EP2510294B1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique Download PDF

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EP2510294B1
EP2510294B1 EP10776785.7A EP10776785A EP2510294B1 EP 2510294 B1 EP2510294 B1 EP 2510294B1 EP 10776785 A EP10776785 A EP 10776785A EP 2510294 B1 EP2510294 B1 EP 2510294B1
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pressure
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2250/50—One fluid being oxygen

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for air separation by cryogenic distillation.
  • An object of the invention is to reduce the separation energy to produce impure oxygen, especially in the case where there is no co-production of nitrogen.
  • Another object of the invention is to reduce the cost of at least some elements of the apparatus.
  • the invention involves the use of a cold compressor for compressing an oxygen-rich gas from an enclosure operating at a pressure below that of the low pressure column, the gas being intended for the tank of a column low pressure. This makes it possible to decouple the medium pressure column vessel pressure with the top of the low pressure column.
  • the invention is particularly interesting for the case where air partially condenses in the condenser of the chamber operating at lower pressure than the low pressure column.
  • an air separation apparatus comprising a medium pressure column, a low pressure column, an enclosure, an exchanger, a condenser of the low pressure column and a condenser placed in the enclosure, a pipe for supplying compressed, purified and cooled air from the exchanger to the medium pressure column, a pipe for sending a heat-transfer gas to the condenser placed in the enclosure, a pipe for sending a gas enriched in nitrogen from the medium pressure column at the condenser of the low pressure column, a pipe for sending an oxygen enriched flow from the tank of the medium pressure column to the low pressure column, a pipe for sending oxygen-rich liquid from the column vessel low pressure to the enclosure, a pipe for withdrawing from the enclosure a fluid richer in oxygen than that sent to the enclosure, a pipe for returning a gas from the enclosure to the column low pressure, a pipe for withdrawing a gas at the top of the low pressure column, characterized in that it comprises an expansion means for expanding the oxygen-rich liquid downstream of the
  • the air 1 is compressed between 3 and 5 bar in a compressor 3, purified in a purification unit 5 and divided into two.
  • a part 9 cools in the exchanger 13 and is sent to the tank condenser 15 of a chamber 141 where it partially condenses before being sent to the medium pressure column 39 of a double column.
  • the double column comprises the medium pressure column 39 and a low pressure column 41 which overcomes it, the thermal link between the two columns being provided by a condenser 25 in the tank of the low pressure column 41.
  • the other part of the air 7 is compressed in a compressor 11, cooled in the exchanger 13 and used to vaporize liquid oxygen under pressure. As the oxygen is vaporized at a low pressure, the vaporization takes place in an external vaporizer 27, distinct from the exchanger 13.
  • the liquefied air thus formed is sent to the medium pressure column 39 after expansion in a valve 19. Liquid air can also be sent to the low pressure column.
  • An oxygen enriched liquid 17 is withdrawn in the vat from the medium pressure column 39, cooled in the exchanger 43, expanded in a valve and sent to the low pressure column 41.
  • a liquid 49 having substantially the composition of the air is drawn off. at an intermediate level of the medium pressure column 39, cooled in the exchanger 43, expanded in a valve and sent to the low pressure column 41.
  • a nitrogen-enriched liquid 47 is withdrawn at the top of the medium pressure column 39, cooled in the exchanger 43, expanded in a valve and sent to the top of the low pressure column 41.
  • a gas 45 rich in nitrogen is withdrawn at the top of the low pressure column, heated in the exchanger 43 and then in the exchanger 13. Part of this gas can be compressed in the compressor 35 to form the flow 37 which participates in the regeneration of the purification unit 5.
  • a medium pressure nitrogen flow 33 is withdrawn at the top of the medium pressure column 39, heated in the exchanger 13, expanded in the turbine 23 and again heated in the exchanger 13 before serving for the regeneration of the purification unit 5.
