FR3014180A1 - METHOD AND APPARATUS FOR AIR SEPARATION BY LOW TEMPERATURE DISTILLATION - Google Patents

METHOD AND APPARATUS FOR AIR SEPARATION BY LOW TEMPERATURE DISTILLATION Download PDF

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, une partie (4, 114) de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation est comprimée dans un premier surpresseur (2, 104) pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression et ce débit d'air comprimé à la haute pression est envoyé dans un premier échangeur de chaleur (7, 107) à une température d'entrée égale à T1, une première partie (3, 103) constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression est sortie de l'échangeur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, surpressée au moyen d'un deuxième surpresseur (9, 109), élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3 puis refroidie dans un second échangeur de chaleur (8, 108) et renvoyée dans le premier échangeur de chaleur, qu'elle traverse jusqu'à son bout froid, une deuxième partie (5, 105) constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression est refroidie dans le premier échangeur de chaleur (7, 107) jusqu'à une température inférieure à T2, détendue dans une turbine (11, 111).In a method of separating air by cryogenic distillation, a part (4, 114) of the air to be distilled, between 30 and 65% of the total supply air flow is compressed in a first booster (2, 104) to provide a compressed air flow rate at a pressure of at least 5 bars greater than the first pressure and this high-pressure compressed air flow rate is fed into a first heat exchanger (7, 107) at a pressure of inlet temperature equal to T1, a first portion (3, 103) constituting between 10% and 50% of the air flow at high pressure is output from the exchanger at a temperature T2 less than T1 and greater than -50 ° C, supercharged by means of a second booster (9, 109), thereby raising its temperature, to a temperature T3 and then cooled in a second heat exchanger (8, 108) and returned to the first heat exchanger, it crosses to its cold end, a second part (5, 105) constituting between 50% and 90% of the air flow at the high pressure is cooled in the first heat exchanger (7, 107) to a temperature below T2, expanded in a turbine (11, 111).

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique.The present invention relates to a method and apparatus for air separation by cryogenic distillation.

Il est connu d'utiliser des procédés tels que décrits dans EP-A- 0 504 029 pour produire de l'oxygène sous haute pression (> 15 bars), tout en produisant du liquide fatal. Une partie de l'air va vers le surpresseur de la turbine Claude tandis que le reste se refroidit dans la ligne d'échange, puis est détendu dans la turbine Claude.It is known to use processes as described in EP-A-0 504 029 to produce oxygen under high pressure (> 15 bar), while producing fatal liquid. Some of the air goes to the blower of the Claude turbine while the rest cools in the exchange line, then is expanded in the Claude turbine.

Sans production de liquide, pour une pression d'oxygène de 40 bara, l'écart au bout chaud de la ligne d'échange peut être supérieur à 10°C. Ainsi, ces procédés sont reconnus économiques du point de vue de l'investissement, mais souffrent d'une consommation d'énergie très importante lorsqu' une faible production, voire aucune production de liquide n'est requise.Without liquid production, for an oxygen pressure of 40 bara, the difference at the hot end of the exchange line may be greater than 10 ° C. Thus, these processes are recognized economic from the point of view of investment, but suffer from a very high energy consumption when low production or no liquid production is required.

Il est également connu d'utiliser des procédés de type « surpresseur froid » utilisant un surpresseur alimenté par de l'air à une température en dessous de 100°C. C'est un moyen assez efficace en terme d'énergie (gain jusqu'à 5-6%), mais plus couteux en investissement : cela rajoute une machine (le surpresseur froid) et cela augmente grandement la ligne d'échange, qui se trouve resserrée sur toute la partie supérieure vers le bout chaud (augmentation de 30% à 50% de la surface d'échange). Le gain énergétique obtenu ne permet pas, en particulier sur les unités de petites tailles, de payer le surcout en investissement. Un but de l'invention est de proposer une alternative pour réaliser des schémas de procédé permettant d'améliorer les performances énergétiques par rapport à EP25 A-0504029, tout en se maintenant à un investissement inférieur aux procédés utilisant un surpresseur froid. En particulier, l'invention peut permettre de réduire la consommation d'énergie pour un appareil de séparation d'air qui produit de l'oxygène à haute pression, notamment quand la demande en liquide est faible ou nulle. L'invention 30 permet notamment de réduire la consommation d'énergie en réduisant la pression en amont du surpresseur de la turbine Claude (et donc sollicitant moins le compresseur/le surpresseur qui fournit cette pression), tout en maintenant la pression d'air nécessaire à la vaporisation de l'oxygène.It is also known to use "cold booster" type processes using a booster powered by air at a temperature below 100 ° C. It is a fairly efficient way in terms of energy (gain up to 5-6%), but more expensive in investment: it adds a machine (the cold booster) and it greatly increases the line of exchange, which is is tightened over the entire upper part towards the hot end (increase of 30% to 50% of the exchange surface). The energy gain obtained does not allow, particularly on small units, to pay the additional investment. An object of the invention is to provide an alternative for making process diagrams for improving energy performance compared to EP25 A-0504029, while maintaining an investment lower than cold blower methods. In particular, the invention can make it possible to reduce the energy consumption for an air separation apparatus that produces oxygen at high pressure, particularly when the demand for liquid is low or zero. The invention makes it possible in particular to reduce the energy consumption by reducing the pressure upstream of the booster compressor of the Claude turbine (and therefore less demanding on the compressor / booster which supplies this pressure), while maintaining the necessary air pressure. to the vaporization of oxygen.

