FR3020866A1 - DISTILLATION COLUMN AND CRYOGENIC DISTILLATION AIR SEPARATION APPARATUS FOR THE POSSIBLE PRODUCTION OF A MIXTURE OF KRYPTON AND XENON - Google Patents
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Abstract
Colonne de distillation (3), capable de fonctionner à une pression de fonctionnement, la colonne contenant plusieurs tronçons d'éléments d'échange de masse et de chaleur (25), une extrémité d'une première conduite (C1) et une extrémité d'une deuxième conduite (C2) étant reliées à la cuve de la colonne, la première conduite étant reliée à une première vanne capable de fermer la première conduite, l'autre extrémité de la première conduite étant capable d'être reliée à un échangeur de chaleur (9) et la deuxième conduite étant reliée à une deuxième vanne capable de fermer la deuxième conduite et une troisième conduite ayant une extrémité reliée à un niveau intermédiaire de la colonne et comprenant la troisième conduite (C3) étant reliée à une troisième vanne capable de fermer la troisième conduite.Distillation column (3), operable at operating pressure, the column containing a plurality of mass exchange and heat exchange sections (25), an end of a first pipe (C1) and a pipe end (25). a second pipe (C2) being connected to the tank of the column, the first pipe being connected to a first valve capable of closing the first pipe, the other end of the first pipe being capable of being connected to a heat exchanger; heat (9) and the second pipe being connected to a second valve capable of closing the second pipe and a third pipe having an end connected to an intermediate level of the column and comprising the third pipe (C3) being connected to a third valve capable to close the third pipe.
Description
La présente invention est relative à une colonne de distillation et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique pour la production 5 éventuelle d'un mélange de krypton et de xénon Sur un appareil dit « à pompe » , l'oxygène est soutiré sous forme liquide d'une colonne basse pression d'une double colonne, pressurisé, puis vaporisé pour être produit comme de l'oxygène gazeux sous pression. Au moment de fabriquer une colonne, la question se pose souvent d'une 1() production ultérieure d'un mélange krypton/xénon qui n'est pas requise dans l'immédiat. Les solutions classiques, lorsque l'on veut produire du Kr/Xe, sont en général coûteuses en investissement car on vise à maximiser le rendement Kr/Xe. 15 Pour des appareils dans lesquels l'option Kr/Xe n'est qu'une option pour le futur (appareils sur mesure), ou bien sur des appareils standardisés (ou partiellement standardisés) pour lesquels le Kr/Xe n'est qu'une option, un tel surinvestissement peut être problématique. Les appareils selon l'invention ne nécessitent qu'un faible 20 surinvestissement et donnent ainsi la possibilité d'une production Kr/Xe à moindre coût. Selon l'art antérieur, pour les appareils où l'oxygène produit est soutiré gazeux de la colonne basse pression (BP), et que l'on veut produire du Kr/Xe, on ajoute quelques plateaux théoriques en cuve de colonne basse pression, juste en 25 dessous du soutirage d'oxygène gazeux, et juste au dessus du vaporiseur de cuve de la colonne, et on soutire un petit débit d'oxygène liquide au niveau du vaporiseur dans lequel est concentré tout le Kr et le Xe de l'appareil de séparation d'air. Ce petit débit de soutirage d'oxygène liquide, riche en Kr/Xe est ensuite envoyé à une unité de purification de Kr/Xe pour produire la mixture Kr/Xe épurée. Avec un tel schéma, le rendement en Kr/Xe est proche de 100% au sortir 5 de la colonne basse pression. US-A-2004/0007016 décrit un procédé de séparation d'air dans lequel de l'oxygène liquide est soutiré de la colonne basse pression à une position séparée de la cuve de la colonne basse pression par un tronçon de plateaux théoriques. Le mélange riche en Kr/Xe est soutiré en cuve de la colonne basse pression. 10 Selon l'invention, on permet une modification de l'installation à un stade très tardif pour permettre une production de Kr/Xe ou pas. Selon un objet de l'invention, il est prévu une colonne de distillation, capable de fonctionner à une pression de fonctionnement, pour un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la 15 double colonne comprenant une première colonne capable de fonctionner à une première pression et la colonne capable de fonctionner à la pression de fonctionnement qui est inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant adaptée à être reliée à la cuve de la colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur, la colonne contenant plusieurs tronçons d'éléments 20 d'échange de masse et de chaleur, une extrémité d'une première conduite et une extrémité d'une deuxième conduite étant reliées à la cuve de la colonne, la première conduite étant reliée à une première vanne capable de fermer la première conduite, l'autre extrémité de la première conduite étant capable d'être reliée à un échangeur de chaleur et éventuellement à une pompe et la deuxième 25 conduite étant reliée à une deuxième vanne capable de fermer la deuxième conduite et une troisième conduite ayant une extrémité reliée à un niveau intermédiaire de la colonne et comprenant la troisième conduite étant reliée à une troisième vanne capable de fermer la troisième conduite. Selon d'autres objets facultatifs : - le niveau intermédiaire de la colonne est juste en dessous du tronçon le 5 plus bas de la colonne. - le niveau intermédiaire de la colonne est séparé de la cuve de la colonne par au moins un plateau théorique et au plus 10 plateaux théoriques. -l'autre extrémité de la troisième conduite n'est pas reliée à un autre élément. 