EP2279385A2 - Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique - Google Patents

Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique

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EP2279385A2
EP2279385A2 EP09742279A EP09742279A EP2279385A2 EP 2279385 A2 EP2279385 A2 EP 2279385A2 EP 09742279 A EP09742279 A EP 09742279A EP 09742279 A EP09742279 A EP 09742279A EP 2279385 A2 EP2279385 A2 EP 2279385A2
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pressure column
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liquid
oxygen
low pressure
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Alain Briglia
Bernard Saulnier
Laurent Samy
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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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Definitions

  • the present invention applies to an apparatus and a method for producing krypton and xenon by air separation by cryogenic distillation and in particular to a method of separating gases from the air with internal compression (in which oxygen gaseous is produced by vaporization under pressure in the exchange line) where a krypton / xenon mixture is extracted.
  • the heat source used to vaporize the lower rich liquid is preferably a fluid from the column from which the said lower rich liquid comes from, a fluid coming from an upper distillation stage which, by yielding its heat, condenses in the vaporizer / condenser.
  • the liquid thus produced feeds the low pressure column to a suitable distillation stage.
  • the lower rich liquid produces, for its part, a vaporized phase which feeds the low pressure column to a suitable distillation stage, and a purge where preferably almost 100% of the xenon contained in the diet is extracted, however only about 50% of the krypton is present
  • the low pressure column is fed by the purge rich in krypton and xenon produced by concentration.
  • the krypton and xenon-rich purge produced above will supply the low pressure column with a distillation stage lower than the withdrawal of the liquid oxygen to be pumped and then vaporized in the main exchanger.
  • the final mixture rich in krypton and xenon is extracted from the bottom of the low pressure column for further processing.
  • this return is injected at the suction of the pump to minimize the withdrawal OL of the column, and thus increase the extraction yield of krypton and xenon
  • a process for producing krypton and xenon by air separation by cryogenic distillation in a double column comprising a medium pressure column and a low pressure column in which: gaseous air compressed, cooled and purified at a first level of the medium pressure column ii) compressed, cooled and purified liquid air is sent to a second level of the medium pressure column above the first level iii) withdrawn a liquid enriched with oxygen, krypton and xenon of the medium pressure column vessel iv) is withdrawn a liquid from the medium pressure column at a level between the first and second levels and is sent to the low pressure column v partially vaporizes the oxygen-enriched liquid, krypton and xenon to form an intermediate gas and an intermediate liquid vi) a first oxygen-rich liquid flow is withdrawn at a third level of the low-pressure column vii) the intermediate liquid of the vaporizer is sent to the low-pressure column at an intermediate level of the lower-pressure column below the third level
  • the intermediate gas of the vaporizer is sent to the low pressure column at a level higher than the intermediate level;
  • the liquid enriched with oxygen, krypton and xenon is vaporized by heat exchange with a gas withdrawn from the medium-pressure column; the gas withdrawn from the medium pressure column is withdrawn above the first level;
  • the intermediate liquid is sent from the vaporizer to an intermediate level of the low pressure column below the third level;
  • the second oxygen-rich liquid flow (11) is withdrawn from the low pressure column at a fourth level below the intermediate level;
  • the intermediate liquid is mixed with a second oxygen-rich liquid flow.
  • an apparatus for producing krypton and xenon by air separation by cryogenic distillation comprising a double column constituted by a medium pressure column and a low pressure column and a vaporizer comprising: means for supplying gaseous air compressed, cooled and purified at a first level of the medium pressure column; ii) means for sending compressed, cooled and purified liquid air to a second level of the medium pressure column; above the first level iii) means for withdrawing an oxygen-enriched, krypton and xenon-enriched liquid from the medium pressure column vessel iv) means for withdrawing a liquid from the medium pressure column at a level between the first and second levels and is sent to the low pressure column; v) means for sending at least a portion of the oxygen-enriched liquid, in krypton and xenon to the vaporizer where it partially vaporizes to form an intermediate gas and an intermediate liquid vi) means for withdrawing a first oxygen-rich liquid flow at a third level of the
  • a medium pressure air flow 1 is sent to the medium pressure column 20 of a double air separation column.
