FR3020867A1 - Procede et appareil de separation d’air par distillation cryogenique pour la production d’un melange de krypton et de xenon - Google Patents

Procede et appareil de separation d’air par distillation cryogenique pour la production d’un melange de krypton et de xenon Download PDF

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, de l'air (7) comprimé, épuré et refroidi est envoyé à une première colonne (1) d'une double colonne, la première colonne opérant à une première pression et étant reliée thermiquement à une deuxième colonne (3) de la double colonne opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, un liquide riche en oxygène et contenant du krypton et du xénon (13) est soutiré de la cuve de la deuxième colonne et envoyé à une unité de traitement (21), un liquide riche en oxygène (19) est soutiré de la deuxième colonne caractérisé en ce que le liquide riche en oxygène est soutiré de la deuxième colonne à un niveau juste en dessous du tronçon d'éléments d'échange de masse le plus bas (25) de la deuxième colonne.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de 5 séparation d'air par distillation cryogénique pour la production 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. 1() Au moment de fabriquer une colonne, la question se pose souvent d'une 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 15 Kr/Xe. 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. 20 Les appareils selon l'invention ne nécessitent qu'un faible 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 25 ajoute quelques plateaux théoriques en cuve de colonne basse pression, juste en 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 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 10 mélange riche en Kr/Xe est soutiré en cuve de la colonne basse pression. Selon l'invention, on n'installe pas de plateaux théoriques supplémentaires en cuve de colonne basse pression. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi est 15 envoyé à une première colonne d'une double colonne, la première colonne opérant à une première pression et étant reliée thermiquement à une deuxième colonne de la double colonne opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, l'air se sépare dans la première colonne en un gaz enrichi en azote qui se condense dans un vaporiseur-condenseur de cuve de la deuxième 20 colonne et en un liquide de cuve enrichi en oxygène, le liquide de cuve est détendu et envoyé à la deuxième colonne, un liquide enrichi en azote est envoyé de la première colonne à la deuxième colonne, un liquide riche en oxygène et contenant du krypton et du xénon est soutiré de la cuve de la deuxième colonne et envoyé à une unité de traitement, un liquide riche en oxygène est soutiré de la 25 deuxième colonne caractérisé en ce que le liquide riche en oxygène est soutiré de la deuxième colonne à un niveau juste en dessous du tronçon d'éléments d'échange de masse le plus bas de la deuxième colonne.
Le rapport Kr/Xe dans le liquide soutiré en cuve de la deuxième colonne peut être inférieur à 6, voire inférieur à 5 ou même inférieur à 4. Le liquide riche en oxygène peut se vaporiser dans un échangeur de 5 chaleur où se refroidit l'air destiné à la première colonne. Eventuellement aucun débit gazeux riche en oxygène n'est soutiré en cuve de la deuxième colonne. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne, la double colonne 10 comprenant une première colonne capable de fonctionner à une première pression et une deuxième colonne capable de fonctionner à une deuxième pression inférieure à la première pression, la tête de la première colonne étant reliée à la cuve de la deuxième colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur, une conduite pour envoyer du liquide de cuve de la première colonne à la 15 deuxième colonne, une conduite pour envoyer un liquide enrichi en azote de la première colonne à la deuxième colonne, une première conduite pour soutirer un liquide riche en oxygène et contenant du krypton et du xénon de la cuve de la deuxième colonne, une deuxième conduite pour soutirer un liquide riche en oxygène de la deuxième colonne caractérisé en ce que la deuxième conduite 20 pour soutirer le liquide riche en oxygène de la deuxième colonne est reliée à un niveau juste en dessous du tronçon d'éléments d'échange de masse le plus bas de la deuxième colonne. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - la conduite pour envoyer un liquide de cuve à la deuxième colonne est 25 reliée à la deuxième colonne juste au-dessus du tronçon le plus bas de la deuxième colonne. - l'appareil comprend une unité de traitement reliée à la première conduite.
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 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 (invention) tronçon Kr/Xe (art antérieur) 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 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. Cela est intéressant par exemple si l'option Kr/Xe n'est qu'une hypothèse 15 pour le futur, ou sur des appareils standardisés (ou partiellement standardisés) avec une option Kr/Xe (retenue ou non selon le cas).
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. L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure 1 qui représente le procédé selon l'invention. Dans la figure 1, un appareil de séparation d'air comprend une double 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 10 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 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.
15 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. De l'oxygène liquide 19, moins riche en Kr/Xe que le liquide 13 est 20 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. Ainsi fonctionne le procédé selon l'invention quand la décision a été prise 25 pour produire de l'oxygène enrichi en Kr/Xe.

Claims (4)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel de l'air (7) comprimé, épuré et refroidi est envoyé à une première colonne (1) d'une double colonne, la première colonne opérant à une première pression et étant reliée thermiquement à une deuxième colonne (3) de la double colonne opérant à une deuxième pression, inférieure à la première pression, l'air se 10 sépare dans la première colonne en un gaz enrichi en azote qui se condense dans un vaporiseur-condenseur (5) de cuve de la deuxième colonne et en un liquide de cuve enrichi en oxygène, le liquide de cuve (15) est détendu et envoyé à la deuxième colonne, un liquide (17) enrichi en azote est envoyé de la première colonne à la deuxième colonne, un liquide riche en oxygène et contenant du 15 krypton et du xénon (13) est soutiré de la cuve de la deuxième colonne et envoyé à une unité de traitement (21), un liquide riche en oxygène (19) est soutiré de la deuxième colonne caractérisé en ce que le liquide riche en oxygène est soutiré de la deuxième colonne à un niveau juste en dessous du tronçon d'éléments d'échange de masse le plus bas (25) de la deuxième colonne. 20
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le rapport Kr/Xe dans le liquide (13) soutiré en cuve de la deuxième colonne est inférieur à 6, voire inférieur à 5 ou même inférieur à 4. 25
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide riche en oxygène (19) se vaporise dans un échangeur de chaleur (9) où se refroidit l'air (7) destiné à la première colonne (1).
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel aucun débit gazeux riche en oxygène n'est soutiré en cuve de la deuxième colonne (3).
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