La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de production d'argon par distillation cryogénique. Dans ce document, deux fluides se vaporisent à sensiblement la même pression s'il y a un écart de pression d'au plus 0,5 bar entre les deux fluides. The present invention relates to an apparatus and method for producing argon by cryogenic distillation. In this document, two fluids vaporize at substantially the same pressure if there is a pressure difference of at most 0.5 bar between the two fluids.
Tous les pourcentages donnés sont des pourcentages molaires. Un appareil de séparation d'air par distillation cryogéniques comprend souvent une double colonne de séparation d'air comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression. Un mélange enrichi en argon et en oxygène est pris dans la colonne basse pression et envoyé à une colonne de séparation d'argon pour produire un fluide riche en argon. Comme illustré à la Figure 2, la colonne de séparation d'argon 1 est alimentée par la conduite 11 avec un fluide enrichi en argon et en oxygène provenant d'une colonne basse pression d'une double colonne de séparation d'air. Un débit (non-illustré) est renvoyé de la cuve de la colonne 1 à la colonne basse pression et un débit riche en argon 9 est soutiré en tête de la colonne 1. Du liquide riche LR 5 est envoyé de la cuve de la colonne moyenne pression au condenseur de tête 3 de la colonne 1 où il se vaporise pour former du liquide riche vaporisé 8. Ces colonnes de séparation argon sont par essence très hautes, compte tenu des propriétés de l'argon et de l'oxygène. Elles fonctionnent également avec un taux de reflux très proche de 1, ce qui amène à des flux traités importants, de l'ordre de 30 à 40 fois la production riche en argon de la colonne. Ainsi, pour des unités de très grandes capacités, les colonnes sont également très larges, ce qui, combinées avec la hauteur nécessaire requise, amène à des coûts importants. Il n'est pas économique de réduire le diamètre de ces colonnes en adoptant un garnissage de plus faible densité pour plusieurs raisons, en particulier: L'augmentation de la hauteur deviendrait trop importante, compte tenu de la perte d'efficacité du garnissage avec la densité. La séparation 02/Ar nécessite un grand nombre d'unité de transfert, que des garnissages de basse densité n'offrent pas de façon économique pour cette séparation La tête de colonne est équipée d'un re-condenseur, et son encombrement est indépendant, en première approche, du diamètre de la colonne. Il n'est pas économique d'intégrer un condenseur de grande taille sur une colonne de petit diamètre. L'objet de l'invention est de diminuer le diamètre de colonne sur la majeure partie de sa hauteur, ainsi que le condenseur de tête d'une colonne de mixture, en particulier sur un appareil de séparation d'air de grosse taille, en vue de réduire l'investissement total du moyen de production d'argon. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un fluide enrichi en argon utilisant une colonne comprenant une première section et une deuxième section et munie d'un premier et d'un deuxième échangeurs condensant tout ou partie des débits gazeux montant des colonnes, le premier échangeur étant situé en tête et le deuxième échangeur étant situé entre la première et la deuxième sections, au plus 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% dans lequel on introduit un mélange comprenant de l'argon et de l'oxygène en cuve de la colonne, on soutire un fluide enrichi en argon en tête de la colonne et les échangeurs utilisent comme fluides frigorigènes des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression et le fluide frigorigène du deuxième échangeur s'y vaporise à une température d'ébullition identique ou supérieure à la température à laquelle se vaporise le fluide frigorigène dans le premier échangeur. Selon d'autres aspects facultatifs : - le fluide frigorigène alimentant le deuxième échangeur est formé en tout ou partie par du liquide soutiré du premier échangeur ; - le deuxième échangeur est situé entre 13 et 60 plateaux théoriques au 25 dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 10/0 et inférieur à 80% ; - le deuxième échangeur est situé entre 18 et 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 1% et inférieur à 60%. 