  • the double column also comprises a low pressure column 21 thermally coupled with the medium pressure column 20 by means of a vaporizer 24, which vaporizes the bottom liquid of the low pressure column by heat exchange with the nitrogen gas at the top of the middle column pressure.
  • a flow of high pressure liquid air is expanded in a valve and then divided into two.
  • the flow 3 thus formed is sent to the medium pressure column 20 a few theoretical trays above the entry point of the flow 1.
  • the rest of the liquid air 4 is cooled in the subcooler 26, expanded and sent to the column low pressure 21.
  • a lower rich liquid flow rate enriched in oxygen, krypton and xenon is withdrawn in the vat of the medium pressure column 20, cooled in the subcooler 26, then expanded and sent to a vaporizer 22 where it is partially vaporized by exchange of heat with gaseous air enriched with nitrogen 8 from the medium pressure column 20.
  • the gaseous air is condensed to form a flow 9 which is then sent to the low pressure column 21.
  • the vaporized rich liquid 16 is expanded as intermediate gas and sent to the low pressure column while the remaining intermediate liquid 7 is sent to the low pressure column 21 a few trays above the tank.
  • An upper rich liquid flow 6 is withdrawn between the inlet of the air 1 and the air inlet 3 and / or the withdrawal of the flow 8.
  • This flow 6 is cooled in the subcooler 26, mixed with the rich liquid vaporized 16 and sent to the low pressure column 21. Poor liquid enriched in nitrogen 15 is withdrawn at the top of the medium pressure column 20 and sent to the top of the low pressure column 21 after cooling and expansion.
  • Liquid oxygen 10 is withdrawn from the low pressure column 21 a few trays above the tank and preferably above the arrival of the liquid 7. This liquid is pumped by the pump 23 to serve as a product rich in water. oxygen. Liquid oxygen 11 enriched in krypton and xenon is withdrawn in the bottom of the low pressure column 21 and can be further purified to produce a mixture of krypton and xenon. Intermediate liquid 7 can be mixed directly with this flow of liquid oxygen instead of being sent to the low pressure column 21.
  • Low pressure nitrogen 13 is withdrawn at the top of the low pressure column 21, heated in the subcooler and heated against the air flows 1, 2 (heating not shown).
  • Fluids 1 Medium pressure gaseous air, 2 High pressure liquid air, 3 Relaxed liquid air supplying the medium pressure column, 4 Relaxed liquid air supplying the low pressure column, 5 Lower rich liquid enriched in krypton xenon, 6 Lower vaporized rich liquid depleted in krypton xenon, 7 purge rich in krypton xenon, 8 poor air extracted from the medium pressure column, 9 poor liquid air, 10 liquid oxygen extracted from the low pressure column, 11 liquid oxygen extracted from the low pressure column rich in krypton xenon.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression (20) et une colonne basse pression (21 ), on envoie de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré (1 ) à un premier niveau de la colonne moyenne pression, on envoie de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré (3) à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression, on soutire un liquide (5) enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression, on soutire un liquide (6) de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression, on vaporise partiellement le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon pour former un gaz intermédiaire et un liquide intermédiaire, on soutire un premier débit liquide (10) riche en oxygène de la colonne basse pression, on soutire un deuxième débit liquide (11 ) riche en oxygène de la colonne basse pression à un niveau inférieur au niveau intermédiaire et le liquide intermédiaire est envoyé du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression ou mélangé au deuxième débit liquide riche en oxygène.

Description

Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention s'applique à un appareil et à un procédé de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique et en particulier à un procédé de séparation des gaz de l'air à compression interne (dans lequel l'oxygène gazeux est produit par vaporisation sous pression dans la ligne d'échange) où l'on extrait un mélange krypton/xénon.
