WO2011095739A1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique Download PDF

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    • F25J2250/50—One fluid being oxygen

Definitions

  • the present invention relates to methods and apparatus for air separation by cryogenic distillation. It is known to distill the air in a double column comprising a medium pressure column thermally connected to a low pressure column which overcomes it.
  • the thermal bond between the two columns can be obtained by using two vaporizers placed one above the other in the low pressure column.
  • the lowest vaporizer can be heated by means of a flow of nitrogen withdrawn from the medium pressure column and then compressed in a cold compressor and the upper vaporizer can be heated by a flow of medium pressure nitrogen taken from the medium pressure column. without having been compressed upstream of the vaporizer.
  • a cold compressor is a compressor having a cryogenic inlet temperature, a cryogenic temperature being below -50 ° C.
  • the compressed nitrogen in the cold compressor must be condensed in the lower vaporizer of the low pressure column.
  • the cold compressed fluid therefore arrives relatively hot in the vaporizer, with a large ⁇ before starting to condense: this means that even if the vaporizer has a small temperature nip, ⁇ hot end is relatively important.
  • vaporizer-condenser If the vaporizer-condenser has malfunctions, including partial blockage or poor distribution, there is a high risk of dry vaporization locally, which affects the safety of the device due to the presence of impurities of the type CnHm with a fluid rich in oxygen. This is especially noticeable on a film evaporator-condenser.
  • FR-A-2930329 discloses a method according to the preamble of claim 1.
  • One of the aims of the invention is to avoid malfunctions of the vaporizer-condenser.
  • a circulating fluid for example medium pressure nitrogen
  • a circulating fluid for example medium pressure nitrogen
  • a part condensed fluid in the condenser vaporizer at the inlet of the vaporizer-condenser, to bring it back to its dew point, before being condensed.
  • a method of separating air in a column system by cryogenic distillation in which compressed, purified and cooled air is separated in the column system to form a flow enriched with oxygen and a flow enriched in nitrogen in which at least one column of the column system contains a vaporizer-condenser for vaporizing an oxygen-enriched liquid with respect to the air by means of a heat exchange with a fluid calorigenic, the caloric fluid having been compressed upstream of the vaporizer-condenser in a compressor having a cryogenic inlet temperature, the calorigenic fluid being at least partially condensed in the vaporizer-condenser characterized in that a cryogenic liquid is added to the fluid calorigen upstream of the vaporizer-condenser.
  • cryogenic liquid is constituted by a portion of the heat transfer fluid after condensation in the vaporizer-condenser
  • the column system is a double or triple column, the circulating fluid is a nitrogen-enriched flow drawn from one of the columns operating at higher pressure and the reboiler is in another of the columns operating at lower pressure;
  • the vaporizer-condenser is a film vaporizer
  • cryogenic liquid is pressurized either by hydrostatic pressure or by a pump;
  • the cryogenic liquid contains at least 75 mol%. nitrogen, or even at least 90 mol%. nitrogen;
  • an apparatus for separating air in a column system by cryogenic distillation comprising: a) a column system
  • a vaporizer-condenser capable of vaporizing a liquid enriched in oxygen with respect to the air
  • At least one condensed fluid line connecting an outlet of the vaporizer-condenser to at least one column of the column system characterized in that it comprises a pipe, and possibly a pump, connecting the outlet of the vaporizer-condenser and / or storage of cryogenic liquid at the outlet of the cryogenic compressor without going through the vaporizer-condenser.
  • the apparatus may include the following features:
  • the column system is a double or a triple column, one of the columns operating at lower pressure comprising the vaporizer-condenser tank vaporizer;
  • cryogenic compressor is connected to the head of one of the columns operating at higher pressure
  • means for pressurizing a cryogenic liquid adapted to pressurize a liquid flowing in the pipe connecting the outlet of the vaporizer-condenser to the outlet of the cryogenic compressor.
  • the invention also includes an oxy-fuel combustion plant comprising an air separation apparatus as described above and an oxygen-supplied boiler produced by the air separation apparatus.
  • An air flow 1 is compressed in a compressor (not shown) to 4 bar and then divided into two; a part 3 of the air cools in an exchange line 9 and is sent to the medium pressure column 1 1 of a double column.
  • the double column comprises a medium pressure column 1 1 and a low pressure column 13 thermally connected to each other, the low pressure column overlying the medium pressure column.
  • the low pressure column 13 contains a tank vaporizer 15 and an intermediate vaporizer 17.
  • the intermediate vaporizer 17 is heated by means of a fraction 33 of a nitrogen flow 31 withdrawn from the medium pressure column at the pressure of the head of the medium pressure column.
  • Another fraction 37 of the nitrogen medium nitrogen pressure is compressed in a compressor 61 having a cryogenic inlet temperature.