30 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'un fluide enrichi en argon comprenant une colonne comprenant une première section et une deuxième section placée au-dessus de la première section, la colonne étant munie d'un premier et d'un deuxième échangeurs capables de condenser tout ou partie des débits gazeux montant des colonnes, le premier échangeur étant situé en tête et le deuxième échangeur étant situé au plus 60 plateaux théoriques au dessus de la cuve de la colonne et à un niveau où, en cours d'opération, la teneur en oxygène de la vapeur est supérieure à 10/0, des moyens pour introduire un mélange comprenant de l'argon et de l'oxygène en cuve de la colonne, des moyens pour soutirer un fluide enrichi en argon en tête de la colonne et des moyens pour envoyer aux échangeurs comme fluides frigorigènes des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression. Optionnellement : - le diamètre de la première section étant supérieur à celui de la 10 deuxième section, de préférence d'au moins 20% ; - l'appareil comprend des moyens pour envoyer comme le fluide frigorigène au deuxième échangeur du liquide soutiré du premier échangeur ; - le volume du premier échangeur est inférieur au volume du deuxième échangeur; 15 - le deuxième échangeur est conçu pour fonctionner avec une différence de température entre le liquide vaporisant et le gaz condensant inférieur à celle du premier échangeur ; - l'appareil comprend des moyens pour envoyer le même liquide comme fluide frigorigène au premier et au deuxième échangeur. 20 Le principe repose sur la répartition du débit de vapeur à condenser entre deux échangeurs : un échangeur intermédiaire et un condenseur de tête. La Figure 1 montre la relation entre les concentrations en argon et en oxygène dans la vapeur, la température et la position dans la colonne en termes de plateaux théoriques pour une colonne selon l'art antérieur. Les 25 concentrations en % et la température en °C sont en ordonnés et le nombre de plateaux théoriques à partir de la cuve de la colonne sont en abscisses. On remarque donc une chute significative de la température jusqu'au 40-60ème plateau théorique, correspondant à l'abaissement significatif de la teneur en oxygène de 10% à < 1%. 30 On peut donc tirer profit de cette température encore élevée en ajoutant dans la colonne et dans cette plage de teneur un échangeur de chaleur qui re-condensera une grande partie des vapeurs montantes, de façon à diminuer très sensiblement (environ par moitié) le reste de gaz à épurer. Ce condenseur utilisera comme fluide frigorigène : - soit le même fluide que celui du condenseur de tête, travaillant à sensiblement la même pression que pour le condenseur de tête mais sous un écart de température plus important : échangeur réduit en taille, - soit un fluide plus chaud que le condenseur de tête, sous le même écart de température et sous sensiblement la même pression. Typiquement on utilisera le liquide du bain du condenseur de tête. Ainsi, la purge massive du condenseur de tête réduira considérablement son volume, en abaissant la température du bain. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 3 et 4 qui montrent des colonnes de production d'argon selon l'invention. Dans la Figure 3, la colonne 1 est divisé en deux sections 1A et 1B, les deux sections étant séparées par un condenseur intermédiaire 7 disposé au plus 60 plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne 1. La colonne reçoit en cuve de la section 1A un mélange 11 enrichi en argon et en oxygène provenant de la colonne basse pression de la double colonne et le liquide de cuve de la colonne 1 est renvoyé à la colonne basse pression. Ce mélange se sépare dans les deux sections 1A et 1B, contenant des plateaux ou des garnissages structurés pour former un débit 9 riche en argon en tête de la colonne. Un débit de liquide riche LR 5 provenant de la cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne est divisé en deux. Une partie 5A est envoyée au deuxième échangeur 7 et le reste 5B au premier échangeur 3. Les deux débits de liquide riche vaporisé 8A,8B sont retirés. L'écart de température du deuxième échangeur 3 est réduit par rapport à l'écart de température du premier échangeur 3. Les condenseurs 3,7 utilisent comme fluides frigorigènes le même liquide ou des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression. Dans ce cas, le fluide frigorigène du premier échangeur 3 s'y vaporise à une température d'ébullition identique à la température à laquelle se vaporise le fluide frigorigène dans le deuxième échangeur 7. Les débits des liquide riche vaporisé LRV 13A et 13B sont prélevés dans les échangeurs 7 et 3 respectivement, mélangés pour former un débit 13 et envoyés à la colonne basse pression. De même un débit de liquide de purge (non illustré) de chaque condenseur est extrait comme mesure de sécurité. La section 1B est 16% moins large que la section 1A qui est elle-même 2% moins large que la colonne de l'art antérieur de la Figure 2. All percentages given are molar percentages. A