WO2010142894A2 - Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique - Google Patents

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Marie Cognard
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L'Air Liquide, Société Anonyme pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for air separation by cryogenic distillation. It is known for a conventional air separation apparatus (of type
  • Architecture The low pressure column (with its two vaporizers) above the medium pressure column (FIGS. 1 and 4, FR-A-2724011).
  • Architecture # 2 The low section of the low pressure column on the ground, and the high section of the low pressure column over the medium pressure column so as to have a direct heat exchange via the medium pressure vaporizer ( Figures 2 and 3 of FR-A-2724011).
  • an air separation plant comprising a first distillation column capable of operating at medium pressure, a second distillation column capable of operating at a low pressure, a third column.
  • distiller capable of operating at low pressure or at low pressure, a first condenser-vaporizer, a second condenser-vaporizer disposed in the tank of the second column, a pipe for supplying air at least to the first column , a pipe for supplying a nitrogen-enriched liquid from the head of the first column to the head of the third column, at least one pipe for supplying liquid from the tank of the third column to the first condenser-vaporizer, a pipe for conducting a vessel liquid from the first column to the third column, a conduit for supplying liquid from the first condenser-vaporizer to the second column, a conduit for supplying gas from the first column; the first column to the tank of the third column, the first, second and third columns being arranged side by side, possibly being all arranged on a floor.
  • the second distillation column capable of operating at low pressure or
  • An element of the installation for example a liquid oxygen vaporizer, capable of operating at a cryogenic temperature, can be arranged below one of the columns and in which the two other columns and the element are placed directly on floor.
  • Pressurizing means may be connected to the vessel of the second column and the liquid oxygen vaporizer.
  • the first condenser-vaporizer is optionally above the first column and is connected to the head of the first column to allow gas reboiling of the first column.
  • the installation comprises only one pump connected to two of the columns.
  • the pump is optionally connected to the two supply lines of the ide from the tank of the second column to the first condenser-reboiler.
  • a gas line eventually connects the first condenser with the tank of the third column.
  • the head of the second column and / or the third column is optionally at a lower level than the first condenser-reboiler and preferably lower than the head of the first column.
  • the densities of the packings in the first column are lower than those of the packings of the second column and / or the third column.
  • the third column does not contain a reboiler condenser.
  • the second column may also contain a third condenser-reboiler and means for exchanging heat and material disposed above the third condenser-reboiler.
  • the conduit for supplying the overhead gas from the second column to the third column vessel can be connected to a vaporized gas line in the first condenser-reboiler.
  • the element of the installation is preferably a vaporizer of liquid oxygen, disposed below the third column.
  • the pressure difference between the operating pressure of the first column and the pressure of at least one of the second and third columns is preferably less than 3 bar, preferably 2.5 bar, preferably 2 bar.
  • the pressure difference between the operating pressure of the top of the second column and the tank of the third column is optionally less than 1 bar, preferably less than 0.5 bar, preferably less than 0.2 bar.
  • the installation comprises a first column 1 operating at a medium pressure, a second column 2 operating at a low pressure and a third column 3 operating at a low pressure slightly lower than that of the second column 2, the low columns.
  • pressure preferably operating with a pressure difference of less than 500 mbar (and preferably 200 mbar) measured between the tank of column 3 and the top of column 2.
  • the pressure difference between the medium pressure column 1 and the pressure of the low pressure column 2 or 3, measured in the middle of each column, is less than 3 bar, preferably 2.5 bar, preferably 2 bar.
  • the three columns 1, 2, 3 are placed on the floor 27, but the third column 3 is raised because a product vaporizer 11 is placed below this column. It is obviously possible to place the vaporizer 11 elsewhere and to place the column 3 directly on the ground 27.
  • the ground 27 is constituted by a concrete foundation or other flat surface.
  • a compressed, purified and cooled air flow 33 is sent to the bottom of the first column 1 where it separates forming an oxygen-enriched flow rate and a nitrogen-rich flow rate.
  • the oxygen-enriched flow rate is fed to a lower level of the third column 3.
  • the nitrogen-rich flow rate condenses in the head condenser 9 of the first column.
  • This condenser 9 is cooled by a pumped liquid flow 23 from the third column 3 and pressurized by a pump 13 also placed on the ground 27.
  • the vaporized liquid 17 from the condenser 9 is mixed with a head gas 15 of the second column 2 to form a gas flow 19 which feeds the tank of the third column 3.
  • the head of the column of the second column 2 is fed with a liquid 21 coming from the condenser 9.