Une demande en liquide est faible quand elle constitue moins que 5% de l'air à distiller pour tous les liquides produits comme produits finaux. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées thermiquement entre elles par au moins un vaporiseur-condenseur, dans lequel : i) une partie de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation est comprimée dans un premier surpresseur pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, et le débit d'air comprimé à la haute pression est envoyé dans un premier échangeur de chaleur à une température d'entrée égale à T1 ii) une première partie constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression est sortie de l'échangeur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, surpressée au moyen d'un deuxième surpresseur, élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3 puis refroidie dans un second échangeur de chaleur et renvoyée dans le premier échangeur de chaleur, de préférence au bout chaud de celui-ci, qu'elle traverse jusqu'à son bout froid en ayant été (pseudo) liquéfiée, puis est détendue au moyen d'une vanne ou d'une turbine pour être envoyée à au moins une des colonnes, iii) une deuxième partie constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression est refroidie dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température inférieure à T2, détendue dans une turbine et envoyée au moins en partie à la première colonne, iv) une fraction du débit d'air total, représentant entre 35 et 70% de l'air, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, est envoyée dans le premier échangeur, refroidie jusqu'au bout froid, et alimente la première colonne de distillation y) des fluides enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne, vi) éventuellement une troisième partie constituant moins de 10% du débit d'air à la haute pression poursuit jusqu'au bout froid, se liquéfie, et est envoyée, après détente dans une vanne ou une turbine, au système de colonnes, éventuellement après avoir été remélangée avec la fraction d'air liquéfié générée dans l'étape iii) vii) un liquide (41, 141) soutiré d'une des colonnes est pressurisé à une pression supérieure à 20 bars abs et se vaporise dans le premier échangeur de chaleur, ix) la turbine de détente (11, 111) de la deuxième partie est couplée au deuxième surpresseur et x) aucune autre turbine n'est couplée au premier ou au deuxième surpresseur. 10 Selon d'autres objets facultatifs : - T1-T2 est supérieur à 20°C, voire supérieur à 40°C. - T1-T2 est inférieur à 100°C, voire inférieur à 80°C. - T3-T2 est supérieur à 80°C, voire à 90°C, voire à 100°C, voire à 120°C. 15 - T3-T1 est supérieur à 20°C, voire supérieur à 35°C ou même supérieur à 50°C. - la première partie de l'air est refroidie à partir de la température T3 jusqu'à la température proche de T1 au moyen du second échangeur de chaleur autre que le premier échangeur de chaleur, pouvant être un réfrigérant à l'eau. 20 - la quantité totale de liquide produit comme produit final ou produits finaux n'excède pas 5% du débit d'air total. - le taux de compression du deuxième surpresseur est entre 2 et 3, voire entre 2 et 2.5. 25 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées entre elles, un premier échangeur de chaleur, un second échangeur de chaleur, un premier 30 surpresseur pour comprimer une partie de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, une conduite pour envoyer le débit d'air comprimé du premier surpresseur dans le premier échangeur de chaleur à une température d'entrée égale à T1, une conduite pour sortir une première partie constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression du premier échangeur de chaleur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, un deuxième surpresseur (9, 109) pour surpresser la première partie, élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3, une conduite pour envoyer la première partie refroidie dans le second échangeur, une conduite pour envoyer la première partie du second échangeur au premier échangeur de chaleur, une conduite pour sortir la première partie du bout froid du premier échangeur en ayant été (pseudo) liquéfiée, une vanne ou une turbine pour détendre la première partie sortant du bout froid pour être envoyée à au moins une des colonnes, une conduite pour envoyer une deuxième partie constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression se refroidir dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température inférieure à T2, une turbine pour détendre la deuxième partie refroidie et une conduite pour envoyer la deuxième partie de la turbine vers la première colonne, des moyens pour envoyer une fraction comprise entre 35 et 70% du débit d'air total, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, dans le premier échangeur pour se refroidir jusqu'au bout froid, et alimenter la première colonne de distillation, des conduites pour envoyer des fluides enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un liquide d'une des colonnes, des moyens pour pressuriser le liquide soutiré à une pression supérieure à 20 bars abs et une conduite pour envoyer le liquide pressurisé se vaporiser dans le premier échangeur de chaleur, la turbine de détente de la deuxième partie étant couplée au deuxième surpresseur et aucune autre turbine n'étant couplée au premier ou deuxième surpresseur .A liquid demand is low when it constitutes less than 5% of the air to be distilled for all liquids produced as final products. According to one object of the