FR3013105A1 - 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

Un procédé comprend un premier ensemble de colonnes de distillation (1) et un deuxième ensemble de colonnes de distillation (2), une colonne basse pression (5) du premier ensemble étant reliée à une colonne opérant à pression plus élevée (3') du deuxième ensemble au moyen d'un gaz (15) arrivant de la tête de la colonne opérant à une pression plus élevée et/ou au moyen d'un fluide (17) arrivant de la colonne basse pression.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Il est connu de séparer l'air dans une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, la tête de la colonne moyenne pression étant thermiquement reliée avec la cuve de la colonne basse pression au moyen d'un rebouilleur-condenseur. La colonne moyenne pression peut par exemple fonctionner à une pression entre 5 et 6 bars abs et la colonne basse pression entre 1,2 et 1,5 bars abs. Si la colonne basse pression fonctionne à une pression supérieure à 2 bars abs, on dit couramment que l'appareil fonctionne « sous pression » ou « à pression élevée ». Les procédés de distillation dans lequel l'appareil fonctionne sous pression, que ce soit pour produire de l'oxygène impur (typiquement 95% mol.) ou pur (typiquement au moins 99,5% mol.) permettent de gagner environ 20% d'énergie par rapport à un schéma classique basse pression, sous réserve de valoriser tout l'azote produit : L'utilisation de schémas sous pression impose donc deux contraintes : - Tout l'azote doit être utilisé - Une partie de l'azote est forcément impure La production d'oxygène gazeux (GOX) et l'azote gazeux (GAN) en utilisant deux unités de séparation d'air (ASU) opérant à la même basse pression (BP), donc avec la colonne basse pression fonctionnant à moins de 2 bars, se présente comme suit : Production Train 1 : ASU BP Train 2 : ASU BP Tota I GOX 20 20 40 GAN 10 soutiré de la 10 soutiré de la 100 colonne MP colonne MP 40 soutiré de la 40 soutiré de la colonne BP colonne BP Total GAN : 50 Total GAN : 50 Energie 100 100 200 Dans le cadre d'unité de production avec plusieurs unités de séparation d'air en parallèle (dit « multi-trains »), l'invention propose de combiner l'utilisation d'un schéma sous pression pour au moins un train, et d'un schéma basse pression pour au moins un train.
L'azote nécessaire peut être produit d'abord par l'ensemble sous pression, puis par l'ensemble basse pression si le besoin est supérieur à la production maximale de l'ensemble sous pression. La partie d'azote impur issu de l'ensemble sous pression sera soit purifiée dans l'ensemble basse pression, soit purifiée et produite dans l'ensemble sous pression en utilisant un fluide issu de l'ensemble basse pression. La régénération de l'ensemble sous pression pourra être faite à partir d'un gaz résiduaire d'un ensemble basse pression Cette disposition permet de produire la quantité d'azote voulue à la pureté voulue (préférentiellement pure) et de bénéficier pour la production d'oxygène d'une partie du gain énergétique en utilisant des schémas sous pression pour une partie des trains. Selon l'invention, on va utiliser au moins un ensemble de colonnes dont la colonne opérant à la plus basse pression opère à une pression supérieure à 2 bars abs, dit « ensemble sous pression ». Cet ensemble va produire préférentiellement l'azote dont on a besoin, en plus d'une partie de l'oxygène. Un ensemble comprend au moins une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, la tête de la colonne moyenne pression étant thermiquement reliée avec la cuve de la colonne basse pression au moyen d'un rebouilleur-condenseur.
