EP3889530A1 - Procédé de démarrage d'une colonne de séparation d argon d'un appareil de séparation d air par distillation cryogénique et unité pour mise en oeuvre du procédé - Google Patents

Procédé de démarrage d'une colonne de séparation d argon d'un appareil de séparation d air par distillation cryogénique et unité pour mise en oeuvre du procédé Download PDF

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EP3889530A1
EP3889530A1 EP21166349.7A EP21166349A EP3889530A1 EP 3889530 A1 EP3889530 A1 EP 3889530A1 EP 21166349 A EP21166349 A EP 21166349A EP 3889530 A1 EP3889530 A1 EP 3889530A1
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EP
European Patent Office
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column
argon
separation column
nitrogen
gas
Prior art date
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Pending
Application number
EP21166349.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Antonio TRUEBA
David Bednarski
Bernard Saulnier
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.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA 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
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Definitions

  • the present invention relates to a process for starting an argon separation column of an air separation apparatus by cryogenic distillation. It also relates to a unit capable of being started by this method.
  • the field of application of the present invention is delimited for air separation units equipped with a production of cryogenic argon, that is to say with an impure argon column (which allows the separation of argon and oxygen) and a pure argon column (also called denitrogenation column which eliminates nitrogen and thus obtain pure argon).
  • the air separation apparatuses concerned by this invention comprise a double column, comprising a first column operating at a first pressure and a second column operating at a second pressure, lower than the first pressure.
  • the second column is supplied with a nitrogen enriched liquid and an oxygen enriched liquid from the first column.
  • argon-enriched gas often referred to as raw argon
  • An argon-enriched gas is withdrawn from the second column, and sent to an argon separation column having an overhead condenser.
  • the raw argon is rectified in an oxygen-rich reflux (which is then sent to the second column) and in a very argon-rich stream (often called an “argon mixture”) which hardly contains any oxygen (the oxygen content in the argon mixture is typically less than 3 ppm oxygen).
  • This argon mixture is sent to a denitrogenation column in order to remove the nitrogen by reboiling.
  • pure argon is withdrawn in liquid form and is sent to a liquid argon storage.
  • the argon separation column (“argon mixture” column) can be in two parts in order to reduce the size of the cold box.
  • the denitrogenation column is not supplied as long as the oxygen contents of the fluid extracted at the top of the argon separation column are not correct. During this period, the gas produced at the top of the argon separation column is sent to the air.
  • EP1482266 shows the case where the gas sent to the atmosphere during start-up is reheated in the main exchanger to recover the frigories. It is not explained how the sending of gas is controlled.
  • KR10196331 proposes to store the argon produced at the top of the mixture column while the double column is not operating.
  • argon mixture columns which do not serve to provide an argon-rich product but only to reduce the argon content of an oxygen-rich product from the double column.
  • the flow withdrawn from the top of the column contains up to 10 mol% of oxygen, or even up to 15 mol% of oxygen.
  • the invention also applies to processes with the production of gaseous or liquid argon.
  • the object of the invention is to optimize and accelerate the start-up phase of an argon mixture column.
  • a unit for the production of argon by cryogenic distillation adapted to be connected to a double air separation column consisting of a first and a second column thermally connected to one another, comprising an argon separation column surmounted by a top condenser, a gaseous nitrogen withdrawal pipe connected to the second column and adapted to be connected to a heat exchanger, means for connecting the head of the separation column argon to the pipe, means for sending an overhead gas from the argon separation column to the atmosphere, an analyzer for measuring the nitrogen content at the top of the argon separation column and / or in a fluid withdrawn from the top of the argon separation column, means, capable of being controlled during start-up, for opening and closing the means for sending the overhead gas from the argon separation column to the atmosphere depending on the az content ote detected by the analyzer and means capable of being controlled during start-up, for opening and closing the means for sending the overhead gas from the argon separation column to the atmosphere as
  • the unit can include a double air separation column comprising a first column operating at a first pressure and a second column operating at a second pressure, lower than the first pressure, the head of the first column being thermally connected to the vessel. of the second column and comprising means for sending air to the first column, means for sending a fluid enriched in nitrogen and a fluid enriched in oxygen from the first column to the second column, optionally another column supplied by a gas coming from an intermediate point of the second column, the argon separation column being connected to receive a gas coming from an intermediate point of the second column or a gas coming from the other column.
  • the second threshold can be less than or equal to the first threshold.
  • a method for regulating a separation apparatus comprising a method for starting the apparatus according to one of claims 5 to 11 in which during the start-up the content of nitrogen at the top of the argon separation column with an analyzer and outside the start-up, the nitrogen content of a gas supplied to the argon separation column with the analyzer is measured.