Dans une unité de séparation des gaz de l'air comprenant une double colonne et où l'oxygène gazeux est produit par vaporisation sous pression dans la ligne d'échange (appareil à compression interne) dans lequel il est prévu d'extraire un mélange krypton/xénon, il est constaté que le rendement de cette extraction décroît de façon significative du fait que l'oxygène pompé extrait de la colonne de distillation basse pression entraîne avec lui un partie non négligeable des composés à valoriser tel que le krypton et le xénon. Pour ce type d'appareil à compression interne, dans le cas de la production de krypton/xénon associé à une production d'argon plusieurs procédés permettant de remédier à cette problématique ont été imaginés. L'invention se résume en deux étapes essentielles : 1. Appauvrissement de l'air gazeux entrant dans la colonne de séparation en composés à valoriser (krypton, xénon) par transfert de matière avec une portion réduite du liquide riche. Cette étape donne un liquide riche inférieur riche en krypton et xénon, de préférence 100 % du xénon contenu ainsi dans l'alimentation d'air gazeux étant extrait ainsi que plus de 80 % du krypton. 2. Concentration du liquide riche inférieur riche en krypton et en xénon, par vaporisation partielle dans un vaporiseur/condenseur. La source de chaleur utilisée pour vaporiser le liquide riche inférieur est de préférence un fluide de la colonne d'où provient le dit liquide riche inférieur, fluide provenant d'étage de distillation supérieure qui, en cédant sa chaleur, se condense dans le vaporiseur/condenseur. Le liquide ainsi produit alimente à un étage de distillation approprié la colonne basse pression. Le liquide riche inférieur produit, quant à lui, une phase vaporisée qui alimente la colonne basse pression à un étage de distillation approprié, et une purge où de préférence quasiment 100 % du xénon contenu dans l'alimentation y est extraite, par contre seulement 50 % environ du krypton y est présent
Selon une variante, la colonne basse pression est alimentée par la purge riche en krypton et en xénon produite par concentration. La purge riche en krypton et en xénon produite ci-dessus va alimenter la colonne basse pression, à un étage de distillation inférieur au soutirage de l'oxygène liquide destiné à être pompé pour être ensuite vaporisé dans l'échangeur principal. Le mélange final riche en krypton et en xénon est extraite du fond de la colonne basse pression afin d'y être traité ultérieurement. Optionnellement, dans le cas où le mélange krypton xénon est sous forme liquide, ce retour est injecté à l'aspiration de la pompe pour minimiser le soutirage OL de la colonne, et ainsi augmenter le rendement d'extraction du krypton et xénon
Un tel procédé permet d'extraire de l'ordre de 90 % du xénon présent dans l'air où un procédé conventionnel ne permet qu'un rendement de l'ordre
70 % au mieux. Quant au rendement d'extraction du krypton, celui-ci atteint environ 75 % alors que le rendement d'un appareil conventionnel ne permet au mieux qu'un rendement de l'ordre de 60 %.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression dans lequel : i) on envoie de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la colonne moyenne pression ii) on envoie de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression au-dessus du premier niveau iii) on soutire un liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression iv) on soutire un liquide de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression v) on vaporise partiellement le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon pour former un gaz intermédiaire et un liquide intermédiaire vi) on soutire un premier débit liquide riche en oxygène à un troisième niveau de la colonne basse pression vii) on envoie le liquide intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau ou on le mélange à un deuxième débit liquide riche en oxygène. viii) on soutire un/le deuxième débit liquide riche en oxygène de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au troisième niveau et, le cas échéant, au niveau intermédiaire. Selon des caractéristiques facultatives :
- on envoie le gaz intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau supérieur au niveau intermédiaire ;
- on vaporise le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon par échange de chaleur avec un gaz soutiré de la colonne moyenne pression ; - le gaz soutiré de la colonne moyenne pression est soutiré au-dessus du premier niveau ;
- le liquide intermédiaire est envoyé du vaporiseur à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau ;
- on soutire le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au niveau intermédiaire ;