Un ensemble peut alternativement comprendre au moins une triple colonne constituée par trois colonnes, une colonne moyenne pression, une colonne pression intermédiaire et une colonne basse pression, la tête de la colonne moyenne pression étant thermiquement reliée avec la cuve de la colonne pression intermédiaire au moyen d'un rebouilleur-condenseur, la tête de la colonne pression intermédiaire étant thermiquement reliée avec la cuve de la colonne basse pression au moyen d'un rebouilleur-condenseur. Un ensemble peut alternativement comprendre au moins une triple colonne constituée par trois colonnes, une colonne moyenne pression, une colonne pression intermédiaire et une colonne basse pression, la tête de la colonne moyenne pression étant thermiquement reliée avec la cuve de la colonne pression intermédiaire au moyen d'un rebouilleur-condenseur et avec la cuve de la colonne basse pression au moyen d'un autre rebouilleur- condenseur. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil comprenant i) un premier ensemble de colonnes de distillation comprenant au moins une première colonne fonctionnant à une première pression dite haute pression et une deuxième colonne fonctionnant à une deuxième pression plus basse que la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une première unité d'épuration et une première ligne d'échange de chaleur, et ii) un deuxième ensemble de colonnes de distillation comprenant au moins une troisième colonne fonctionnant à une troisième pression plus basse que la première pression et une quatrième colonne fonctionnant à une quatrième pression plus basse que la première, la deuxième et la troisième pressions, la tête de troisième colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la quatrième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une deuxième unité d'épuration et une deuxième ligne d'échange de chaleur, dans lequel on envoie de l'air comprimé à la première unité d'épuration, on envoie de l'air épuré de la première unité d'épuration à la première ligne d'échange, on envoie de l'air refroidi de la première ligne d'échange à la première colonne, on envoie de l'air comprimé à la deuxième unité d'épuration, on envoie de l'air épuré de la deuxième unité d'épuration à la deuxième ligne d'échange et on envoie de l'air refroidi de la deuxième ligne d'échange à la troisième colonne opérant à la troisième pression caractérisé en ce que l'on envoie un fluide de tête de la troisième colonne à la 30 deuxième colonne ou on mélange le gaz de tête de la troisième colonne avec un gaz de tête de la deuxième colonne et on envoie un fluide intermédiaire de la deuxième colonne à la troisième colonne.
Selon d'autres caractéristiques facultatives : - la troisième pression est supérieure à, inférieure à ou égale à la deuxième pression. - la troisième pression est égale à la deuxième pression et l'on envoie le fluide de tête de la troisième colonne à la deuxième colonne sans le détendre et/ou on envoie le fluide intermédiaire de la deuxième colonne à la troisième colonne sans le pressuriser. - la troisième pression est supérieure à la deuxième pression et l'on envoie le fluide de tête de la troisième colonne à la deuxième colonne après l'avoir détendu et/ou on envoie le fluide intermédiaire de la deuxième colonne à la troisième colonne après l'avoir pressurisé. - on envoie un gaz, éventuellement intermédiaire, de la quatrième colonne vers la première unité d'épuration et vers la deuxième unité d'épuration pour servir de gaz de régénération. on n'envoie aucun gaz de la deuxième colonne vers la première unité d'épuration comme gaz de régénération. - on soutire un fluide enrichi en oxygène en cuve de la deuxième colonne et on soutire un fluide enrichi en oxygène en cuve de la quatrième colonne. on soutire un gaz enrichi en azote en tête de la deuxième colonne et on soutire un gaz enrichi en azote en tête de la quatrième colonne. - on ne soutire pas de gaz enrichi en azote en tête de la première colonne. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant une première unité de séparation d'air comprenant i) un premier ensemble de colonnes de distillation comprenant au moins une première colonne capable de fonctionner à une première pression dite haute pression et une deuxième colonne capable de fonctionner à une deuxième pression plus basse que la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une première unité d'épuration et une première ligne d'échange de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air comprimé à la première unité d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air épuré de la première unité d'épuration à la première ligne d'échange et des moyens pour envoyer de l'air refroidi de la première ligne d'échange à la première colonne, et