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CA 02357302 2001-09-13
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La présente invention est relative à un procédé et une installation de
séparation d'air par distillation cryogénique. En particulier elle concerne un
procédé
utilisant trois colonnes de séparation opérant à une haute pression, une basse
pression et une pression intermédiaire entre les haute et basse pressions.
II est connu de EP-A-0538118 d'utiliser un procédé de ce genre pour séparer
de l'air, la colonne à pression intermédiaire ayant un rebouilleur de cuve
chauffé par de
l'azote de la colonne haute pression, réduisant ainsi le chauffage du
rebouilleur de
cuve de la colonne basse pression.
Un but de l'invention est de réduire la consommation en énergie du procédé
de séparation par rapport aux procédés de l'art antérieur.
Un autre but de l'invention est de produire de l'oxygène avec une pureté d'au
moins 95 % mol., voire au moins 98 % mol. avec un rendement amélioré.
La Figure 1 montre un procédé classique avec une colonne basse pression
103 opérant à 1,3 bars permettant de faire de l'oxygène à 99,5 % mol. avec un
rendement de 92 %.
Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 5 bars est divisé en deux pour
former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un
surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bars.
Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le
débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit 3
liquéfié
dans l'échangeur 100 est détendu dans une turbine 6 produisant un débit au
moins
partiellement liquide à sa sortie, le fluide ou mélange de fluides sortant de
la turbine 6
étant envoyé au moins en partie à la colonne haute pression 101.
Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit
dans
le sousrefroidisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau
intermédiaire de la
colonne basse pression 103.
Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression 101,
refroidi
dans le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression
103.
Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tëte de la cotonne basse
pression
103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 où il se
réchauffe.
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Un débit 31 de 193 Nm3lh d'oxygène à 99,5 % mol. est soutiré sous forme
liquide de la colonne basse pression 103, pompé dans la pompe 19 à 40 baya et
se
vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression.
Un débit de 200 Nm3lh d'azote gazeux 33 est soutiré de la tête de la colonne
haute pression 101 et se chauffe partiellement dans l'échangeur 100. A une
température intermédiaire une partie du gaz est détendue dans une turbine 35
avant
d'être mélangé avec le gaz résiduaire 72.
Dans un autre schéma classique illustré à la Figure 2, la colonne basse
pression opère à 4,8 bara et la colonne haute pression 101 opère à 14,3 bara.
Ce
procédé produit de l'oxygène à 99,5 % mol. avec un rendement de 78%.
Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 14,3 bars est divisé en deux pour
former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un
surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bara.
Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le
débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit
liquide 3 est
détendu dans une turbine 6 produisant un débit au moins partiellement liquide
à sa
sortie, le fluide ou mélange de fluides sortant de la turbine 6 étant envoyé
au moins en
partie à la colonne haute pression 101.
Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit
dans
le sousrefrodisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau
intermédiaire de la
colonne basse pression 103.
Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression 101,
refroidi
dans le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression
103.
Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse
pression
103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 où il se
réchauffe.
Un débit 31 de 164 Nm3/h d'oxygène à 99,5 % mol. est soutiré sous forme
liquide de la colonne basse pression, pompé dans la pompe 19 à 40 bars et se
vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression.
Aucun débit d'azote gazeux n'est soutiré en tête de la colonne haute pression
101 (évidemment un débit d'azote gazeux haute pression se condense de manière
classique dans un vaporiseur-condenseur associé à la colonne basse pression).
II est connu de EP-A-833118 et US-A-5657644 de chauffer une colonne à
pression intermédiaire d'un système à triple colonne avec un gaz enrichi en
argon qui
sert également à alimenter une colonne de production d'argon.