  • the second column 2 contains one or two or more reboilers, including a reboiler 5 tank and possibly an intermediate reboiler 7. These reboilers can be reheated by any suitable means, including a flow of air, cold pressed or not or a flow of nitrogen, cold pressed or not.
  • a flow of gaseous or liquid oxygen 29 is withdrawn at a lower level of the second column 2. This flow if liquid can be pressurized by a pump (not shown) and sent to the vaporizer January 1 to form a pressurized gas flow.
  • a flow of liquid nitrogen 35 is expanded in a valve and sent to the top of the third column 3 and a nitrogen-rich gas flow 31 is withdrawn at the top of the third column 3.
  • the head of the third column 3 is lower than the head of the first column 1, thus facilitating this transfer by gravity flow.
  • Figure 1 shows a condenser 9 which is a bath vaporizer while Figure 2 mounts a film evaporator 9.
  • the flow 21 withdrawn from the condenser is biphasic and is sent to the top of the second column as in Figure 1. No flow 17 is produced.
  • Figures 3 and 4 are variants of Figures 1 and 2 respectively showing the case where the vaporizer 11 is absent or placed elsewhere than below one of the columns. In this case, the three columns rest directly on the ground 27.
  • Figures 5 and 6 respectively show variants of Figures 1 and 2 where the second column contains only one reboiler, the tank reboiler 5. In this case, the second column is obviously shorter.
  • the reboiler 5 can be heated with nitrogen or air, optionally compressed, possibly cold pressed.
  • the first pump is the pump 13 used for the raising of the liquid from the third column to the top condenser of the first column.
  • the second pump used in the case where oxygen is required in pressurized form, will be used to pressurize the liquid oxygen. For the other liquid risers, such as the liquid 25, the pressure difference between the columns should be sufficient to entrain the liquid.
  • the first column 1 contains relatively sparse packings (for example with a density of 250 to 500 m 2 / m 3 ) and the second and / or third column contains relatively dense packings (600 to 1000 m 2 / m 3 ) so that to have a first column 1 as high as possible, and a second and / or third column 2, 3 as low as possible so that the flow can operate in a gravitational manner between the vaporizer located above the first column, towards the second and / or third column.
  • the passage of liquids in the conduits 21, 35 is facilitated.

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Abstract

Une installation de séparation d'air comprenant une première colonne (1) distiller moyenne pression, une deuxième colonne (2) distiller basse pression, une troisième colonne (3) distiller basse pression, un premier condenseur-vaporiseur (9,9A), un deuxième condenseur-vaporiseur (5) disposé dans la cuve de la deuxième colonne, une conduite (33) pour amener de l'air à la première colonne, une conduite (35) pour amener un liquide enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la troisième colonne, au moins une conduite (23) pour amener du liquide de la cuve de la troisième colonne au premier condenseur-vaporiseur, une conduite (25) pour amener un liquide de cuve de la première colonne à la troisième colonne, une conduite (21) pour amener du liquide du premier condenseur-vaporiseur à la deuxième colonne, une conduite (15,19) pour amener du gaz de la tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne, les première, deuxième et troisième colonnes étant disposées côte à côte.

Description

Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique. II est connu, pour un appareil de séparation d'air classique (de type
« double colonne ») d'installer
• la colonne basse pression au dessus de la colonne moyenne pression avec un échange thermique par le vaporiseur ;
• la colonne basse pression et la colonne moyenne pression côte à côte, avec des pompes de retour liquide (soit d'oxygène liquide provenant de la colonne basse pression vers le vaporiseur-condenseur, soit d'azote liquide du vaporiseur-condenseur vers la colonne moyenne pression) et des tuyauteries de transport de gaz (retour de l'oxygène gazeux du vaporiseur-condenseur vers la colonne basse pression et d'envoi d'azote gazeux de la colonne moyenne pression vers le vaporiseur-condenseur).
Il est connu que la première disposition permet d'obtenir une meilleure performance énergétique car elle économise les pertes de charges dans les tuyauteries de retour de gaz (effet prépondérant), et l'énergie des pompes de retour de liquide. II est connu, pour un appareil de séparation d'air ayant deux vaporiseurs- condenseurs dans la colonne basse pression d'installer
• Architecture^ : La colonne basse pression (avec ses deux vaporiseurs) au dessus de la colonne moyenne pression (Figures 1 et 4, FR-A- 2724011 ). • Architecture#2 : La section basse de la colonne basse pression au sol, et la section haute de la colonne basse pression par-dessus la colonne moyenne pression de sorte à avoir un échange thermique direct via le vaporiseur de tête de moyenne pression (Figures 2 et 3 de FR-A-2724011 ).
