de séparation et enrichi en A par rapport à la première fraction avec la deuxième fraction pour former un débit enrichi en A par rapport au flux gazeux pressurisé caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen pour détendre la deuxième fraction en amont des moyens pour y mélanger au moins une partie du premier débit et en aval des moyens pour diviser le flux gazeux. Selon d'autres aspects facultatifs : - l'unité de séparation est une unité de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression, une colonne basse pression thermiquement reliée avec la colonne moyenne pression et une colonne de mélange ; - l'installation ne comprend aucun moyen de compression d'air destiné à la colonne moyenne pression ou à la colonne de mélange ; - l'installation comprend des moyens de compression de la deuxième fraction et des moyens pour envoyer la deuxième fraction pour être mélangé avec l'au moins une partie du premier débit sans passer par le moyen de détente. Le procédé de séparation utilisera avantageusement une colonne de mélange opérant à une pression supérieure ou égale à la colonne moyenne pression, sans nécessiter de moyen supplémentaire de compression d'air. On propose ainsi intégrer un appareil à colonne de mélange sur un vent de haut fourneau sans compresseur d'air additionnel, augmentant donc la fiabilité de fourniture de molécules d'oxygène et donc d'air enrichi au haut fourneau, tout en minimisant l'investissement nécessaire à cette réalisation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air utilisant un appareil comprenant au moins une colonne moyenne pression, une colonne basse pression thermiquement reliée avec la colonne basse moyenne pression et une colonne de mélange opérant à une pression au- dessus de la pression de la colonne moyenne pression dans lequel i) on envoie de l'air comprimé et épuré à la colonne moyenne pression ii) on envoie des débits enrichis en azote et en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression iii) on envoie un liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange iv) on soutire un gaz enrichi en oxygène de la tête de la colonne de mélange caractérisé en ce que l'on soutire un débit liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression, on le pressurise, on le vaporise au moins partiellement et on alimente la cuve de la colonne de mélange avec au moins une partie du liquide vaporisé. De préférence, le liquide enrichi en azote est vaporisé par échange de chaleur avec une partie de l'air d'alimentation. L'air ainsi liquéfié peut être envoyé à au moins une des colonnes moyenne et basse pression. Le liquide enrichi en azote est pressurisé par une pompe et ou par pression hydrostatique. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant a) une colonne moyenne pression, b) une colonne basse pression thermiquement reliée avec la colonne basse moyenne pression c) une colonne de mélange opérant à une pression au-dessus de la pression de la colonne moyenne pression d) des moyens pour envoyer de l'air comprimé et épuré à la colonne moyenne pression e) des moyens pour envoyer des débits enrichis en azote et en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression f) des moyens pour envoyer un liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression à la tête de la colonne de mélange g) des moyens pour soutirer un gaz enrichi en oxygène de la tête de la colonne de mélange caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour soutirer un débit liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression, des moyens pour pressuriser le liquide, des moyens pour vaporiser le liquide au moins partiellement et des moyens pour alimenter la cuve de la colonne de mélange avec au moins une partie du liquide vaporisé. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures 3, 4 et 5 : les Figures 3 et 5 montrent un appareil d'enrichissement d'un flux gazeux selon l'invention et la Figure 4 montre un appareil de séparation particulièrement adaptée à réaliser l'invention. La Figure 3 montre schématiquement un appareil intégré d'enrichissement d'un débit d'air destiné à un haut fourneau selon l'art antérieur. Un débit d'air est comprimé dans une soufflante S pour former un flux comprimé 1. Ce flux est divisé en deux fractions 2 et 3. La première fraction 2 est refroidi au moyen d'un refroidisseur R, par exemple un refroidisseur à l'eau, et envoyé à une unité de séparation d'air (ASU) sans être comprimé entre le refroidisseur et l'entrée de l'unité de séparation d'air. L'unité de séparation d'air fonctionne par exemple par distillation cryogénique et