  • An analyzer allowing the measurement of nitrogen in oxygen and argon would allow regulation of the degassing valve in order to minimize the loss of argon during the start-up phase and therefore to accelerate it.
  • the main characteristic of the invention is to add a control loop on the degassing valve of the argon separation column, called argon mixture column.
  • argon mixture column By measuring the nitrogen concentration of the head of the mixture column with an analyzer, it is possible to send a flow from the head of the mixture column to the atmosphere when the nitrogen concentration is above a threshold and send the flow to a denitrogenation column, as soon as the nitrogen concentration is below the threshold.
  • This analyzer makes it possible to analyze the concentration of nitrogen in a range going from 10 ppm up to 100% N2 in a mixture of oxygen and argon.
  • the main interest is to minimize the losses of argon and to accelerate the start-up of the unit.
  • the uncondensable valve remains open until the N2 + O2 measurement is below a threshold.
  • the nitrogen is very quickly expelled from the column and the opening of the incondensable valve only has the effect of extending the start-up time.
  • the non-condensable degassing valve is a valve regulated by the measurement of nitrogen concentration by means of a dedicated analyzer.
  • Start-up time savings can go up to 25% depending on the type of start-up.
  • compressed air 1 is sent to the first column K1 of a double column comprising a first and a second column K1, K2 superimposed and communicating thermally by an oxygen / nitrogen exchanger 4 called vaporizer-condenser.
  • an oxygen / nitrogen exchanger 4 called vaporizer-condenser.
  • gaseous nitrogen from the first column K1 condenses by vaporizing liquid oxygen from the bottom of the second column K2.
  • the nitrogen is separated from the air creating oxygen-rich liquid 3 at the bottom of the column and nitrogen-rich liquid and vapor at the top of the first column.
  • These products are extracted and nitrogen enriched liquid and oxygen enriched liquid are sent separately from the first column K1 to the second column K2, operating at a lower pressure than the first column.
  • Substantially pure nitrogen 7 is formed at the top of the second column K2, impure nitrogen 19 is formed at an intermediate level of the second column K2 e substantially pure oxygen 5 is formed at the bottom of column K2 and argon-rich gas in the middle of column K2. At least some of these fluids are sent to heat in a heat exchanger where the air 1 intended for column K1 cools.
  • the impure nitrogen line 19 is adapted to be connected to a heat exchanger.
  • the central fraction ORG 7, rich in argon, often called crude argon is withdrawn from the low pressure column and feeds a K3 argon separation column operating at substantially the same pressure as the second K2 column, with the aim of to ultimately produce argon.
  • the first column K3 comprises an overhead condenser.
  • the raw argon is rectified in a reflux rich in ORL 9 oxygen (which is subsequently sent to the low pressure column K2) and in a fluid enriched in argon 13.
  • the fluid enriched in argon 13,17, containing for example less than 3 ppm of oxygen, in liquid or gaseous form is sent to a denitrogenation column K4 comprising a bottom reboiler and an overhead condenser in order to remove the nitrogen by reboiling.
  • a denitrogenation column K4 comprising a bottom reboiler and an overhead condenser in order to remove the nitrogen by reboiling.
  • pure LAR argon is withdrawn in liquid form and is sent to a liquid argon storage (not shown).
  • a flow enriched in nitrogen is withdrawn at the top of the denitrogenation column K4.
  • the K3 argon separation column can be made up of two columns, as shown here in order to reduce the size of the cold box, or can be made up of a single column as shown in figure 1 .
  • the overhead gas from the argon separation column is sent. to the atmosphere.
  • the overhead gas from the argon separation column is sent to a denitrogenation column to separate there and a fluid rich in argon is withdrawn from the denitrogenation column as product.
  • the first and second thresholds can have the same value.
  • the AlC2 analyzer is capable of analyzing nitrogen concentration in a range of 10 ppm up to 100% nitrogen in a mixture of oxygen, nitrogen and argon.
  • the AlC2 analyzer measures the nitrogen content at the top of the column K3 and / or in a fluid withdrawn from the top of the argon separation column K3.
  • the analyzer does not necessarily analyze the gas to be sent to the atmosphere but can analyze another fluid whose nitrogen content is indicative of that of the flow 15.
  • the gas becomes less and less rich in nitrogen and more and more rich in argon.
  • the degassing valve is closed and the gas is sent as flow 17 to the denitrogenation column K4 by opening a valve to the K4 denitrogenation column.
  • the flow rate is sent to the air through the degassing valve. opened. As soon as the nitrogen concentration drops below the threshold, the venting is stopped and the flow 17 is sent to an intermediate level of the denitrogenation column K4 to produce pure argon in the bottom of the K4 column.
