EP1723372A1 - Procede de separation d air par distillation cryogenique et une installation pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents

Procede de separation d air par distillation cryogenique et une installation pour la mise en oeuvre de ce procede

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EP1723372A1
EP1723372A1 EP05728114A EP05728114A EP1723372A1 EP 1723372 A1 EP1723372 A1 EP 1723372A1 EP 05728114 A EP05728114 A EP 05728114A EP 05728114 A EP05728114 A EP 05728114A EP 1723372 A1 EP1723372 A1 EP 1723372A1
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EP
European Patent Office
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air
exchanger
oxygen
pressure column
flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05728114A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Emmanuel Garnier
Daniel Gourdain
Frédéric Judas
Patrick Le Bot
Frédéric Staine
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR0450406A external-priority patent/FR2867262B1/fr
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
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    • F25J2290/42—Modularity, pre-fabrication of modules, assembling and erection, horizontal layout, i.e. plot plan, and vertical arrangement of parts of the cryogenic unit, e.g. of the cold box

Definitions

  • the present invention relates to a process for separating air by cryogenic distillation and an installation for carrying out this process.
  • the goal of an engineer who creates an air separation process is to minimize energy costs. It is well known to use a double air separation column to produce oxygen at low energy by liquefying, in particular, on the one hand to minimize the pressure at the discharge of the air compressor by reducing the losses of charge in the exchanger, reducing the temperature difference to the main vaporizer, and secondly to maximize the oxygen extraction efficiency by reducing the temperature difference in the exchanger, by choosing a number of theoretical trays of large distillation and installing a number of sections of structured packing or trays sufficient.
  • the low pressure columns have four sections of structured packings or trays, including two sections between the bottom of the low pressure column and a rich liquid inlet, which is an oxygen-enriched liquid taken in the bottom of the column. medium pressure. These two sections are necessary to ensure high performance distillation in the bottom of the low pressure column. It is also thus that the medium-pressure columns have four sections of structured packings or trays, including two sections between the liquid air inlet and the lean liquid withdrawal.
  • the exchanger of an air separation apparatus is normally composed of a set of exchange bodies or of several body subassemblies. A set of exchange bodies comprises an even number of exchange bodies each of which is fed with the same fluids to be cooled and the same fluids to be heated.
  • an exchanger composed of two subsets of exchange bodies will comprise a first dispensing line sending air to be cooled to the first subset and a second dispensing line sending air to be cooled to the second subset.
  • the purified and compressed air sent to the columns cools in an exchanger comprising a single body assembly that would normally have a volume of more than 200 m 3 , therefore with a ratio between the total air flow sent to the exchanger and the volume of the exchanger which would be about 2000 Nm 3 / h / m 3 in the case of the example described below.
  • the frigories required for the distillation are frequently provided by a flow of air sent to an insufflation turbine supplying the low pressure column and / or a flow of air sent to a Claude turbine.
  • the ratio between the amount of air sent to the exchanger and the flow rate sent to the insufflation turbine would normally be between 5: 1 and 15: 1 in the case of the example described below. In some cases, when energy is not expensive or free, it is beneficial to reduce equipment costs while increasing energy requirements.
  • a quantity of compressed and purified air V is cooled in an exchange line to a cryogenic temperature and is sent at least in part to the medium pressure column, flow rates enriched with oxygen and nitrogen are sent from the medium pressure column to the low pressure column and flow rates enriched in nitrogen and oxygen are withdrawn from the low pressure column, the medium pressure column operating between 6 and 9 bar abs and the ratio between the total amount of air V entering the exchanger and the total volume of the exchanger being between 3 000 and 6 000 Nm 3 / h / m 3 .
  • the total volume of the exchanger is about 110 m 3 with an exchanger which is composed at least by 14 exchange bodies, the maximum volume of a body of exchange being about 8 m 3 .
  • the state of the art dictates two subsets of exchange bodies including a first subset comprising 8 exchanger bodies, grouped into four pairs and a second subset of 6 exchanger bodies, grouped into three pairs.
  • the homogeneous distribution of flow rates between the different exchanger bodies is favorably achieved with a single set of exchange bodies, so that there is only one common collecting or collecting line for each fluid supplied to or from the bodies.
  • the investment will be minimized by the installation of a exchange line composed of a single set of exchanger bodies (8 bodies) and whose volume will correspond to a ratio between the total amount of air V entering the exchanger and the total volume of the exchanger of about 7400 Nm 3 / h / m 3 .
  • the increase in the ratio between the amount of total air V entering the exchanger and the total volume of the exchanger should be translated according to the state of the art by an increase in pressure losses in the exchanger for all the flows of the exchanger (residual nitrogen flow rate, air flow rates, oxygen flow rate, etc.), in particular because of the increase in the flow velocity due to the reduction of the flow section; passage.
  • the pressure losses on the flow of oxygen will be not increased but will be kept constant at a limit value corresponding to a design usually acceptable on a flow of oxygen.
  • Maintaining the speed on the oxygen flow by reducing the volume of the exchanger is generally only possible by keeping a constant passage section for each body of the exchanger, so a total number of passages of the exchanger on the constant oxygen flow, which leads to increase the number of oxygen passages of each body of the exchanger (since the number of bodies of the exchanger is reduced). Consequently, the pressure drops on the other flows will therefore increase more than what is obtained by the simple ratio of the number of bodies.
  • the pressure drops on the oxygen flow rate will not exceed 400 mbar and the passage section on the oxygen flow rate will not exceed 20 to 25 Nm 3 / h / cm 2 .
  • the passage section corresponds to either the constant section or the section at the point where the liquid oxygen vaporizes, for the case of a liquid flow.
  • the oxygen flow rate comprises at least 30 mol%. oxygen, preferably at least 70 mol%. oxygen, more preferably at least 90 mol%. of oxygen and possibly in gaseous or liquid form at the inlet of the exchanger.