- le liquide intermédiaire est mélangé à un deuxième débit liquide riche en oxygène.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et un vaporiseur comprenant : i) des moyens pour envoyer de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la colonne moyenne pression ii) des moyens pour envoyer de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression au-dessus du premier niveau iii) des moyens pour soutirer un liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression iv) des moyens pour soutirer un liquide de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression v) des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon au vaporiseur où il se vaporise partiellement pour former un gaz intermédiaire et un liquide intermédiaire vi) des moyens pour soutirer un premier débit liquide riche en oxygène à un troisième niveau de la colonne basse pression vii) des moyens pour envoyer du liquide intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression ou pour le mélanger à un deuxième débit liquide riche en oxygène et viii) des moyens pour soutirer un/le deuxième débit liquide riche en oxygène de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au troisième niveau et, le cas échéant, au niveau intermédiaire. Eventuellement, l'appareil comprend :
- des moyens pour envoyer le gaz intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau supérieur au niveau intermédiaire
- des moyens pour envoyer un gaz soutiré de la colonne moyenne pression au vaporiseur - des moyens pour soutirer le gaz de la colonne moyenne pression est soutiré au-dessus du premier niveau
- des moyens pour pressuriser et vaporiser le premier débit riche en oxygène, de préférence par échange de chaleur avec l'air à distiller
- des moyens pour envoyer le liquide intermédiaire du vaporiseur à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau
- des moyens pour soutirer le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au niveau intermédiaire
- des moyens pour mélanger le liquide intermédiaire à un deuxième débit liquide riche en oxygène
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. Un débit d'air gazeux moyenne pression 1 est envoyé à la colonne moyenne pression 20 d'une double colonne de séparation d'air. La double colonne comprend aussi une colonne basse pression 21 couplée thermiquement avec la colonne moyenne pression 20 au moyen d'un vaporiseur 24, qui vaporise le liquide de cuve de la colonne basse pression par échange de chaleur avec l'azote gazeux de tête de la colonne moyenne pression.
Un débit d'air liquide à haute pression est détendu dans une vanne puis divisé en deux. Le débit 3 ainsi formé est envoyé à la colonne moyenne pression 20 quelques plateaux théoriques au dessus du point d'entrée du débit 1. Le reste de l'air liquide 4 est refroidi dans le sous-refroidisseur 26, détendu puis envoyé à la colonne basse pression 21.
Un débit de liquide riche inférieur 5 enrichi en oxygène, en krypton et en xénon est soutiré en cuve de la colonne moyenne pression 20, refroidi dans le sous-refroidisseur 26, puis détendu et envoyé à un vaporiseur 22 où il se vaporise partiellement par échange de chaleur avec de l'air gazeux enrichi en azote 8 provenant de la colonne moyenne pression 20. L'air gazeux est condensé pour former un débit 9 qui est ensuite envoyé à la colonne basse pression 21. Le liquide riche vaporisé 16 est détendu comme gaz intermédiaire et envoyé à la colonne basse pression alors que le liquide intermédiaire restant 7 est envoyé à la colonne basse pression 21 quelques plateaux au-dessus de la cuve. Un débit de liquide riche supérieur 6 est soutiré entre l'arrivée de l'air 1 et l'arrivée d'air 3 et/ou le soutirage du débit 8. Ce débit 6 est refroidi dans le sous-refroidisseur 26, mélangé avec le liquide riche vaporisé 16 et envoyé à la colonne basse pression 21. Du liquide pauvre enrichi en azote 15 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 20 et envoyé en tête de la colonne basse pression 21 après refroidissement et détente.
De l'oxygène liquide 10 est soutiré de la colonne basse pression 21 quelques plateaux au-dessus de la cuve et de préférence au-dessus de l'arrivée du liquide 7. Ce liquide est pompé par la pompe 23 pour servir de produit riche en oxygène. De l'oxygène liquide 11 enrichi en krypton et xénon est soutiré en cuve de la colonne basse pression 21 et peut être épuré ultérieurement pour produire un mélange de krypton et xénon. Le liquide intermédiaire 7 peut être mélangé directement avec ce débit d'oxygène liquide au lieu d'être envoyé à la colonne basse pression 21.
De l'azote basse pression 13 est soutiré en tête de la colonne basse pression 21 , chauffé dans le sous-refroidisseur et chauffé contre les débits d'air 1 ,2 (chauffage non-illustré).