  • a flow rich in oxygen 53 containing between 45 and 75% of oxygen is withdrawn from the tank of the low pressure column 41, expanded in a valve 51 and sent to the top of the chamber 141 which in this variant is a distillation column With a tank condenser 15. Above the condenser there are means for heat and mass exchange 143, for example packings, structured or not, or trays.
  • the valve 51 only lowers the liquid pressure by about 0.15 bar.
  • the liquid 53 is separated in the chamber to form a richer oxygen-rich liquid 29 in the tank. It is this liquid 29 which is sent to the vaporizer 27 after pressurization in the pump 63.
  • a purge liquid 61 is withdrawn from the vaporizer 27.
  • an oxygen-rich gas can be withdrawn from the chamber 141.
  • a top gas 145 is withdrawn from the chamber, compressed at the withdrawal temperature in a compressor 21 which increases its pressure by at most 0.15 bar.
  • the product gas is reinjected into the vessel of the low pressure column at the outlet pressure of the compressor 21.
  • the apparatus of the figure 2 differs from that of the figure 1 in that the enclosure 141 does not contain packings or trays. There is also the ascending partial condensation in the vaporizer 15. Thus the difference in composition between the liquid 53 sent to the chamber and the liquid 29 withdrawn from the chamber is very small even if the liquid 29 is still richer.
  • the gas 145 is the gas produced by partial vaporization of the liquid 53 in the chamber 141 by heat exchange with the air 9.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique.
  • Il est connu de séparer l'air dans un appareil comprenant une colonne moyenne pression et deux colonnes basse pression opérant à la même pression, une des colonnes basse pression étant alimentée en tête par le liquide de cuve de l'autre et chaque colonne basse pression ayant un condenseur de cuve.
  • Un but de l'invention est de réduire l'énergie de séparation pour produire de l'oxygène impur, en particulier dans le cas où il n'y a pas de co-production d'azote.
  • Un autre but de l'invention est de réduire le coût d'au moins certains éléments de l'appareil.
  • Tous les pourcentages relatifs à des puretés sont des pourcentages molaires.
  • L'invention implique l'utilisation d'un compresseur froid pour comprimer un gaz riche en oxygène, provenant d'une enceinte opérant à une pression en dessous de celle de la colonne basse pression, le gaz étant destiné à la cuve d'une colonne basse pression. Ceci permet de découpler la pression en cuve de colonne moyenne pression avec le haut de la colonne basse pression.
  • L'invention est particulièrement intéressante pour le cas où de l'air se condense partiellement dans le condenseur de l'enceinte opérant à plus basse pression que la colonne basse pression.
  • Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel :
    1. i) un débit d'air comprimé et épuré est refroidi dans un échangeur et envoyé à une colonne opérant à une moyenne pression
    2. ii) le débit d'air se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène
    3. iii) une partie du débit enrichi en azote est envoyé à une colonne basse pression
    4. iv) au moins une partie du débit enrichi en oxygène est envoyée à la colonne basse pression
    5. v) un débit riche en azote est soutiré de la tête de la colonne basse pression
    6. vi) un débit riche en oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression et envoyé à une enceinte contenant au moins un condenseur-vaporiseur
    7. vii) un débit gazeux provenant de l'enceinte en est soutiré renvoyé à la première colonne basse pression, de préférence en cuve
    8. viii) une partie du débit enrichi en azote de l'étape ii) se condense au moins partiellement dans un condenseur alimenté par un liquide de cuve de la colonne basse pression et est envoyé à la colonne moyenne pression et/ou la colonne basse pression
    9. ix) un débit de gaz calorigène, éventuellement au moins une partie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans l'échangeur de l'étape i), se condense au moins partiellement dans le condenseur vaporiseur de l'enceinte
    10. x) on soutire un fluide plus riche en oxygène de l'enceinte que le débit soutiré en cuve de la colonne basse pression
    caractérisé en ce que l'on détend le débit riche en oxygène soutiré de la cuve de la colonne basse pression en amont de l'enceinte et on pressurise le débit gazeux de l'enceinte en amont de la première colonne basse pression.
