FR2968749A1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant une double colonne et une colonne auxiliaire (31) ayant un rebouilleur de cuve (17) et un condenseur de tête (19), on envoie de l'air refroidi dans un échangeur (8) à la colonne moyenne pression, on envoie un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne auxiliaire, on envoie de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête, on le vaporise au moins partiellement dans le condenseur de tête de la colonne auxiliaire, on comprime l'oxygène vaporisé dans un compresseur (23), sans l'avoir réchauffé de plus que 10°C, voire de 5°C, en aval du condenseur, et on réchauffe l'oxygène comprimé dans l'échangeur.

Description

La présente invention concerne un procédé et un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Le procédé utilise une double colonne et une colonne auxiliaire. Dans le cadre des IGCC, qui sont des appareils utilisant un gazéifieur alimenté par l'oxygène pour produire du carburant pour une turbine à gaz, elle-même alimentée par l'azote, la consommation d'oxygène impur (typiquement 95% mol.) sous pression (typiquement 50 bara et plus) s'accompagne d'une consommation d'azote sous pression pour le gazéifieur et pour la turbine à gaz. Lorsque le client valorise l'ensemble de l'azote sous pression disponible, les schémas avec colonne basse pression sous pression, donc opérant à une pression d'entre 1,6 et 4 bars abs, permettent d'obtenir de bonne énergie de séparation de l'oxygène. Dès que la valorisation de l'azote devient plus faible, l'énergie de séparation de ces schémas se dégrade fortement. Il est connu d'utiliser pour alimenter un IGCC un appareil sous pression avec une colonne Etienne, c'est-à-dire une colonne opérant à une pression intermédiaire entre celles des colonnes moyenne et basse pression et alimentée par un liquide enrichi en oxygène provenant de la colonne moyenne pression, dans laquelle l'oxygène sous pression est sorti à pompe de la colonne basse pression, vaporisé et envoyé au client. C'est un appareil bien adapté lorsque tout l'azote disponible est valorisé sous pression. Sa performance se dégrade vite si une partie de l'azote n'est pas utilisée. Cette partie de l'azote peut être turbinée, mais la récupération de l'énergie de compression est partielle. On propose ici un procédé employant une colonne basse pression opérant sous pression qui permet de maintenir l'énergie de séparation de l'oxygène, même avec une valorisation plus faible de l'azote sous pression (typiquement de 60-90%), ce qui correspond à de nouvelles demandes des marchés, notamment pour les appareils IGCC avec captage du CO2. Ceci veut dire qu'entre 60 et 90% de l'azote est envoyé vers le client sous pression, généralement après compression complémentaire, à partir d'une pression qui peut être celle d'une des trois colonnes. Le reste de l'azote est généralement détendu jusqu'à la pression atmosphérique. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant une double colonne, comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression thermiquement reliées entre elles, et une colonne auxiliaire ayant un rebouilleur de cuve et un condenseur de tête, dans lequel on envoie de l'air refroidi dans un échangeur à la colonne moyenne pression, on envoie un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne auxiliaire, par exemple à un niveau intermédiaire ou en cuve de celle-ci, on envoie un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, on envoie un liquide soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression ou un débit d'air liquéfié à la colonne basse pression, on envoie un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression à un rebouilleur de cuve et/ou un rebouilleur intermédiaire de la colonne basse pression, on envoie un liquide enrichi en azote et/ou un liquide enrichi en oxygène de la colonne auxiliaire à la colonne basse pression, on chauffe le rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire au moyen d'air ou d'azote de la colonne moyenne pression, on soutire de l'azote gazeux en tête de la colonne basse pression et on le réchauffe dans l'échangeur, on envoie de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête, on le vaporise au moins partiellement dans le condenseur de tête de la colonne auxiliaire, on comprime l'oxygène vaporisé dans un compresseur sans l'avoir réchauffé de plus que 10°C, voire plus que 5°C en aval du condenseur de tête et on réchauffe l'oxygène comprimé dans l'échangeur.