  • the fraction is cooled at the outlet of this cold compressor 61 by direct contact with a cryogenic liquid 45, to be returned to its dew point, before being condensed.
  • the cryogenic liquid 45 preferably comprises a portion of the fluid that has just condensed in the vessel vaporizer 15.
  • the cryogenic liquid contains at least 70 mol%. nitrogen, or even at least 90 mol%. nitrogen.
  • the gas and the liquid 45 can be brought into contact directly in the pipework or in specific equipment, by means of injection nozzles, of physical contactors, the liquid 45 being compressed either by hydrostatic height or using a pump.
  • the remainder of the condensed liquid in the vessel vaporizer 15 is sent at the top of the low pressure column 13 to form reflux.
  • An oxygen-enriched liquid 49 and a nitrogen-enriched liquid 53 are sent from the medium-pressure column 11 to the low-pressure column 13.
  • a flow of liquid oxygen 19 is withdrawn from the tank of the low pressure column, pressurized to a low pressure of 1.5 to 4 bar by a pump 21 and then vaporized in a vaporizer 23 by heat exchange with the air.
  • a non-vaporized portion of the oxygen is withdrawn as purge 25.
  • the vessel vaporizer 15 is preferably a film.
  • a portion 39 of the medium pressure nitrogen is heated in the exchange line 9, is expanded in a turbine 41 and then again warms in the exchange line 9.
  • the invention applies to any compressed gas in a cold compressor, which must condense in a vaporizer where there is a risk of dry vaporization vis-à-vis oxygen in the presence of impurity type C n H m .
  • cryogenic liquid added upstream of the cold compressor comes from the column system but the liquid can come from an external source and can for example be taken from a storage of liquid or liquid liquids stored in a rocking system .

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air dans un système de colonnes (11, 13) par distillation cryogénique, de l'air comprimé, épuré et refroidi est séparé dans le système de colonnes pour former un débit enrichi en oxygène et u n d ébit enrichi en azote, au moins une colonne (13) du système de colonnes contient un vaporiseur-condenseur (15) devant assurer la vaporisation d'un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air au moyen d'un échange de chaleur avec un fluide calorigène (37), le fluide calorigène ayant été comprimé en amont du vaporiseur-condenseur dans un compresseur (61) ayant une température d'entrée cryogénique, le fluide calorigène étant au moins partiellement condensé dans le vaporiseur-condenseur et un liquide cryogénique (45) est rajouté au fluide calorigène en amont du vaporiseur- condenseur.

Description

Procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative aux procédés et aux appareils de séparation d'air par distillation cryogénique. Il est connu de distiller l'air dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression reliée thermiquement avec une colonne basse pression qui la surmonte.
Le lien thermique entre les deux colonnes peut être obtenu en utilisant deux vaporiseurs placés l'un au dessus de l'autre dans la colonne basse pression. Le vaporiseur le plus bas peut être chauffé au moyen d'une débit d'azote soutiré de la colonne moyenne pression puis comprimé dans un compresseur froid et le vaporiseur supérieur peut être chauffé par un débit d'azote moyenne pression pris dans la colonne moyenne pression sans avoir été comprimé en amont du vaporiseur.
Un compresseur froid est un compresseur ayant une température d'entrée cryogénique, une température cryogénique étant inférieure à -50°C.
L'azote comprimé dans le compresseur froid doit être condensé dans le vaporiseur inférieur de la colonne basse pression. Le fluide comprimé à froid arrive donc relativement chaud dans le vaporiseur, avec un ΔΤ important avant de commencer à se condenser : cela signifie que même si le vaporiseur a un pincement faible de température, le ΔΤ au bout chaud est relativement important.
Si le vaporiseur-condenseur a des disfonctionnements, notamment de bouchage partiel ou de mauvaise distribution, il y a un fort risque de vaporisation à sec localement, ce qui nuit à la sécurité de l'appareil du fait de la présence d'impuretés de type CnHm avec un fluide riche en oxygène. Cela est d'autant plus sensible sur un vaporiseur-condenseur à film.
FR-A-2930329 décrit un procédé selon le préambule de la revendication 1 .
U n des buts de l'invention est d'éviter des dysfonctionnements du vaporiseur-condenseur.
Selon l'invention, un fluide calorigène, par exemple de l'azote moyenne pression, est refroidi en sortie d'un compresseur froid, en injectant une partie du fluide condensé dans le vaporiseur condenseur à l'entrée du vaporiseur- condenseur, pour le ramener à son point de rosée, avant d'être condensé. Ceci permet d'annuler la surchauffe du fluide, et permet un usage facilité en termes de sécurité pour le vaporiseur, notamment à film. Ceci se fait sans pénalité énergétique notable.
L'injection d'autres fluides cryogéniques peut remplacer ce fluide condensé.