  • De préférence :
    • on comprime le débit gazeux provenant de l'enceinte dans un compresseur ayant une température d'entrée inférieure à -50°C, de préférence aucun étape de chauffage a lieu entre l'enceinte et le compresseur ;
    • on détend le débit riche en oxygène soutiré de la colonne basse pression à une pression au plus 1 bar en dessous de la pression en cuve de la colonne basse pression, de préférence au plus 0,5 bar, voire au plus 0,2 bar en dessous de cette pression et/ou on comprime le débit gazeux provenant de l'enceinte pour augmenter sa pression d'au plus 1 bar, de préférence au plus 0,5 bar, voire au plus 0,2 bar en amont de la colonne basse pression ;
    • l'enceinte ne contient pas de moyen d'échange de masse, voire ne contient ni garnissages ni plateaux de distillation ;
    • l'enceinte constitue une deuxième colonne basse pression et contient des moyens d'échange de masse, tels que des garnissages ou des plateaux de distillation, placés au moins au-dessus du condenseur.
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression, une colonne basse pression, une enceinte, un échangeur, un condenseur de la colonne basse pression et un condenseur placé dans l'enceinte, une conduite pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi de l'échangeur à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un gaz calorigène au condenseur placé dans l'enceinte, une conduite pour envoyer un gaz enrichi en azote de la colonne moyenne pression au condenseur de la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un débit enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer du liquide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à l'enceinte, une conduite pour soutirer de l'enceinte un fluide plus riche en oxygène que celui envoyé à l'enceinte, une conduite pour renvoyer un gaz de l'enceinte à la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un gaz en tête de la colonne basse pression caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détente pour détendre le liquide riche en oxygène en aval de la cuve de la colonne basse pression et en amont de l'enceinte et un compresseur pour comprimer le gaz de l'enceinte en aval de l'enceinte et en amont de la colonne basse pression.
  • Eventuellement :
    • l'enceinte comprend des moyens d'échange de matière au-dessus du condenseur;
    • l'enceinte ne comprend aucun moyen d'échange de matière au-dessus du condenseur ;
    • l'appareil comprend une turbine et une conduite pour envoyer un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression à la turbine ;
    • l'appareil comprend une pompe pour pressuriser un débit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression et/ou de l'enceinte en amont de l'échangeur.
  • L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui représentent des appareils selon l'invention.
  • Dans la Figure 1, l'air 1 est comprimé entre 3 et 5 bars dans un compresseur 3, épuré dans une unité d'épuration 5 et divisé en deux. Une partie 9 se refroidit dans l'échangeur 13 et est envoyée au condenseur de cuve 15 d'une enceinte 141 où elle se condense partiellement avant être envoyé à la colonne moyenne pression 39 d'une double colonne.
  • La double colonne comprend la colonne moyenne pression 39 et une colonne basse pression 41 qui la surmonte, le lien thermique entre les deux colonnes étant assuré par un condenseur 25 dans la cuve de la colonne basse pression 41.
  • L'autre partie de l'air 7 est comprimé dans un compresseur 11, refroidi dans l'échangeur 13 et utilisé pour vaporiser de l'oxygène liquide sous pression. Comme l'oxygène est vaporisé à une basse pression la vaporisation a lieu dans un vaporiseur extérieur 27, distinct de l'échangeur 13. L'air liquéfié ainsi formé est envoyé à la colonne moyenne pression 39 après détente dans une vanne 19. L'air liquide peut également être envoyé à la colonne basse pression.
  • Un liquide enrichi en oxygène 17 est soutiré en cuve de la colonne moyenne pression 39, refroidi dans l'échangeur 43, détendu dans une vanne et envoyé à la colonne basse pression 41. Un liquide 49 ayant substantiellement la composition de l'air est soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression 39, refroidi dans l'échangeur 43, détendu dans une vanne et envoyé à la colonne basse pression 41. Un liquide enrichi en azote 47 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 39, refroidi dans l'échangeur 43, détendu dans une vanne et envoyé en tête de la colonne basse pression 41.