invention, there is provided a method for separating air by cryogenic distillation in an installation comprising at least a first column operating at a first pressure and a second column operating at a second pressure lower than the first pressure. the two columns being thermally connected to each other by at least one vaporizer-condenser, wherein: i) a portion of the air to be distilled, between 30 and 65% of the total supply air flow is compressed in a first booster to provide a compressed air flow at a pressure at least 5 bars higher than the first pressure, called high pressure, and the flow of compressed air at high pressure is sent in a first heat exchanger to a inlet temperature equal to T1 ii) a first portion constituting between 10% and 50% of the air flow at high pressure is exited from the exchanger at a temperature T2 less than T1 and above -50 ° C, supercharged by means of a second booster, thereby raising its temperature to a temperature T3 and then cooled in a second heat exchanger and returned to the first heat exchanger, preferably after hot of it, that it crosses to its cold end having been (pseudo) liquefied, then is relaxed by means of a valve or a turbine to be sent to at least one of the columns, iii) a second portion constituting between 50% and 90% of the air flow at the high pressure is cooled in the first heat exchanger to a temperature below T2, expanded in a turbine and sent at least partly to the first column , iv) a fraction of the total air flow, representing between 35 and 70% of the air, not being supercharged to the high pressure in the first booster, is sent to the first exchanger, cooled to at the cold end, and feeds the first distillation column y) fluids enriched in nitrogen and oxygen are sent from the first column to the second column, vi) optionally a third portion constituting less than 10% of the air flow at high pressure continues until the end cold, liquefies, and is sent, after expansion in a valve or a turbine, to the column system, possibly after being remixed with the liquefied air fraction generated in step iii) vii) a liquid (41, 141 ) withdrawn from one of the columns is pressurized at a pressure greater than 20 bar abs and vaporizes in the first heat exchanger, ix) the expansion turbine (11, 111) of the second part is coupled to the second booster and x) no other turbine is coupled to the first or second booster. According to other optional objects: T1-T2 is greater than 20 ° C, or even greater than 40 ° C. T1-T2 is less than 100 ° C, or even lower than 80 ° C. T3-T2 is greater than 80 ° C., or even 90 ° C., or even 100 ° C. or even 120 ° C. T3-T1 is greater than 20 ° C, even greater than 35 ° C or even greater than 50 ° C. the first part of the air is cooled from the temperature T3 to the temperature close to T1 by means of the second heat exchanger other than the first heat exchanger, which may be a water coolant. The total amount of liquid produced as final product or final products does not exceed 5% of the total air flow rate. the compression ratio of the second booster is between 2 and 3, or even between 2 and 2.5. According to another object of the invention, there is provided a cryogenic distillation air separation apparatus comprising at least a first column operating at a first pressure and a second column operating at a second pressure lower than the first pressure, the two columns being connected together, a first heat exchanger, a second heat exchanger, a first booster to compress a portion of the air to be distilled, between 30 and 65% of the total air supply flow to provide a compressed air flow at a pressure at least 5 bars higher than the first pressure, called high pressure, a line for sending the compressed air flow of the first booster into the first heat exchanger at a temperature of input equal to T1, a pipe for discharging a first portion constituting between 10% and 50% of the air flow at the high pressure of the first heat exchanger at a temperature of T2 ture less than T1 and greater than -50 ° C, a second booster (9, 109) for supercharging the first part, thereby raising its temperature, to a temperature T3, a pipe to send the first cooled part in the second exchanger, a pipe for sending the first part of the second heat exchanger to the first heat exchanger, a pipe for taking out the first part of the cold end of the first heat exchanger having been (pseudo) liquefied, a valve or a turbine to relax the first outgoing part cold end to be sent to at least one of the columns, a pipe to send a second constituent part between 50% and 90% of the air flow at the high pressure to cool in the first heat exchanger to a lower temperature at T2, a turbine for expanding the second cooled part and a pipe for sending the second part of the turbine to the first column, means for sending a fraction between 35 and 70% of the total air flow rate, not being supercharged to the high pressure in the first booster, in the first exchanger to cool to the cold end, and feed the first column distillation apparatus, conduits for supplying nitrogen and oxygen-enriched fluids are supplied from the first column to the second column, a pipe for withdrawing liquid from one of the columns, means for pressurizing the liquid withdrawn at a pressure greater than 20 bar abs and a pipe for sending the pressurized liquid vaporize in the first heat exchanger, the expansion turbine of the second part being coupled to the second booster and no other turbine being coupled to the first or second booster.