  • a threshold for example 0.5 mol%
  • an AlC1 analyzer can be used to measure nitrogen in a fluid, such as overhead gas, from the K3 argon separation column during start-up and to measuring nitrogen in the gas supplied to the K3 argon separation column during normal operation of the K3 argon separation column.
  • the AlC1 analyzer is capable of analyzing nitrogen concentration in a range of 10 ppm up to 100% N2 in a mixture of oxygen, nitrogen and argon.
  • the AlC1 analyzer alternately analyzes the flow rate 7 and a fluid, for example the overhead gas 15, from the column K3 in order to measure their nitrogen content. It can therefore analyze the flow 7 and the overhead gas 15 during start-up and / or analyze the flow 7 and the overhead gas 15 during normal operation.
  • an AlC1 analyzer can be used to measure nitrogen in the overhead gas of the K3 argon separation column during start-up and to measure nitrogen in the gas supplied to the K3 argon separation column during normal operation of the K3 argon separation column.
  • the AlC1 analyzer is capable of analyzing nitrogen concentration in a range of 10 ppm up to 100% N2 in a mixture of oxygen, nitrogen and argon.
  • the AlC1 analyzer alternately analyzes the flow rate 7 and the overhead gas of the column K3 in order to measure their nitrogen content. It can therefore analyze the flow 7 and the overhead gas during start-up and / or analyze the flow 7 and the overhead gas during normal operation.
  • the apparatus according to the invention can constitute a module separate from the double column which will be constructed and assembled and then sent on site to be connected to the double column.
  • Column K3 and column K4 if present can be isolated by a cold box independent of that of the double column.
  • the column K3 can be in two sections, one constituting the lower part of the column K3 and the other the upper part with the condenser 6.
  • the argon separation column K3 can be connected to receive a gas 7 coming from an intermediate point of the second column or a gas coming from a column supplied with the gas coming from an intermediate point of the second column.
  • FIG. 2 shows the case of a simulation with manual use of the degassing valve sending the gas 15 to the air and a case with regulation of the degassing valve according to the invention.
  • FIG. 2 shows the variation of a vaporized rich liquid flow rate produced by the top condenser of the argon separation column over time with a simulation with manual use of the degassing valve compared to the case with regulation of the degassing valve according to the invention.
  • the solid line indicates real data from a device, the lines the simulation according to the invention and the dotted lines the simulation according to the prior art.
  • FIG. 3 shows the variation of the total percentage of nitrogen and oxygen in the overhead gas of the argon separation column over time comparing the case of a simulation with manual use of the degassing valve and a case with regulation of the degassing valve according to the invention.
  • the invention makes it possible to reduce the nitrogen and oxygen concentration much more quickly.
  • FIG. 4 shows the opening of the degassing valve over time for the case of a simulation with manual use of the degassing valve and a case with regulation of the degassing valve according to the invention.
  • FIG. 5 shows the percentage of nitrogen in the overhead gas of the argon separation column over time for the case of a simulation with manual use of the degassing valve and a case with regulation of the degassing valve according to l 'invention.
  • FIG. 6 shows the percentage of oxygen in the middle of the argon separation column over time in the case of a simulation with manual use of the degassing valve and a case with regulation of the degassing valve according to the invention. It can be seen that the invention makes it possible to reduce oxygen more rapidly.
  • FIG. 7 shows the percentage of oxygen in the overhead gas of the argon separation column over time for the case of a simulation with manual use of the valve
  • FIG. 8 shows the gas flow rate at the top of the argon separation column over time for the case of a simulation with manual use of the degassing valve and a case with regulation of the degassing valve according to the invention.

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Abstract

Une unité de production d'argon par distillation cryogénique, adaptée à être reliée à une double colonne de séparation d'air constituée par une première et une deuxième colonne (K1,K2) reliées thermiquement entre elles, comprend une colonne de séparation d'argon (K3) surmontée d'un condenseur de tête et une colonne de déazotation (K4), des moyens pour soutirer un produit riche en argon et appauvri en azote (LAR) en cuve de la colonne de déazotation, des moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation, des moyens pour envoyer un gaz de tête (13,15) de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère, des moyens pour soutirer un fluide riche en azote de la tête de la colonne de déazotation, un analyseur (AIC1, AIC2) pour mesurer la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon et des moyens pour ouvrir et fermer les moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur.

Description

  • La présente invention est relative à un procédé de démarrage d'une colonne de séparation d'argon d'un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Elle concerne également une unité capable d'être démarrée par ce procédé.