comprend une unité d'épuration et une ligne d'échange en amont des colonnes de séparation. Il produit un débit d'oxygène contenant entre 80 et 95 % mol. d'oxygène 10 et un débit d'azote 11 qui peut être un débit résiduaire. La deuxième fraction d'air 3 est détendue par un moyen de détente V, qui peut être une vanne, un orifice, un tuyau à diamètre réduit ou une turbine, par exemple. Au moins une partie du débit enrichi en oxygène 10 est mélangée avec la deuxième fraction d'air détendu 3 en aval du moyen de détente V. Le débit mélangé enrichi en oxygène 15 est chauffé dans un Cowpers W et envoyé à un haut fourneau HF. Cette solution permet de supprimer le surpresseur d'air en remontant la pression en amont de l'unité de séparation d'air. La consommation d'énergie de l'ensemble sera donc supérieure. La Figure 4 reprend des éléments de la Figure 1 ayant les mêmes chiffres de référence qui ne seront pas décrits dans le détail. L'air épuré 7A à la moyenne pression de 5,45 bars a en provenance du compresseur d'air principal du vent du haut fourneau ou d'une turbine de détente est séparé en au moins deux faisceaux distincts avant d'entrer dans la colonne moyenne pression 2A. Le premier faisceau 100 alimente directement la cuve de colonne moyenne pression 2A sous forme gazeuse. Le deuxième faisceau 200 est au moins en partie condensé dans un échangeur de chaleur 101 A. La partie liquéfiée est introduite dans une des colonnes à distiller (soit la colonne moyenne pression 2A soit la colonne basse pression 4A). Dans la Figure 4, le débit 202 est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression alors que le débit 204 est envoyé à la colonne basse pression après sous-refroidissement dans l'échangeur 19A. Un débit liquide 300 enrichi en azote par rapport à l'air est soutiré de la colonne moyenne pression 3A, comprimé au moyen d'une pompe 400 ou par simple hauteur hydrostatique, vaporisé dans l'échangeur de chaleur 101 A contre la condensation d'air à moyenne pression pour former un débit d'azote gazeux 500 puis alimente la cuve de colonne de mélange 6A. Ainsi, profitant de la différence de composition entre l'air et le débit enrichi en azote, l'alimentation de la colonne de mélange 6A se fait à une pression supérieure à celle de l'air 100 alimentant la colonne moyenne pression 3A, et ce sans compresseur additionnel. On peut également envisager de réchauffer l'azote gazeux 500 dans la ligne d'échange principale avant de l'introduire dans la colonne de mélange. Pour produire un débit d'azote gazeux 500 à 5,9 bars a, l'échangeur de chaleur 101 A a un ΔT de 0,6°C. Le débit 15A provenant de la cuve de la colonne de mélange 6A, étant plus riche en azote que celui de la Figure 1 est envoyé juste en-dessous de la tête de la colonne basse pression 4A. Le sous-refroidisseur 21A est supprimé et il n'y a plus de soutirage d'azote gazeux moyenne pression NG. Eventuellement un troisième faisceau d'air est envoyé à un surpresseur 8A, refroidi dans la ligne d'échange 1 A et détendu dans la turbine d'insufflation 9A mais d'autres moyens de production de frigories sont à envisager, y compris la détente de l'air destiné à la colonne moyenne pression. Si ce surpresseur est présent, l'avantage de l'invention est de ne pas avoir d'étape de compression d'air pour l'air destiné à la colonne de mélange ou à la colonne moyenne pression. Pour le cas de la Figure 4 le rendement d'extraction est diminué et l'énergie de séparation de l'ensemble reste supérieure au cas de base. Néanmoins, l'intégration de l'unité de séparation d'air de la Figure 4 dans le schéma divulgué dans la variante de la Figure 3 permet de réduire sensiblement la chute de pression au niveau de la vanne. La Figure 5 montre schématiquement un appareil intégré d'enrichissement d'un débit d'air destiné à un haut fourneau selon l'art antérieur. Un débit d'air est comprimé dans une soufflante S pour former un flux comprimé 1. Ce flux est divisé en deux fractions 2 et 3. La première fraction 2 est refroidi au moyen d'un refroidisseur R, par exemple un refroidisseur à l'eau, comprimé dans un surpresseur C et envoyé à une unité de séparation d'air (ASU). L'unité de séparation d'air fonctionne par exemple par distillation cryogénique et comprend une unité d'épuration et une ligne d'échange en amont des colonnes de séparation. Il produit un débit d'oxygène contenant entre 80 et 95 % mol. d'oxygène 10 et un débit d'azote 11 qui peut être un débit résiduaire. La deuxième fraction d'air 3 est détendue par un moyen de détente V, qui peut être une vanne, un orifice, un tuyau à diamètre réduit ou une turbine, par