10 -l'autre extrémité de la deuxième conduite n'est pas reliée à un autre élément. -les première et deuxième conduites sont reliées à la cuve de la colonne par une conduite commune. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation 15 d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la double colonne comprenant une première colonne capable de fonctionner à une première pression et une deuxième colonne selon l'une des revendications précédentes capable de fonctionner à la pression de fonctionnement qui est inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant reliée à la 20 cuve de la deuxième colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur, chaque colonne contenant plusieurs tronçons d'éléments d'échange de masse et de chaleur et la deuxième conduite est reliée à un échangeur de chaleur pour permettre la vaporisation d'oxygène liquide. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : 25 Pour avoir un appareil capable de produire un mélange Kr/Xe dans lequel l'autre extrémité de la première conduite est reliée à une unité de traitement pour produire le mélange et la première vanne est ouverte. L'autre extrémité de la troisième conduite peut être reliée à l'échangeur de chaleur. Sinon, si la production d'un mélange Kr/Xe n'est pas requise, la première vanne est fermée et la première conduite n'est reliée qu'à la cuve de la deuxième 5 colonne. La première conduite sera relativement courte pour ne pas augmenter inutilement la taille de la boîte froide. L'existence de ces connexions, qui sont les première, deuxième et troisième conduites, permettent de repousser la décision de produire un mélange Kr/Xe ou pas. 10 Il est relativement simple de rajouter une connexion entre la première conduite et l'unité de traitement qui produit le mélange Kr/Xe, si nécessaire. De même, soit la deuxième soit la troisième conduite soit les deux peuvent être reliées à l'échangeur de chaleur pour assurer la vaporisation d'oxygène liquide et éventuellement de la purge de déconcentration. 15 L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures 1 à 3. La Figure 1 représente un appareil de séparation selon l'invention en fonctionnement. Les figures 2 et 3 représentent l'appareil de figure 1 pendant des étapes de fabrication. Dans la figure 1, un appareil de séparation d'air comprend une double 20 colonne comprenant une première colonne 1 opérant à une première pression et une deuxième colonne 3 opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression. La tête de la première colonne 1 est reliée thermiquement avec la cuve de la deuxième colonne 3 au moyen d'un vaporiseur-condenseur 5. Un liquide enrichi en oxygène 15 est soutiré en cuve de la première 25 colonne 1, détendu et envoyé vers la deuxième colonne 3. Un liquide enrichi en azote 17 est soutiré en tête de la première colonne 1, détendu et envoyé vers la tête de la deuxième colonne 3.The present invention relates to a distillation column and to an apparatus for separating air by cryogenic distillation for the possible production of a mixture of krypton and xenon. On a so-called "pump" apparatus, the oxygen is drawn off. in liquid form of a low pressure column of a double column, pressurized, then vaporized to be produced as gaseous oxygen under pressure. When making a column, the question often arises of a (1) subsequent production of a krypton / xenon mixture which is not required in the immediate future. Conventional solutions, when one wants to produce Kr / Xe, are generally expensive in investment because one aims at maximizing the Kr / Xe yield. 