  • Le domaine d'application de la présente invention est délimité pour les unités de séparation d'air équipé d'une production d'argon cryogénique, c'est-à-dire d'une colonne d'argon impur (qui permet la séparation de l'argon et de l'oxygène) et d'une colonne d'argon pur (aussi appelée colonne de déazotation qui permet d'éliminer l'azote et ainsi d'obtenir de l'argon pur).
  • Les appareils de séparation d'air concernés par cette invention comprennent une double colonne, comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, plus basse que la première pression. La deuxième colonne est alimentée par un liquide enrichi en azote et un liquide enrichi en oxygène provenant de la première colonne.
  • A cause des différences de volatilité relative entre l'argon, l'azote et l'oxygène, de l'azote pratiquement pur est formé en haut de la deuxième colonne, de l'oxygène pratiquement pur est formé en bas de la deuxième colonne et du gaz riche en argon au milieu de la deuxième colonne. Un gaz enrichi en argon, souvent appelé argon brut, est soutiré de la deuxième colonne, et envoyé à une colonne de séparation d'argon ayant un condenseur de tête. L'argon brut est rectifié en un reflux riche en oxygène (qui est par la suite envoyé à la deuxième colonne) et en un flux très riche en argon (souvent appelé «mixture argon») qui ne contient pratiquement plus d'oxygène (la teneur en oxygène dans la mixture argon est classiquement inférieure à 3 ppm d'oxygène). Cette mixture argon est envoyée dans une colonne de déazotation afin d'éliminer l'azote par rebouillage. En pied de colonne de déazotation, de l'argon pur est soutiré sous forme liquide et est envoyé dans un stockage d'argon liquide.
  • La colonne de séparation d'argon (colonne de «mixture argon») peut être en deux parties afin de réduire la taille de la boîte froide.
  • Comme décrit dans FR2911392 , au démarrage, la colonne de déazotation n'est pas alimentée tant que les teneurs en oxygène du fluide extrait en tête de la colonne de séparation d'argon ne sont pas correctes. Pendant cette période, le gaz produit en tête de la colonne de séparation d'argon est envoyé à l'air.
  • Le procédé de FR2911392 proposait d'alimenter la colonne de déazotation pendant le démarrage même si les teneurs d'oxygène n'étaient pas satisfaisantes et de renvoyer le liquide de cuve de la colonne de déazotation vers la colonne de séparation d'argon. EP1482266 montre le cas où le gaz envoyé à l'atmosphère pendant le démarrage est réchauffé dans l'échangeur principal pour récupérer les frigories. Il n'est pas expliqué comment l'envoi du gaz est commandé.
  • KR10196331 propose de stocker l'argon produit en haut de la colonne de mixture pendant que la double colonne ne fonctionne pas.
  • Il existe également des colonnes de mixture argon qui ne servent pas à fournir un produit riche en argon mais seulement à réduire le contenu en argon d'un produit riche en oxygène de la double colonne. Dans ce cas, le débit soutiré en tête de la colonne contient jusqu'à 10% mol d'oxygène, voire jusqu'à 15% mol d'oxygène.
  • L'invention s'applique également aux procédés avec production d'argon gazeux ou liquide.
  • L'invention a pour but d'optimiser et d'accélérer la phase de démarrage d'une colonne de mixture argon.
  • Selon un objet de l'invention, il est prévu une unité de production d'argon par distillation cryogénique, adaptée à être reliée à une double colonne de séparation d'air constituée par une première et une deuxième colonne reliées thermiquement entre elles, comprenant une colonne de séparation d'argon surmontée d'un condenseur de tête et une colonne de déazotation, des moyens pour soutirer un produit riche en argon et appauvri en azote en cuve de la colonne de déazotation, des moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation, des moyens pour envoyer un gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère, des moyens pour soutirer un fluide riche en azote de la tête de la colonne de déazotation, un analyseur pour mesurer la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon et/ou dans un fluide soutiré en tête de la colonne de séparation d'argon et des moyens pour ouvrir et fermer :
    1. i) les moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation et/ou
    2. ii) les moyens pour envoyer le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur.
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une unité de production d'argon par distillation cryogénique, adaptée à être reliée à une double colonne de séparation d'air constituée par une première et une deuxième colonne reliées thermiquement entre elles, comprenant une colonne de séparation d'argon surmontée d'un condenseur de tête, une conduite de soutirage d'azote gazeux reliée à la deuxième colonne et adaptée à être reliée à un échangeur de chaleur, des moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la conduite, des moyens pour envoyer un gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère, un analyseur pour mesurer la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon et/ou dans un fluide soutiré en tête de la colonne de séparation d'argon, des moyens, capables d'être commandés lors du démarrage, pour ouvrir et fermer les moyens pour envoyer le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur et des moyens capables d'être commandés lors du démarrage, pour ouvrir et fermer les moyens pour envoyer le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur.