exemple. Au moins une partie du débit enrichi en oxygène 10 est mélangée avec la deuxième fraction d'air détendu 3 en aval du moyen de détente V. Le débit mélangé enrichi en oxygène 15 est chauffé dans un Cowpers W et envoyé à un haut fourneau HF. Le surpresseur C et la vanne C ont des moyens de court-circuitage. Selon une première marche de l'appareil, on comprime la première fraction 2 et on ne détend pas la deuxième fraction. Selon une deuxième marche, on ne comprime pas au moins une partie de la première fraction et on détend la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit. The present invention relates to a process and an installation for enriching a gas flow with one of its constituents. In particular, it relates to a process for enriching air with oxygen. Oxygen enrichment of the air has become necessary in the steel industry. The reduction or elimination of hot coke in the blast furnace, for the general benefit of the injection of pulverulent coal (PCI) implies this necessary evolution. The means known from EP-A-0531182 for economically achieving this enrichment consists in the cryogenic distillation of part of the air flow from the blast furnace. There is thus obtained a flow rich in nitrogen and a flow rich in oxygen, the latter then being re-mixed in the air flow downstream of the air separation unit. The pressure of the oxygen flow being close to that of the air flow supplying the air separation device (ASU), a mixing column process will prove to be particularly suitable and economical. Figure 1 shows a separation device described in EP-A-0531182 intended to enrich the air with oxygen. It is supplied from the air network constituting the charge of a blast furnace, at a pressure P. The air distillation apparatus is intended to produce low purity oxygen, for example having a purity of 80 at 97% and preferably 85 to 95% under a determined pressure slightly greater than the pressure P., for example advantageously under a pressure greater than 1 × 10 4 Pa abs to 1 × 10 5 Pa at the pressure P. device essentially comprises a heat exchange line 1A, a double distillation column 2A itself comprising a medium pressure column 3A, a low pressure column 4A and a main condenser-vaporizer 5A, and a mixing column 6A. Columns 3A and 4A typically operate at approximately 5.45 x 10 5 Pa and approximately 1.5 x 10 5 Pa respectively. As explained in detail in document US-A-4022030, a mixing column is a column which has the same structure as a distillation column but which is used to mix in a manner close to reversibility a relatively volatile gas, introduced at its base, and a less volatile liquid, introduced at its top. Such a mixture produces refrigerating energy and therefore makes it possible to reduce the energy consumption linked to distillation. In the present case, this mixture is used, moreover, to directly produce impure oxygen under the pressure P, as will be described below. In the case of FIG. 1, an air flow is compressed at the pressure of the mixing column by a compressor 14A, cooled in the exchange line 1A, sub-cooled in the sub-cooler 21A and sent to the tank from the mixing column 6A. "Rich liquid" (air enriched in oxygen), taken from the tank of column 3A is, after expansion in an expansion valve 10A, introduced into column 4A. “Lean liquid” (impure nitrogen) taken from an intermediate point 11 A of column 3A is, after expansion in an expansion valve 12 A, introduced at the top of column 4A, constituting the residual gas of the installation, and the pure nitrogen gas under the medium pressure possibly produced at the head of the column 3A, are heated in the exchange line 1A and evacuated from the installation. These gases are indicated respectively by NI and NG in FIG. 1. Liquid oxygen, more or less pure depending on the setting of the double column 2A, is withdrawn from the tank of column 4A, carried by a pump 13A at a pressure P1, slightly higher than the aforementioned pressure P to take account of the pressure losses (P1-P less than 2 × 10 5 Pa), and introduced at the top of the column 6. From the mixing column 6A are drawn three streams of fluid : at its base, liquid close to the rich liquid and joined to the latter via a pipe 15A provided with an expansion valve 15A '; at an intermediate point, a mixture essentially consisting of oxygen and nitrogen, which is returned to an intermediate point of the low pressure column 4A via a pipe 16A provided with an expansion valve 17A; and at its summit of impure oxygen which, after heating in the heat exchange line, is evacuated, substantially at the pressure P, of the