ii) un deuxième ensemble de colonnes de distillation, comprenant au moins une troisième colonne capable de fonctionner à une troisième pression plus basse que la première pression et une quatrième colonne capable de fonctionner à une quatrième pression plus basse que la première, la deuxième et la troisième pressions, la tête de la troisième colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la quatrième colonne au moyen d'un rebouilleur- condenseur, une deuxième unité d'épuration et une deuxième ligne d'échange de chaleur, des moyens pour envoyer de l'air comprimé à la troisième pression à la deuxième unité d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air épuré de la deuxième unité d'épuration à la deuxième ligne d'échange et des moyens pour envoyer de l'air refroidi de la deuxième ligne d'échange à la troisième colonne, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer un fluide de tête de la troisième colonne à la deuxième colonne ou au gaz de tête de la deuxième colonne et des moyens pour envoyer un fluide intermédiaire de la deuxième colonne à la troisième colonne. Selon d'autres aspects facultatifs : les moyens pour envoyer un fluide de tête de la troisième colonne à la deuxième colonne ou au gaz de tête de la deuxième colonne ne comprennent pas des moyens de détente et/ou les moyens pour envoyer un fluide intermédiaire de la deuxième colonne à la troisième colonne ne comprennent pas de moyens de pressurisation. l'appareil comprend une vanne ou une turbine pour détendre le fluide envoyé de la troisième colonne à la deuxième colonne et/ou une pompe pour pressuriser le fluide envoyé de la deuxième colonne à la troisième colonne, le fluide étant un liquide. l'appareil comprend des moyens pour envoyer un gaz éventuellement intermédiaire de la quatrième colonne vers la première unité d'épuration et vers la deuxième unité d'épuration pour servir de gaz de régénération. - l'appareil ne comprend aucun moyen d'envoi de gaz de la deuxième colonne vers la première unité d'épuration comme gaz de régénération. - l'appareil comprend des moyens pour soutirer un fluide enrichi en oxygène en cuve de la deuxième colonne et comprenant des moyens pour soutirer un fluide enrichi en oxygène en cuve de la quatrième colonne. - l'appareil comprend une conduite pour soutirer un gaz enrichi en azote en tête de la deuxième colonne et une conduite pour soutirer un gaz enrichi en azote en tête de la quatrième colonne. l'appareil ne comprend pas de conduite pour soutirer un gaz enrichi en azote en tête de la première colonne. La colonne moyenne pression de l'ensemble sous pression fonctionne de préférence à une pression supérieure à 7 bars abs.
L'azote résiduaire du ou des ensembles sous pression est purifié à l'aide du ou des ensembles basse pression. Exemple : Productio Train 1 : ASU Train 2: Tota n Sous pression ASU BP I GOX 20 20 40 GAN 0 soutiré de la 10 soutiré 100 colonne « MP » de la colonne MP 60 soutiré de la colonne « BP » 10 soutiré impur soutiré de la colonne « BP » purifié grâce au train 2 de la colonne Total GAN : 80 BP Total GAN : 20 Energie 80 100 180 3013 105 7 Dans ce cas, cela permet de réduire de 10% l'énergie moyenne de production. Selon la Figure 1, l'appareil comprend deux ensembles de colonnes de séparation d'air 1, 2. Chaque ensemble est disposé dans une boîte froide 31, 5 31' mais les deux ensembles pourraient se trouver dans la même boite froide. Dans l'ensemble 1, il y a au moins une double colonne de séparation comprenant une première colonne 3 opérant à une première pression appelée haute pression (HP) et une deuxième colonne 5 opérant à une deuxième pression moins élevée que la haute pression reliées thermiquement au moyen 10 d'au moins un rebouilleur-condenseur. La première pression (haute pression) est supérieure à 7 bars abs et/ou la deuxième pression (basse pression) est supérieure à 2 bars abs. Les colonnes 3, 5 de l'ensemble 1 illustré sont thermiquement reliées par un vaporiseur de cuve de la deuxième colonne 5 qui condense de l'azote 15 provenant de la tête de la colonne 3. De l'air 9 comprimé dans le compresseur C est épuré dans l'unité d'épuration E et refroidi dans la ligne d'échange 7. L'air refroidi est envoyé au moins à la première colonne 3 au moins en partie sous forme gazeuse et s'y sépare de manière connue. De l'oxygène gazeux 11 est soutiré de la cuve de la deuxième colonne 5 et se réchauffe dans la ligne 20 d'échange 7. De l'azote gazeux 13 pris en tête de la deuxième colonne 5 se réchauffe dans la ligne d'échange 7. Un débit gazeux enrichi en azote 17 est soutiré à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne 5. Le schéma est simplifié et ne montre pas (tous) les éventuels sous-refroidisseurs, pompes, surpresseurs d'air ou turbines.