15 For devices in which the Kr / Xe option is only an option for the future (custom-made devices), or on standardized (or partially standardized) devices for which the Kr / Xe is only an option, such an overinvestment can be problematic. The devices according to the invention require only a small over-investment and thus give the possibility of a Kr / Xe production at a lower cost. According to the prior art, for the apparatuses where the produced oxygen is withdrawn gaseous from the low pressure column (BP), and that it is desired to produce Kr / Xe, a few theoretical plates are added to the bottom of the low pressure column. just below the gaseous oxygen withdrawal, and just above the column vaporizer of the column, and draw a small flow of liquid oxygen at the vaporizer in which is concentrated all the Kr and the Xe of the air separation apparatus. This small flow rate of liquid oxygen, rich in Kr / Xe is then sent to a Kr / Xe purification unit to produce the purified Kr / Xe mixture. With such a scheme, the Kr / Xe yield is close to 100% when leaving the low pressure column. US-A-2004/0007016 discloses an air separation process in which liquid oxygen is withdrawn from the low pressure column at a position separated from the low pressure column vessel by a theoretical plateau section. The mixture rich in Kr / Xe is withdrawn in the bottom of the low pressure column. According to the invention, modification of the plant is allowed at a very late stage to allow Kr / Xe production or not. According to one object of the invention, there is provided a distillation column, capable of operating at an operating pressure, for a cryogenic distillation air separation apparatus comprising a double column, the double column comprising a first column capable of operating at a first pressure and the column capable of operating at the operating pressure which is lower than the first pressure, the head of the first column being adapted to be connected to the column vessel by means of a vaporizer-condenser the column containing a plurality of heat exchange and mass exchange sections, one end of a first pipe and one end of a second pipe being connected to the column vessel, the first pipe being connected to a pipe, first valve capable of closing the first pipe, the other end of the first pipe being capable of being connected to a heat exchanger and optionally to a pump and the second conduit being connected to a second valve capable of closing the second conduit and a third conduit having an end connected to an intermediate level of the column and comprising the third conduit being connected to a third valve capable of to close the third pipe. According to other optional objects: the intermediate level of the column is just below the lowest section of the column. the intermediate level of the column is separated from the column vessel by at least one theoretical plate and at most 10 theoretical plates. the other end of the third pipe is not connected to another element. The other end of the second pipe is not connected to another element. the first and second pipes are connected to the bottom of the column by a common pipe. According to another object of the invention, there is provided a cryogenic distillation air separation apparatus comprising a double column, the double column comprising a first column capable of operating at a first pressure and a second column according to one of the preceding claims operable at the operating pressure which is less than the first pressure, the head of the first column being connected to the vessel of the second column by means of a vaporizer-condenser, each column containing several sections of mass exchange and heat exchange elements and the second pipe is connected to a heat exchanger to allow vaporization of liquid oxygen. According to other optional aspects of the invention: To have an apparatus capable of producing a Kr / Xe mixture in which the other end of the first conduit is connected to a processing unit to produce the mixture and the first valve is opened. The other end of the third pipe can be connected to the heat exchanger. Otherwise, if production of a Kr / Xe mixture is not required, the first valve is closed and the first conduit is connected only to the vessel of the second column. The first drive will be relatively short so as not to unnecessarily increase the size of the cold box. The existence of these connections, which are the first, second and third conduits, makes it possible to postpone the decision to produce a Kr / Xe mixture or not. It is relatively simple to add a connection between the first conduit and the processing unit that produces the Kr / Xe mixture, if necessary. Similarly, either the second or the third pipe or both can be connected to the heat exchanger to ensure the vaporization of liquid oxygen and possibly the purge of deconcentration. The invention will be described in more detail with reference to Figs. 1-3. Fig. 1 shows a separation apparatus according to the invention in use. Figures 2 and 3 show the apparatus of Figure 1 during manufacturing steps. In FIG. 1, an air separation apparatus comprises a double column comprising a first column 1 operating at a first pressure and a second column 3 operating at a second pressure, lower than the first pressure. The head of the first column 1 is thermally connected to the tank of the second column 3 by means of a vaporizer-condenser 5. An oxygen-enriched liquid 15 is withdrawn in the tank from the first column 1, expanded and sent to the second column 3. A nitrogen-enriched liquid 17 is withdrawn at the top of the first column 1, expanded and sent to the head of the second column 3.