• Architecture#3 : La colonne basse pression (avec ses deux vaporiseurs) à côté de la colonne moyenne pression (US-A-6134915, EP-A-
0195065).
Il est connu que les architectures #1 et 2 permettent d'obtenir une performance énergétique équivalente. Dans les deux cas, on a des pertes de charge dans les tuyauteries de gaz, et on n'a pas de pompe de retour de liquide).
Aucun document ne propose de poser la partie supérieure d'une colonne basse pression sur le sol, ni encore moins une partie supérieure de la colonne basse pression ne contenant pas de condenseur-rebouilleur.
De façon surprenante, pour les procédés à très basse énergie utilisant une double colonne avec au moins deux vaporiseurs dans la colonne basse pression, on arrive à la conclusion que l'architecture la plus performante en termes de consommation énergétique est d'installer - la colonne moyenne pression au sol, le tronçon supérieur de la colonne basse pression au sol, le tronçon inférieur de la colonne basse pression au sol. La raison principale est que la différence de pression entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression est typiquement inférieure à 2 bar abs., ce qui rend l'installation de pompe de remontée de liquide nécessaire dans les cas où des sections de colonne basse pression sont installées au dessus de la colonne moyenne pression.
Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant une première colonne à distiller capable d'opérer à une moyenne pression, une deuxième colonne à distiller capable d'opérer à une basse pression, une troisième colonne à distiller capable d'opérer à une basse pression ou à la basse pression, un premier condenseur-vaporiseur, un deuxième condenseur-vaporiseur disposé dans la cuve de la deuxième colonne, une conduite pour amener de l'air au moins à la première colonne, une conduite pour amener un liquide enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la troisième colonne, au moins une conduite pour amener du liquide de la cuve de la troisième colonne au premier condenseur- vaporiseur, une conduite pour amener un liquide de cuve de la première colonne à la troisième colonne, une conduite pour amener du liquide du premier condenseur-vaporiseur à la deuxième colonne, une conduite pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne, les première, deuxième et troisième colonnes étant disposées côte à côte, éventuellement étant toutes disposées sur un sol. De préférence, la deuxième colonne contient au moins un troisième condenseur vaporiseur placé au-dessus du deuxième condenseur vaporiseur.
Un élément de l'installation, par exemple un vaporiseur d'oxygène liquide, capable d'opérer à une température cryogénique, peut être disposé en dessous d'une des colonnes et dans lequel les deux autres colonnes et l'élément sont posés directement sur le sol.
Des moyens de pressurisation peuvent être reliés à la cuve de la deuxième colonne et au vaporiseur d'oxygène liquide.
Le premier condenseur-vaporiseur est éventuellement au-dessus de la première colonne et est relié à la tête de la première colonne pour permettre le rebouillage par un gaz de la première colonne.
De préférence, l'installation ne comprend qu'une seule pompe reliée à deux des colonnes.
La pompe est éventuellement reliée aux deux conduites d'amenée de l iqu ide depuis la cuve de la deuxième colonne au premier condenseur- rebouilleur.
Une conduite de gaz relie éventuellement le premier condenseur avec la cuve de la troisième colonne.
La tête de la deuxième colonne et/ou de la troisième colonne est éventuellement à un niveau plus bas que le premier condenseur-rebouilleur et de préférence plus bas que la tête de la première colonne.
Eventuellement, les densités des garnissages dans la première colonne sont inférieures à celles des garnissages de la deuxième colonne et/ou de la troisième colonne. De préférence, la troisième colonne ne contient pas de condenseur- rebouilleur.
La deuxième colonne peut contenir également un troisième condenseur- rebouilleur ainsi que des moyens d'échange de chaleur et de matière disposés au-dessus du troisième condenseur-rebouilleur. La conduite pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne peut être reliée à une conduite de gaz vaporisé dans le premier condenseur-rebouilleur .
L'élément de l'installation est de préférence un vaporiseur d'oxygène liquide, disposé en dessous de la troisième colonne. La différence de pression entre la pression d'opération de la première colonne et la pression d'au moins une des deuxième et troisième colonnes est de préférence inférieure à 3 bar, préférentiellement 2.5 bar, préférentiellement 2 bar. La différence de pression entre la pression d'opération du sommet de la deuxième colonne et de la cuve de la troisième colonne est éventuellement inférieure à 1 bar, préférentiellement inférieure à 0.5 bar, préférentiellement inférieure à 0.2 bar.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui montrent des installations de séparation d'air selon l'invention.