cryogenic distillation air separation apparatus often comprises a double air separation column comprising a medium pressure column and a low pressure column. A mixture enriched with argon and oxygen is taken up in the low pressure column and sent to an argon separation column to produce an argon-rich fluid. As illustrated in FIG. 2, the argon separation column 1 is fed through line 11 with an argon and oxygen enriched fluid from a low pressure column of a double air separation column. A flow (not shown) is returned from the tank of column 1 to the low pressure column and a flow rich in argon 9 is withdrawn at the top of column 1. Rich liquid LR 5 is sent from the tank of the column medium pressure at the top condenser 3 of column 1 where it vaporizes to form vaporized rich liquid 8. These argon separation columns are in essence very high, given the properties of argon and oxygen. They also operate with a reflux ratio very close to 1, which leads to large treated flows, of the order of 30 to 40 times the argon-rich production of the column. Thus, for very large units, the columns are also very large, which, combined with the required height required, leads to significant costs. It is not economical to reduce the diameter of these columns by adopting a lower density packing for several reasons, in particular: The increase in height would become too great, given the loss of efficiency of the packing with the density. The separation 02 / Ar requires a large number of transfer units, that low density packings do not offer an economical way for this separation The column head is equipped with a re-condenser, and its bulk is independent, at first approach, the diameter of the column. It is not economical to integrate a large condenser on a small diameter column. The object of the invention is to reduce the column diameter over most of its height, as well as the top condenser of a column of mixture, in particular on a large air separation apparatus, in to reduce the total investment of the argon production medium. According to one object of the invention, there is provided a method for producing an argon enriched fluid using a column comprising a first section and a second section and provided with a first and a second exchanger condensing all or part of the gaseous flows amount columns, the first exchanger being located at the head and the second exchanger being located between the first and the second sections, at most 60 theoretical trays above the tank of the column and at a level where the oxygen content of the steam is greater than 1% in which a mixture comprising argon and oxygen is introduced into the bottom of the column, an argon-enriched fluid is withdrawn at the top of the column and the exchangers use liquids as refrigerants; vaporizing substantially at the same pressure and the refrigerant of the second exchanger vaporizes there at a boiling temperature identical to or higher than the temperature at it vaporizes the refrigerant in the first exchanger. According to other optional aspects: the refrigerant supplying the second exchanger is formed wholly or partly by liquid withdrawn from the first exchanger; the second exchanger is situated between 13 and 60 theoretical trays above the column vessel and at a level where the oxygen content of the vapor is greater than 10/0 and less than 80%; the second exchanger is located between 18 and 60 theoretical trays above the column vessel and at a level where the oxygen content of the vapor is greater than 1% and less than 60%. According to another object of the invention, there is provided an apparatus for producing an argon enriched fluid comprising a column comprising a first section and a second section placed above the first section, the column being provided with a first and a second exchanger capable of condensing all or part of the gaseous flow rates of the columns, the first exchanger being located at the head and the second exchanger being located at most 60 theoretical trays above the column vessel and at a where, during operation, the oxygen content of the vapor is greater than 10/0, means for introducing a mixture comprising argon and oxygen in the bottom of the column, means for withdrawing a fluid enriched in argon at the top of the column and means for sending to the exchangers as refrigerants liquids vaporizing substantially at the same pressure. Optionally: the diameter of the first section being greater than that of the second section, preferably at least 20%; - The apparatus comprises means for sending as the refrigerant to the second exchanger liquid withdrawn from the first exchanger; the volume of the first exchanger is smaller