De l'air 7 comprimé et épuré se refroidit dans l'échangeur de chaleur 9 et rentre sous forme gazeuse dans la première colonne 3. De l'oxygène liquide 13 enrichi en Kr/Xe est soutiré en cuve de la deuxième colonne et envoyé à une unité de traitement 21.Compressed and purified air 7 cools in the heat exchanger 9 and returns to gaseous form in the first column 3. Liquid oxygen 13 enriched in Kr / Xe is withdrawn from the bottom of the second column and sent to a processing unit 21.
De l'oxygène liquide 19, moins riche en Kr/Xe que le liquide 13 est soutiré d'un collecteur 23 juste en dessous du premier tronçon 25 de la deuxième colonne 3, en comptant du bas. Ce liquide 19 est pressurisé par une pompe 11 et se vaporise dans l'échangeur de chaleur 9.Liquid oxygen 19, which is less rich in Kr / Xe than the liquid 13, is withdrawn from a collector 23 just below the first section 25 of the second column 3, counting from the bottom. This liquid 19 is pressurized by a pump 11 and vaporizes in the heat exchanger 9.
Ainsi fonctionne le procédé selon l'invention quand la décision a été prise pour produire de l'oxygène enrichi en Kr/Xe. En choisissant la structure de la colonne des manières illustrées dans les Figures 2 et 3, cette décision de production de Kr/Xe peut être prise le plus tardivement possible et en impliquant le moins possible de modifications.Thus the method according to the invention operates when the decision has been made to produce oxygen enriched in Kr / Xe. By choosing the structure of the column in the ways illustrated in Figures 2 and 3, this production decision Kr / Xe can be made as late as possible and involving the least possible modifications.
Dans la Figure 2, on constate qu'une conduite CO reliée à la cuve de la deuxième colonne 5 à une extrémité est connectée à l'autre extrémité à une extrémité de chacune de deux conduites Cl, C2, les deux pouvant être fermées par une vanne respective. L'autre extrémité de la deuxième conduite C2 est reliée à une conduite 19A reliée à l'échangeur de chaleur 9, de préférence via la pompe 11. Au moment de la construction, les extrémités de la première et deuxième conduites Cl, C2 ne sont pas reliées à une autre conduite (à part la première conduite Cl pour la deuxième conduite C2). Si la décision est prise de faire fonctionner la colonne sans production de 25 Kr/Xe, les vannes des première et troisième conduites seront fermées ou les première et troisième conduites seront condamnées d'une autre manière. Comme la vanne de la deuxième conduite C2 est ouverte, l'oxygène de la cuve passe dans la conduite 19A qui a été rajoutée et alimente le client en oxygène gazeux après vaporisation dans l'échangeur 9. Si, par contre la décision est prise de faire fonctionner la colonne avec production de Kr/Xe, la vanne de la deuxième conduite C2 est fermée, les vannes des première et troisième conduites sont ouvertes. La première conduite Cl est reliée à une conduite 13A amenant le liquide vers l'unité de traitement 21 pour enrichir le débit en Kr/Xe. La troisième conduite C3 est reliée, par l'addition d'une conduite 19B, à la conduite 19A et déverse de l'oxygène liquide à vaporiser dans les passages de 10 l'échangeur de chaleur 9 via la pompe 11. L'intérêt de la Figure 2 est qu'au niveau de la sécurité de l'appareil, tant que les conduites 19B et 13A pour la concentration de Kr/Xe ne sont pas installées, on a un appareil « à pompes » classique, donc non concentré en hydrocarbures au niveau du bain de cuve de la colonne 3. 