Dans la Figure 1 , l'installation comprend une première colonne 1 opérant à une moyenne pression, une deuxième colonne 2 opérant à une basse pression et une troisième colonne 3 opérant une basse pression légèrement inférieure à celle de la deuxième colonne 2, les colonnes basse pression fonctionnant de préférence avec une différence de pression de moins de 500 mbar (et préférentiellement 200 mbar) mesurée entre la cuve de la colonne 3 et le sommet de la colonne 2. La différence de pression entre la colonne moyenne pression 1 et la pression de la colonne basse pression 2 ou 3, mesurées au milieu de chaque colonne, est inférieure à 3 bar, préférentiellement 2.5 bar, préférentiellement 2 bar.
Les trois colonnes 1 , 2, 3 sont posées sur le sol 27, mais la troisième colonne 3 est surélevée car un vaporiseur de produit 11 est posé en dessous de cette colonne. Il est évidemment possible de placer le vaporiseur 11 ailleurs et de poser la colonne 3 directement sur le sol 27. Le sol 27 est constitué par une fondation en béton ou autre surface plate.
Un débit d'air 33 comprimé, épuré et refroidi est envoyé en cuve de la première colonne 1 où il se sépare formant un débit enrichi en oxygène 25 et un débit riche en azote. Le débit enrichi en oxygène 25 est envoyé à un niveau inférieur de la troisième colonne 3. Le débit riche en azote se condense dans le condenseur de tête 9 de la première colonne. Ce condenseur 9 est refroidi par un débit de liquide de cuve 23 pompé provenant de la troisième colonne 3 et pressurisé par une pompe 13 également posé sur le sol 27. Le liquide vaporisé 17 provenant du condenseur 9 est mélangé avec un gaz de tête 15 de la deuxième colonne 2 pour former un débit gazeux 19 qui alimente la cuve de la troisième colonne 3. La tête de la colonne de la deuxième colonne 2 est alimentée par un liquide 21 provenant du condenseur 9.
La deuxième colonne 2 contient un ou deux rebouilleurs, voire plus, dont un rebouilleur de cuve 5 et éventuellement un rebouilleur intermédiaire 7. Ces rebouilleurs peuvent être réchauffés par tout moyen adapté, y compris un débit d'air, comprimé à froid ou non ou un débit d'azote, comprimé à froid ou non. Un débit d'oxygène gazeux ou liquide 29 est soutiré à un niveau inférieur de la deuxième colonne 2. Ce débit si liquide peut être pressurisé par une pompe (non-illustrée) et envoyé au vaporiseur 1 1 pour former un débit gazeux pressurisé.
Un débit d'azote liquide 35 est détendu dans une vanne et envoyé en tête de la troisième colonne 3 et un débit gazeux 31 riche en azote est soutiré en tête de la troisième colonne 3. De préférence, la tête de la troisième colonne 3 est plus basse que la tête de la première colonne 1 , ainsi facilitant ce transfert par écoulement gravitaire.
La différence entre la Figure 2 et la Figure 1 est que la Figure 1 montre un condenseur 9 qui est un vaporiseur à bain alors que la Figure 2 monte un vaporiseur à film 9. Dans ce cas, le débit 21 soutiré du condenseur est biphasique et est envoyé en tête de la deuxième colonne comme dans la Figure 1. Aucun débit 17 n'est produit.
Les Figures 3 et 4 sont des variantes des Figures 1 et 2 respectivement montrant le cas où le vaporiseur 11 est absent ou posé ailleurs qu'en dessous d'une des colonnes. Dans ce cas, les trois colonnes reposent directement sur le sol 27. Les Figures 5 et 6 montrent respectivement des variantes des Figures 1 et 2 où la deuxième colonne ne contient qu'un seul rebouilleur, le rebouilleur de cuve 5. Dans ce cas, la deuxième colonne est évidemment plus courte. Le rebouilleur de cuve 5 peut être chauffé par de l'azote ou de l'air, éventuellement comprimé, éventuellement comprimé à froid. II sera compris que selon l'invention, au plus une voire deux pompes seront nécessaire. La première pompe est la pompe 13 utilisée pour la remontée de liquide de cuve de la troisième colonne vers le condenseur de tête de la première colonne. La deuxième pompe, utilisée dans le cas où l'oxygène est requis sous forme pressurisée, servira à pressuriser l'oxygène liquide. Pour les autres remontées de liquide, tel que le liquide 25, la différence de pression entre les colonnes devrait suffire à entraîner le liquide.