  • An object of the present invention is to reduce the investment cost of the air separation installation and to increase its energy by reducing the size of the exchangers (thus increasing the pressure losses and the temperature differences in the air exchanger and increasing the temperature difference to the main vaporizer) and / or reducing the size of the distillation columns (minimizing the number of theoretical plates and the number of packing sections or trays)
  • the quantity of air V sent to the exchanger includes all the air sent to the distillation and any air flows that are relaxed and then sent to the atmosphere.
  • a structured packing section is a section of packings structured between an inlet and the adjacent fluid inlet or outlet.
  • the structured packings are typically of the cross-corrugated type but may have other geometries. They can be perforated and / or partially offset.
  • a process for separating air by cryogenic distillation using an apparatus comprising a medium pressure column and a low pressure column thermally connected to each other, a quantity of compressed and purified air V is cooled in an exchanger to a cryogenic temperature and is sent at least in part to the medium pressure column, flow rates enriched with oxygen and nitrogen are sent from the medium pressure column to the low pressure column and flow rates enriched in nitrogen and oxygen are withdrawn from the low pressure column characterized in that the ratio between the total amount of air entering the exchanger and the total volume of the exchanger is greater than 3 000 Nm 3 / h / m 3 and preferably between 3 000 and 12 000 Nm 3 / h / m 3 and in that the ratio between the flow rate of oxygen leaving the exchanger and the total cross section of the passages of the Exchanger reserved for this flow of oxygen is less than 30 Nm 3 / h / cm 2 , preferably 25 Nm 3 / h / cm 2 .
  • the ratio between the amount of total air V entering the exchanger and the total volume of the exchanger is greater than 6,000 Nm 3 / h / m 3 and preferably between 6,500 and 12,000 Nm 3 / h / m 3
  • the ratio between the total amount of air entering the exchanger V and the total volume of the heat exchanger is between 6500 and 12 000 Nm 3 / h / m 3
  • the ratio of the quantity of total air V entering the exchanger and the total volume of the exchanger is between 7,000 and 12,000 Nm 3 / h / m 3
  • the exchanger comprises at least one set of at most 12 exchange bodies, each body of an assembly being fed by the same fluids, originating for each fluid from a collecting or distributing line common to all the bodies of exchange of the whole.
  • At least one liquid flow is withdrawn from a column, possibly pressurized, and vaporized in the exchanger or another exchanger.
  • the maximum temperature difference at the cold end of the exchanger is 10 ° C .
  • the maximum temperature difference at the hot end of the exchanger is 10 ° C .
  • the maximum temperature difference at the beginning of the vaporization of the liquid oxygen in the exchanger is 3 ° C .
  • the maximum temperature difference at the end of the vaporization of the liquid oxygen in the exchanger is 14 C
  • an oxygen-enriched liquid is sent from the low pressure column to a reboiler where it partially vaporises by heat exchange with a nitrogen enriched gas from the medium pressure column, the reboiler having an ⁇ T of at least 2K
  • a part of the compressed and purified air is sent to an insufflation turbine, having an inlet temperature of between -50 and -140 ° C., preferably between -100 and -130 ° C .
  • a liquid air expansion turbine is supplied by all or part of a flow of liquid air at the outlet of the exchanger and / or ii) a refrigeration unit or chilled water produced by a group refrigerant (which may be the same water circuit as that used to cool the air at the inlet of the treatment) cools air out of an air booster and / or air at the lower pressure and / or Ni) an increased flow of air is sent to the blowing turbine so that the ratio between the amount of air V sent to the exchanger and the air flow D sent to the turbine insufflation is less than 10: 1.
  • the purity of the oxygen is between 30 and 100 mol%, preferably between 95 and 100 mol%; the oxygen extraction yield is between 85 and 100%.
  • an air separation plant for producing gases of air comprising a heat exchanger comprising a single set of exchange bodies, a single air collecting line to a first pressure and distribution means connecting the air collecting line at the first pressure to each of the exchange bodies, a single oxygen collecting line at a first pressure to be heated and distribution means connecting the oxygen collecting line to the first pressure to be heated to each exchange bodies, characterized in that the diameter of the oxygen collecting line is at least 25 cm.
  • the exchanger comprises at least one set of at most 12 exchange bodies, each body of an assembly being fed with the same fluids, originating for each fluid from a collecting or distributing line common to all the exchange bodies of the whole.
  • FIG. 1 is a diagram of an installation for implementing the method according to the invention and FIG. 2 is an illustration of an exchanger used in the installation of Figure 1.
  • FIG. 1 is a diagram of an installation for implementing the method according to the invention
  • FIG. 2 is an illustration of an exchanger used in the installation of Figure 1.
  • an airflow 1 of 475,000 Nm 3 / h to 7 bar abs. from a purification unit (not shown) is divided into three.
  • a first flow 3 is supercharged in the booster 5 to the pressure required to vaporize the liquid oxygen, for example.
  • AIR HP high pressure air 7 is sent to the exchanger 10 but does not reach the cold end, being cooled to -160 ° C., expanded, liquefied and sent to the two columns 9 and 11, respectively medium pressure and low pressure of a double air separation column.
  • a second non-pressurized flow AIR MP 13 is also sent to the exchanger 10 which it passes partially to -140 ° C before being sent to the bottom of the medium pressure column 9.
  • a third flow rate of about 45,000 Nm 3 / h is sent to a booster 17, cooled in the exchanger partially expanded in an insufflation turbine 19, with an inlet temperature of -130 ° C, before to be sent to the low pressure column 11.
  • the ratio between the air flow sent to the blowing turbine 19 and the amount of air sent to the exchanger is 10: 1.
  • exchanger 10 are about 300 mbar for the air flow 13 at the lowest pressure and about 250 mbar for the waste nitrogen 35.