Selon d'autres objets facultatifs : - l'oxygène liquide comprend au moins 70% mol. d'oxygène et au plus 99% mol. d'oxygène. - on envoie l'oxygène vaporisé du compresseur à l'échangeur sans modifier sa température. - on préchauffe l'oxygène vaporisé en amont du compresseur mais d'au plus 10°C, voire d'au plus 5°C. - l'oxygène est comprimé par le compresseur est comprimé jusqu'à une pression intermédiaire et par un deuxième compresseur en aval de l'échangeur à une pression d'au moins 40 bars abs, voire au moins 50 bars abs. - la colonne basse pression opère à entre 2 et 5 bars abs. - de l'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression ou de la colonne basse pression ou colonne auxiliaire et constituant entre 10 et 40% de l'azote produit par le procédé est détendu dans une turbine. - l'azote produit à la pression de la colonne basse pression et/ou à la pression de la colonne auxiliaire et/ou à la pression de la colonne moyenne pression et utilisé par un appareil IGCC constitue entre 60% et 90% de l'azote produit par le système constitué par la double colonne et la colonne auxiliaire. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression thermiquement reliées entre elles, et une colonne auxiliaire ayant un rebouilleur de cuve et un condenseur de tête, un échangeur de chaleur, une conduite pour envoyer de l'air refroidi dans l' échangeur à la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne auxiliaire, par exemple à un niveau intermédiaire ou en cuve de celle-ci, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un liquide soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression ou un débit d'air liquéfié à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression à un rebouilleur de cuve et/ou un rebouilleur intermédiaire de la colonne basse pression, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en azote et/ou un liquide enrichi en oxygène de la colonne auxiliaire à la colonne basse pression, une conduite pour envoyer de l'air ou de l'azote de la colonne moyenne pression au rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire, une conduite pour soutirer de l'azote gazeux en tête de la colonne basse pression et une conduite pour envoyer l'azote se réchauffer dans l'échangeur, une conduite pour envoyer de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête de la colonne auxiliaire, une conduite pour envoyer de l'oxygène vaporisé dans le condenseur dans un compresseur en amont de l'échangeur de chaleur et une conduite pour envoyer l'oxygène comprimé se réchauffer dans l'échangeur.
Eventuellement l'appareil comprend : - un deuxième compresseur pour comprimer l'oxygène comprimé réchauffé dans l'échangeur. - une turbine pour détendre de l'azote de la colonne basse pression, aucun compresseur n'étant relié entre la turbine et la colonne basse pression. L'azote résiduaire sous pression non valorisé provenant de la colonne basse pression est détendu dans une turbine vers l'atmosphère. Il est également possible de détendre de l'azote provenant de la colonne moyenne pression ou la colonne auxiliaire, opérant à une pression entre la moyenne pression et la basse pression. On notera que le procédé ne comprend aucune détente d'air ou d'autre gaz que l'azote. L'oxygène gazeux issu de l'ensemble des colonnes à distiller est comprimé à froid avant réchauffage dans la ligne d'échange. On n'observe pas de dégradation notable de l'énergie de séparation de l'oxygène lorsqu'on ne valorise pas tout l'azote sous pression. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui montre un procédé selon l'invention. L'appareil comprend un compresseur 3, une unité d'épuration 5, un échangeur de chaleur par échange indirect 8, une turbine 25, une double colonne comprenant une colonne moyenne pression 11, une colonne basse pression 21, reliées entre elles par un condenseur intermédiaire 15 de la colonne basse pression et une colonne auxiliaire 31. La colonne basse pression 21 a un rebouilleur de cuve 13. La colonne auxiliaire 31 comprend un condenseur de tête 19 et un rebouilleur de cuve 17.
La colonne moyenne pression fonctionne à une pression entre 7 bara et 15 bara. La colonne basse pression fonctionne à une pression entre 2 bara.et 5 bara. La colonne auxiliaire fonctionne à une pression entre celle de la colonne moyenne pression et celle de la colonne basse pression, par exemple entre 4 bara et 9 bars. Un débit d'air 1 est comprimé à une pression entre 8 bara et 16 bara dans le compresseur 3. L'air est épuré en eau et en CO2 dans l'unité 5 puis divisé en deux. Un premier débit 7 se refroidit complètement dans l'échangeur 8 et est envoyé chauffer le rebouilleur de cuve 13 de la colonne basse pression 21. L'air 7 s'y condense au moins partiellement pour former un débit 33 qui, après détente dans une vanne 35 est envoyé à la colonne moyenne pression sous forme liquide. Le deuxième débit 9 se refroidit également entièrement dans l'échangeur 8 et est envoyé sous forme gazeuse dans la colonne moyenne pression 11.