Selon un objet de l'invention, il est proposé un procédé de séparation d'air dans un système de colonnes par distillation cryogénique dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi est séparé dans le système de colonnes pour former un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote dans lequel au moins une colonne du système de colonnes contient un vaporiseur-condenseur devant assurer la vaporisation d'un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air au moyen d'un échange de chaleur avec un fluide calorigène, le fluide calorigène ayant été comprimé en amont du vaporiseur-condenseur dans un compresseur ayant une température d'entrée cryogénique, le fluide calorigène étant au moins partiellement condensé dans le vaporiseur-condenseur caractérisé en ce qu'un liquide cryogénique est rajouté au fluide calorigène en amont du vaporiseur-condenseur.
Selon d'autres caractéristiques facultatives :
le liquide cryogénique est constitué par une partie du fluide calorigène après sa condensation dans le vaporiseur-condenseur ;
le système de colonnes est une double ou une triple colonne, le fluide calorigène est un débit enrichi en azote soutiré d'une des colonnes fonctionnant à pression plus élevée et le rebouilleur est dans une autre des colonnes fonctionnant à pression plus basse ;
le vaporiseur-condenseur est un vaporiseur à film ;
le liquide cryogénique est pressurisé soit par pression hydrostatique soit par une pompe ;
- le liquide cryogénique contient au moins 75% mol. d'azote, voire au moins 90% mol. d'azote ;
le liquide cryogénique est rajouté au fluide calorigène en aval du compresseur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air dans un système de colonnes par distillation cryogénique comprenant : a) un système de colonnes
b) un vaporiseur-condenseur capable de vaporiser un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air
c) un compresseur d'air
d) une conduite reliant le compresseur d'air avec le système de colonnes
e) un compresseur cryogénique de fluide calorigène relié à une entrée du vaporiseur-condenseur
f) au moins une conduite de fluide condensé reliant une sortie du vaporiseur-condenseur à au moins une colonne du système de colonnes caractérisé en ce qu'il comprend une conduite, et éventuellement une pompe, reliant la sortie du vaporiseur-condenseur et/ou un stockage de liquide cryogénique à la sortie du compresseur cryogénique sans passer par le vaporiseur-condenseur.
L'appareil peut comprendre les caractéristiques suivantes :
le système de colonnes est une double ou une triple colonne, une des colonnes opérant à plus basse pression comprenant le vaporiseur- condenseur en vaporiseur de cuve ;
le compresseur cryogénique est relié à la tête d'une des colonnes opérant à pression plus élevée ;
des moyens pour pressuriser un liquide cryogénique adaptés à pressuriser un liquide circulant dans la conduite reliant la sortie du vaporiseur- condenseur à la sortie du compresseur cryogénique.
L'invention comprend également une installation d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air tel que décrit ci-dessus et une chaudière alimentée par l'oxygène produit par l'appareil de séparation d'air.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui montre un procédé selon l'invention.
Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur (non-illustré) jusqu'à 4 bars puis divisé en deux ; une partie 3 de l'air se refroidit dans une ligne d'échange 9 et est envoyé à la colonne moyenne pression 1 1 d'une double colonne. La double colonne comprend une colonne moyenne pression 1 1 et une colonne basse pression 13 reliées thermiquement entre elles, la colonne basse pression surmontant la colonne moyenne pression.
Le reste 5 de l'air est surpressé dans un surpresseur 7, refroidi dans la ligne d'échange, condensé dans un vaporiseur produit 23 et puis envoyé à la colonne moyenne pression 1 1 .
La colonne basse pression 13 contient un vaporiseur de cuve 15 et un vaporiseur intermédiaire 17. Le vaporiseur intermédiaire 17 est chauffé au moyen d'une fraction 33 d'un débit d'azote 31 soutiré de la colonne moyenne pression à la pression de la tête de la colonne moyenne pression.
Une autre fraction 37 de l'azote moyenne pression azote est comprimée dans un compresseur 61 ayant une température d'entrée cryogénique. La fraction est refroidie en sortie de ce compresseur froid 61 par contact direct avec un liquide cryogénique 45, pour être ramené à son point de rosée, avant d'être condensé. Le liquide cryogénique 45 préférentiellement comprend une partie du fluide qui vient de se condenser dans le vaporiseur de cuve 15. Le liquide cryogénique contient au moins 70% mol. d'azote, voire au moins 90% mol. d'azote. Ainsi une conduite ramène vers la sortie du compresseur froid une partie de l'azote condensé dans le vaporiseur de cuve.
La mise en contact du gaz et du liquide 45 peut se faire directement dans la tuyauterie ou dans un équipement spécifique, à l'aide de buses d'injection, de contacteurs physiques, le liquide 45 étant comprimé soit par hauteur hydrostatique, soit à l'aide d'une pompe.
Le reste du liquide condensé dans le vaporiseur de cuve 15 est envoyé en partie en tête de la colonne basse pression 13 pour former du reflux.
