FR2929385A1 - Appareil et procede de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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Laurent Samy
Ali Derghal
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Un appareil de séparation d'air comprenant une double colonne, dans laquelle une colonne moyenne pression est intégrée thermiquement avec une colonne basse pression et des moyens d'alimenter en air la double colonne comprenant des modules de traitement de l'air en amont de la double colonne constitué par au moins un compresseur d'air, au moins un appareil d'épuration, au moins un échangeur principal, éventuellement au moins un moyen de refroidissement avec de l'eau, éventuellement au moins un surpresseur, éventuellement au moins une vanne, éventuellement au moins une turbine, caractérisé l'appareil comprend pour au moins un traitement donné, un premier module de traitement (MAC, 5, 9, S, MHE, V, T) et un deuxième module de traitement (MAC', 5', 9', S', MHE', V', T'), des moyens pour envoyer un premier débit d'air (1, 3, 7, 13, 15, 19, 23) uniquement au premier module, des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air (1', 3', 7', 13', 15', 19', 23') uniquement au deuxième module et des moyens (17,17'; 19,19'; 25,25') pour envoyer les premier et deuxième débits d'air traité provenant des premier et deuxième modules à une même colonne de la double colonne, sans les mélanger en amont de la colonne.

Description

La présente invention concerne un appareil et un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique. Aujourd'hui la demande croissante d'appareils de séparation d'air de grande taille impose des parties chaudes de plus en plus grandes et donc chères. Ces parties chaudes comprennent les unités d'épuration d'air, les unités de pré-refroidissement d'air et les compresseurs d'air. Selon l'invention, l'appareil comprend une seule boîte froide alimentée en air épuré à partir d'au moins deux parties chaudes plus petites et plus standardisées.
Par exemple, un appareil de séparation d'air de 7000 T/j, selon l'invention l'appareil comportera une seule boîte froide de 7000 T/j d'air accouplée à deux parties chaudes, chacune de 3500 T/j d'air. Ainsi des économies de coûts peuvent être réalisées sur l'achat des machines, des tuyauteries et des équipements chaudronnés. Par exemple deux petits compresseurs coûtent souvent moins cher qu'un seul gros compresseur, de même que deux petites vannes sont moins chères qu'une seule grosse vanne. De plus, avec ce principe, nous conservons des équipements standardisés. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une double ou triple colonne, dans laquelle une colonne moyenne pression est intégrée thermiquement avec une colonne basse pression et des moyens d'alimenter en air la double colonne, comprenant des modules de traitement de l'air en amont de la double colonne constitué par au moins un compresseur d'air, au moins un appareil d'épuration, au moins un échangeur principal, éventuellement au moins un moyen de refroidissement, éventuellement au moins un surpresseur, éventuellement au moins une vanne, éventuellement au moins une turbine, caractérisé en ce que l'appareil comprend un premier échangeur principal et un deuxième échangeur principale, des moyens pour envoyer un premier débit d'air uniquement au premier échangeur principal, des moyens pour envoyer un deuxième débit d'air uniquement au deuxième échangeur principal et des moyens pour envoyer les premier et deuxième débits d'air traité provenant des premier et deuxième échangeurs principaux à une même colonne de la double colonne, sans les mélanger en aval des premier et deuxième échangeurs principaux et en amont de la colonne. Tout module de traitement en aval du premier échangeur principal et éventuellement tout module de traitement en amont du premier échangeur principal est éventuellement dédoublé. Les points d'entrée dans la colonne des premier et deuxième débits d'air sont séparés d'au plus trois plateaux théoriques, de préférence d'au plus un plateau théorique, voire au moins un plateau théorique voire au même niveau horizontal.