Un liquide enrichi en oxygène 37 est soutiré en cuve de la colonne moyenne pression 11, refroidi dans un échangeur 27, détendu dans une vanne et envoyé à un point intermédiaire de la colonne auxiliaire 31. Il peut également être envoyé en cuve de cette colonne. Un débit 39 est soutiré de la colonne moyenne pression 11 au même niveau intermédiaire que l'arrivée d'air 33. Le débit 39 est refroidi dans l'échangeur 27, détendu dans une vanne 67 et envoyé plusieurs plateaux théoriques en dessous de la tête de la colonne basse pression 21. Alternativement une partie de l'air 33 peut remplacer le débit 39 et être envoyée à la colonne basse pression directement. De l'azote gazeux moyenne pression est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 11 et divisé en trois. Une partie 41 est envoyée au condenseur intermédiaire 15 où il se condense au moins partiellement et est envoyé en tête de la colonne moyenne pression. Une autre partie 45 se réchauffe dans la ligne d'échange 8 et est envoyée au client, après éventuellement compression supplémentaire (non-illustrée). Une troisième partie 43 sert à réchauffer le rebouilleur de cuve 17 de la colonne auxiliaire 31 avant d'être envoyée à la tête de la colonne moyenne pression comme reflux. De l'azote liquide moyenne pression est soutiré en tête de la colonne moyenne pression comme débit 63, refroidi dans l'échangeur 27, détendu dans une vanne 65 et envoyé en tête de la colonne basse pression 21. Un gaz 47 est soutiré en tête de la colonne basse pression 21 sous une pression d'entre 2 bara et 5 bara, réchauffé dans l'échangeur 27 et puis dans l'échangeur 8. Une partie 51 se réchauffe jusqu'à au bout chaud de l'échangeur 8 et le reste, constituant, entre 10 et 40 % de l'azote produit par l'appareil (débits 47, 45), est envoyé à une turbine 25 à une température intermédiaire de l'échangeur 8 et puis poursuit son réchauffement jusqu'à bout chaud. L'azote turbiné peut servir à la régénération de l'unité d'épuration 5, puis être rejeté à l'atmosphère (50). De l'oxygène liquide 52 est soutiré en cuve de la colonne basse pression 21, refroidi dans l'échangeur 27, détendu dans la vanne 53 pour abaisser sa pression d'environ 2 bar puis envoyé au condenseur de tête 19 où il se vaporise partiellement. Un débit liquide 55 est soutiré du condenseur 19. Le gaz vaporisé 57 riche en oxygène est comprimé dans un compresseur froid 23 jusqu'à une pression d'entre 2 et 5 bar abs puis réchauffé dans l'échangeur principal 8. Cet oxygène 57 est envoyé, après compression supplémentaire dans un compresseur 123 en aval de l'échangeur 8, à une pression d'au moins 40 bars abs, voire d'au moins 50 bars abs et une pureté d'entre 90 et 98% mol. d'oxygène à un gazéifieur (non-illustré). La température d'entrée du compresseur 23 est entre -185°C et - 165°C. L'oxygène destiné au compresseur 23 peut éventuellement être réchauffé en aval du condenseur 19 dans le sous-refroidisseur 27, pour éviter le risque de former des gouttes de liquide dans le compresseur.