  • Un gaz 45 riche en azote est soutiré en tête de la colonne basse pression, chauffé dans l'échangeur 43 et ensuite dans l'échangeur 13. Une partie de ce gaz peut être comprimé dans le compresseur 35 pour former le débit 37 qui participe à la régénération de l'unité d'épuration 5.
  • Un débit d'azote moyenne pression 33 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 39, chauffé dans l'échangeur 13, détendu dans la turbine 23 et de nouveau chauffé dans l'échangeur 13 avant de servir à la régénération de l'unité d'épuration 5.
  • Un débit riche en oxygène 53 contenant entre 45 et 75 % d'oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 41, détendu dans une vanne 51 et envoyé en tête de l'enceinte 141 qui dans cette variante est une colonne de distillation avec un condenseur de cuve 15. Au-dessus du condenseur se trouvent des moyens d'échange de chaleur et de masse 143, par exemple des garnissages, structurés ou pas, ou des plateaux. La vanne 51 ne fait baisser la pression du liquide que de 0.15 .bar environ
  • Le liquide 53 est séparé dans l'enceinte pour former un liquide plus riche en oxygène 29 en cuve. C'est ce liquide 29 qui est envoyé au vaporiseur 27 après pressurisation dans la pompe 63. Un liquide de purge 61 est soutiré du vaporiseur 27. Alternativement un gaz riche en oxygène peut être soutiré de l'enceinte 141.
  • Un gaz de tête 145 est soutiré de l'enceinte, comprimé à la température de soutirage dans un compresseur 21 qui fait augmenter sa pression d'au plus 0.15.bars. Le gaz produit est réinjecté dans la cuve de la colonne basse pression à la pression de sortie du compresseur 21.
  • Avec un écart de température dans l'échangeur 13 de 2°C au bout chaud, on obtient un gain d'environ 2.5% par rapport au même schéma sans le compresseur froid en cuve de la colonne basse pression
  • L'appareil de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 en ce que l'enceinte 141 ne contient pas de garnissages ou de plateaux. Il y a aussi la condensation partielle ascendante dans le vaporiseur 15. Ainsi la différence de composition entre le liquide 53 envoyé à l'enceinte et le liquide 29 soutiré de l'enceinte est très réduite même si le liquide 29 est tout de même plus riche en oxygène que le liquide 53. Le gaz 145 est le gaz produit par vaporisation partielle du liquide 53 dans l'enceinte 141 par échange de chaleur avec l'air 9.
  • Si on serre l'écart de température au bout chaud de l'échangeur 13 à 2°C, on a un gain d'environ 1.5% par rapport au même schéma sans compresseur froid en cuve BP.
  • On obtient une énergie très légèrement meilleure celui du procédé de WO-A-2007/129152 avec l'échangeur serré à 2°C au bout chaud. Même si dans les deux procédés, on utilise un compresseur froid, dans la variante de l'invention la puissance du compresseur froid est 10 fois plus petite que dans la variante de l'art antérieur et la turbine azote 2 fois plus petite. On constate aussi que le taux de compression dans la variante selon l'invention est très faible et qu'une technologie proche d'un ventilateur doit suffire pour le compresseur 21 : ces éléments permettent de dire que le compresseur froid 21 et la turbine 23 seront moins coûteux que dans le procédé de l'art antérieur.
  • La compression cryogénique d'un fluide relativement riche en oxygène ne doit pas poser de problème de sécurité.
  • Le concept de compression de la partie vapeur dans la colonne basse pression peut être étendu au cas des schémas avec trois condenseurs dans la colonne basse pression, avec un ou deux compresseurs froid à placer entre les trois condenseurs de la colonne basse pression.