Dans l'ensemble 2, il y a au moins une double colonne de séparation comprenant une troisième colonne 3' opérant à une troisième pression, appelée moyenne pression (MP) inférieure à la haute pression et une quatrième colonne 5' opérant à une quatrième pression moins élevée que la troisième pression (« moyenne pression »). La troisième pression est inférieure à 6,5 bars abs. Les colonnes 3', 5' de l'ensemble 2 sont thermiquement reliées par un vaporiseur de cuve de la colonne 5' qui condense de l'azote provenant de la tête de la colonne 3'. De l'air 9' comprimé dans le compresseur C est épuré 3013 105 8 dans l'unité d'épuration E' et refroidi dans la ligne d'échange 7'. L'air refroidi est envoyé au moins à la colonne 3' au moins en partie sous forme gazeuse et s'y sépare de manière connue. De l'oxygène gazeux 11' est soutiré de la cuve de la quatrième colonne 5' et se réchauffe dans la ligne d'échange 7'. De 5 l'azote gazeux 13' pris en tête de la colonne quatrième 5' se réchauffe dans la ligne d'échange 7'. De l'azote résiduaire 19 est soutiré à un niveau intermédiaire de la quatrième colonne 5'. L'azote résiduaire gazeux 17 de l'ensemble 1 issu de la deuxième colonne 5 est envoyé dans la partie supérieure de la troisième colonne 3' du 10 l'ensemble 2 pour être purifié, en bénéficiant de l'excès de reflux dans cette partie de la troisième colonne 3'. L'azote purifié 15 est soutiré sous forme gazeuse en tête de la troisième colonne 3' de l'ensemble 2 (en plus de l'azote MP produit « naturellement » par cette troisième colonne 3'), puis mélangé avec l'azote de tête de la deuxième colonne 5 de l'ensemble 1 (vers la ligne 15 d'échange 7) pour ne pas déséquilibrer le bilan frigorifique. Une partie 29 du résiduaire 19 de l'ensemble 2 est utilisée pour la régénération de l'épuration E de l'ensemble 1. Le reste 19' de l'azote résiduaire 19 de l'ensemble 2 est utilisé pour la régénération de l'épuration E' de l'ensemble 2. 20 Cette variante nécessite d'avoir la deuxième colonne 5 de l'ensemble 1 a une pression sensiblement identique à celle de la troisième colonne 3' de l'ensemble 2. Dans la variante de la Figure 2, la première colonne 3 de l'ensemble 1 fonctionne à une première pression supérieure à 7 bars abs et/ou la deuxième 25 colonne 5 fonctionne à une deuxième pression supérieure à 2 bars abs. Pour l'ensemble 2 la troisième colonne 3' fonctionne à une troisième pression inférieure à 6.5 bars abs et/ou la quatrième colonne 5' fonctionne à une quatrième pression inférieure à 2 bars abs. Une partie du liquide de reflux 25 disponible en tête de la troisième 30 colonne 3' de l'ensemble 2 est envoyée, après détente éventuelle dans une vanne 35, en tête de la deuxième colonne 5 de l'ensemble 1 pour purifier le gaz résiduaire. On renvoie le liquide 17 qui a servi à purifier l'azote résiduaire de l'ensemble 1 vers un niveau intermédiaire de la colonne 3' de l'ensemble 2, éventuellement à l'aide d'une pompe. Comme on met en oeuvre des liquides que l'on peut facilement pomper sans trop de pénalité énergétique, cette variante permet de découpler la pression de la colonne 5 opérant à plus basse pression de l'ensemble 1 de celle 3' opérant à la plus haute pression de l'ensemble 2. A part ces différences, les ensembles de la Figure 2 fonctionnent comme celles de la Figure 1. Pour le cas, moins probable où la troisième pression de la troisième colonne est inférieure à la deuxième pression de la deuxième colonne, le liquide 17 peut être détendu et le liquide 25 pressurisé par pompe. Les deux figures montrent deux ensembles de séparation, chacun comprenant une double colonne. Il sera facilement compris qu'un ensemble pourrait comprendre une triple colonne à la place de la double colonne.