Un liquide de cuve 43 de la colonne auxiliaire 31 est détendu dans la vanne 69 pour former le débit 71 qui est envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 21. Un liquide 59 est soutiré en tête de la colonne auxiliaire 31, refroidi dans l'échangeur 27, détendu dans une vanne 61 et envoyé en tête de la colonne basse pression 21. Le système de chauffage peut différer de celui illustré. La colonne basse pression peut contenir un rebouilleur de cuve uniquement chauffé par de l'azote moyenne pression. Sinon si elle contient deux rebouilleurs, les deux peuvent être chauffés par de l'azote provenant de la colonne moyenne pression à des pressions différentes. Il est également possible d'utiliser trois rebouilleurs. La colonne basse pression 21 n'a pas de condenseur de tête. Il est également possible de détendre une partie de l'azote de tête de la colonne 31 et/ou une partie de l'azote 45 dans une ou plusieurs turbines.25

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant une double colonne, comprenant une colonne moyenne pression (11) et une colonne basse pression (21) thermiquement reliées entre elles, et une colonne auxiliaire (31) ayant un rebouilleur de cuve (17) et un condenseur de tête (19), dans lequel on envoie de l'air refroidi dans un échangeur (8) à la colonne moyenne pression, on envoie un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne auxiliaire, par exemple à un niveau intermédiaire ou en cuve de celle-ci, on envoie un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, on envoie un liquide soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression ou un débit d'air liquéfié à la colonne basse pression, on envoie un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression à un rebouilleur de cuve (13) et/ou un rebouilleur intermédiaire (15) de la colonne basse pression, on envoie un liquide enrichi en azote et/ou un liquide enrichi en oxygène de la colonne auxiliaire à la colonne basse pression, on chauffe le rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire au moyen d'air ou d'azote de la colonne moyenne pression, on soutire de l'azote gazeux en tête de la colonne basse pression et on le réchauffe dans l'échangeur, on envoie de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête, on le vaporise au moins partiellement dans le condenseur de tête de la colonne auxiliaire, on comprime l'oxygène vaporisé dans un compresseur (23), sans l'avoir réchauffé de plus que 10°C, voire plus que 5°C, en aval du condenseur de tête et on réchauffe l'oxygène comprimé dans l'échangeur.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'oxygène liquide (52) comprend au moins 70% mol. d'oxygène et au plus 99% mol. d'oxygène.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on envoie l'oxygène vaporisé du compresseur (23) à l'échangeur (8) sans modifier sa température.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'oxygène est comprimé par le compresseur (23) est comprimé jusqu'à une pression intermédiaire et par un deuxième compresseur (123) en aval de l'échangeur à une pression d'au moins 40 bars abs, voire au moins 50 bars abs.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne basse pression opère à entre 2 et 5 bars abs.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de 10 l'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression ou de la colonne basse pression ou colonne auxiliaire et constituant entre 10 et 40% de l'azote produit par le procédé est détendu dans une turbine.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote 15 produit à la pression de la colonne basse pression et/ou à la pression de la colonne auxiliaire (31) et/ou à la pression de la colonne moyenne pression (11) et utilisé par un appareil IGCC constitue entre 60% et 90% de l'azote produit par le système constitué par la double colonne et la colonne auxiliaire. 20
  8. 8. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, comprenant une colonne moyenne pression (11) et une colonne basse pression (21) thermiquement reliées entre elles, et une colonne auxiliaire (31) ayant un rebouilleur de cuve (17) et un condenseur de tête (19), un échangeur de chaleur (8), une conduite (9) pour envoyer de l'air refroidi dans l' 25 échangeur à la colonne moyenne pression, une conduite (37) pour envoyer un liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression à la colonne auxiliaire, par exemple à un niveau intermédiaire ou en cuve de celle-ci, une conduite (63) pour envoyer un liquide enrichi en azote de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression, une conduite (39) pour envoyer un liquide 30 soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression ou un débit d'air liquéfié à la colonne basse pression, une conduite (41) pour envoyer un gaz riche en azote de la colonne moyenne pression à un rebouilleur de cuve et/ou un5rebouilleur intermédiaire de la colonne basse pression, une ou des conduites (43, 59) pour envoyer un liquide enrichi en azote et/ou un liquide enrichi en oxygène de la colonne auxiliaire à la colonne basse pression, une conduite (35) pour envoyer de l'air ou de l'azote de la colonne moyenne pression au rebouilleur de cuve de la colonne auxiliaire, une conduite (47) pour soutirer de l'azote gazeux en tête de la colonne basse pression et une conduite pour envoyer l'azote se réchauffer dans l'échangeur, une conduite pour envoyer de l'oxygène liquide (52) de la cuve de la colonne basse pression au condenseur de tête de la colonne auxiliaire, une conduite (57) pour envoyer de l'oxygène vaporisé dans le condenseur dans un compresseur (23) en amont de l'échangeur de chaleur et une conduite pour envoyer l'oxygène comprimé se réchauffer dans l'échangeur.
  9. 9. Appareil selon la revendication 8 comprenant un deuxième compresseur (123) pour comprimer l'oxygène comprimé réchauffé dans l'échangeur.
  10. 10. Appareil selon la revendication 8 ou 9 comprenant une turbine (25) pour détendre de l'azote de la colonne basse pression, aucun compresseur n'étant relié entre la turbine et la colonne basse pression. 20
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