La première colonne 1 contient des garnissages relativement peu denses (par exemple de densité de 250 à 500 m2/m3) et la deuxième et/ou la troisième colonne contient des garnissages relativement denses( 600 à 1000 m2/m3) afin d'avoir une première colonne 1 la plus haute possible, et une deuxième et/ou troisième colonne 2, 3 la plus basse possible pour que l'écoulement puisse s'opérer de manière gravitaire entre le vaporiseur situé au dessus de la première colonne, vers la deuxième et/ou vers la troisième colonne. Ainsi le passage des liquides dans les conduites 21 , 35 est facilité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de séparation d'air comprenant une première colonne (1 ) à distiller capable d'opérer à une moyenne pression, une deuxième colonne (2) à distiller capable d'opérer à une basse pression, une troisième colonne (3) à distiller capable d'opérer à une basse pression ou à la basse pression, un premier condenseur-vaporiseur (9,9A), un deuxième condenseur-vaporiseur (5) disposé dans la cuve de la deuxième colonne, une conduite (33) pour amener de l'air au moins à la première colonne, une conduite (35) pour amener un liquide enrichi en azote de la tête de la première colonne à la tête de la troisième colonne, au moins une conduite (23) pour amener du liquide de la cuve de la troisième colonne au premier condenseur-vaporiseur, une conduite (25) pour amener un liquide de cuve de la première colonne à la troisième colonne, une conduite (21 ) pour amener du liquide du premier condenseur- vaporiseur à la deuxième colonne, une conduite (15,19) pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne, les première, deuxième et troisième colonnes étant disposées côte à côte, éventuellement étant toutes disposées sur un sol (27).
2. Installation selon la revendication 1 dans lequel un élément de l'installation, par exemple un vaporiseur d'oxygène liquide (11 ), capable d'opérer à une température cryogénique, est disposé en dessous d'une des colonnes (1 , 2, 3) et dans lequel les deux autres colonnes et l'élément sont posés directement sur le sol.
3. Installation selon la revendication 2 comprenant des moyens de pressurisation reliés à la cuve de la deuxième colonne (2) et au vaporiseur d'oxygène liquide (11 ).
4. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le premier condenseur-vaporiseur (9,9A) est au-dessus de la première colonne (1 ) et est relié à la tête de la première colonne pour permettre le rebouillage par un gaz de la première colonne.
5. Installation selon l'une des revendications précédentes ne comprenant qu'une seule pompe (13) reliée à deux des colonnes.
6. Installation selon la revendication 5 dans laquelle la pompe (13) est reliée aux deux conduites (23) d'amenée de liquide depuis la cuve de la deuxième colonne (2) au premier condenseur-rebouilleur (9,9A).
7. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite de gaz (17,19) reliant le premier condenseur-rebouilleur (9) avec la cuve de la troisième colonne (3).
8. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la tête de la deuxième colonne (2) et/ou de la troisième colonne (3) est à un niveau plus bas que le premier condenseur-rebouilleur (9,9A) et de préférence plus bas que la tête de la première colonne (1 ) et éventuellement les densités des garnissages dans la première colonne (1 ) sont inférieures à celles des garnissages de la deuxième colonne (2) et/ou de la troisième colonne (3).
9. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la troisième colonne ne contient pas de condenseur-rebouilleur.
10. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la deuxième colonne (2) contient également un troisième condenseur- rebouilleur (7) ainsi que des moyens d'échange de chaleur et de matière disposés au-dessus du troisième condenseur-rebouilleur.
11. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la conduite (15,19) pour amener du gaz de tête de la deuxième colonne à la cuve de la troisième colonne est reliée à une conduite (17) de gaz vaporisé dans le premier condenseur-rebouilleur (9).
12. Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle l'élément de l'installation est un vaporiseur d'oxygène liquide (11 ), disposé en dessous de la troisième colonne (3).
13. Procédé de séparation d'air utilisant une installation selon l'une des revendications précédentes dans lequel la différence de pression entre la pression d'opération de la première colonne (1 ) et la pression d'au moins une des deuxième et troisième colonnes (2,3) est inférieure à 3 bar, préférentiellement 2.5 bar, préférentiellement 2 bar.
14. Procédé de séparation d'air utilisant une installation selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel la différence de pression entre la pression d'opération du sommet de la deuxième colonne (2) et de la cuve de la troisième colonne (3) est inférieure à 1 bar, préférentiellement inférieure à 0.5 bar, préférentiellement inférieure à 0.2 bar.
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