  • the double column is a conventional apparatus except for its dimensions and the number of theoretical plates of the columns because the medium pressure column contains 40 and the low pressure column 45 and as regards the temperature difference for the reboiler 21 which is greater than 2.5 ⁇ C.
  • liquids enriched in oxygen (rich liquid LR) and nitrogen (poor liquid LP) are sent from the medium pressure column to the low pressure column after cooling in the exchanger SR and relaxation in a valve.
  • the low pressure column 11 contains three sections of structured packings, including a section I in the tank between the bottom of the column and the rich liquid inlet (which is joint with the inflated air inlet), a section II between the arrival of rich liquid and the arrival of liquid air and a section III between the arrival of liquid air and the arrival of poor liquid.
  • the medium pressure column 9 contains three sections of structured packings, including a section I in tank between the bottom of the column and the liquid air inlet, a section II between the liquid air inlet and the poor liquid outlet LP and a section III between the LP low liquid outlet and the medium pressure nitrogen outlet 31. Obviously, if there is no withdrawal of liquid nitrogen or nitrogen gas, the medium pressure column only contains two sections, section III being deleted.
  • the bottom reboiler 21 of the low pressure column 11 is in fact integrated with the medium pressure column 9 and is heated by a medium pressure nitrogen flow of this column 9.
  • a flow of liquid oxygen 23 from the tank of the The low pressure column 11 is pumped to overcome the hydrostatic head and reaches the reboiler 21 where it partially vaporizes, a gas flow 25 being returned to the low pressure column below the exchange means I and a liquid flow 27 being sent to the pump 29 where it is pressurized to its operating pressure.
  • the pumped flow 27 vaporizes in the exchanger 10.
  • a flow of liquid nitrogen 31 is withdrawn at the top of the medium pressure column 9 above the section III, pumped and also vaporizes in the exchanger 10.
  • the values of Liquid nitrogen and liquid oxygen pressures can be any value, as long as the exchanger 10 is designed according to the maximum pressure of the air required for vaporization.
  • the invention also applies to the case in which a single liquid flow vaporizes in the exchanger 10, or no liquid withdrawn from a column vaporizes in the installation.
  • the liquid flow rate (s) can vaporize against a cycle nitrogen flow rate.
  • the liquid flow rate (s) may alternatively be vaporized in a dedicated heat exchanger only for vaporizing the liquid flow rate (s) against an air flow rate or a nitrogen cycle flow rate.
  • the process may also produce liquid oxygen and / or liquid nitrogen and / or liquid argon as the final product (s).
  • Nitrogen gas 33, 35 can be withdrawn from the medium pressure column 9 and or from the low pressure column 11. The nitrogen gas is heated in the subcooler SR.
  • a flow of gaseous oxygen may be withdrawn as final product of the low pressure column 11 (not shown).
  • This flow can possibly be pressurized in a compressor.
  • a medium pressure nitrogen gas flow NG MP 33 and a low pressure residual nitrogen flow 35 are heated in the exchanger 10.
  • the flow NR 35 can be used to regenerate the air purification system in a known manner and / or can be sent to a gas turbine.
  • a method as described makes it possible to produce 99.5% molar OG HP oxygen. with a yield of more than 95%.
  • This oxygen is typically used in a gasifier fueled by a fuel, such as natural gas.
  • the low pressure column 11 may be next to the medium pressure column 9, as in the example or above it.
  • the required frigories can be provided by using i) a liquid air expansion turbine fed by all or part of the liquid air flow HP 7 at the outlet of the exchanger 10 and / or ii) a refrigeration unit or chilled water produced by a refrigerating unit (which can come from the same water circuit as that used to cool the air at the inlet of the purification) to cool the air at the outlet of the air booster 5 and / or the air in output of the booster 17 and / or the air MP 13 and / or iii) by sending an increased flow of air to the blowing turbine 19 so that the ratio between the amount of air V sent to the exchanger and the air flow D sent to the insufflation turbine is less than 10: 1.
  • blowers 5, 17 and / or the main compressor may be driven by electric motor and / or by hydraulic motor and / or by steam turbine and / or gas turbine.
  • the turbine 19 may be coupled to a dedicated booster or a generator.
  • the installation may also include conventional elements that are well known to those skilled in the art, such as a Claude turbine, a hydraulic turbine, a medium or low pressure nitrogen turbine, the supply of frigories by biberonnage, argon production column or columns, a mixing column for example supplied with air and oxygen from the low pressure column, a column operating at intermediate pressure, for example supplied by the rich liquid, and / or air, a low pressure column with double or triple reboiler etc.
  • Figure 2 shows an exchanger 10 adapted for use in the process of Figure 1.
  • the medium pressure air 13 is sent to a distributor line 113 and then to 8 lines 113A each of which feeds a body 100.
  • the medium pressure air cooled is then sent to a collecting line (not shown) and then to the column. medium pressure.
  • High pressure air 15 is sent to a distributor line 115 and then to two lines each of which feeds four bodies 100.
  • High pressure air 7 is sent to a dispensing line 107 and then to two lines each of which feeds four bodies.
  • Heated waste nitrogen is collected from the eight bodies 100 in a collecting line 135.
  • Each body includes passages fed by a pumped liquid oxygen dispensing line having a diameter of at least 25 cm.
  • the total cross section of all oxygen passages in the 8 bodies 100 is less than 25 Nm 3 / h / cm 2 , in the vicinity of 20 Nm 3 / h / cm 2 .
  • the gaseous oxygen produced by vaporization is sent to a collecting line 127 whose diameter is at least 25 cm, preferably about 30 cm.
