FR2874249A1 - Procede et installation de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel la pureté d'un débit enrichi en azote (9), soutiré d'une colonne basse pression (2) de distillation opérant sous au moins 2 bars abs., est maintenue substantiellement constante en soutirant un débit résiduaire (11) de la colonne basse pression si le contenu en oxygène du débit enrichi en azote dépasse un certain seuil.

Description

La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par
distillation cryogénique et à une installation de séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier, elle concerne les procédés et les installations adaptés à être intégrés avec un procédé de génération d'énergie utilisant une turbine à gaz
ou un autre procédé nécessitant au moins un produit ayant une pureté comprise dans une gamme prédéfini.
Il est fréquent que tous les flux gazeux issus d'une installation de séparation d'air ainsi intégrée soient utilisables par le procédé de production d'énergie. Mais ils ne le sont que pour autant que tous ces flux gazeux aient des compositions stables simultanément à l'intérieur de plages définies.
Ceci est particulièrement difficile quand la distillation s'effectue à des pressions élevées et/ou au moins une partie de l'air de la distillation provient d'un compresseur qui alimente également la chambre de combustion d'une turbine à gaz.
US-A-5129932 décrit un procédé de séparation d'air dans lequel un débit gazeux riche en oxygène est soutiré en permanence de la colonne basse pression et ensuite détendu dans une turbine.
Un but de la présente invention est de pallier les défauts des systèmes connus, en particulier en permettant une régulation précise de la pureté d'au moins un produit de l'appareil de séparation d'air, de préférence d'au moins un produit enrichi en azote, sans effet néfaste sur la consommation d'énergie de l'appareil. En particulier, un but de l'invention est de permettre de maintenir la composition d'un produit riche en azote de l'installation de séparation d'air dans une plage déterminée, tandis que les puretés des produits riches en oxygène et éventuellement d'un autre produit riche en azote sont également maintenues dans une plage déterminée à l'avance.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil comprenant au moins une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, la colonne basse pression opérant à éventuellement au moins 2 bar, éventuellement à au moins 5 bar, dans lequel a) on envoie un débit d'air comprimé, épuré et refroidi au moins à la colonne moyenne pression b) on sépare le débit d'air en un fluide enrichi en oxygène et un fluide enrichi en azote dans la colonne moyenne pression c) on envoie au moins une partie du fluide enrichi en oxygène directement ou indirectement à la colonne basse pression d) on soutire un débit enrichi en azote à un premier niveau de la colonne basse pression et un débit enrichi en oxygène à un deuxième niveau de la colonne basse pression caractérisé en ce que, afin de maintenir la pureté du débit enrichi en azote et/ou la pureté du débit enrichi en oxygène, on soutire un débit résiduaire entre le premier et le deuxième niveau, éventuellement ensuite il est détendu. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention, il est prévu que: - le débit résiduaire est détendu dans une turbine; - on soutire ou augmente le débit résiduaire uniquement si la teneur en oxygène du débit enrichi en azote dépasse un seuil donné ; - le seuil donné est 2 % mol. d'oxygène, voire 1 % mol. d'oxygène; - le débit résiduaire contient entre 80 et 98 % mol. d'oxygène; - le débit résiduaire n'est pas pressurisé avant d'être mis à l'air; - on soutire au moins un autre débit enrichi en azote de la colonne basse pression à un niveau supérieur au premier niveau; - on soutire au moins un autre débit, éventuellement liquide, enrichi en oxygène de la colonne basse pression au deuxième niveau ou en dessous de ce niveau; - au moins une partie de l'air d'alimentation de l'appareil provient d'un compresseur qui alimente également la chambre de combustion d'une turbine à gaz et/ou au moins une partie du débit enrichi en azote est envoyé en amont d'une machine de détente de la turbine à gaz et/ou au moins une partie du débit enrichi en oxygène est envoyé à une unité de gazéification associée à la turbine à gaz; - le débit résiduaire est mis à l'air ou sert à régénérer des lits d'adsorbants utilisés pour épurer l'air, éventuellement après avoir été mélangé avec le ou un autre débit gazeux enrichi en azote soutiré de la colonne basse pression; - le débit enrichi en azote est soutiré en tête de colonne basse pression ou au plus cinq plateaux en dessous de la tête de la colonne basse pression; - le débit enrichi en oxygène est soutiré en cuve de colonne basse pression ou au plus cinq plateaux en dessus de la cuve de la colonne basse pression; - le débit résiduaire est enrichi en oxygène.
Ainsi, d'après le procédé selon l'invention, dans le cas où il y aurait deux produits enrichis en azote provenant de la colonne basse pression, il est possible de réguler la pureté du plus impur de ces débits enrichis en azote soutirés de la colonne basse pression, tout en préservant les puretés du ou des produits enrichis en oxygène et celle du débit plus pur enrichi en azote.