En particulier on pourrait envisager le cas où l'ensemble 1 comprend une triple colonne et l'ensemble 2 une double colonne. Dans ce cas, ce serait la colonne de l'ensemble 1 opérant à la pression la plus basse qui serait reliée à la colonne de l'ensemble 2 opérant à la pression la plus élevée. De plus l'ensemble pourrait comprendre une colonne argon. Par exemple l'ensemble 2 pourrait comprendre une colonne argon reliée à la colonne 5'.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un appareil comprenant : i) un premier ensemble (1) de colonnes de distillation comprenant au moins une première colonne (3) fonctionnant à une première pression dite haute pression et une deuxième colonne (5) fonctionnant à une deuxième pression plus basse que la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une première unité d'épuration (E ) et une première ligne d'échange de chaleur (7), et ii) un deuxième ensemble (2) de colonnes de distillation comprenant au moins une troisième colonne (3') fonctionnant à une troisième pression plus basse que la première pression et une quatrième colonne (5') fonctionnant à une quatrième pression plus basse que la première, la deuxième et la troisième pressions, la tête de troisième colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la quatrième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une deuxième unité d'épuration (E') et une deuxième ligne d'échange de chaleur (7'), dans lequel on envoie de l'air comprimé à la première unité d'épuration, on envoie de l'air épuré de la première unité d'épuration à la première ligne d'échange, on envoie de l'air refroidi de la première ligne d'échange à la première colonne, on envoie de l'air comprimé à la deuxième unité d'épuration, on envoie de l'air épuré de la deuxième unité d'épuration à la deuxième ligne d'échange et on envoie de l'air refroidi de la deuxième ligne d'échange à la troisième colonne opérant à la troisième pression caractérisé en ce que : - l'on envoie un fluide de tête (15) de la troisième colonne à la 30 deuxième colonne ou on mélange le gaz de tête de la troisième colonne avec un gaz de tête de la deuxième colonne et - l'on envoie un fluide intermédiaire (17) de la deuxième colonne à la troisième colonne.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la troisième pression est supérieure à, inférieure à ou égale à la deuxième pression.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la troisième pression est égale à la deuxième pression et l'on envoie le fluide de tête (17) de la troisième colonne (3') à la deuxième colonne (5) ou au gaz de tête de la deuxième colonne sans le détendre et/ou on envoie le fluide intermédiaire (17) de la deuxième colonne à la troisième colonne sans le pressuriser.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la troisième pression est supérieure à la deuxième pression et l'on envoie le fluide de tête (17) de la troisième colonne (3') à la deuxième colonne (5) ou au gaz de tête de la deuxième colonne après l'avoir détendu et/ou on envoie le fluide intermédiaire (17) de la deuxième colonne à la troisième colonne après l'avoir pressurisé.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on envoie un gaz (19,19',29), éventuellement intermédiaire, de la quatrième colonne (5') vers la première unité d'épuration (E) et vers la deuxième unité d'épuration (E') pour servir de gaz de régénération.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel on n'envoie aucun gaz de la deuxième colonne (5) vers la première unité d'épuration (E) comme gaz de régénération.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on soutire un fluide enrichi en oxygène(13) en cuve de la deuxième colonne (5) et on soutire un fluide enrichi en oxygène (13') en cuve de la quatrième colonne (5'). 30
  8. 8. Appareil de séparation d'air comprenant une première unité de séparation d'air comprenanti) un premier ensemble (1) de colonnes de distillation comprenant au moins une première colonne (3) capable de fonctionner à une première pression dite haute pression et une deuxième colonne (5) capable de fonctionner à une deuxième pression plus basse que la première pression, la tête de la première colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une première unité d'épuration (E ) et une première ligne d'échange de chaleur (7) , des moyens pour envoyer de l'air comprimé (9) à la première unité d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air épuré de la première unité d'épuration à la première ligne d'échange et des moyens pour envoyer de l'air refroidi de la première ligne d'échange à la première colonne, et ii) un deuxième ensemble (2) de colonnes de distillation, comprenant au moins une troisième colonne (3') capable de fonctionner à une troisième pression plus basse que la première pression et une quatrième colonne (5') capable de fonctionner à une quatrième pression plus basse que la première, la deuxième et la troisième pressions, la tête de la troisième colonne étant thermiquement reliée à la cuve de la quatrième colonne au moyen d'un rebouilleur-condenseur, une deuxième unité d'épuration (E') et une deuxième ligne d'échange de chaleur (7'), des moyens pour envoyer de l'air comprimé à la troisième pression à la deuxième unité d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air épuré (9') de la deuxième unité d'épuration à la deuxième ligne d'échange et des moyens pour envoyer de l'air refroidi de la deuxième ligne d'échange à la troisième colonne, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer un fluide de 25 tête (15) de la troisième colonne à la deuxième colonne ou à une conduite d'un gaz de tête de la deuxième colonne et des moyens pour envoyer un fluide intermédiaire (17) de la deuxième colonne à la troisième colonne.
  9. 9. Appareil selon la revendication 8 dans lequel les moyens pour envoyer un fluide de tête (15) de la troisième colonne (3') à la deuxième 30 colonne ou au gaz de tête de la deuxième colonne ne comprennent pas des moyens de détente et/ou les moyens pour envoyer un fluide intermédiaire de la deuxième colonne à la troisième colonne ne comprennent pas de moyens de pressurisation.
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