L'invention sera décrite de manière plus détaillée en référant aux figures 1 et 2 qui illustrent des procédés selon l'invention. La Figure 1 illustre un procédé de production d'oxygène gazeux pressurisé par distillation cryogénique de l'air. Le procédé utilise une installation comprenant au moins une première colonne 119 opérant à une première pression et une deuxième colonne 121 opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées entre elles thermiquement au moyen d'un rebouilleur de cuve 123 de la deuxième colonne.The invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2 which illustrate methods according to the invention. Figure 1 illustrates a process for producing gaseous oxygen pressurized by cryogenic distillation of air. The method uses an installation comprising at least a first column 119 operating at a first pressure and a second column 121 operating at a second pressure lower than the first pressure, the two columns being thermally interconnected by means of a bottom reboiler 123 of the second column.

Une partie seulement, représentant au moins 30% et au plus 65% du débit d'air d'alimentation est portée à haute pression, au moins 5 bars au dessus de la première pression. Un débit d'air constituant tout l'air à distiller est comprimé dans un compresseur principal (non-illustré) sensiblement égale, aux pertes de charges près, à la première pression pour faire un débit 101 L'air est divisé en deux parties 112, 114. La partie 114, représentant entre 30 et 65% du débit 101, est surpressée dans un surpresseur 104 sous une troisième pression au moins 5 bars supérieure à la première pression, refroidi dans un refroidisseur 106, pour former le flux 115, puis envoyée à l'échangeur principal 107. L'air 115 est refroidi dans l'échangeur principal depuis une température d'entrée d'air T1 jusqu'à une température T2 supérieure à -50°C, par exemple entre -30°C et 10°C, qui est une température intermédiaire de l'échangeur principal 107. Une partie 103 de l'air sort de l'échangeur à la température T2 et sans avoir été refroidie ou réchauffée, elle est comprimée dans un surpresseur 109 jusqu'à une haute pression, de l'ordre de 45 bara voire 65 bara ou plus. Cette partie 103 constitue moins que 50% du débit d'air 101 et plus que 10% du débit d'air 101 et de préférence entre 20% et 30% du débit 101. De préférence T1-T2 est compris entre 20°C et 100°C, de préférence entre 20 40°C et 60°C Le surpresseur 109 est entraîné par une turbine de détente reliée mécaniquement au surpresseur, sans système additionnel de dissipation d'énergie. L'air surpressé se trouve à une température T3 supérieure à la température d'entrée d'air T1 d'au moins 20°C, voire d'au moins 35°C, ou même d'au moins 25 50°C. Ainsi est-il nécessaire de refroidir l'air surpressé au moyen d'un refroidisseur 108, par exemple un refroidisseur à l'eau, indépendant de l'échangeur principal 107, jusqu'à une température proche de la température T1, par exemple différant de T1 d'au plus 5°C dans un sens ou dans l'autre. L'air surpressé est ensuite refroidi et liquéfié dans l'échangeur principal 107 en 30 traversant tout l'échangeur, et puis est détendu, par exemple dans une vanne ou dans une turbine 110 et envoyé au système de distillation. De préférence T3-T2 est supérieur à 40°C, voire supérieur à 80°C, ou même supérieur à 120°C. 3014 180 6 L'air 105 qui n'est pas envoyé au surpresseur 109 constituant entre 15% et 45% du débit d'air 101 poursuit son refroidissement dans l'échangeur à une température inférieure à T2. Tout l'air 105 est détendu dans une turbine 111 couplée au surpresseur 109 jusqu'à la première pression et puis envoyée sous état gazeux ou 5 légèrement diphasique à la première colonne 119. Alternativement, une fraction de l'air peut poursuivre son refroidissement jusqu'au bout froid de l'échangeur et se liquéfier. Ce flux est éventuellement mélangé avec le débit surpressé comme décrit ci-dessus. Le mélange des deux flux d'air liquéfiés est ensuite détendu pour être envoyé à au moins une colonne de distillation. Alternativement, chaque flux d'air 10 liquéfié est détendu indépendamment et envoyé à au moins une colonne de distillation. Le reste 112 de l'air à la pression de sortie du compresseur principal n'est ni surpressé ni détendu dans une turbine. Cet air est refroidi jusqu'au bout froid de l'échangeur à la pression de sortie du compresseur principal et est mélangé avec le 15 débit détendu dans la turbine 111 pour être envoyé à la première colonne 119 sous forme principalement gazeuse. La première colonne peut opérer à une pression entre 4 bara et 15 bara. Un débit enrichi en oxygène 129 est envoyé de la cuve de la première colonne 119 à une région intermédiaire de la deuxième colonne 121. Un liquide intermédiaire 