  • Low pressure nitrogen 33 is sent to the header line 133.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un appareil comprenant une colonne moyenne pression (9) et une colonne basse pression (11) reliées thermiquement entre elles, une quantité d'air comprimé et épuré V est refroidi dans un échangeur (10) jusqu'à une température cryogénique et est envoyé au moins en partie à la colonne moyenne pression, des débits enrichis en oxygène et en azote (LR, LP) sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des débits (35, 23) enrichis en azote et en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression, la colonne moyenne pression opérant entre 6 et 9 bar abs, le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur étant supérieur à 3000 Nm3/h/m3 et compris de préférence entre 3 000 et 12 000 Nm3/h/m3 et le rapport entre le débit d'oxygène sortant de l'échangeur et la section de passage réservé à ce débit d'oxygène étant inférieure à 30 Nm3/h/cm2.

Description

Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique et une installation pour la mise en œuvre de ce procédé.
La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique et une installation pour la mise en œuvre de ce procédé. De manière générale, le but d'un ingénieur qui crée un procédé de séparation d'air est de minimiser les dépenses d'énergie. Il est bien connu d'utiliser pour produire de l'oxygène à basse énergie une double colonne de séparation d'air en s'app liquant notamment d'une part à minimiser la pression au refoulement du compresseur d'air en réduisant les pertes de charge dans l'échangeur, en réduisant l'écart de température au vaporiseur principal, et d'autre part à maximiser le rendement d'extraction de l'oxygène en réduisant l'écart de température dans l'échangeur, en choisissant un nombre de plateaux théoriques de distillation important et en installant un nombre de tronçons de garnissages structurés ou de plateaux suffisant. C'est ainsi que les colonnes basse pression ont quatre tronçons de garnissages structurés ou de plateaux, dont deux tronçons entre le bas de la colonne basse pression et une arrivée de liquide riche, qui est un liquide enrichi en oxygène pris en cuve de la colonne moyenne pression. Ces deux tronçons sont nécessaires pour assurer une distillation très performante en cuve de la colonne basse pression. C'est également ainsi que les colonnes moyenne pression ont quatre tronçons de garnissages structurés ou de plateaux, dont deux tronçons entre l'arrivée d'air liquide et le soutirage de liquide pauvre. L'échangeur d'un appareil de séparation d'air est normalement composé d'un ensemble de corps d'échange ou de plusieurs sous-ensembles de corps. Un ensemble de corps d'échange comprend un nombre pair de corps d'échange dont chacun est alimenté par les mêmes fluides à refroidir et les mêmes fluides à réchauffer. L'alimentation en fluides est effectuée à travers une ligne collectrice commune pour chaque fluide différent (composition et/ou pression différente), tel qu'illustré à la Figure 1 -3, de « The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fine Heat Exchanger Manufacturers' Association », deuxième édition, 2000. Comme le nombre maximal de corps pouvant être alimenté par une seule ligne collectrice est 12 (soit 6 paires de corps d'échange), il est souvent nécessaire pour des appareils de grande capacité d'utiliser plusieurs sous- ensembles de corps d'échange, chaque sous-ensemble comprenant un nombre pair de corps d'échange et les corps de chaque sous-ensemble étant alimentés par une ligne collectrice commune pour chaque fluide différent. Ainsi un échangeur composé de deux sous-ensembles de corps d'échange comprendra une première ligne distributrice envoyant de l'air à refroidir au premier sous-ensemble et une deuxième ligne distributrice envoyant de l'air à refroidir au deuxième sous-ensemble. De même, il comprendra une première ligne collectrice récupérant de l'air refroidi du premier sous-ensemble et une deuxième ligne collectrice récupérant de l'air refroidi du deuxième sous- ensemble. L'air épuré et comprimé envoyé aux colonnes se refroidit dans un échangeur comportant un seul ensemble de corps qui aurait normalement un volume de plus que 200 m3, donc avec un rapport entre le débit d'air total envoyé à l'échangeur et le volume de l'échangeur qui serait d'environ 2000 Nm3/h/m3 dans le cas de l'exemple décrit ci-dessous. Les frigories requises pour la distillation sont fréquemment fournies par un débit d'air envoyé à une turbine d'insufflation alimentant la colonne basse pression et/ou un débit d'air envoyé à une turbine Claude. Le rapport entre la quantité d'air envoyé à l'échangeur et le débit envoyé à la turbine d'insufflation serait normalement compris entre 5 :1 et 15 :1 dans le cas de l'exemple décrit ci-dessous. Dans certains cas, quand l'énergie n'est pas chère voire gratuite, il est profitable de réduire les dépenses de matériel tout en augmentant les besoins énergétiques. Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique connu de WO03/033978 utilisant un appareil comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles, une quantité d'air comprimé et épuré V est refroidie dans une ligne d'échange jusqu'à une température cryogénique et est envoyé au moins en partie à la colonne moyenne pression, des débits enrichis en oxygène et en azote sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des débits enrichis en azote et en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression, la colonne moyenne pression opérant entre 6 et 9 bar abs et le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur étant compris entre 3 000 et 6 000 Nm3/h/m3. Avec un rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur inférieur à 6 000 Nm3/h/m3, et en considérant une unité de séparation d'air ayant une quantité d'air total d'environ 570 000 Nm3/h, le volume total de l'échangeur est d'environ 110 m3 avec un échangeur qui est composé au minimum par 14 corps d'échange, le volume maximum d'un corps d'échange étant de 8 m3 environ. Pour des questions de répartition homogène