  • L'unité peut comprendre une double colonne de séparation d'air comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne et comprenant des moyens pour envoyer de l'air à la première colonne, des moyens pour envoyer un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène de la première colonne à la deuxième colonne, éventuellement une autre colonne alimentée par un gaz provenant d'un point intermédiaire de la deuxième colonne la colonne de séparation d'argon étant reliée pour recevoir un gaz provenant d'un point intermédiaire de la deuxième colonne ou un gaz provenant de l'autre colonne.
  • Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention :
    • l'analyseur est également relié pour mesurer la teneur d'azote dans le gaz enrichi en argon envoyé vers la colonne de séparation d'argon.
    • l'analyseur est relié pour mesurer alternativement la teneur d'azote dans le gaz enrichi en argon et la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de démarrage d'une colonne de séparation d'argon par distillation cryogénique, dans lequel on envoie un fluide enrichi en argon provenant directement ou indirectement d'une double colonne de séparation d'air comprenant une première colonne et une deuxième colonne reliées thermiquement entre elles, à une colonne de séparation d'argon (K3) dans lequel pendant le démarrage de la colonne:
      1. i. si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est au-dessus d'un premier seuil, on envoie le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère et
      2. ii. si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est en dessous d'un deuxième seuil, inférieur ou égal au premier seuil, on envoie le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à une colonne de déazotation pour s'y séparer et on soutire un fluide riche en argon de la colonne de déazotation comme produit.
  • Pendant le démarrage si la teneur en azote en tête est au-dessus du premier seuil, de préférence on n'envoie pas de gaz à séparer à la colonne de déazotation ou, le cas échéant, à la conduite.
  • Selon d'autres aspects facultatifs :
    • pendant le démarrage si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est en dessous du deuxième seuil, on n'envoie pas de gaz de la tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère.
    • on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon au moyen d'un analyseur capable d'analyser la concentration d'azote dans une gamme allant de 10 ppm jusqu'à 100% N2 dans un mélange d'oxygène, d'azote et d'argon.
  • Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de régulation d'un appareil de séparation comprenant un procédé de démarrage de l'appareil tel que décrit ci-dessus dans lequel :
    • pendant le démarrage on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon avec un analyseur et en dehors du démarrage on mesure la teneur en azote d'un gaz alimentant la colonne de séparation d'argon avec l'analyseur,
    • pendant le démarrage la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon augmente.
  • Le deuxième seuil peut être inférieur ou égal au premier seuil.
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de régulation d'un appareil de séparation comprenant un procédé de démarrage de l'appareil selon l'une des revendications 5 à 11 dans lequel pendant le démarrage on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon avec un analyseur et en dehors du démarrage on mesure la teneur en azote d'un gaz alimentant la colonne de séparation d'argon avec l'analyseur.
  • Un analyseur permettant la mesure de l'azote dans l'oxygène et l'argon permettrait une régulation de la vanne de dégazage afin de minimiser la perte d'argon pendant la phase de démarrage et donc de l'accélérer.
  • La caractéristique principale de l'invention est d'ajouter une boucle de régulation sur la vanne de dégazage de la colonne de séparation d'argon, dit colonne de mixture argon. En mesurant la concentration en azote de la tête de la colonne de mixture avec un analyseur, il est possible d'envoyer à l'atmosphère un débit provenant de la tête de la colonne de mixture quand la concentration en azote est au-dessus d'un seuil et d'envoyer le débit à une colonne de déazotation, dès que la concentration en azote est en dessous du seuil. Cet analyseur permet d'analyser la concentration d'azote dans une gamme allant de 10 ppm jusqu'à 100% N2 dans un mélange d'oxygène et d'argon.
  • L'intérêt principal est de minimiser les pertes d'argon et d'accélérer le démarrage de l'unité.
  • Pendant la phase de démarrage, où la concentration en O2 est importante, la mesure d'azote dans le gaz produit en tête de la colonne de séparation d'argon est faussée par la présence d'O2.
  • De ce fait, la vanne des incondensables reste ouverte jusqu'à ce que la mesure N2+O2 soit en dessous d'un seuil. Or, l'azote est très vite chassé de la colonne et l'ouverture de la vanne des incondensables n'a pour effet que d'allonger le temps de démarrage. Dans le procédé proposé, la vanne de dégazage des incondensables est une vanne régulée par la mesure de concentration d'azote au moyens d'un analyseur dédié.
  • Avec cette configuration, les pertes d'argon pendant la phase de démarrage se voient sensiblement réduites. De plus, cela permet une automatisation de cette phase pour un démarrage optimal.