131 de la première colonne 119 est détendu puis envoyé à la deuxième colonne 121 à un niveau supérieur. La tête de la deuxième colonne est alimentée en tête par le liquide de tête 133 de la première colonne. Un liquide 141 riche en oxygène est soutiré en cuve de la deuxième colonne, pressurisé dans une pompe 143 à une pression supérieure à 30 bars abs pour former un liquide pressurisé 145, puis vaporisé dans l'échangeur 107 pour former un produit gazeux riche en oxygène. On obtient un gain d'énergie d'environ 2% par rapport à une solution classique, qui se paye largement du fait du très faible surcout de la solution par rapport à l'ajout d'un surpresseur froid.Only one part, representing at least 30% and not more than 65% of the supply air flow is carried at high pressure, at least 5 bars above the first pressure. An air flow constituting all the air to be distilled is compressed in a main compressor (not shown) substantially equal to the pressure losses close to the first pressure to make a flow 101 The air is divided into two parts 112 114. The portion 114, representing between 30 and 65% of the flow 101, is supercharged in a booster 104 under a third pressure at least 5 bars greater than the first pressure, cooled in a cooler 106, to form the stream 115, then sent to the main heat exchanger 107. The air 115 is cooled in the main heat exchanger from an air inlet temperature T1 to a temperature T2 greater than -50 ° C., for example between -30 ° C. and 10 ° C, which is an intermediate temperature of the main exchanger 107. Part 103 of the air exits the exchanger at the temperature T2 and without having been cooled or reheated, it is compressed in a booster 109 to a high pressure, of the order of 45 bara or 65 bara or more. This portion 103 constitutes less than 50% of the air flow 101 and more than 10% of the air flow 101 and preferably between 20% and 30% of the flow 101. Preferably T1-T2 is between 20 ° C. and 100 ° C, preferably between 40 ° C and 60 ° C The booster 109 is driven by an expansion turbine mechanically connected to the booster, without additional energy dissipation system. The supercharged air is at a temperature T3 greater than the air inlet temperature T1 of at least 20 ° C, or even at least 35 ° C, or even at least 50 ° C. Thus it is necessary to cool the supercharged air by means of a cooler 108, for example a water cooler, independent of the main exchanger 107, to a temperature close to the temperature T1, for example different T1 at most 5 ° C in one direction or the other. The supercharged air is then cooled and liquefied in the main exchanger 107 through the entire exchanger, and then expanded, for example in a valve or turbine 110 and sent to the distillation system. Preferably, T3-T2 is greater than 40 ° C, even greater than 80 ° C, or even greater than 120 ° C. The air 105 which is not sent to the booster 109 forming between 15% and 45% of the air flow 101 continues cooling in the exchanger at a temperature below T2. All the air 105 is expanded in a turbine 111 coupled to the booster 109 to the first pressure and then sent under gaseous or slightly two-phase state to the first column 119. Alternatively, a fraction of the air can continue to cool until at the cold end of the exchanger and liquefy. This stream is optionally mixed with the overpressured flow as described above. The mixture of the two liquefied air streams is then expanded to be sent to at least one distillation column. Alternatively, each liquefied air stream is independently expanded and sent to at least one distillation column. The remainder 112 of the air at the outlet pressure of the main compressor is neither overpressed nor expanded in a turbine. This air is cooled to the cold end of the exchanger at the outlet pressure of the main compressor and is mixed with the expanded flow rate in the turbine 111 to be sent to the first column 119 in predominantly gaseous form. The first column can operate at a pressure between 4 bara and 15 bara. An oxygen enriched flow 129 is fed from the vessel of the first column 119 to an intermediate region of the second column 121. An intermediate liquid 131 of the first column 119 is expanded and then sent to the second column 121 at a higher level. The head of the second column is fed at the top by the head liquid 133 of the first column. An oxygen-rich liquid 141 is withdrawn in the tank from the second column, pressurized in a pump 143 at a pressure greater than 30 bar abs to form a pressurized liquid 145, and then vaporized in the exchanger 107 to form an oxygen-rich gaseous product. . An energy gain of about 2% is obtained compared to a conventional solution, which is largely due to the very low cost of the solution compared to the addition of a cold booster.