Les points d'entrée dans la colonne des premier et deuxième débits d'air peuvent être séparés d'au moins un plateau théorique. Une conduite d'entrée du premier débit peut être fixée à la colonne et une conduite d'entrée du deuxième débit peut être fixée à la colonne, les axes des deux conduites se croisant à un angle entre 0° et 360°, voire entre 25° et 335°, voire entre 60° et 180°. Au moins une conduite d'équilibrage reliant l'amont du premier échangeur de chaleur traitant le premier débit avec l'amont du échangeur de chaleur principal traitant le deuxième débit. De préférence ces conduites sont en aval de toute unité d'épuration.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une colonne de distillation destinée à être incorporée dans un appareil de séparation d'air comprenant deux ouvertures adaptées à être attachées à une première et une deuxième conduites d'entrée d'air, les centres des deux ouvertures se trouvant à des hauteurs différant d'au plus 100 cm .
La colonne est de préférence destinée à être incorporée dans un appareil de séparation d'air comprenant deux ouvertures adaptées à être attachées à une première et une deuxième conduite d'entrée d'air, les centres des deux ouvertures formant avec l'axe vertical de la colonne un angle allant de 25° à 130°.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, dans lequel de l'air est comprimé, épuré, refroidi et envoyé à au moins une colonne d'une double ou triple colonne où il est séparé pour former au moins un débit enrichi en azote et au moins un débit enrichi en oxygène caractérisé en ce que au moins deux débits d'air sont chacun traité à des pressions qui diffèrent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar, dans au moins un module de traitement ayant une fonction choisie dans le groupe comprenant compression, surpression, détente, épuration, refroidissement, et les au moins deux débits traités chacun dans un module sont envoyés à la même colonne de la double colonne caractérisé en ce qu'un module de traitement est un module d'échange de chaleur et en ce que les deux débits traités chacun dans chaque module d'échange de chaleur sont envoyés à la colonne sans être mélangés en aval des modules d'échange de chaleur et en amont de la colonne.
De préférence, les deux débits d'air rentrent dans la colonne à des pressions, qui diffèrent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar. Les au moins deux débits d'air sont de préférence chacun traité dans le module d'échange de chaleur et ensuite en aval du module sont traités chacun 15 séparément en amont de la colonne. Eventuellement : - les au moins deux débits d'air sont chacun comprimé dans un compresseur, la pression d'entrée du premier débit et la pression d'entrée du deuxième débit différant d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire 20 d'au plus 0,25 bar, voire sont substantiellement identiques ; - les au moins deux débits d'air sont chacun surpressé dans un surpresseur, la pression d'entrée du premier débit et la pression d'entrée du deuxième débit différent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar voire sont substantiellement identiques ; 25 - les au moins deux débits d'air sont chacun détendu dans une turbine, la pression d'entrée du premier débit et la pression d'entrée du deuxième débit entrant dans les turbines différent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar voire sont substantiellement identiques ; - les au moins deux débits d'air sont chacun détendu dans une vanne, la 30 pression d'entrée du premier débit et la pression d'entrée du deuxième débit entrant dans les vannes différent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar voire sont substantiellement identiques ; - les au moins deux débits d'air sont chacun refroidi dans un moyen de refroidissement respectif, la pression d'entrée du premier débit et la pression d'entrée du deuxième débit entrant dans le moyen de refroidissement différent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar voire sont substantiellement identiques ; - le moyen de refroidissement est une tour de refroidissement par contact direct ; - le moyen de refroidissement est un groupe frigorifique ; - les au moins deux débits d'air sont chacun épuré dans une unité d'épuration respective, la pression d'entrée du premier débit et la pression d'entrée du deuxième débit entrant dans l'unité d'épuration différent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar voire sont substantiellement identiques. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. La figure 1 montre un dessin schématique d'un appareil selon l'invention, la figure 2 montre une coupe horizontale d'une colonne selon l'invention et la figure 3 montre une vue à vol d'oiseau d'un appareil selon l'invention. Selon la Figure 1, un premier débit d'air 1 est comprimé dans un premier compresseur principal MAC jusqu'à une première pression. L'air comprimé 3 est ensuite refroidi dans une première tour 5 avec de l'eau pour former un débit refroidi 7. Le débit refroidi 7 est envoyé à une première unité d'épuration 9 où l'air est épuré au moins en eau et en 002 pour former un débit épuré 11. Le débit épuré 11 est divisé en deux débits 13 et 15. Le débit 13 rentre dans un premier échangeur de chaleur MHE à une moyenne pression, est refroidi à une température cryogénique et est divisé en deux. Un débit d'air 17 est envoyé à la colonne moyenne pression par une entrée El (illustrée Figure 2). Un autre débit d'air 23 est envoyé à une première turbine T pour produire un débit détendu 25. En amont de l'échangeur MHE un autre débit 15 est surpressé dans le premier surpresseur S, refroidi dans l'échangeur premier MHE, détendu dans une première vanne V et envoyé à au moins une colonne de la double colonne en tant que débit 19.