de débits entre les différents corps d'échangeurs, l'état de l'art dicte deux sous-ensembles de corps d'échange dont un premier sous-ensemble comprenant 8 corps d'échangeurs, regroupés en quatre paires et un deuxième sous-ensemble de 6 corps d'échangeurs, regroupés en trois paires. Il n'est pas envisageable d'installer un seul ensemble de 14 corps d'échangeurs (la répartition des débits ne sera pas homogène à cause des longues distances qui existent dans ce cas entre les corps et les performances de l'unité de séparation d'air seront affectées). Avec un rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur d'environ 7 000 Nm3/h/m3, et en considérant une unité de séparation d'air ayant une quantité d'air total d'environ 570 000 Nm3/h, le volume total de l'échangeur est d'environ 80 m3 avec un ensemble unique de corps d'échange qui est composée par 10 corps d'échangeurs, le volume maximum d'un corps d'échange étant de 8 m3 environ. Dans ce cas, la répartition homogène des débits entre les différents corps d'échangeurs est réalisée favorablement avec une seule ensemble de corps d'échange, de sorte qu'il n'y a qu'une seule ligne collectrice ou distributrice commune pour chaque fluide amené à ou provenant des 10 corps. De même, pour une unité de séparation d'air ayant une quantité d'air total d'environ 475 000 Nm3/h, du fait du faible coût de l'énergie ou de la quantité d'énergie disponible, l'investissement sera minimisé par l'installation d'une ligne d'échange composée d'un seul ensemble de corps d'échangeurs (8 corps) et dont le volume correspondra à un rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur d'environ 7400 Nm3/h/m3. Par ailleurs, l'augmentation du rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur devrait se traduire selon l'état de l'art par une augmentation des pertes de charge dans l'échangeur pour tous les flux de l'échangeur (débit d'azote résiduaire, débits d'air, débit d'oxygène, ...) en raison notamment de l'augmentation de la vitesse des flux due à la réduction de la section de passage. Cependant, pour des rapports entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur supérieur à 6 000 Nm3/h/m3, les pertes de charge sur le débit d'oxygène ne seront pas augmentées mais seront maintenues constantes à une valeur limite correspondant à un design usuellement acceptable sur un débit d'oxygène. Maintenir la vitesse sur le débit d'oxygène en réduisant le volume de l'échangeur n'est généralement possible qu'en gardant une section de passage constante pour chaque corps de l'échangeur, donc un nombre total de passages de l'échangeur sur le débit d'oxygène constant, ce qui conduit à augmenter le nombre de passages d'oxygène de chaque corps de l'échangeur (puisque le nombre de corps de l'échangeur est réduit). Par conséquent, les pertes de charge sur les autres flux augmenteront donc plus que ce que l'on obtient par le simple rapport du nombre de corps. Par contre, en particulier dans le cas des passages d'oxygène liquide dans lesquels le liquide doit se vaporiser, on peut prévoir une section de passages variable ou une augmentation de la section des passages. Typiquement les pertes de charge sur le débit d'oxygène ne dépasseront pas 400 mbar et la section de passage sur le débit d'oxygène ne dépassera pas 20 à 25 Nm3/h/cm2. La section de passage correspond soit à la section constante soit à la section au point où l'oxygène liquide se vaporise, pour le cas d'un débit liquide. Le débit d'oxygène comprend au moins 30 % mol. d'oxygène, de préférence au moins 70 % mol. d'oxygène, encore plus préférablement au moins 90 % mol. d'oxygène et peut-être sous forme gazeuse ou liquide à l'entrée de l'échangeur. Un but de la présente invention est de réduire le coût d'investissement de l'installation de séparation d'air et d'augmenter son énergie en réduisant la taille des échangeurs (donc en augmentant les pertes de charge et les écarts de température dans l'échangeur et en augmentant l'écart de température au vaporiseur principal) et/ou en réduisant la taille des colonnes de distillation (en minimisant le nombre de plateaux théoriques et le nombre de tronçons de garnissages ou de plateaux) La quantité d'air V envoyée à l'échangeur comprend tout l'air envoyé à la distillation ainsi des débits d'air éventuels qui sont détendus et ensuite envoyés à l'atmosphère. Une section de garnissages structurés est un tronçon de garnissages structurés entre une entrée et l'entrée ou sortie de fluide adjacente. Les garnissages structurés sont typiquement du type ondulé-croisé mais peuvent avoir d'autres géométries. Ils peuvent être perforés et/ou à décalage partiel. Selon un objet de la présente invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un appareil comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles, une quantité d'air comprimé et épuré V est refroidie dans un échangeur jusqu'à une température cryogénique et est envoyée au moins en partie à la colonne moyenne pression, des débits enrichis en oxygène et en azote sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des débits enrichis en azote et en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression caractérisé en ce que le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur est supérieur à 3 000 Nm3/h/m3 et compris de préférence entre 3 000 et 12 000 Nm3/h/m3 et en ce que le rapport entre le débit d'oxygène sortant de l'échangeur et la section totale des passages de l'échangeur réservés à ce débit d'oxygène est inférieur à 30 Nm3/h/cm2 , de préférence à 25 Nm3/h/cm2. De préférence, le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur est supérieur à 6 000 Nm3/h/m3 et compris de préférence entre 6 500 et 12 000 Nm3/h/m3 Selon d'autres aspects facultatifs : - le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur est compris entre 6 500 et 12 000 Nm3/h/m3 ; - le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur est compris entre 7 000 et 12 000 Nm3/h/m3 ; - l'échangeur comprend au moins un ensemble d'au plus 12 corps d'échange , chaque corps d'un ensemble étant alimenté par les mêmes fluides, provenant pour