Un liquide enrichi en oxygène 49 et un liquide enrichi en azote 53 sont envoyés de la colonne moyenne pression 1 1 à la colonne basse pression 13
Un débit d'oxygène liquide 19 est soutiré de la cuve de la colonne basse pression, pressurisé jusqu'à une basse pression de 1 ,5 à 4 bars par une pompe 21 et puis vaporisé dans un vaporiseur 23 par échange de chaleur avec l'air. Une partie non-vaporisée de l'oxygène est soutirée en tant que purge 25.
Le vaporiseur de cuve 15 est de préférence à film. Une partie 39 de l'azote moyenne pression se réchauffe dans la ligne d'échange 9, est détendue dans une turbine 41 puis de nouveau se réchauffe dans la ligne d'échange 9.
L'invention s'applique à tout gaz comprimé dans un compresseur froid, qui doit se condenser dans un vaporiseur où il y a un risque de vaporisation à sec vis-à-vis d'oxygène en présence d'impureté de type CnHm.
Dans l'exemple le liquide cryogénique rajouté en amont du compresseur froid vient du système de colonnes mais le liquide peut provenir d'une source extérieure et peut par exemple être pris dans un stockage de liquide de biberonnage ou de liquide stocké dans un système de bascule.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de séparation d'air dans un système de colonnes (1 1 , 13) par distillation cryogénique dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi est séparé dans le système de colonnes pour former un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote dans lequel au moins une colonne (13) du système de colonnes contient un vaporiseur-condenseur (15) devant assurer la vaporisation d'un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air au moyen d'un échange de chaleur avec un fluide calorigène (37), le fluide calorigène ayant été comprimé en amont du vaporiseur-condenseur dans un compresseur (61 ) ayant une température d'entrée cryogénique, le fluide calorigène étant au moins partiellement condensé dans le vaporiseur-condenseur caractérisé en ce qu'un liquide cryogénique (45) est rajouté au fluide calorigène en amont du vaporiseur-condenseur.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le liquide cryogénique (45) est constitué par une partie du fluide calorigène après sa condensation dans le vaporiseur-condenseur (15).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le système de colonnes (1 1 , 13) est une double ou une triple colonne, le fluide calorigène est un débit enrichi en azote (37) soutiré d'une des colonnes (1 1 ) fonctionnant à pression plus élevée et le rebouilleur est dans une autre des colonnes fonctionnant à pression plus basse (13).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le vaporiseur-condenseur (1 1 ) est un vaporiseur à film.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique (45) est pressurisé soit par pression hydrostatique soit par une pompe.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique est rajouté au fluide calorigène en aval du compresseur.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique contient au moins 75% mol. d'azote, voire au moins 90% mol. d'azote
8. Appareil de séparation d'air dans un système de colonnes par distillation cryogénique comprenant :
a) un système de colonnes (1 1 , 13),
b) un vaporiseur-condenseur (15) capable de vaporiser un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air,
c) un compresseur d'air,
d) une conduite reliant le compresseur d'air avec le système de colonnes,
e) un compresseur cryogénique (61 ) de fluide calorigène relié à une entrée du vaporiseur-condenseur,
f) au moins une conduite de fluide condensé (43, 53) reliant une sortie du vaporiseur-condenseur à au moins une colonne du système de colonnes caractérisé en ce qu'il comprend une conduite (45), et éventuellement une pompe, reliant la sortie du vaporiseur-condenseur (15) et/ou un stockage de liquide cryogénique à la sortie du compresseur cryogénique sans passer par le vaporiseur-condenseur.
9. Appareil selon la revendication 8 dans lequel le système de colonnes est une double ou une triple colonne, une des colonnes opérant à plus basse pression (13) comprenant le vaporiseur-condenseur (15) en vaporiseur de cuve.
10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel le compresseur cryogénique (61 ) est relié à la tête d'une des colonnes (1 1 ) opérant à pression plus élevée.
1 1 . Appareil selon l'une des revendications 8 à 10 comprenant des moyens pour pressuriser un liquide cryogénique adaptés à pressuriser un liquide circulant dans la conduite reliant la sortie du vaporiseur-condenseur (15) à la sortie du compresseur cryogénique (61 ).
12. Appareil selon l'une des revendications 8 à 1 1 comprenant un stockage et une conduite reliant le stockage à un point en aval du compresseur cryogénique et en amont du vaporiseur-condenseur.
13. Appareil selon l'une des revendications 8 à 12 comprenant une conduite reliant la sortie du vaporiseur-condenseur à la sortie du compresseur cryogénique sans passer par le vaporiseur-condenseur.
14. Installation d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air selon l'une des revendications 8 à 13 et une chaudière alimentée par l'oxygène produit par l'appareil de séparation d'air.
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