Un deuxième débit d'air 1' est comprimé dans un deuxième compresseur principal MAC' jusqu'à la première pression. L'air comprimé 3' est ensuite refroidi dans une deuxième tour 5' par contact direct avec de l'eau pour former un débit refroidi 7'. Le débit refroidi 7' est envoyé à une deuxième unité d'épuration 9' où l'air est épuré au moins en eau et en 002 pour former un débit épuré 11'. Le débit épuré 11' est divisé en deux débits 13' et 15'. Le débit 13' rentre dans un deuxième échangeur de chaleur MHE' à une moyenne pression, est refroidi à une température cryogénique et est divisé en deux. Un débit d'air 17' est envoyé à la colonne moyenne pression par une entrée E2 (illustrée Figure 2). Un autre débit d'air 23' est envoyé à une deuxième turbine T' pour produire un débit détendu 25'. En amont de l'échangeur MHE' un autre débit 15' est surpressé dans le deuxième surpresseur S', refroidi dans le deuxième échangeur MHE', détendu dans une deuxième vanne V' et envoyé à au moins une colonne de la double colonne en tant que débit 19. Il sera compris que les points d'entrée E1,E2 dans la colonne basse pression des premier et deuxième débits d'air 17,17' sont séparés d'au plus trois plateaux théoriques, de préférence d'au plus un plateau théorique, voire sont au même niveau horizontal.
De même les points d'entrée E5,E6 dans la colonne basse pression des premier et deuxième débits d'air 25,25' sont séparés d'au plus trois plateaux théoriques, de préférence d'au plus un plateau théorique, voire sont au même niveau horizontal. De même les points d'entrée E3,E4 dans la colonne moyenne pression des premier et deuxième débits d'air 19,19' sont séparés d'au plus trois plateaux théoriques, de préférence d'au plus un plateau théorique, voire sont au même niveau horizontal. Le premier et deuxième débits d'air 3,3' constituent chacun entre 40 et 60% de l'air destiné à la boîte froide unique, de préférence entre 45 et 55%, 25 voire 50%. Les pressions des couples de fluides suivants diffèrent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar : - les débits 3,3' - les débits 7,7' 30 - les débits 11,11' - les débits 13,13' - les débits 15,15' - les débits 17,17' - les débits 19,19' - les débits 23,23' Les pertes de charge n'étant pas rigoureusement les mêmes dans les échangeurs MHE, MHE', il se peut qu'ils soient déséquilibrés. Pour éviter cela, des tuyauteries d'équilibrage 35 et 37 sont prévues entre les lignes 11,11' et et 13,13' respectivement. Pour la régénération des unités d'épuration 9,9', plusieurs cas sont possibles Cas 1 : la régénération se fait uniquement avec le même fluide, à savoir l'azote résiduaire 27,27' provenant de la boîte froide. Dans ce cas, la pression se calera sur le circuit le plus défavorable. Cas 2 : la régénération se fait d'une part avec l'azote résiduaire 27 et d'autre part avec de l'azote turbiné provenant indirectement d'une colonne de la double colonne. Ceci permet de découpler les pressions des deux fluides régénérant afin de n'en favoriser aucun.