Claims (10)

  1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel :
    i) un débit d'air comprimé et épuré est refroidi dans un échangeur (13) et envoyé à une colonne (39) opérant à une moyenne pression
    ii) le débit d'air se sépare en un débit enrichi en azote et un débit enrichi en oxygène
    iii) une partie du débit enrichi en azote est envoyé à une colonne basse pression (41)
    iv) au moins une partie du débit enrichi en oxygène est envoyée à la colonne basse pression
    v) un débit riche en azote est soutiré de la tête de la colonne basse pression
    vi) un débit riche en oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression et envoyé à une enceinte (141) contenant au moins un condenseur-vaporiseur (15)
    vii) un débit gazeux provenant de l'enceinte en est soutiré renvoyé à la colonne basse pression, de préférence en cuve,
    viii) une partie du débit enrichi en azote de l'étape ii) se condense au moins partiellement dans un condenseur (25) alimenté par du liquide provenant de la colonne basse pression et est envoyé à la colonne moyenne pression et/ou la colonne basse pression
    ix) un débit de gaz calorigène, éventuellement au moins une partie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans l'échangeur de l'étape i), se condense au moins partiellement dans le condenseur vaporiseur de l'enceinte
    x) on soutire un fluide plus riche en oxygène de l'enceinte que le débit soutiré en cuve de la colonne basse pression
    xi) caractérisé en ce que l'on détend le débit riche en oxygène soutiré de la cuve de la colonne basse pression en amont de l'enceinte et on pressurise le débit gazeux de l'enceinte en amont de la première colonne basse pression.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on comprime le débit gazeux provenant de l'enceinte dans un compresseur (21) ayant une température d'entrée inférieure à -50°C, de préférence aucun étape de chauffage ayant lieu entre l'enceinte et le compresseur.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on détend le débit riche en oxygène soutiré de la colonne basse pression (41) à une pression au plus 1 bar en dessous de la pression en cuve de la colonne basse pression, de préférence au plus 0,5 bar, voire au plus 0,2 bar en dessous de cette pression et/ou on comprime le débit gazeux provenant de l'enceinte (141) pour augmenter sa pression d'au plus 1 bar, de préférence au plus 0,5 bar, voire au plus 0,2 bar en amont de la colonne basse pression.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'enceinte (141) ne contient pas de moyen d'échange de masse, voire ne contient ni garnissages ni plateaux de distillation.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel l'enceinte (141) constitue une deuxième colonne basse pression et contient des moyens d'échange de masse (143), tels que des garnissages ou des plateaux de distillation, placés au moins au-dessus du condenseur.
  6. Appareil de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression (39), une colonne basse pression (41), une enceinte (141), un échangeur (13), un condenseur (25) de la colonne basse pression et un condenseur (15)placé dans l'enceinte, une conduite pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi de l'échangeur à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un gaz calorigène au condenseur placé dans l'enceinte, une conduite pour envoyer un gaz enrichi en azote de la colonne moyenne pression au condenseur de la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un débit enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer du liquide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression à l'enceinte, une conduite pour soutirer de l'enceinte un fluide plus riche en oxygène que celui envoyé à l'enceinte, une conduite pour renvoyer un gaz de l'enceinte à la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un gaz en tête de la colonne basse pression caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de détente (51) pour détendre le liquide riche en oxygène en aval de la cuve de la colonne basse pression et en amont de l'enceinte et un compresseur (21) pour comprimer le gaz de l'enceinte en aval de l'enceinte et en amont de la colonne basse pression.
  7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel l'enceinte (141) comprend des moyens d'échange de matière (143) au-dessus du condenseur (15).
  8. Appareil selon la revendication 6 dans lequel l'enceinte (141) ne comprend aucun moyen d'échange de matière au-dessus du condenseur (15).
  9. Appareil selon l'une des revendications précédentes 6 à 8 comprenant une turbine (23) et une conduite pour envoyer un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression à la turbine.
  10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 comprenant une pompe (63) pour pressuriser un débit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression et/ou de l'enceinte en amont de l'échangeur.
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