II est également prévu selon l'invention une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins une colonne moyenne pression, une colonne basse pression, des moyens pour envoyer directement ou indirectement un fluide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, des moyens pour chauffer un rebouilleur de cuve de la colonne basse pression, des moyens pour soutirer un gaz enrichi en azote à un premier niveau de la colonne basse pression et un débit enrichi en oxygène à un deuxième niveau de la colonne basse pression, des moyens pour soutirer un débit résiduaire entre les premier et deuxième niveaux, des moyens pour détecter la pureté du débit enrichi en azote et/ou du débit enrichi en oxygène et des moyens pour réguler le débit d'un fluide résiduaire en fonction de la pureté d'un des débits enrichis ou des deux débits enrichis.
Selon d'autres aspects facultatifs, l'installation comprend: - une turbine de détente du débit résiduaire; - des moyens pour amener au moins une partie de l'air d'alimentation de l'appareil d'un compresseur qui alimente également la chambre de combustion d'une turbine à gaz et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en azote en amont d'une machine de détente de la turbine à gaz et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en oxygène à une unité de gazéification associée à la turbine à gaz; - une colonne de distillation opérant à une pression entre les moyenne et 30 basse pression et des moyens pour envoyer un fluide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à celle-ci et/ou une colonne de production d'argon; - des moyens pour soutirer ou augmenter le débit d'un fluide résiduaire uniquement si la concentration d'au moins un des débits passe au-dessus d'un seuil donné.
Toutes les pressions mentionnées sont des pressions atmosphériques.
Les débits enrichis en azote sont enrichis en azote par rapport à de l'air.
Les débits enrichis en oxygène sont enrichis en oxygène par rapport à de l'air.
Une installation selon l'invention est illustrée dans la Figure.
De l'air est séparé dans un appareil de séparation d'air comprenant une 10 colonne moyenne pression 1 reliée thermiquement avec une colonne basse pression 2.
La plupart de l'air 2 est comprimée à une pression entre 7 et 15 bars, épuré, refroidi dans la ligne d'échange 3 et envoyé à la colonne moyenne pression. Une partie de l'air 20 est surpressé dans un surpresseur 22, éventuellement couplé à la turbine Claude 4, à une pression bien supérieure à la moyenne pression et sert en partie à vaporiser un débit d'un oxygène liquide avant d'être liquéfié, détendu dans une vanne et envoyé à la colonne moyenne pression, le reste de l'air étant détendu dans une turbine Claude 4 jusqu'à la pression de la colonne moyenne pression et rejoint le débit 2 pour être envoyé à la colonne moyenne pression 1.
Il est évidemment possible que tout ou une partie de l'air qui sert à vaporiser l'oxygène liquide soit envoyé à la colonne basse pression 2.
Bien sûr, d'autres moyens de production de frigories peuvent remplacer ou se rajouter à la turbine Claude 4, par exemple une turbine d'insufflation ou une turbine d'azote moyenne ou basse pression.
Un débit enrichi en oxygène 5 est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 1 et envoyé après détente à la colonne basse pression 2 qui fonctionne à une pression au-dessus de 2 bar. Un débit enrichi en azote en tête de la colonne moyenne pression sert à chauffer le rebouilleur de cuve de la colonne basse pression, une partie du reflux formé 6 servant à alimenter la tête de la colonne basse pression. Un autre débit moins enrichi en azote (liquide pauvre inférieur) 7 est envoyé d'un niveau inférieur de la colonne moyenne pression à un niveau de la colonne basse pression 2 quelques plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne.
Un débit riche en azote 8 est soutiré en tête de la colonne basse pression et un débit d'azote résiduaire 9 est soutiré à un premier niveau de la colonne basse pression au voisinage du point d'arrivé du liquide pauvre inférieur 7. Ces débits sont réchauffés jusqu'à la température ambiante dans la ligne d'échange 3. Un débit liquide riche en oxygène 10 est soutiré en cuve à un deuxième niveau de la colonne basse pression, pressurisé dans une pompe 13 et envoyé à la ligne d'échange 3 où il se vaporise.
Un débit gazeux 11 contenant entre 80 et 98% mol. d'oxygène est soutiré à un niveau entre les premier et deuxième niveaux si le contenu en oxygène du débit résiduaire 9 dépasse un seuil de 2 % mol., éventuellement 1% mol. Ceci permet d'évacuer le surplus d'oxygène et de restaurer la pureté requise. Une fois que le contenu en oxygène du débit résiduaire 10 est de nouveau en dessous du seuil, le débit gazeux 11 n'est plus soutiré ou est réduit. La pureté du débit 9 est analysée par un analyseur AIC qui sert à régler le débit soutiré au moyen d'un FIC.
Ce débit 11 peut représenter jusqu'à 5 % du débit d'air envoyé à la distillation.
Si son contenu en oxygène ne dépasse pas les contraintes de la sécurité, après une étape de chauffage, le débit gazeux 11 peut être détendu dans une turbine 12 jusqu'à une pression légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, seul ou mélangé avec un autre gaz. Quelle que soit sa pureté, le débit gazeux 11 est réchauffé dans la ligne d'échange et peut ensuite être mis à l'air ou utilisé pour la régénération de l'unité d'épuration.
Eventuellement de l'azote gazeux 24 peut être produit en tête de la colonne moyenne pression 1. Ce débit se réchauffe dans la ligne d'échange 3.