Dans la variante de la Figure 2, l'air 1 est divisé en une partie 4 et une partie 13. La partie 13, représentant entre 35 et 70% de l'air 1, se refroidit dans l'échangeur de chaleur 7 à la pression de l'air 1 et alimente sous forme gazeuse la première colonne 19. L'autre partie 4, représentant entre 30 et 65% du débit 101, est surpressée dans un premier surpresseur 2, refroidie dans un refroidisseur puis refroidie dans l'échangeur 7 jusqu'à une température intermédiaire T2 puis divisée en deux. Une partie 3, représentant 10-50% du débit 4, est sortie de l'échangeur 7 pour être surpressée par le deuxième surpresseur 9, est refroidie par un réfrigérant 8 puis envoyée au bout chaud de l'échangeur 7. Dans l'échangeur 7 elle se liquéfie puis est détendue dans une vanne ou une turbine liquide avant d'être divisée en deux (débit 15) pour alimenter les colonnes 19,21. Le reste 5 de l'air, représentant entre 50 et 90% du débit 4, se refroidit dans l'échangeur 7 jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci, est détendu dans une turbine 11 entraînant le deuxième surpresseur 9 et puis est envoyé sous forme gazeuse à la colonne 19. La première colonne 19 peut opérer à une pression entre 4 bara et 15 bara. Un débit enrichi en oxygène 29 est envoyé de la cuve de la première colonne 19 à une région intermédiaire de la deuxième colonne 21. Un liquide intermédiaire 31 de la première colonne 19 est détendu puis envoyé à la deuxième colonne 21 à un niveau supérieur. La tête de la deuxième colonne est alimentée en tête par le liquide de tête 33 de la première colonne. Un liquide 41 riche en oxygène est soutiré en cuve de la deuxième colonne, pressurisé dans une pompe 43 à une pression supérieure à 30 bars abs pour former un liquide pressurisé 45, puis vaporisé dans l'échangeur 7 pour former un produit 20 gazeux riche en oxygène HP 02. De l'azote moyenne pression gazeux 51 est soutiré de la tête de la première colonne. L'appareil produit de l'oxygène liquide 39, OL refroidi dans le sousrefroidisseur 49 et de l'azote liquide 37, NL.In the variant of FIG. 2, the air 1 is divided into a part 4 and a part 13. The part 13, representing between 35 and 70% of the air 1, cools in the heat exchanger 7 at the air pressure 1 and gaseous feed the first column 19. The other part 4, representing between 30 and 65% of the flow 101, is supercharged in a first booster 2, cooled in a cooler and then cooled in the exchanger 7 to an intermediate temperature T2 and then divided into two. Part 3, representing 10-50% of the flow 4, is output from the exchanger 7 to be overpressed by the second booster 9, is cooled by a coolant 8 and sent to the hot end of the exchanger 7. In the exchanger 7 it liquefies then is expanded in a valve or a liquid turbine before being divided in two (flow 15) to feed the columns 19,21. The rest of the air, representing between 50 and 90% of the flow 4, cools in the exchanger 7 to an intermediate temperature thereof, is expanded in a turbine 11 driving the second booster 9 and then is gaseous column 19. The first column 19 can operate at a pressure between 4 bara and 15 bara. An oxygen enriched flow 29 is sent from the vessel of the first column 19 to an intermediate region of the second column 21. An intermediate liquid 31 of the first column 19 is expanded and then sent to the second column 21 at a higher level. The head of the second column is fed at the top by the head liquid 33 of the first column. An oxygen-rich liquid 41 is withdrawn in the tank from the second column, pressurized in a pump 43 at a pressure greater than 30 bar abs to form a pressurized liquid 45, and then vaporized in the exchanger 7 to form a product rich in gas. Oxygen HP 02. Medium pressure nitrogen gas 51 is withdrawn from the head of the first column. The apparatus produces liquid oxygen 39, OL cooled in the subcooler 49 and liquid nitrogen 37, NL.