installation via a pipe 18A as production gas Ol. There is also shown in the figure auxiliary heat exchangers 19A, 20A, 21 A ensuring the recovery of the cold available in the fluids circulating in the installation. Figure 2 schematically shows an integrated device for enriching an air flow intended for a blast furnace according to the prior art. An air flow is compressed in a blower S to form a compressed flow 1. This flow is divided into two fractions 2 and 3. The first fraction 2 is cooled by means of a cooler R, for example a cooler with the water, compressed in a suppressor C and sent to an air separation unit (ASU). The air separation device operates for example by cryogenic distillation and comprises a purification unit and an exchange line and upstream of the separation columns. It produces an oxygen flow containing between 80 and 95 mol%. oxygen 10 and a nitrogen flow 11 which can be a residual flow. At least part of the oxygen-enriched flow 10 is mixed with the second air fraction 3. The mixed oxygen-enriched flow 15 is heated in a Cowpers W and sent to an HF blast furnace. In order to overcome the pressure drops in the circuit comprising the air separation unit (between the air intake on the blast furnace wind towards the separation unit and the re-injection of the oxygen flow) a compressor C will be installed. It makes it possible to read the pressure of the entire air flow intended for the air separation device according to Figure 2) or (as a variant of Figure 1) of the air flow intended to supply the column An object of the invention is to integrate an air separation unit into this steel process more economically and more reliably, without no use of gas flow compressors in the air separation unit other than those linked to the expansion turbine shaft ensuring that the separation unit is kept cold. According to an object of the invention, there is provided a method for enriching a pressurized gas flow with one of its constituents A comprising the steps of i) dividing the stream into at least a first and a second fraction; ii) send at least part of the first fraction to a separation unit; iii) supplying from the separation unit at least a first and a second flow rate, the first flow rate of which has a content of constituent A greater than that of the first fraction; iv) mixing at least part of the first flow with at least part of the second fraction to form a pressurized gaseous mixture characterized in that the second fraction is relaxed before mixing at least part of the first flow. According to other optional aspects: - the pressurized gas flow and the first fraction have substantially the same pressure and in particular only the pressure drops are the cause of pressure variation between these two fluids; - The first flow and the second expanded fraction have substantially the same pressure and in particular only the pressure drops are the cause of pressure variation between these two fluids; - the separation unit is autonomous in need of energy for compression of the gas flows produced by the unit or intended for the unit; - The pressurized gas flow is air and optionally component A is oxygen; - the pressurized gas flow is air intended for a blast furnace; the separation unit is a separation unit operating by cryogenic distillation; - The separation unit comprises a medium pressure column, a low pressure column thermally connected with the medium pressure column and a mixing column; - No part of the first fraction intended for a distillation column is compressed or no part of the first fraction intended for the mixing column or the medium pressure column is compressed following the flow division; According to a particular operating mode i) according to a first step, at least part of the first fraction is compressed and no do not slacken the second fraction before mixing at least part of the first flow therein and ii) according to a second operation (for example when the compressor C does not work) at least part of the first fraction is not compressed (we does not compress the first fraction) and the second fraction is relaxed before mixing at least part of the first flow. According to another object of the invention, there is provided an installation for enriching a pressurized gas flow with one of its constituents A comprising i) means for dividing the pressurized gas flow into at least a first and a second fractions ii) a separation unit iii) means for sending at least part of the first fraction to the separation unit iv) means for mixing at least part of a first flow produced by the separation unit and enriched in