Equipements :
20 Colonne moyenne pression, 21 Colonne basse pression, 22 Vaporiseur liquide riche inférieur, 23 Pompe oxygène liquide.
Fluides : 1 Air gazeux moyenne pression, 2 Air liquide haute pression, 3 Air liquide détendu alimentant la colonne moyenne pression, 4 Air liquide détendu alimentant la colonne basse pression, 5 Liquide riche inférieur enrichie en krypton xénon, 6 Liquide riche inférieur vaporisé appauvri en krypton xénon, 7 Purge riche en krypton xénon, 8 Air pauvre extrait de la colonne moyenne pression, 9 Air pauvre liquide, 10 Oxygène liquide extrait de la colonne basse pression, 11 Oxygène liquide extrait de la colonne basse pression riche en krypton xénon.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression (20) et une colonne basse pression (21 ) dans lequel : i) on envoie de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré (1 ) à un premier niveau de la colonne moyenne pression ii) on envoie de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré (3) à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression au-dessus du premier niveau iii) on soutire un liquide (5) enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression iv) on soutire un liquide (6) de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression v) on vaporise partiellement le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon pour former un gaz intermédiaire (6) et un liquide intermédiaire (7) vi) on soutire un premier débit liquide riche en oxygène (10) à un troisième niveau de la colonne basse pression vii) on envoie le liquide intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau ou on le mélange à un deuxième débit liquide riche en oxygène et viii) on soutire un/le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au troisième niveau et, le cas échéant, inférieur au niveau intermédiaire.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie le gaz intermédiaire (6) vaporisé à la colonne basse pression (21 ) à un niveau supérieur au niveau intermédiaire.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on vaporise le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon (5) par échange de chaleur avec un gaz soutiré de la colonne moyenne pression.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le gaz soutiré de la colonne moyenne pression est soutiré au-dessus du premier niveau.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide intermédiaire est envoyé du vaporiseur à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel on soutire le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au niveau intermédiaire.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le liquide intermédiaire est mélangé à un deuxième débit liquide riche en oxygène.
8. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne constituée par une colonne moyenne pression (20) et une colonne basse pression (21 ) et un vaporiseur (22) comprenant : i) des moyens pour envoyer de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la colonne moyenne pression ii) des moyens pour envoyer de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression au-dessus du premier niveau iii) des moyens pour soutirer un liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression iv) des moyens pour soutirer un liquide de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression v) des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon au vaporiseur où il se vaporise partiellement pour former un gaz intermédiaire et un liquide intermédiaire vi) des moyens pour soutirer un premier débit liquide riche en oxygène à un troisième niveau de la colonne basse pression vii) des moyens pour envoyer du liquide intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression ou pour le mélanger à un deuxième débit liquide riche en oxygène et viii) des moyens pour soutirer un/le deuxième débit liquide riche en oxygène de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au troisième niveau et, le cas échéant, inférieur au niveau intermédiaire.
9. Appareil selon la revendication 8 comprenant des moyens pour envoyer le gaz intermédiaire du vaporiseur (22) à la colonne basse pression (21 ) à un niveau supérieur au niveau intermédiaire.
10. Appareil selon la revendication 8 ou 9 comprenant des moyens pour envoyer un gaz soutiré de la colonne moyenne pression (20) au vaporiseur (22).
11. Appareil selon la revendication 10 comprenant des moyens pour soutirer le gaz de la colonne moyenne pression (20) au-dessus du premier niveau.
12. Appareil selon la revendication 8 à 11 comprenant des moyens pour pressuriser et vaporiser le premier débit riche en oxygène, de préférence par échange de chaleur avec l'air à distiller.
13. Appareil selon l'une des revendications 8 à 12 comprenant des moyens pour envoyer le liquide intermédiaire du vaporiseur à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau.
14. Appareil selon la revendication 13 comprenant des moyens pour soutirer le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au niveau intermédiaire.
15. Appareil selon l'une des revendications 8 à 12 comprenant des moyens pour mélanger le liquide intermédiaire à un deuxième débit liquide riche en oxygène.
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