Des productions de liquide, par exemple d'oxygène 25, peuvent être envisagées.
De préférence, au moins une partie de l'air d'alimentation provient du compresseur d'une turbine à gaz, le débit riche en azote 9 et le débit d'azote pur 8 sont envoyés à la turbine à gaz et le débit riche en oxygène 10 est envoyé au gazéifieur qui produit le carburant de la turbine à gaz.
L'appareil de séparation peut également comprendre une colonne de production d'argon mais de préférence n'en comprend pas. La double colonne peut être remplacée par une triple colonne dont une colonne à pression intermédiaire alimentée par un liquide enrichi en oxygène provenant de la colonne moyenne pression.
Toutes les pressions mentionnées sont des pressions absolues.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil comprenant au moins une colonne moyenne pression (1) et une colonne basse pression (2), la colonne basse pression opérant à au moins 2 bar, éventuellement à au moins 5 bar, dans lequel e) on envoie un débit d'air (2, 20) comprimé, épuré et refroidi au moins à la colonne moyenne pression f) on sépare le débit d'air en un fluide enrichi en oxygène (5) et un fluide 10 enrichi en azote (6, 7) dans la colonne moyenne pression g) on envoie au moins une partie du fluide enrichi en oxygène directement ou indirectement à la colonne basse pression h) on soutire un débit enrichi en azote (9) à un premier niveau de la colonne basse pression et un débit enrichi en oxygène (10) à un deuxième niveau 15 de la colonne basse pression caractérisé en ce que, afin de maintenir la pureté du débit enrichi en azote et/ou la pureté du débit enrichi en oxygène, on soutire un débit résiduaire (11) entre le premier et le deuxième niveau, éventuellement ensuite il est détendu.
2. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le débit résiduaire est détendu dans une turbine (12).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on soutire le débit résiduaire uniquement si la teneur en oxygène du débit enrichi en azote dépasse un seuil donné.
4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le seuil donné est 2 % mol. d'oxygène, voire 1 % mol. d'oxygène.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le débit résiduaire (11) contient entre 80 et 98 % mol. d'oxygène.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on soutire au moins un autre débit enrichi en azote (8) de la colonne basse pression (2) à un niveau supérieur au premier niveau.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on soutire au moins un autre débit (25), éventuellement liquide, enrichi en oxygène de la colonne basse pression au deuxième niveau ou en dessous de ce niveau.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie de l'air d'alimentation de l'appareil provient d'un compresseur qui alimente également la chambre de combustion d'une turbine à gaz et/ou au moins une partie du débit enrichi en azote est envoyé en amont d'une machine de détente de la turbine à gaz et/ou au moins une partie du débit enrichi en oxygène est envoyé à une unité de gazéification associée à la turbine à gaz.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit résiduaire (11) est mis à l'air ou sert à régénérer des lits d'adsorbants utilisés pour épurer l'air, éventuellement après avoir été mélangé avec le ou un autre débit gazeux enrichi en azote (9) soutiré de la colonne basse pression (2).
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit enrichi en azote (9) est soutiré en tête de colonne basse pression ou au plus cinq plateaux en dessous de la tête de la colonne basse pression.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit enrichi en oxygène (10) est soutiré en cuve de colonne basse pression ou au plus cinq plateaux en dessus de la cuve de la colonne basse pression (2).
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit résiduaire (11) est enrichi en oxygène.
13. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins une colonne moyenne pression (1), une colonne basse pression (2), des moyens (5) pour envoyer directement ou indirectement un fluide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, des moyens pour chauffer un rebouilleur de cuve de la colonne basse pression, des moyens pour soutirer un gaz enrichi en azote (9) à un premier niveau de la colonne basse pression et un débit enrichi en oxygène (10) à un deuxième niveau de la colonne basse pression, des moyens pour soutirer un débit résiduaire (11) entre les premier et deuxième niveaux, des moyens pour détecter la pureté du débit enrichi en azote et/ou du débit enrichi en oxygène et des moyens pour réguler le débit d'un fluide résiduaire en fonction de la pureté d'un des débits enrichis ou des deux débits enrichis (9, 10).
14. Installation selon la revendication 13 comprenant une turbine de détente (12) du débit résiduaire.
15. Installation selon la revendication 13 ou 14 comprenant des moyens pour amener au moins une partie de l'air d'alimentation de l'appareil d'un compresseur qui alimente également la chambre de combustion d'une turbine à gaz et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en azote en amont d'une machine de détente de la turbine à gaz et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du débit enrichi en oxygène à une unité de gazéification associée à la turbine à gaz.
16. Installation selon une des revendications 13 à 16 comprenant une colonne de distillation opérant à une pression entre les moyenne et basse pression et des moyens pour envoyer un fluide enrichi en oxygène de la colonne moyenne pression à celle-ci et/ou une colonne de production d'argon.
17. Installation selon une des revendications 13 à 16 comprenant des moyens pour soutirer ou augmenter le débit d'un fluide résiduaire uniquement si la concentration d'au moins un des débits passe au-dessus d'un seuil donné.
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