15 Dans cette option, on n'investit donc, pour le Kr/Xe futur/potentiel, que des piquages en attente (conduites Cl, C3) et un distributeur supplémentaire 23 conçus pour pouvoir effectuer le futur soutirage d'oxygène liquide intermédiaire pour la production d'oxygène pompé. La Figure 3 présente une autre façon de construire la deuxième colonne, en 20 attendant la décision pour la production de Kr/Xe. Ici on retrouve les conduites CO, Cl, C2, C3 de la Figure 4. Dans ce cas, si on décide de ne pas produire du Kr/Xe, on produit l'oxygène à partir de la troisième conduite C3, celle-ci étant reliée à la conduite 19B déjà installée ainsi qu'à la conduite 19A. Ici la deuxième conduite C2 joue le rôle de ligne de déconcentration et est connectée également 25 aux conduites 19A, 19B. La première conduite Cl est fermée. Quand on décide de produire du Kr/Xe, la première conduite Cl est reliée à l'unité de traitement 21 en rajoutant la conduite 13A, on ferme la deuxième conduite C2 et on soutire l'oxygène liquide comme pour le cas précédent du distributeur 23 par la troisième conduite C3. Dans cette variante, le rendement Xe au sortir de la colonne BP est donc conservé proche de 70%, alors que le rendement en Kr est diminué. Afin 5 d'augmenter le rendement Kr, on peut décider d'augmenter volontairement le petit débit de LOX vers l'unité de purification de Kr/Xe. Le tableau ci-dessous donne, à titre indicatif, quelques chiffres de rendement Kr/Xe (au sortir de la colonne BP) dans les différentes options : Appareil « à pompes » Avec Sans tronçon Kr/Xe tronçon Kr/Xe Q LOX vers 1% Qair 1% Qair 2% Qair Kr/Xe Rendement Xe (sortie colonne 3) ',' 70 % Rendement Kr (sortie colonne 3) ',' 70 % ',' 30 % ',' 40 % L'avantage d'une telle variante est que l'investissement supplémentaire à 10 faire pour produire le Kr/Xe est moindre. Même si le tronçon entre le soutirage d'oxygène liquide et le soutirage de cuve est très petit, la présence d'un tronçon sous-entend la présence d'un distributeur, nécessairement coûteux, au-dessus du tronçon pour la distribution du liquide. Ainsi la suppression du tronçon permet des économies importantes. 15 Cela est intéressant par exemple si l'option Kr/Xe n'est qu'une hypothèse pour le futur, ou sur des appareils standardisés (ou partiellement standardisés) avec une option Kr/Xe (retenue ou non selon le cas).In FIG. 2, it can be seen that a pipe CO connected to the tank of the second column 5 at one end is connected at the other end to one end of each of two pipes C1, C2, both of which can be closed by a respective valve. The other end of the second pipe C2 is connected to a pipe 19A connected to the heat exchanger 9, preferably via the pump 11. At the time of construction, the ends of the first and second conduits C1, C2 are not not connected to another pipe (apart from the first pipe C1 for the second pipe C2). If the decision is made to operate the column without producing 25 Kr / Xe, the valves of the first and third pipes will be closed or the first and third pipes will be condemned in another manner. As the valve of the second pipe C2 is open, the oxygen of the tank passes into the pipe 19A which has been added and supplies the customer with gaseous oxygen after vaporization in the exchanger 9. If, on the other hand the decision is made of operating the column with Kr / Xe production, the valve of the second line C2 is closed, the valves of the first and third lines are open. The first pipe C1 is connected to a pipe 13A bringing the liquid to the processing unit 21 to enrich the flow Kr / Xe. The third pipe C3 is connected, by the addition of a pipe 19B, to the pipe 19A and pours liquid oxygen to vaporize in the passages of the heat exchanger 9 via the pump 11. The interest of Figure 2 is that at the level of the safety of the apparatus, as long as the pipes 19B and 13A for the Kr / Xe concentration are not installed, there is a conventional "pump" apparatus, therefore not concentrated in hydrocarbons at the level of the bath of column 3. 