than the volume of the second exchanger; The second exchanger is designed to operate with a temperature difference between the vaporizing liquid and the condensing gas that is lower than that of the first exchanger; the apparatus comprises means for sending the same liquid as a refrigerant to the first and second exchangers. The principle is based on the distribution of the steam flow to be condensed between two exchangers: an intermediate exchanger and a head condenser. Figure 1 shows the relationship between the argon and oxygen concentrations in the vapor, the temperature and the position in the column in terms of theoretical plates for a column according to the prior art. The concentrations in% and the temperature in ° C are in ordinates and the number of theoretical plates from the bottom of the column are on the abscissa. There is therefore a significant drop in temperature to the 40-60th theoretical plateau, corresponding to the significant lowering of the oxygen content from 10% to <1%. It is therefore possible to take advantage of this still high temperature by adding in the column and in this content range a heat exchanger which will re-condense a large part of the rising vapors, so as to reduce the remainder very substantially (approximately by half) of gas to be purified. This condenser will use as a refrigerant: - either the same fluid as that of the top condenser, working at substantially the same pressure as the top condenser but under a larger temperature difference: exchanger reduced in size, - or a more fluid hot than the head condenser, under the same temperature difference and under substantially the same pressure. Typically, the bath liquid of the overhead condenser will be used. Thus, the massive blowdown of the overhead condenser will significantly reduce its volume, lowering the temperature of the bath. The invention will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4 which show argon production columns according to the invention. In Figure 3, column 1 is divided into two sections 1A and 1B, the two sections being separated by an intermediate condenser 7 disposed at most 60 theoretical plates above the tank of column 1. The column receives in tank of section 1A an argon and oxygen enriched mixture 11 from the low pressure column of the double column and the column liquid from column 1 is returned to the low pressure column. This mixture separates into the two sections 1A and 1B, containing trays or structured packings to form an argon-rich flow 9 at the top of the column. A rich liquid flow LR 5 from the vessel of the medium pressure column of the double column is divided into two. Part 5A is sent to the second exchanger 7 and the remainder 5B to the first exchanger 3. The two flows of vaporized rich liquid 8A, 8B are removed. The temperature difference of the second heat exchanger 3 is reduced relative to the temperature difference of the first heat exchanger 3. The condensers 3,7 use as refrigerants the same liquid or liquids vaporizing substantially at the same pressure. In this case, the refrigerant of the first exchanger 3 vaporizes at a boiling temperature identical to the temperature at which the refrigerant vaporizes in the second exchanger 7. The flow rates of the vaporized rich liquid LRV 13A and 13B are taken in the exchangers 7 and 3 respectively, mixed to form a flow 13 and sent to the low pressure column. Likewise, a purge liquid flow rate (not shown) of each condenser is extracted as a safety measure. Section 1B is 16% smaller than section 1A which is itself 2% smaller than the column of the prior art of Figure 2.
De plus le volume de l'échangeur effectuant la vaporisation-condensation dans le premier échangeur 3 est 25% plus petit que celui de l'échangeur du condenseur de tête de l'art antérieur. Ceci permet d'avoir une colonne plus compacte et de réduire les dimensions de la boîte froide. Dans ce cas, le AT (différence de température entre le liquide vaporisant et le gaz condensant) pour le premier échangeur 3 est beaucoup plus petit que celui du deuxième échangeur 3 et légèrement plus petit que celui de l'art antérieur de la Figure 2. In addition the volume of the exchanger performing vaporization-condensation in the first exchanger 3 is 25% smaller than that of the exchanger of the head condenser of the prior art. This makes it possible to have a more compact column and to reduce the dimensions of the cold box. In this case, the AT (difference in temperature between the vaporizing liquid and the condensing gas) for the first heat exchanger 3 is much smaller than that of the second heat exchanger 3 and slightly smaller than that of the prior art of FIG. 2.