25 L'invention est applicable pour tout type de distillation. Le système de colonne peut opérer avec une deuxième colonne entre par exemple 1,2 bars et 6 bars abs. Le système de colonne peut comporter une double colonne comme illustrée ou peut comprendre une colonne à pression intermédiaire opérant entre la première et la deuxième pression. Le débit pressurisé et vaporisé est ici de l'oxygène, mais peut 30 être de l'azote ou de l'argon. Il est également possible de vaporiser plusieurs liquides pressurisés pour former des produits sous pression.The invention is applicable for any type of distillation. The column system can operate with a second column between for example 1.2 bar and 6 bar abs. The column system may comprise a double column as illustrated or may comprise an intermediate pressure column operating between the first and the second pressure. The pressurized and vaporized flow rate here is oxygen, but may be nitrogen or argon. It is also possible to spray several pressurized liquids to form pressurized products.

Claims (9)

REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins une première colonne opérant à une première pression (19, 119) et une deuxième colonne (21, 121) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées thermiquement entre elles par au moins un vaporiseur-condenseur, dans lequel : i) une partie (4, 114) de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation est comprimée dans un premier surpresseur (2, 104) pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, et le débit d'air comprimé à la haute pression est envoyé dans un premier échangeur de chaleur (7, 107) à une température d'entrée égale à T1 ii) une première partie (3, 103) constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression est sortie de l'échangeur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, surpressée au moyen d'un deuxième surpresseur (9, 109), élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3 puis refroidie dans un second échangeur de chaleur (8, 108) et renvoyée dans le premier échangeur de chaleur, de préférence au bout chaud de celui-ci, qu'elle traverse jusqu'à son bout froid en ayant été (pseudo) liquéfiée, puis est détendue au moyen d'une vanne ou d'une turbine (110) pour être envoyée à au moins une des colonnes, iii) une deuxième partie (5, 105) constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression est refroidie dans le premier échangeur de chaleur (7, 107) jusqu'à une température inférieure à T2, détendue dans une turbine (11, 111) et envoyée au moins en partie à la première colonne, iv) une fraction (13, 112) du débit d'air total, représentant entre 35 et 70% de l'air, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, est envoyée dans le premier échangeur, refroidie jusqu'au bout froid, et alimente la première colonne de distillation y) des fluides enrichis en azote et en oxygène (29, 129, 33, 133) sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne,vi) éventuellement une troisième partie constituant moins de 10% du débit d'air à la haute pression poursuit jusqu'au bout froid, se liquéfie, et est envoyée, après détente dans une vanne ou une turbine, au système de colonnes, éventuellement après avoir été remélangée avec la fraction d'air liquéfié générée dans l'étape iii) vii) un liquide (41, 141) soutiré d'une des colonnes est pressurisé à une pression supérieure à 20 bars abs et se vaporise dans le premier échangeur de chaleur, ix) la turbine de détente (11, 111) de la deuxième partie est couplée au deuxième surpresseur et x) aucune autre turbine n'est couplée au premier ou au deuxième surpresseur.REVENDICATIONS1. Process for separating air by cryogenic distillation in an installation comprising at least a first column operating at a first pressure (19, 119) and a second column (21, 121) operating at a second pressure lower than the first pressure, the two columns being thermally connected together by at least one vaporizer-condenser, wherein: i) a portion (4, 114) of the air to be distilled, between 30 and 65% of the total supply air flow is compressed in a first booster (2, 104) to provide a compressed air flow at a pressure of at least 5 bars greater than the first pressure, called high pressure, and the flow of compressed air at high pressure is sent in a first heat exchanger (7, 107) at an inlet temperature equal to T1 ii) a first portion (3, 103) constituting between 10% and 50% of the air flow at the high pressure is removed from the exchanger at a lower temperature T2 ee at T1 and above -50 ° C, supercharged by means of a second booster (9, 109), thereby raising its temperature to a temperature T3 and then cooled in a second heat exchanger (8, 108) and returned to the first heat exchanger, preferably at the hot end thereof, which it crosses to its cold end having been (pseudo) liquefied, then is expanded by means of a valve or a turbine (110) to be sent to at least one of the columns, iii) a second portion (5, 105) constituting between 50% and 90% of the air flow at the high pressure is cooled in the first heat exchanger (7, 107) to a temperature less than T2, expanded in a turbine (11, 111) and sent at least in part to the first column, iv) a fraction (13, 112) of the total air flow, representing between 35 and 70% of the air, not being overpressed until the high pressure in the first booster, is sent to the p first exchanger, cooled to the cold end, and feeds the first distillation column; y) fluids enriched in nitrogen and oxygen (29, 129, 33, 133) are sent from the first column to the second column, vi) optionally a third part constituting less than 10% of the air flow at high pressure continues to the cold end, liquefies, and is sent, after expansion in a valve or a turbine, to the column system, possibly after being remixed with the liquefied air fraction generated in step iii) vii) a liquid (41, 141) withdrawn from one of the columns is pressurized to a pressure greater than 20 bar abs and vaporises in the first heat exchanger, ix ) the expansion turbine (11, 111) of the second part is coupled to the second booster and x) no other turbine is coupled to the first or second booster. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel T1-T2 est supérieur à 20°C, voire supérieure à 40°C.2. The method of claim 1 wherein T1-T2 is greater than 20 ° C, or even greater than 40 ° C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel T1-T2 est inférieur à 100°C, voire inférieur à 80°C.3. The method of claim 1 or 2 wherein T1-T2 is less than 100 ° C, or even less than 80 ° C. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel T3-T2 est supérieur à 80°C, voire à 90°C, voire à 100°C, voire à 120°C.4. Method according to one of the preceding claims wherein T3-T2 is greater than 80 ° C, or even 90 ° C, or even 100 ° C, or even 120 ° C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel T3-T1 est supérieur à 20°C, voire supérieur à 35°C ou même supérieur à 50°C.5. Method according to one of the preceding claims wherein T3-T1 is greater than 20 ° C, or even greater than 35 ° C or even greater than 50 ° C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première partie de l'air est refroidie à partir de la température T3 jusqu'à la température proche de T1 au moyen du second échangeur de chaleur (8, 108) autre que le premier échangeur de chaleur (7, 107), pouvant être un réfrigérant à l'eau.6. Method according to one of the preceding claims wherein the first part of the air is cooled from the temperature T3 to the temperature close to T1 by means of the second heat exchanger (8, 108) other than the first heat exchanger (7, 107), which may be a water coolant. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité totale de liquide produit comme produit final ou produits finaux n'excède pas 5% du débit d'air total.7. Method according to one of the preceding claims wherein the total amount of liquid produced as final product or final products does not exceed 5% of the total air flow. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le taux de compression du deuxième surpresseur est entre 2 et 3, voire entre 2 et 2.5.8. Method according to one of the preceding claims wherein the compression ratio of the second booster is between 2 and 3, or between 2 and 2.5. 9. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant au moins une première colonne (19, 119) opérant à une première pression et une deuxième colonne (21, 121) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, les deux colonnes étant reliées entre elles, un premier échangeur de chaleur (7, 107), un second échangeur de chaleur (8, 108), un premier surpresseur (2) pour comprimer une partie de l'air à distiller, comprise entre 30 et 65 % du débit d'air total d'alimentation pour constituer un débit d'air comprimé à une pression supérieure d'au moins 5 bars à la première pression, appelée haute pression, une conduite pour envoyer le débit d'air comprimé du premier surpresseur dans le premier échangeur de chaleur à une température d'entrée égale à T1, une conduite pour sortir une première partie constituant entre 10% et 50% du débit d'air à la haute pression du premier échangeur de chaleur à une température T2 inférieure à T1 et supérieure à -50°C, un deuxième surpresseur (9, 109) pour surpresser la première partie, élevant ainsi sa température, jusqu'à une température T3, une conduite pour envoyer la première partie refroidie dans le second échangeur, une conduite pour envoyer la première partie du second échangeur au premier échangeur de chaleur, une conduite pour sortir la première partie du bout froid du premier échangeur en ayant été (pseudo) liquéfiée, une vanne ou une turbine pour détendre la première partie sortant du bout froid pour être envoyée à au moins une des colonnes, une conduite pour envoyer une deuxième partie constituant entre 50% et 90% du débit d'air à la haute pression se refroidir dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température inférieure à T2, une turbine (11, 111) pour détendre la deuxième partie refroidie et une conduite pour envoyer la deuxième partie de la turbine vers la première colonne, des moyens pour envoyer une fraction (112) comprise entre 35 et 70% du débit d'air total, n'ayant pas été surpressé jusqu'à la haute pression dans le premier surpresseur, dans le premier échangeur pour se refroidir jusqu'au bout froid, et alimenter la première colonne de distillation, des conduites pour envoyer des fluides enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la première colonne à la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un liquide (41, 141) d'une des colonnes, des moyens pour pressuriser le liquide soutiré à une pression supérieure à 20 bars abs et une conduite pour envoyer le liquide pressurisé se vaporiser dans lepremier échangeur de chaleur, la turbine de détente de la deuxième partie étant couplée au deuxième surpresseur et aucune autre turbine n'étant couplée au premier ou deuxième surpresseur .9. Apparatus for separating air by cryogenic distillation comprising at least a first column (19, 119) operating at a first pressure and a second column (21, 121) operating at a second pressure lower than the first pressure, both columns being interconnected, a first heat exchanger (7, 107), a second heat exchanger (8, 108), a first booster (2) for compressing a portion of the air to be distilled, between 30 and 65 % of the total supply air flow to constitute a compressed air flow at a pressure at least 5 bars higher than the first pressure, called high pressure, a pipe to send the compressed air flow of the first booster in the first heat exchanger at an inlet temperature equal to T1, a pipe for discharging a first part constituting between 10% and 50% of the air flow at the high pressure of the first heat exchanger at a temperature T2 inferior at T1 and above -50 ° C, a second booster (9, 109) for supercharging the first part, thereby raising its temperature, to a temperature T3, a pipe for sending the cooled first part into the second heat exchanger, a pipe for sending the first part of the second heat exchanger to the first heat exchanger, a pipe for taking out the first part of the cold end of the first heat exchanger having been (pseudo) liquefied, a valve or a turbine to relax the first part leaving the end cold to be sent to at least one of the columns, a pipe to send a second constituent part between 50% and 90% of the air flow at the high pressure to cool in the first heat exchanger to a temperature below T2 , a turbine (11, 111) for expanding the second cooled part and a pipe for sending the second part of the turbine to the first column, means for sending an en action (112) between 35 and 70% of the total air flow rate, having not been supercharged to the high pressure in the first booster, in the first exchanger to cool to the cold end, and feed the first distillation column, conduits for sending nitrogen and oxygen enriched fluids are fed from the first column to the second column, a pipe for withdrawing a liquid (41, 141) from one of the columns, means for pressurizing the liquid withdrawn at a pressure greater than 20 bar abs and a pipe for sending the pressurized liquid to vaporize in the first heat exchanger, the expansion turbine of the second part being coupled to the second booster and no other turbine being coupled to the first or second booster.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2690982A1 (en) * 1992-05-11 1993-11-12 Air Liquide Impure oxygen@ large amt. prodn. avoiding large dia. low pressure column - by distn. of air using a double distn. column with medium and low pressure columns, avoiding extra distn. column mfr., utilising purificn. device, compressor and turbine
EP0789208A1 (en) * 1996-02-12 1997-08-13 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Process and installation for the production of gaseous oxygen under high pressure

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Title
ANONYMOUS: "Gas Separation System with Elevated Pressure Feed", IP.COM JOURNAL, IP.COM INC., WEST HENRIETTA, NY, US, 22 February 2005 (2005-02-22), XP013023392, ISSN: 1533-0001 *

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