A with respect to the first fraction with the second fraction to form a flow enriched in A with respect to the pressurized gas flow characterized in that it comprises means for relaxing the second fraction upstream of the means for mixing therein at least one part of the first flow and downstream of the means for dividing the gas flow. According to other optional aspects: the separation unit is an air separation unit comprising a medium pressure column, a low pressure column thermally connected with the medium pressure column and a mixing column; - the installation does not include any air compression means intended for the medium pressure column or the mixing column; - The installation comprises means for compressing the second fraction and means for sending the second fraction to be mixed with at least part of the first flow without passing through the expansion means. The separation process will advantageously use a mixing column operating at a pressure greater than or equal to the medium pressure column, without requiring any additional means of air compression. It is thus proposed to integrate a mixing column device on a blast furnace wind without additional air compressor, thus increasing the reliability of supply of oxygen molecules and therefore enriched air to the blast furnace, while minimizing the investment. necessary for this realization. According to another object of the invention, there is provided an air separation process using an apparatus comprising at least one medium pressure column, a low pressure column thermally connected with the low medium pressure column and a mixing column operating at a pressure above the pressure of the medium pressure column in which i) compressed and purified air is sent to the medium pressure column ii) flows enriched in nitrogen and oxygen from the medium pressure column to the column low pressure iii) an oxygen-enriched liquid is sent from the low-pressure column to the head of the mixing column iv) an oxygen-enriched gas is drawn off from the head of the mixing column characterized in that a liquid flow enriched in nitrogen from the medium pressure column, it is pressurized, it is vaporized at least partially and the tank of the mixing column is supplied with at least part of the vapor liquid Orise. Preferably, the nitrogen-enriched liquid is vaporized by heat exchange with part of the supply air. The air thus liquefied can be sent to at least one of the medium and low pressure columns. The nitrogen-enriched liquid is pressurized by a pump and or by hydrostatic pressure. According to another object of the invention, an air separation installation is provided comprising a) a medium pressure column, b) a low pressure column thermally connected with the low medium pressure column c) a mixing column operating at a pressure above the pressure of the medium pressure column d) means for sending compressed and purified air to the medium pressure column e) means for sending enriched nitrogen and oxygen flows from the medium pressure column to the low pressure column f) means for sending an oxygen enriched liquid from the low pressure column to the head of the mixing column g) means for withdrawing an oxygen-enriched gas from the head of the mixing column, characterized in that it comprises means for withdrawing a liquid flow enriched in nitrogen from the medium-pressure column, means for pressurizing the liquid, means for vaporizing the liquid at least partially and means for supplying the tank of the mixing column with at least part of the vaporized liquid. The invention will be described in more detail with reference to Figures 3, 4 and 5: Figures 3 and 5 show an apparatus for enriching a gas flow according to the invention and Figure 4 shows a separation device particularly adapted to carry out the invention. Figure 3 schematically shows an integrated device for enriching an air flow intended for a blast furnace according to the prior art. An air flow is compressed in a blower S to form a compressed flow 1. This flow is divided into two fractions 2 and 3. The first fraction 2 is cooled by means of a cooler R, for example a cooler with the water, and sent to an air separation unit (ASU) without being compressed between the chiller and the inlet of the air separation unit. The air separation unit operates for example by cryogenic distillation and comprises a purification unit and an exchange line upstream of the separation columns. It produces an oxygen flow containing between 80 and 95 mol%. oxygen 10 and a nitrogen flow 11 which can be a residual flow. The second fraction of air 3 is