Evidemment dans ce cas, les produits de la boîte froide doivent être divisés et envoyé à chacun des échangeurs MHE, MHE'. On pourrait aussi envisager d'utiliser une troisième ligne de traitement d'un débit d'air au lieu de deux comme illustré ici. La Figure 2 illustre une coupe horizontale d'une colonne de distillation d'air en état de marche, donc à axe vertical passant par le centre C de la colonne. On voit que les débits d'air traités en parallèle rentrent dans la colonne substantiellement au même niveau horizontal par les deux entrées El, E2. Les axes de ces entrées se croisent à un angle a d'entre 0° et 360°, ici 120°. Il sera compris que l'angle a vaut 0° ou 360° dans le cas où les entrées ne sont pas au même niveau vertical. Dans ce cas, les axes des entrées se croisent au centre de la colonne mais ceci n'est pas essentiel. Pour le cas où l'angle a dépasse 180°, ceci veut dire que les conduites d'air contournent la colonne et rentrent à la face de la colonne opposée à celle où se trouvent les lignes d'échange de chaleur. L'angle a indique l'angle entre les axes des entrées prise du côté adjacent les éléments de traitement de l'air rentrant. Pour des raisons de compacité, les éléments des deux trains sont situés du même côté de la double colonne.
Cette disposition est décrite pour les entrées d'air 17,17' dans la colonne moyenne pression mais s'applique mutatis mutandis à toutes les entrées d'air dans la colonne moyenne pression ou la colonne basse pression. Elle s'applique également aux sorties des produits des colonnes.
Selon la Figure 3, tous les éléments de la partie chaude de l'appareil de séparation d'air sont dédoublés. Un premier débit d'air est comprimé dans le compresseur principal MAC, est refroidi dans un appareil de refroidissement 5, est épuré dans l'unité d'épuration 9 et refroidi dans la ligne d'échange MHE. Le deuxième débit d'air est comprimé dans le compresseur principal MAC', est refroidi dans un appareil de refroidissement 5', est épuré dans l'unité d'épuration 9' et refroidi dans la ligne d'échange MHE'. Ensuite les deux débits peuvent rentrer dans la colonne MP (ou BP) à des points d'entrée différents, séparés en hauteur et/ou radialement afin d'optimiser l'architecture de l'appareil. Les tuyauteries 6 sont pour la plupart centralisées entre les tours de refroidissement 5,5' et les appareils d'épuration 9,9'. Cette façon de disposer les éléments des trains chauds permet d'optimiser leur agencement et de réduire les longueurs des tuyauteries. Si l'appareil comprend une triple colonne, il y a une colonne additionnelle opérant à une pression entre la moyenne pression et la haute pression.
Il est également envisageable d'utiliser pour une seule double colonne, une partie chaude dédoublée ne comprenant pas la ligne d'échange principale. Dans ce cas, de l'air comprimé en deux compresseurs d'air en parallèle (ou un seul compresseur, les débits étant ensuite séparés) est ensuite traité en deux lignes indépendantes, chacune comprenant une unité d'épuration, éventuellement une unité de refroidissement, les deux débits d'air épurés étant mélangés et envoyé à l'unique ligne d'échange.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Appareil de séparation d'air comprenant une double ou triple colonne, dans laquelle une colonne moyenne pression (MP) est intégrée thermiquement avec une colonne basse pression (BP) et des moyens d'alimenter en air la double colonne, comprenant des modules de traitement de l'air en amont de la double colonne constitué par au moins un compresseur d'air (MAC, MAC'), au moins un appareil d'épuration (9,9'), au moins un échangeur principal (MHE,MHE'), éventuellement au moins un moyen de refroidissement (5,5'), éventuellement au moins un surpresseur (S,S'), éventuellement au moins une vanne, éventuellement au moins une turbine (T,T'), caractérisé en ce que l'appareil comprend un premier échangeur principal (MHE) et un deuxième échangeur principale (MHE'), des moyens (11,15) pour envoyer un premier débit d'air uniquement au premier échangeur principal, des moyens (111,15') pour envoyer un deuxième débit d'air uniquement au deuxième échangeur principal et des moyens pour envoyer les premier et deuxième débits d'air traité provenant des premier et deuxième échangeurs principaux à une même colonne (MP,BP) de la double colonne, sans les mélanger en aval des premier et deuxième échangeurs principaux et en amont de la colonne.