  • Les gains en temps de démarrage peuvent aller jusqu'à 25% en fonction du type démarrage.
  • L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures.
    • [Fig. 1] montre une unité selon l'invention.
    • [Fig. 2] montre la variation d'un débit de liquide riche vaporisé produit par le condenseur de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps avec une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage comparé au cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
    • [Fig. 3] montre la variation du pourcentage total d'azote et d'oxygène dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps comparant le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
    • [Fig. 4] montre l'ouverture de la vanne de dégazage dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
    • [Fig. 5] montre le pourcentage d'azote dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
    • [Fig. 6] montre le pourcentage d'oxygène au milieu de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
    • [Fig. 7] montre le pourcentage d'oxygène dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
    • [Fig. 8] montre le débit de gaz en tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
  • Dans la Figure 1, de l'air comprimé 1 est envoyé à la première colonne K1 d'une double colonne comprenant une première et une deuxième colonnes K1, K2 superposées et communiquant thermiquement par un échangeur oxygène/azote 4 appelé vaporiseur-condenseur. Dans cet échangeur 4, de l'azote gazeux de la première colonne K1 se condense en vaporisant de l'oxygène liquide de la cuve de la deuxième colonne K2. Dans la première colonne K1 opérant à une première pression, l'azote est séparé de l'air en créant du liquide riche en oxygène 3 au fond de la colonne et du liquide et de la vapeur riche en azote en haut de la première colonne. Ces produits sont extraits et du liquide enrichi en azote et du liquide enrichi en oxygène sont envoyés séparément depuis la première colonne K1 à la deuxième colonne K2, opérant à une pression plus basse que la première colonne. De l'azote pratiquement pur 7 est formé en haut de la deuxième colonne K2, de l'azote impur 19 est formé à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne K2 e l'oxygène pratiquement pur 5 est formé en bas de la colonne K2 et du gaz riche en argon au milieu de la colonne K2. Au moins certains de ces fluides sont envoyés se réchauffer dans un échangeur de chaleur où se refroidit l'air 1 destiné à la colonne K1. La conduite de l'azote impur 19 est adapté pour être relié à un échangeur de chaleur. La fraction centrale ORG 7, riche en argon, souvent appelée de l'argon brut, est soutirée de la colonne basse pression et alimente une colonne de séparation d'argon K3 opérant à substantiellement la même pression que la deuxième colonne K2, dans le but de produire in fine de l'argon. La première colonne K3 comprend un condenseur de tête. L'argon brut est rectifié en un reflux riche en oxygène ORL 9 (qui est par la suite envoyé à la colonne basse pression K2) et en un fluide enrichi en argon 13.
  • Le fluide enrichi en argon 13,17, contenant par exemple moins que 3ppm d'oxygène, sous forme liquide ou gazeuse est envoyé à une colonne de déazotation K4 comprenant un rebouilleur de cuve et un condenseur de tête afin d'éliminer l'azote par rebouillage. En pied de colonne de déazotation K4, de l'argon pur LAR est soutiré sous forme liquide et est envoyé dans un stockage d'argon liquide (non-illustré). Un débit enrichi en azote est soutiré en tête de la colonne de déazotation K4.
  • La colonne de séparation d'argon K3 peut être constituée par deux colonnes, comme illustrée ici afin de réduire la taille de la boîte froide, ou peut être constituée par une colonne unique comme illustrée à la figure 1.
  • Pour réguler l'opération de la colonne de déazotation, si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est au-dessus d'un premier seuil, on envoie le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère.
  • Si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est en dessous d'un deuxième seuil, inférieur ou égal au premier seuil, on envoie le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à une colonne de déazotation pour s'y séparer et on soutire un fluide riche en argon de la colonne de déazotation comme produit.
  • Le premier et deuxième seuils peuvent avoir la même valeur.
  • Par exemple, lors d'un démarrage de colonne de séparation d'argon K3, on commence par mettre à l'air le gaz riche en azote 15 formé en tête de la colonne de séparation d'argon en ouvrant une vanne de dégazage régulée par le niveau d'azote mesuré par l'analyseur AlC2. L'analyseur AlC2 est capable d'analyser la concentration d'azote dans une gamme allant de 10 ppm jusqu'à 100% d'azote dans un mélange d'oxygène, d'azote et d'argon. L'analyseur AlC2 mesure la teneur en azote en tête de la colonne K3 et/ou dans un fluide 15 soutiré en tête de la colonne de séparation d'argon K3. L'analyseur n'analyse pas nécessairement le gaz à envoyer à l'atmosphère mais peut analyser un autre fluide dont la teneur en azote est indicative de celle du débit 15.