expanded by an expansion means V, which can be a valve, an orifice, a pipe with reduced diameter or a turbine, for example. At least part of the oxygen-enriched flow 10 is mixed with the second fraction of expanded air 3 downstream of the expansion means V. The mixed oxygen-enriched flow 15 is heated in a Cowpers W and sent to a HF blast furnace. This solution eliminates the air booster by raising the pressure upstream of the air separation unit. The energy consumption of the whole will therefore be higher. Figure 4 shows elements of Figure 1 having the same reference numbers which will not be described in detail. The purified air 7A at a medium pressure of 5.45 bars a from the main air compressor of the blast furnace wind or from an expansion turbine is separated into at least two separate bundles before entering the column medium pressure 2A. The first beam 100 directly feeds the medium pressure column tank 2A in gaseous form. The second bundle 200 is at least partly condensed in a heat exchanger 101 A. The liquefied part is introduced into one of the columns to be distilled (either the medium pressure column 2A or the low pressure column 4A). In Figure 4, the flow 202 is sent to the bottom of the medium pressure column while the flow 204 is sent to the low pressure column after sub-cooling in the exchanger 19A. A liquid flow 300 enriched in nitrogen relative to the air is withdrawn from the medium pressure column 3A, compressed by means of a pump 400 or by simple hydrostatic height, vaporized in the heat exchanger 101 A against the condensation of medium pressure air to form a flow of nitrogen gas 500 then feeds the mixing column tank 6A. Thus, taking advantage of the difference in composition between the air and the nitrogen-enriched flow rate, the supply of the mixing column 6A is done at a pressure higher than that of the air 100 supplying the medium pressure column 3A, and this without additional compressor. One can also consider heating the nitrogen gas 500 in the main exchange line before introducing it into the mixing column. To produce a flow of nitrogen gas 500 to 5.9 bars a, the heat exchanger 101 A has a ΔT of 0.6 ° C. The flow 15A coming from the tank of the mixing column 6A, being richer in nitrogen than that of FIG. 1 is sent just below the head of the low pressure column 4A. The sub-cooler 21A is eliminated and there is no longer any withdrawal of nitrogen gas medium pressure NG. Optionally a third air beam is sent to a booster 8A, cooled in the exchange line 1 A and expanded in the blowing turbine 9A but other means of producing frigories are to be envisaged, including the expansion of the air intended for the medium pressure column. If this booster is present, the advantage of the invention is that it does not have an air compression step for the air intended for the mixing column or the medium pressure column. For the case of Figure 4 the extraction efficiency is reduced and the separation energy of the assembly remains higher than the basic case. However, the integration of the air separation unit of Figure 4 in the diagram disclosed in the variant of Figure 3 allows to significantly reduce the pressure drop at the valve. Figure 5 schematically shows an integrated device for enriching an air flow intended for a blast furnace according to the prior art. An air flow is compressed in a blower S to form a compressed flow 1. This flow is divided into two fractions 2 and 3. The first fraction 2 is cooled by means of a cooler R, for example a cooler with the water, compressed in a booster C and sent to an air separation unit (ASU). The air separation unit operates for example by cryogenic distillation and comprises a purification unit and an exchange line upstream of the separation columns. It produces an oxygen flow containing between 80 and 95 mol%. oxygen 10 and a nitrogen flow 11 which can be a residual flow. The second fraction of air 3 is expanded by an expansion means V, which can be a valve, an orifice, a pipe with reduced diameter or a turbine, for example. At least part of the oxygen-enriched flow 10 is mixed with the second fraction of expanded air 3 downstream of the expansion means V. The mixed oxygen-enriched flow 15 is heated in a Cowpers W and sent to a HF blast furnace. The booster C and the valve C have short-circuiting means. According to a first step of the apparatus, the first fraction 2 is compressed and the second fraction is not relaxed. In a second step, you do not compress at least part of the first fraction and the second fraction is relaxed before mixing therein at least part of the first flow.