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Les inventeurs de la présente demande ont découvert que même sans utiliser
une colonne de séparation d'argon, l'épuration de l'oxygène en cuve de la
colonne
basse pression reste satisfaisante pour la production d'oxygène à pureté
élevée.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air
dans
un appareil de séparation comprenant une colonne haute pression, une colonne à
pression intermédiaire ayant un rebouilleur de cuve et une colonne basse
pression
dans lequel
a) on envoie au moins un mélange au moins d'oxygène, d'azote et d'argon
au moins à la colonne haute pression où il se sépare en un premier débit
enrichi en
oxygène et un premier débit enrichi en azote
b) on envoie au moins une partie du premier débit enrichi en oxygène à la
colonne opérant à pression intermédiaire où il se sépare en un deuxième débit
enrichi
en oxygène et un deuxième débit enrichi en azote
c) on envoie au moins une partie du deuxième débit enrichi en oxygène et/ou
du deuxième débit enrichi en azote à la colonne basse pression
d) on envoie un gaz de la partie inférieure de la colonne basse pression au
rebouilleur de cuve de la colonne à pression intermédiaire où il se condense
au moins
partiellement avant d'être renvoyé à la colonne basse pression
e) on soutire au moins un fluide enrichi en oxygène et au moins un fluide
enrichi en azote de la colonne basse pression et
f) on condense au moins partiellement au moins une partie du premier fluide
enrichi en azote dans un vaporiseur-condenseur associé à la colonne basse
pression
et on renvoie au moins une partie du fluide au moins partiellement condensé à
la
colonne haute pression
caractérisé en ce qu'aucun fluide contenant entre 3 et 20 % mol. d'argon ne
s'enrichit en argon dans une colonne de l'appareil autre que les colonnes
haute
pression, basse pression et pression intermédiaire.
Selon d'autres objets facultatifs de l'invention, il est prévu que
-le fluide enrichi en oxygène soutiré de la colonne basse pression contient au
moins 95 % mol. d'oxygène, éventuellement au moins 98 % mol. d'oxygène.
-aucun débit gazeux enrichi en azote n'est soutiré en tête de la colonne haute
pression ou un débit gazeux enrichi en azote est soutiré en tête de la colonne
haute
pression.
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-la colonne basse pression opère à au moins 1,3 baya, éventuellement au
moins 2 bars, de préférence au moins 4 bara.
-on envoie un (des) débits) d'air gazeux et/ou liquide à la colonne à pression
intermédiaire et/ou à la colonne basse pression et/ou à la colonne haute
pression.
-le gaz provenant de la partie inférieure de la colonne basse pression envoyé
au rebouilleur de cuve contient entre 1 et 20 % mol. d'argon, de préférence
entre 5 et
15% mol . d'argon, encore plus préférablement entre 8 et 10 % mol. d'argon.
-au moins une partie du deuxième débit enrichi en azote se condense,
éventuellement dans un condenseur de tête de la colonne à pression
intermédiaire.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de
séparation
d'air par distillation cryogénique comprenant une colonne haute pression, une
colonne
à pression intermédiaire ayant un rebouilleur de cuve et une colonne basse
pression,
la colonne haute pression et la colonne basse pression étant reliées
thermiquement
entre elles, des moyens pour envoyer un mélange au moins d'oxygène, d'azote et
d'argon au moins à la colonne haute pression, des moyens pour envoyer un débit
enrichi en oxygène de la colonne haute pression à la colonne à pression
intermédiaire,
des moyens pour envoyer un fluide enrichi en oxygène et/ou un fluide enrichi
en azote
de la colonne à pression intermédiaire à la colonne basse pression, des moyens
pour
envoyer un fluide de la colonne basse pression au rebouilleur de cuve de la
colonne à
pression intermédiaire, des moyens pour soutirer un fluide enrichi en azote et
un fluide
enrichi en oxygène de la colonne basse pression caractérisée en ce qu'elle ne
comprend pas de moyens d'enrichissement en argon d'un fluide contenant entre 3
et
20 % mol. d'argon autre que les colonnes haute pression, basse pression et
pression
intermédiaire.
Selon d'autres objets facultatifs de l'invention, l'installation comprend
- une turbine de détente et des moyens pour amener un débit de la colonne
basse pression à cette turbine sans le comprimer.
- des moyens pour amener un débit d'air à la colonne à pression intermédiaire
et/ou basse pression etlou haute pression.