  • Au fur et à mesure que le démarrage avance, le gaz 15 devient de moins en moins riche en azote et de plus en plus riche en argon. Quand la concentration en azote baisse jusqu'à 0,5% mol, on arrête d'envoyer le gaz 15 à l'air, on ferme la vanne de dégazage et on envoie le gaz comme débit 17 à la colonne de déazotation K4 en ouvrant une vanne vers la colonne de déazotation K4.
  • Tant que l'analyseur AlC2 mesure une concentration en azote en haut de la colonne de séparation d'argon K3 supérieur à un seuil, par exemple 0,5 % mol, le débit 15 est envoyé à l'air à travers la vanne de dégazage ouverte. Dès que la concentration en azote passe en dessous du seuil, la mise à l'air est arrêtée et le débit 17 est envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne de déazotation K4 pour produire de l'argon pur en cuve de colonne K4.
  • Pour simplifier l'appareil et pour réduire le coût de l'instrumentation, un analyseur AlC1 peut servir à mesurer l'azote dans un fluide, par exemple le gaz de tête, de la colonne de séparation d'argon K3 pendant le démarrage et à mesurer l'azote dans le gaz alimentant la colonne de séparation d'argon K3 pendant l'opération normale de la colonne de séparation d'argon K3. L'analyseur AlC1 est capable d'analyser la concentration d'azote dans une gamme allant de 10 ppm jusqu'à 100% N2 dans un mélange d'oxygène, d'azote et d'argon.
  • Il est également possible que l'analyseur AlC1 analyse alternativement le débit 7 et un fluide, par exemple le gaz de tête 15, de la colonne K3 pour mesurer leur teneur en azote. Il peut donc analyser le débit 7 et le gaz de tête 15 pendant le démarrage et/ou analyser le débit 7 et le gaz de tête 15 pendant l'opération normale.
  • Pour simplifier l'appareil et pour réduire le coût de l'instrumentation, un analyseur AlC1 peut servir à mesurer l'azote dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon K3 pendant le démarrage et à mesurer l'azote dans le gaz alimentant la colonne de séparation d'argon K3 pendant l'opération normal de la colonne de séparation d'argon K3. L'analyseur AlC1 est capable d'analyser la concentration d'azote dans une gamme allant de 10 ppm jusqu'à 100% N2 dans un mélange d'oxygène, d'azote et d'argon.
  • Il est également possible que l'analyseur AlC1 analyse alternativement le débit 7 et le gaz de tête de la colonne K3 pour mesurer leur teneur en azote. Il peut donc analyser le débit 7 et le gaz de tête pendant le démarrage et/ou analyser le débit 7 et le gaz de tête pendant l'opération normale.
  • Il sera compris que l'appareil selon l'invention peut constituer un module séparé de la double colonne qui sera construit et assemblé et ensuite envoyé sur site pour être relié à la double colonne. La colonne K3 et la colonne K4 si présente peu(ven)t être isolée(s) par une boîte froide indépendante de celle de la double colonne.
  • Il sera compris que la colonne K3 peut être en deux sections, une constituant la partie inférieure de la colonne K3 et l'autre la partie supérieure avec le condenseur 6.
  • Dans certains cas, pour chaque variante de la [Fig. 1] il peut être suffisant d'avoir soit des moyens pour ouvrir et fermer les moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur soit des moyens pour ouvrir et fermer les moyens pour envoyer un gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur.
  • La colonne de séparation d'argon K3 peut être reliée pour recevoir un gaz 7 provenant d'un point intermédiaire de la deuxième colonne ou un gaz provenant une colonne alimentée par le gaz provenant d'un point intermédiaire de la deuxième colonne
  • [Fig. 2] montre le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage envoyant à l'air le gaz 15 et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention. [Fig. 2] montre la variation d'un débit de liquide riche vaporisé produit par le condenseur de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps avec une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage comparé au cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention. Pour toutes les figures à partir de la Fig. 2, la ligne solide indique des données réelles d'un appareil, les traits la simulation selon l'invention et les pointillés la simulation selon l'art antérieur.
  • On peut voir pour la Fig.2 que le débit augmente dans les deux cas.
  • [Fig. 3] montre la variation du pourcentage total d'azote et d'oxygène dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps comparant le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention. Ici on voit que l'invention permet de réduire beaucoup plus rapidement la concentration en azote et en oxygène.
  • [Fig. 4] montre l'ouverture de la vanne de dégazage dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
  • [Fig. 5] montre le pourcentage d'azote dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.
  • [Fig. 6] montre le pourcentage d'oxygène au milieu de la colonne de séparation d'argon dans le temps le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention. On voit que l'invention permet de réduire l'oxygène plus rapidement.