15 In this option, therefore, for the future Kr / Xe / potential, only the waiting queues (lines C1, C3) and an additional distributor 23 designed to perform the future withdrawal of intermediate liquid oxygen for the production of pumped oxygen. Figure 3 shows another way of constructing the second column, pending the decision for Kr / Xe production. Here we find the pipes CO, Cl, C2, C3 of Figure 4. In this case, if we decide not to produce Kr / Xe, oxygen is produced from the third pipe C3, the latter being connected to the pipe 19B already installed as well as the pipe 19A. Here the second line C2 acts as a deconcentration line and is also connected to the lines 19A, 19B. The first pipe C1 is closed. When it is decided to produce Kr / Xe, the first pipe C1 is connected to the processing unit 21 by adding the pipe 13A, the second pipe C2 is closed and the liquid oxygen is withdrawn as for the previous case of the distributor 23 by the third pipe C3. In this variant, the yield Xe at the exit of the BP column is thus kept close to 70%, while the yield of Kr is decreased. In order to increase the yield Kr, one may decide to voluntarily increase the small flow of LOX to the Kr / Xe purification unit. The table below gives, as a rough guide, a few figures of Kr / Xe efficiency (at the end of the BP column) in the various options: Device "with pumps" With Without section Kr / Xe section Kr / Xe Q LOX to 1 % Qair 1% Qair 2% Qair Kr / Xe Yield Xe (column output 3) ',' 70% Yield Kr (column output 3) ',' 70% ',' 30% ',' 40% The advantage of such a variant is that the extra investment to make the Kr / Xe is less. Even if the section between the withdrawal of liquid oxygen and the tank withdrawal is very small, the presence of a section implies the presence of a dispenser, necessarily expensive, above the section for the distribution of the liquid. Thus the removal of the section allows significant savings. 15 This is interesting for example if the Kr / Xe option is only an assumption for the future, or on standardized (or partially standardized) devices with a Kr / Xe option (retained or not, as the case may be).
Le soutirage partiel de LOX pour la production d'oxygène (au dessus du vaporiseur), se fera par l'intermédiaire d'un distributeur conçu à cet effet. De multiples options existent pour réaliser une telle fonction. A noter qu'il est possible d'utiliser la présente invention dans le cas où le liquide riche en oxygène est soutiré de la deuxième colonne à un niveau de la deuxième colonne au moins un plateau théorique au-dessus de la cuve de la deuxième colonne ou, comme illustré, sans plateau théorique entre la cuve et le soutirage. Dans les deux cas des Figures 2 et 3, les première et deuxième conduites 1() Cl,C2 peuvent déboucher directement dans la cuve de la colonne 3, la conduite CO n'existant pas. Il est évidemment possible de fabriquer la deuxième colonne 3 à un premier endroit et la première colonne à un deuxième endroit et de les assembler ultérieurement. 15The partial withdrawal of LOX for the production of oxygen (above the vaporizer), will be done through a distributor designed for this purpose. Multiple options exist to achieve such a function. Note that it is possible to use the present invention in the case where the oxygen-rich liquid is withdrawn from the second column at a level of the second column at least one theoretical plate above the tank of the second column. or, as illustrated, without theoretical plate between the tank and the racking. In both cases of Figures 2 and 3, the first and second lines 1 () Cl, C2 can lead directly into the tank of the column 3, the CO pipe does not exist. It is obviously possible to manufacture the second column 3 at a first location and the first column at a second location and to assemble them later. 15
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