Evaluation des variantesVariant evaluation
ART ANTERIEURPRIOR ART
VARIANTE 1 avec vanne de détente (Figure 3)ALTERNATIVE 1 with expansion valve (Figure 3)
VARIANTE 2 avec vanne de détente (Figure 3)et procédé de séparation d'air de la Figure 4VARIANT 2 with expansion valve (Figure 3) and air separation method of Figure 4
Art antérieur VARIANTE 1 VARIANTE 2 REF CASE Soufflante d'air destiné à colonne de mélangePRIOR ART VARIANTE 1 VARIANTE 2 REF CASE Air blower for mixing column
Coût TK 100 89 96 95 KW 100 105 104 90 Cost TK 100 89 96 95 KW 100 105 104 90

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'enrichissement d'un flux gazeux pressurisé en l'un de ses constituants A comprenant les étapes de i) diviser le flux (1 ) en au moins une première et une deuxième fractions (2, 3) ; ii) envoyer au moins une partie de la première fraction (2) dans une unité de séparation (ASU) ; iii) fournir à partir de l'unité de séparation au moins un premier et un deuxième débits dont le premier débit (10) a une teneur en constituant A supérieure à celle de la première fraction ; iv) mélanger au moins une partie du premier débit avec au moins une partie de la deuxième fraction pour former un mélange gazeux pressurisé (15) caractérisé en ce que l'on détend la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit. 1. A method for enriching a pressurized gas stream in one of its constituents A comprising the steps of i) dividing the stream (1) into at least a first and a second fraction (2, 3); ii) send at least part of the first fraction (2) to a separation unit (ASU); iii) supplying from the separation unit at least a first and a second flow rate, the first flow rate (10) of which has a content of component A greater than that of the first fraction; iv) mixing at least part of the first flow with at least part of the second fraction to form a pressurized gas mixture (15) characterized in that the second fraction is relaxed before mixing at least part of the first debit.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le flux gazeux pressurisé (1) et la première fraction (2) ont sensiblement la même pression, et en particulier, seules les pertes de charges sont la cause de variation de pression entre ces deux fluides. 2. Method according to claim 1 in which the pressurized gas flow (1) and the first fraction (2) have substantially the same pressure, and in particular, only the pressure drops are the cause of pressure variation between these two fluids.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel le premier débit et la deuxième fraction détendu ont sensiblement la même pression et en particulier seules les pertes de charges sont la cause de variation de pression entre ces deux fluides. 3. Method according to one of claims 1 and 2 wherein the first flow and the second expanded fraction have substantially the same pressure and in particular only the pressure drops are the cause of pressure variation between these two fluids.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'unité de séparation (ASU) est autonome en besoin d'énergie de compression des débits gazeux produits par l'unité ou destiné à l'unité. 4. Method according to one of the preceding claims in which the separation unit (ASU) is autonomous in need of energy for compression of the gas flow rates produced by the unit or intended for the unit.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le flux gazeux pressurisé (1) est de l'air et éventuellement le constituant A est de l'oxygène. 5. Method according to one of the preceding claims wherein the pressurized gas flow (1) is air and optionally component A is oxygen.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le flux gazeux pressurisé est de l'air destiné à un haut fourneau (HF). 6. Method according to claim 5 wherein the pressurized gas flow is air intended for a blast furnace (HF).
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'unité de séparation est une unité de séparation fonctionnant par distillation cryogénique (ASU). 7. Method according to one of the preceding claims wherein the separation unit is a separation unit operating by cryogenic distillation (ASU).