  • [Fig. 7] montre le pourcentage d'oxygène dans le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne
  • de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention. On voit que l'invention permet de réduire l'oxygène plus rapidement.
  • [Fig. 8] montre le débit de gaz en tête de la colonne de séparation d'argon dans le temps pour le cas d'une simulation avec utilisation manuelle de la vanne de dégazage et un cas avec régulation de la vanne de dégazage selon l'invention.

Claims (12)

  1. Unité de production d'argon par distillation cryogénique, adaptée à être reliée à une double colonne de séparation d'air constituée par une première et une deuxième colonne (K1,K2) reliées thermiquement entre elles, comprenant une colonne de séparation d'argon (K3) surmontée d'un condenseur de tête et une colonne de déazotation (K4), des moyens pour soutirer un produit riche en argon et appauvri en azote (LAR) en cuve de la colonne de déazotation, des moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation, des moyens pour envoyer un gaz de tête (13, 15) de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère, des moyens pour soutirer un fluide riche en azote de la tête de la colonne de déazotation, un analyseur (AlC1, AlC2) pour mesurer la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon et/ou dans un fluide soutiré en tête de la colonne de séparation d'argon, des moyens, capables d'être commandés lors du démarrage, pour ouvrir et fermer les moyens pour envoyer le gaz de tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur et des moyens, capables d'être commandés lors du démarrage, pour ouvrir et fermer les moyens pour relier la tête de la colonne de séparation d'argon à la colonne de déazotation en fonction de la teneur en azote détectée par l'analyseur.
  2. Unité selon la revendication 1 comprenant une double colonne de séparation d'air comprenant une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne, éventuellement une autre colonne alimentée par un gaz provenant d'un point intermédiaire de la deuxième colonne, et comprenant des moyens pour envoyer de l'air (1) à la première colonne, des moyens pour envoyer un fluide enrichi en azote et un fluide enrichi en oxygène (3) de la première colonne à la deuxième colonne, la colonne de séparation d'argon (K3) étant reliée pour recevoir un gaz (7) provenant d'un point intermédiaire de la deuxième colonne ou un gaz provenant de l' autre colonne
  3. Unité selon la revendication 2 dans lequel l'analyseur (AlC1) est également relié pour mesurer la teneur d'azote dans le gaz (7) enrichi en argon envoyé vers la colonne de séparation d'argon (K3).
  4. Unité selon la revendication 3 où l'analyseur (AlC1) est relié pour mesurer alternativement la teneur d'azote dans le gaz enrichi en argon (7) et la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon (K3).
  5. Procédé de démarrage d'une colonne de séparation d'argon par distillation cryogénique, dans lequel on envoie un fluide enrichi en argon provenant directement ou indirectement d'une double colonne de séparation d'air comprenant une première colonne (K1) et une deuxième colonne (K2) reliées thermiquement entre elles, à une colonne de séparation d'argon (K3) dans lequel pendant le démarrage de la colonne:
    i. si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est au-dessus d'un premier seuil, on envoie le gaz de tête (13, 15) de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère et
    ii. si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon est en dessous d'un deuxième seuil, inférieur ou égal au premier seuil, on envoie le gaz de tête (13,17) de la colonne de séparation d'argon à une colonne de déazotation (K4) pour s'y séparer et on soutire un fluide riche en argon de la colonne de déazotation comme produit.
  6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel pendant le démarrage si la teneur en azote en tête est au-dessus du premier seuil, on n'envoie pas de gaz à séparer à la colonne de déazotation (K4)
  7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dans lequel pendant le démarrage si la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon (K3) est en dessous du deuxième seuil, on n'envoie pas de gaz de la tête de la colonne de séparation d'argon à l'atmosphère.
  8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7 dans lequel on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon (K3) au moyen d'un analyseur (AlC1, AlC2) capable d'analyser la concentration d'azote dans une gamme allant de 10 ppm jusqu'à 100% N2 dans un mélange d'oxygène, d'azote et d'argon.
  9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8 dans lequel le deuxième seuil est inférieur au premier seuil.
  10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 8 dans lequel le deuxième seuil est égal au premier seuil.
  11. Procédé selon l'une des revendications 5 à 10 dans lequel pendant le démarrage la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon (K3) augmente.
  12. Procédé de régulation d'un appareil de séparation comprenant un procédé de démarrage de l'appareil selon l'une des revendications 5 à 11 dans lequel pendant le démarrage on mesure la teneur en azote en tête de la colonne de séparation d'argon (K3) avec un analyseur (AlC1) et en dehors du démarrage on mesure la teneur en azote d'un gaz (7) alimentant la colonne de séparation d'argon avec l'analyseur.
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