chaque fluide d'une ligne collectrice ou distributrice commune à tous les corps d'échange de l'ensemble. - au moins un débit de liquide est soutiré d'une colonne , éventuellement pressurisé, et vaporisé dans l'échangeur ou un autre échangeur. - l'écart de température maximal au bout froid de l'échangeur est de 10°C ; - l'écart de température maximal au bout chaud de l'échangeur est de 10°C ; - l'écart de température maximal au début de la vaporisation de l'oxygène liquide dans l'échangeur est de 3°C ; - l'écart de température maximal à la fin de la vaporisation de l'oxygène liquide dans l'échangeur est de 14 C ; - un liquide enrichi en oxygène est envoyé de la colonne basse pression à un rebouilleur de cuve où il se vaporise partiellement par échange de chaleur avec un gaz enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression, le rebouilleur ayant d'un ΔT d'au moins 2K ; - une partie de l'air comprimé et épuré est envoyée dans une turbine d'insufflation, ayant une température d'entrée d'entre -50 et -140°C, de préférence entre -100 et -130°C ; - le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air envoyé à la turbine d'insufflation est inférieur à 40 et compris de préférence entre 5 et 25 ; - au moins un débit de liquide est soutiré d'une colonne, éventuellement pressurisé, et vaporisé dans l'échangeur ; - la colonne moyenne pression opère à entre 6,5 et 8,5 bar abs ; - les pertes de charge dans l'échangeur sont supérieures à 200 mbar pour un débit d'azote résiduaire provenant de la colonne basse pression ; - les pertes de charge dans l'échangeur sont supérieures à 250 mbar pour le débit d'air à plus basse pression ; - le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air D est compris entre5 :1 et 25 :1. i) une turbine de détente d'air liquide est alimentée par la totalité ou une partie d'un débit d'air liquide en sortie de l'échangeur et/ou ii) un groupe frigorifique ou de l'eau glacée produite par un groupe frigorifique (qui peut être le même circuit d'eau que celui utilisé pour refroidir l'air à l'entrée de l'épuration) refroidit de l'air en sortie d'un surpresseur d'air et/ou l'air à la plus basse pression et/ou Ni) un débit augmenté d'air est envoyé à la turbine d'insufflation de sorte que le rapport entre la quantité d'air V envoyée à l'échangeur et le débit d'air D envoyé à la turbine d'insufflation est inférieur à10 :1. - la pureté de l'oxygène est entre 30 et 100% mol., de préférence entre 95 et 100% mol.; - le rendement d'extraction de l'oxygène est entre 85 et 100 %. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air pour produire des gaz de l'air comprenant un échangeur de chaleur comprenant un seul ensemble de corps d'échange, une seule ligne collectrice d'air à une première pression et des moyens de distribution reliant la ligne collectrice d'air à la première pression à chacun des corps d'échange, une seule ligne collectrice d'oxygène à une première pression à réchauffer et des moyens de distribution reliant la ligne collectrice d'oxygène à la première pression à réchauffer à chacun des corps d'échange, caractérisée en ce que le diamètre de la ligne collectrice d'oxygène est d'au moins 25cm. Selon d'autres aspects facultatifs : - l'échangeur comprend au moins un ensemble d'au plus 12 corps d'échange, chaque corps d'un ensemble étant alimenté par les mêmes fluides, provenant pour chaque fluide d'une ligne collectrice ou distributrice commune à tous les corps d'échange de l'ensemble. - l'échangeur comprend au moins un ensemble d'au plus 12 corps d'échange, chaque corps d'un ensemble étant alimenté par la ligne collectrice d'air et la ligne collectrice d'oxygène. Eventuellement l'installation peut comprendre une colonne argon alimentée à partir de la colonne basse pression. Une turbine d'insufflation détend de l'air et en envoie au moins une partie à la colonne basse pression d'une double colonne. L'invention sera maintenant décrite en se référant aux figures, dont la Figure 1 est un schéma d'une installation pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention et la Figure 2 est une illustration d'un échangeur utilisé dans l'installation de la Figure 1. Dans la Figure 1, un débit d'air 1 de 475 000 Nm3/h à 7 bar abs. provenant d'une unité d'épuration (non-illustrée) est divisé en trois. Un premier débit 3 est surpressé dans le surpresseur 5 jusqu'à la pression requise pour vaporiser l'oxygène liquide, par exemple. L'air haute pression AIR HP 7 est envoyé à l'échangeur 10 mais ne parvient pas au bout froid, étant refroidi jusqu'à -160°C, détendu, liquéfié et envoyé aux deux colonnes 9 et 11, respectivement moyenne pression et basse pression d'une double colonne de séparation d'air. Un deuxième débit non-surpressé AIR MP 13 est également envoyé à l'échangeur 10 qu'il traverse partiellement jusqu'à -140°C avant d'être envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 9. Un troisième débit 15 de d'environ 45 000 Nm3/h est envoyé à un surpresseur 17, refroidi dans l'échangeur partiellement est détendu dans une turbine d'insufflation 19, avec une température d'entrée de -130°C, avant d'être envoyé à la colonne basse pression 11. Le rapport entre le débit d'air envoyé à la turbine d'insufflation 19 et la quantité d'air envoyée à l'échangeur est de 10 : 1. Les pertes de charge dans l'échangeur 10 sont d'environ 300 mbar pour le débit d'air 13 à la plus basse pression et d'environ 250 mbar pour l'azote résiduaire 35. L'échangeur 10 a un volume de 60 m3, ainsi le rapport entre la quantité d'air envoyé à l'échangeur 10 (débit 1 ou débit V) et le volume de cette ligne d'échange 10 (= nombre de corps x largeur totale x empilage total x longueur totale) est de 7 900 Nm3/h/m3 Eventuellement l'échangeur peut être constitué par plusieurs ensembles de corps d'échangeurs, les corps pour chaque ensemble étant identiques. La double colonne est un appareil classique sauf en ce qui concerne ses dimensions et le nombre de plateaux théoriques des colonnes car la colonne moyenne pression en contient 40 et la colonne basse pression 45 et en ce qui concerne la différence de