  2. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel tout module de traitement en aval du premier échangeur principal (MHE) et éventuellement tout module de traitement en amont du premier échangeur principal est dédoublé.
  3. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les points d'entrée (E1,E2 ; E3,E4 ; E5,E6) dans la colonne des premier et deuxième débits d'air sont séparés d'au plus trois plateaux théoriques, de préférence d'au plus un plateau théorique, voire au moins un plateau théorique voir au même niveau horizontal.
  4. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel les points d'entrée (E1,E2 ; E3,E4 ; E5,E6) dans la colonne des premier et deuxième débits d'air sont séparés d'au moins un plateau théorique.
  5. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite d'entrée (13, 17, 25) du premier débit fixée à la colonne et une conduite d'entrée (13', 17', 25') du deuxième débit fixée à la colonne, les axes des deux conduites se croisant à un angle entre 0° et 360°, voire entre 25° et 335°, voire entre 60° et 180°.
  6. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins une conduite d'équilibrage (35,37) reliant l'amont du premier échangeur de chaleur (MHE) traitant le premier débit avec l'amont du deuxième échangeur de chaleur principal (MHE) traitant le deuxième débit.
  7. 7. Colonne de distillation destinée à être incorporée dans un appareil de séparation d'air comprenant deux ouvertures adaptées à être attachées à une première et une deuxième conduites d'entrée d'air (13, 17, 25 ; 13', 17', 25'), adaptées pour recevoir des débits traités dans des modules d'échange de chaleur et non-mélangés en aval de ces modules, les centres des deux ouvertures se trouvant à des hauteurs différant d'au plus 100 cm .
  8. 8. Colonne selon la revendication 7 destinée à être incorporée dans un appareil de séparation d'air comprenant deux ouvertures adaptées à être attachées à une première et une deuxième conduite d'entrée d'air (13, 17, 25 ; 13', 17', 25'), les centres des deux ouvertures formant avec l'axe vertical de la colonne un angle allant de 25° à 130°.
  9. 9. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, dans lequel de l'air est comprimé, épuré, refroidi et envoyé à au moins une colonne (MP,BP) d'une double ou triple colonne où il est séparé pour former au moins un débit enrichi en azote et au moins un débit enrichi en oxygène caractérisé en ce que au moins deux débits d'air sont chacun traité à des pressions qui diffèrent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar, dans au moins un module de traitement ayant une fonction choisie dans le groupe comprenant compression, surpression, détente, épuration, refroidissement, et les au moins deux débits traités chacun dans un module 10 sont envoyés à la même colonne de la double colonne caractérisé en ce qu'un module de traitement est un module d'échange de chaleur et en ce que les deux débits traités chacun dans chaque module d'échange de chaleur (MHE,MHE') sont envoyés à la colonne sans être mélangés en aval des modules d'échange de chaleur et en amont de la colonne.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel les deux débits d'air rentrent dans la colonne à des pressions, qui diffèrent d'au plus 1 bar, de préférence d'au plus 0,5 bar, voire d'au plus 0,25 bar.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10 dans lequel les au moins deux débits d'air sont chacun traité dans le module d'échange de chaleur et ensuite en aval du module sont traités chacun séparément en amont de la colonne. 15
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