Pour la Figure 4, la colonne 1 est divisée en deux sections 1A et 1B, les deux sections étant séparées par un condenseur intermédiaire 7 disposé au plus 60 plateaux théoriques au-dessus de la cuve de la colonne 1. La colonne reçoit un mélange 11 enrichi en argon et en oxygène provenant de la colonne basse pression de la double colonne et le liquide de cuve de la colonne 1 est renvoyé à la colonne basse pression. Ce mélange se sépare dans les deux sections 1A et 1B, contenant des plateaux ou des garnissages structurés pour former un débit 9 riche en argon en tête de la colonne. Un débit de liquide riche LR 5 provenant de la cuve de la colonne moyenne pression de la double colonne est envoyé au premier échangeur 3. Une partie du liquide s'y vaporise pour former le débit 8A mais une partie de la purge (liquide très riche LTR) du premier échangeur 3 est envoyée comme le débit 5A au condenseur intermédiaire 7 pour être vaporisée formant le débit 8B. Les échangeurs 3,7 utilisent comme fluides frigorigènes 5,5A des liquides se vaporisant sensiblement à la même pression. Le fluide frigorigène 5A du deuxième échangeur 3 s'y vaporise à une température d'ébullition supérieure à la température à laquelle se vaporise le fluide frigorigène 5 dans le premier échangeur 3, puisqu'il est enrichi en oxygène par rapport à celui-ci. Un débit liquide riche vaporisé 8B est prélevé dans le deuxième échangeur 3. For Figure 4, column 1 is divided into two sections 1A and 1B, the two sections being separated by an intermediate condenser 7 disposed at most 60 theoretical plates above the tank of column 1. The column receives a mixture 11 enriched with argon and oxygen from the low pressure column of the double column and the column liquid from column 1 is returned to the low pressure column. This mixture separates into the two sections 1A and 1B, containing trays or structured packings to form an argon-rich flow 9 at the top of the column. A flow of rich liquid LR 5 from the tank of the medium pressure column of the double column is sent to the first exchanger 3. Part of the liquid vaporizes to form the flow 8A but part of the purge (very rich liquid LTR) of the first exchanger 3 is sent as the flow rate 5A to the intermediate condenser 7 to be vaporized forming the flow 8B. The exchangers 3.7 use as refrigerants 5.5A liquids vaporizing substantially at the same pressure. The refrigerant 5A of the second exchanger 3 vaporizes there at a boiling temperature higher than the temperature at which the refrigerant 5 vaporizes in the first exchanger 3, since it is enriched in oxygen with respect thereto. A vaporized rich liquid flow 8B is taken from the second exchanger 3.
La section 1B est 20% moins large que la section 1A qui est elle-même 2% moins large que la colonne de l'art antérieur de la Figure 2. De plus le volume de l'échangeur effectuant la vaporisation-condensation dans le premier échangeur 3 est 68% plus petit que celui de l'échangeur du condenseur de tête de l'art antérieur. Section 1B is 20% less wide than section 1A which is itself 2% less wide than the column of the prior art of Figure 2. In addition the volume of the exchanger performing vaporization-condensation in the first Exchanger 3 is 68% smaller than that of the exchanger of the head condenser of the prior art.
Ceci permet d'avoir une colonne plus compacte et de réduire les dimensions de la boîte froide. Dans ce cas, le AT pour le premier échangeur 3 est beaucoup plus grand que celui du deuxième échangeur 3 et plus grand que celui de l'art antérieur de 5 la Figure 2. Il sera compris dans les cas des Figures 3 et 4 qu'il y a des moyens permettant à une partie des fluides de contourner le condenseur intermédiaire afin d'assurer la continuité de la distillation. Ces tubulures de contournement pourront être prévues à cet effet. This makes it possible to have a more compact column and to reduce the dimensions of the cold box. In this case, the AT for the first exchanger 3 is much larger than that of the second exchanger 3 and larger than that of the prior art of FIG. 2. It will be understood in the cases of FIGS. 3 and 4 that there are means allowing part of the fluids to bypass the intermediate condenser to ensure the continuity of the distillation. These bypass pipes may be provided for this purpose.