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'unité de séparation (ASU) comprend une colonne moyenne pression (2A), une colonne basse pression (4A) reliée thermiquement avec la colonne moyenne pression et une colonne de mélange (6A). 8. The method of claim 7 wherein the separation unit (ASU) comprises a medium pressure column (2A), a low pressure column (4A) thermally connected with the medium pressure column and a mixing column (6A).
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on ne comprime aucune partie de la première fraction destinée à une colonne de distillation ou on ne comprime aucune partie de la première fraction destinée à la colonne de mélange ou à la colonne moyenne pression suite à la division du flux de l'étape i)- 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel i) selon une première marche on comprime au moins une partie de la première fraction et on ne détend pas la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit et ii) selon une deuxième marche, on ne comprime pas au moins une partie de la première fraction (on ne comprime pas la première fraction) et on détend la deuxième fraction avant d'y mélanger au moins une partie du premier débit. 11. Installation d'enrichissement d'un flux gazeux pressurisé en l'un de ses constituants A comprenant i) des moyens pour diviser le flux gazeux pressurisé (i) en au moins une première et une deuxième fractions (2, 3) ii) une unité de séparation (ASU) iii) des moyens pour envoyer au moins une partie de la première fraction (2) à l'unité de séparation iv) des moyens pour mélanger au moins une partie d'un premier débit9. The method of claim 8 wherein no part of the first fraction is compressed for a distillation column or no part of the first fraction is compressed for the mixing column or the medium pressure column following the division of the flow from step i) - 10. Method according to one of the preceding claims wherein i) according to a first step, at least part of the first fraction is compressed and the second fraction is not relaxed before mixing therein. at least part of the first flow and ii) according to a second step, at least part of the first fraction is not compressed (the first fraction is not compressed) and the second fraction is relaxed before mixing at least one part of the first debit. 11. Installation for enriching a pressurized gas flow in one of its constituents A comprising i) means for dividing the pressurized gas flow (i) into at least a first and a second fraction (2, 3) ii) a separation unit (ASU) iii) means for sending at least part of the first fraction (2) to the separation unit iv) means for mixing at least part of a first flow
(10) produit par l'unité de séparation et enrichi en A par rapport à la première fraction, avec la deuxième fraction pour former un débit enrichi en A (15) par rapport au flux gazeux pressurisé caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen (V) pour détendre la deuxième fraction en amont des moyens pour y mélanger au moins une partie du premier débit et en aval des moyens pour diviser le flux gazeux. 12. Installation selon la revendication 11 dont l'unité de séparation est une unité de séparation d'air (ASU) comprenant une colonne moyenne pression (3A), une colonne basse pression (4A) thermiquement reliée avec la colonne moyenne pression et une colonne de mélange (6A). 13. Installation selon la revendication 12 ne comprenant aucun moyen de compression d'air destiné à la colonne moyenne pression ou à la colonne de mélange en aval des moyens pour diviser le flux gazeux. 14. Installation selon l'une des revendications 11 ou 12 comprenant des moyens de compression de la deuxième fraction et des moyens pour envoyer la deuxième fraction pour être mélangé avec l'au moins une partie du premier débit sans passer par le moyen de détente. (10) produced by the separation unit and enriched in A with respect to the first fraction, with the second fraction to form a flow enriched in A (15) with respect to the pressurized gas flow characterized in that it comprises means (V) for expanding the second fraction upstream of the means for mixing therein at least a portion of the first flow and downstream of the means for dividing the gas flow. 12. Installation according to claim 11, the separation unit of which is an air separation unit (ASU) comprising a medium pressure column. (3A), a low pressure column (4A) thermally connected with the medium pressure column and a mixing column (6A). 13. Installation according to claim 12 comprising no air compression means intended for the medium pressure column or the mixing column downstream of the means for dividing the gas flow. 14. Installation according to one of claims 11 or 12 comprising means for compressing the second fraction and means for sending the second fraction to be mixed with at least part of the first flow without passing through the expansion means.
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