température pour le rebouilleur 21 qui est supérieur à 2,5αC. De manière classique, des liquides enrichis en oxygène (liquide riche LR) et en azote (liquide pauvre LP) sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression après sous refroidissement dans l'échangeur SR et détente dans une vanne. La colonne basse pression 11 contient trois tronçons de garnissages structurés, dont un tronçon I en cuve entre le bas de la colonne et l'arrivée de liquide riche (qui est conjointe avec l'arrivée d'air insufflé), un tronçon II entre l'arrivée de liquide riche et l'arrivée d'air liquide et un tronçon III entre l'arrivée d'air liquide et l'arrivée de liquide pauvre. La colonne moyenne pression 9 contient trois tronçons de garnissages structurés, dont un tronçon I en cuve entre le bas de la colonne et l'arrivée d'air liquide, un tronçon II entre l'arrivée d'air liquide et la sortie de liquide pauvre LP et un tronçon III entre la sortie de liquide pauvre LP et la sortie d'azote moyenne pression 31. Evidemment s'il n'y a pas de soutirage d'azote liquide ou d'azote gazeux, la colonne moyenne pression ne contient que deux tronçons, le tronçon III étant supprimé. Le rebouilleur de cuve 21 de la colonne basse pression 11 est en fait intégré avec la colonne moyenne pression 9 et est chauffé par un débit d'azote moyenne pression de cette colonne 9. Un débit d'oxygène liquide 23 provenant de la cuve de la colonne basse pression 11 est pompé pour surmonter la hauteur hydrostatique et arrive au rebouilleur 21 où il se vaporise partiellement, un débit gazeux 25 étant renvoyé à la colonne basse pression en dessous des moyens d'échange I et un débit liquide 27 étant envoyé à la pompe 29 où il est pressurisé jusqu'à sa pression d'utilisation. Le débit pompé 27 se vaporise dans l'échangeur 10. Un débit d'azote liquide 31 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 9 au-dessus du tronçon III, pompé et se vaporise également dans l'échangeur 10. Les valeurs des pressions de l'azote liquide et l'oxygène liquide peuvent avoir n'importe laquelle valeur, du moment que l'échangeur 10 est conçue en fonction de la pression maximale de l'air requise pour la vaporisation. II sera compris que l'invention s'applique également au cas dans lequel un seul débit de liquide se vaporise dans l'échangeur 10, ou aucun liquide soutiré d'une colonne ne se vaporise dans l'installation. Au lieu de se vaporiser contre de l'air, le ou les débits de liquide peuvent se vaporiser contre un débit d'azote de cycle. Le ou les débits liquides peuvent alternativement se vaporiser dans un échangeur dédié ne servant qu'à vaporiser le ou les débits liquide contre un débit d'air ou un débit d'azote de cycle. Le procédé peut également produire de l'oxygène liquide et/ou de l'azote liquide et/ou de l'argon liquide comme produit(s) final (finaux). De l'azote gazeux 33, 35 peut être soutiré de la colonne moyenne pression 9 et ou de la colonne basse pression 11. L'azote gazeux 35 se réchauffe dans le sous-refroidisseur SR. Alternativement ou en addition un débit d'oxygène gazeux peut être soutiré comme produit final de la colonne basse pression 11 (non-illustré). Ce débit peut éventuellement être pressurisé dans un compresseur. Un débit d'azote gazeux moyenne pression NG MP 33 et un débit d'azote résiduaire basse pression 35 se réchauffent dans l'échangeur 10. Le débit NR 35 peut servir à régénérer le système d'épuration de l'air de manière connue et/ou peut être envoyé à une turbine à gaz. Un procédé tel que décrit permet de produire de l'oxygène OG HP à 99,5% mol. avec un rendement de plus que 95 %. Cet oxygène sert typiquement dans un gazéifieur alimenté par un carburant, tel que le gaz naturel. Dans l'installation la colonne basse pression 11 peut être à coté de la colonne moyenne pression 9, comme dans l'exemple ou bien au-dessus de celle-ci. Afin de produire un débit d'oxygène liquide et/ou d'azote liquide et/ou d'argon liquide, et/ou de réduire les niveaux de pression, notamment la pression de l'AIRHP 7, les frigories requises peuvent être fournies en utilisant i) une turbine de détente d'air liquide alimentée par la totalité ou une partie du débit d'air liquide HP 7 en sortie de l'échangeur 10 et/ou ii) un groupe frigorifique ou de l'eau glacée produite par un groupe frigorifique (qui peut provenir du même circuit d'eau que celui utilisé pour refroidir l'air à l'entrée de l'épuration) pour refroidir de l'air en sortie du surpresseur d'air 5 et/ou l'air en sortie du surpresseur 17 et/ou l'air MP 13 et/ou iii) en envoyant un débit augmenté d'air à la turbine d'insufflation 19 de sorte que le rapport entre la quantité d'air V envoyée à l'échangeur et le débit d'air D envoyé à la turbine d'insufflation est inférieur à10 :1. Ces moyens de production de frigories peuvent également être employés dans le cas où l'on ne produirait pas de liquide comme produit final. Les surpresseurs 5, 17 et/ou le compresseur principal (non-illustré) peut (peuvent) être entraîné(s) par moteur électrique et/ou par moteur hydraulique et/ou par turbine à vapeur et/ou par turbine à gaz. La turbine 19 peut être couplée à un surpresseur dédié ou une génératrice. L'installation peut également comprendre des éléments classiques bien connus à l'homme de l'art, tels qu'une turbine Claude, une turbine hydraulique, une turbine d'azote moyenne ou basse pression, de l'apport de frigories par biberonnage, une ou des colonnes de production d'argon, une colonne de mélange par exemple alimentée par l'air et l'oxygène de la colonne basse pression, une colonne opérant à pression intermédiaire, par exemple alimentée par le liquide riche et ou de l'air, une colonne basse pression à double ou triple rebouilleur etc. La Figure 2 montre un échangeur 10 adapté à être utilisé dans le procédé de la Figure 1. L'échangeur 10 a un volume de 60 m3, ainsi le rapport entre la quantité d'air envoyé à l'échangeur 10 (débit 1 ou débit V) et le volume de cette ligne d'échange 10 (= nombre de corps x largeur totale x empilage total x longueur totale) est de 7900 Nm3/h/m3. Etant donné que le volume maximal d'un corps est de 8 m3 environ, le nombre de corps 100 est 8, afin d'avoir un nombre pair de corps, dont quatre corps 100 disposés de chaque côté d'une ligne centrale. L'air à moyenne pression 13 est envoyé à une ligne distributrice 113 et ensuite à 8 conduites 113A dont chacune alimente un corps 100. L'air moyenne pression refroidit est ensuite envoyé à une ligne collectrice (non- illustrée) et ensuite à la colonne moyenne pression. De l'air haute pression 15 est envoyé à une ligne distributrice 115 et ensuite à deux conduites dont chacune alimente quatre corps 100. De l'air haute pression 7 est envoyé à une ligne distributrice 107 et ensuite à deux conduites dont chacune alimente quatre corps 100. De l'azote résiduaire réchauffé 35 est recueilli à partir des huit corps 100 dans une ligne collectrice 135. Chaque corps comprend des passages alimentés par une ligne distributrice d'oxygène liquide pompé ayant un diamètre d'au moins 25 cm. La section totale de tous les passages réservés à l'oxygène dans les 8 corps 100 est inférieure à 25 Nm3/h/cm2, dans le voisinage de 20 Nm3/h/cm2. L'oxygène gazeux produit par vaporisation est envoyé à une ligne collectrice 127 dont le diamètre est d'au moins 25 cm, de préférence d'environ 30 cm. De l'azote basse pression 33 est envoyé à la ligne collectrice 133.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant un appareil comprenant une colonne moyenne pression (9) et une colonne basse pression (11 ) reliées thermiquement entre elles dans lequel une quantité d'air comprimé et épuré V est refroidie dans un échangeur (10) jusqu'à une température cryogénique et est envoyée au moins en partie à la colonne moyenne pression, des débits enrichis en oxygène et en azote (LR, LP) sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et des débits (35, 23) enrichis en azote et en oxygène sont soutirés de la colonne basse pression et envoyés à l'échangeur, caractérisé en ce que le rapport entre la quantité d'air total V entrant dans l'échangeur et le volume total de l'échangeur est supérieur à 3 000 Nm3/h/m3 et compris de préférence entre 3 000 et 12 000 Nm3/h/m3 et en ce que le rapport entre le débit d'oxygène sortant de l'échangeur et la section totale de passages réservés à ce débit d'oxygène est inférieure à 30 Nm3/h/cm2',de préférence à 25 Nm3/h/cm2.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel un liquide enrichi en oxygène (23) est envoyé de la colonne basse pression (11) à un rebouilleur de cuve (21) où il se vaporise partiellement par échange de chaleur avec un gaz enrichi en azote provenant de la colonne moyenne pression (9), le rebouilleur ayant d'un ΔT d'au moins 2°C.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'échangeur (10) comprend au moins un ensemble d'au plus 12 corps d'échange (100), chaque corps d'un ensemble étant alimenté par les mêmes fluides, provenant pour chaque fluide d'une ligne collectrice ou distributrice (107, 113, 115, 127, 133, 135) commune à tous les corps d'échange de l'ensemble.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins un débit de liquide (27, 31) est soutiré d'une colonne (9, 11), éventuellement pressurisé, et vaporisé dans l'échangeur (10) ou un autre échangeur.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne moyenne pression (9) opère à entre 5 et 15 bar abs, de préférence entre 6,5 et 8,5 bar abs.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pertes de charge dans l'échangeur (10) sont supérieures à 200 mbar pour un débit d'azote résiduaire (35) provenant de la colonne basse pression.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les pertes de charge dans l'échangeur (10) sont supérieures à 250 mbar pour le débit d'air (13) à plus basse pression.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le rapport entre la quantité d'air V et le débit d'air D (1 ) est entre 5 :1 et 25 :1.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel i) une turbine de détente d'air liquide est alimentée par la totalité ou une partie d'un débit d'air liquide en sortie de l'échangeur (10) et/ou ii) un groupe frigorifique ou de l'eau glacée produite par un groupe frigorifique (qui peut provenir du même circuit d'eau que celui utilisé pour refroidir l'air à l'entrée de l'épuration) refroidit de l'air en sortie d'un surpresseur d'air (5, 7) et/ou l'air à la plus basse pression et/ou iii) un débit augmenté d'air est envoyé à la turbine d'insufflation (19) de sorte que le rapport entre la quantité d'air V envoyée à l'échangeur et le débit d'air D envoyé à la turbine d'insufflation est inférieur à10 :1.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pureté de l'oxygène est entre 85 et 100 % mol., de préférence entre 95 et 100 % mol.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le rendement d'extraction de l'oxygène est entre 85 et 100 %.
12. Installation de séparation d'air pour produire des gaz de l'air comprenant un échangeur de chaleur comprenant un seul ensemble de corps d'échange, une seule ligne collectrice d'air à une première pression et des moyens de distribution reliant la ligne collectrice d'air à la première pression à chacun des corps d'échange, une seule ligne collectrice d'oxygène à une première pression à réchauffer et des moyens de distribution reliant la ligne collectrice d'oxygène à la première pression à réchauffer à chacun des corps d'échange, caractérisée en ce que le diamètre de la ligne collectrice d'oxygène (127) est d'au moins 25cm.
13. Installation selon la revendication 12 dans laquelle l'échangeur (10) comprend au moins un ensemble d'au plus 12 corps d'échange (100), chaque corps d'un ensemble étant alimenté par les mêmes fluides, provenant pour chaque fluide d'une ligne collectrice ou distributrice (107, 113, 115, 127, 133, 135) commune à tous les corps d'échange de l'ensemble.
14. Installation selon la revendication 12 ou 13 dans laquelle l'échangeur comprend au moins un ensemble d'au plus 12 corps d'échange
(100), chaque corps d'un ensemble étant alimenté par la ligne collectrice d'air et la ligne collectrice d'oxygène.
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