Eventuellement, le fluide envoyé au rebouilleur est soutiré de la colonne
basse pression à un niveau inférieur au niveau de l'introduction d'un fluide
enrichi en
oxygène provenant de la colonne à pression intermédiaire.
De préférence, la colonne à pression intermédiaire a un condenseur de tête.
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Les fluides dits 'enrichi en oxygène' ou 'enrichi en azote' sont enrichi en
ces
composants par rapport à de l'air.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention seront maintenant décrits par
rapport aux Figures 3 et 4, qui montrent des dessins schématiques d'une
installation
5 selon l'invention.
Dans le cas de la Figure 3, l'appareil fonctionne avec une colonne basse
pression à 1,3 bara et dans le cas de la Figure 4, l'appareil fonctionne avec
une
colonne basse pression à 4,8 baya.
L'installation de la Figure 3 comprend une colonne haute pression 101
opérant à 5 bars, une colonne pression intermédiaire 102 opérant à 2,7 baya et
une
colonne basse pression 103 opérant à 1,3 bara. Une partie de l'azote gazeux de
tête
de la colonne haute pression sert à chauffer le rebouilleur de cuve de la
colonne basse
pression mais d'autres moyens de chauffage peuvent être envisagés, tel que des
systèmes à doubles rebouilleurs, dont un chauffé par de l'air.
Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 5 bara est divisé en deux pour
former un premier débit 17 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un
surpresseur 5 à une pression plus élevée de l'ordre de 75 bara.
Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le
débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 sans avoir été
détendu
ou comprimé et le débit liquide 3 est détendu dans une turbine 6 produisant un
débit au
moins partiellement liquide à sa sortie, le fluide ou mélange de fluides
sortant de la
turbine 6 étant envoyé au moins en partie à la colonne haute pression 101.
Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit
dans
le sousrefroidisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau
intermédiaire de la
colonne à pression intermédiaire 102 entre deux sections, par exemple de
garnissages structurés de type ondulé-croisé. Le liquide peut être envoyé à un
autre
niveau de la colonne et la colonne peut également recevoir un débit d'air
gazeux ou
liquide.
Ce liquide est séparé en un deuxième liquide enrichi en oxygène 20 et un
liquide enrichi en azote 25. Le liquide 25 se refroidit dans le
sousrefroidisseur 83, avant
d'étre détendu et envoyé en tête de la colonne basse pression 103, après être
mélangé avec un débit de liquide pauvre 15 de la tête de la colonne haute
pression
101 qui a également été refroidi dans le sousrefroidisseur 83 et détendu dans
une
vanne.
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Le liquide de cuve 20 de la colonne à pression intermédiaire est divisé en
deux. Une partie est détendue et envoyée à la colonne basse pression
directement
tandis que le reste est détendu dans une vanne, envoyé au condenseur de tête
22 de
la colonne à pression intermédiaire où il se vaporise au moins partiellement
avant
d'être envoyé à la colonne basse pression 103.
Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression, refroidi
dans
le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression 103.
Le rebouilleur de cuve 24 de la colonne à pression intermédiaire 102 est
chauffé au moyen d'un débit gazeux enrichi en argon 233 contenant environ 5 à
15
mol., préférablement entre 8 et 10 % mol. d'argon provenant de la colonne
basse
pression 103. Ce débit se condense au moins partiellement dans le rebouilleur
24
avant d'être renvoyé à la colonne basse pression 103
Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse
pression
103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 où il se
réchauffe.
Un débit 31 de 203 Nm3/h d'oxygène à 99,5 % mol. est soutiré sous forme
liquide de la colonne basse pression 103, pompé dans la pompe 19 à 40 bara et
se
vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression.
Un débit 33 de 200 Nm3 /h d'azote gazeux est soutiré en tête de la colonne
haute pression 101 et se chauffe partiellement dans l'échangeur 100. A une
température intermédiaire une partie du gaz est détendue dans une turbine 35
avant
d'être mélangé avec le gaz résiduaire 72. Le reste de l'azote poursuit son
réchauffement et constitue un produit de l'appareil.
II est possible de soutirer des produits liquides de l'appareil mais
l'appareil ne
produit aucun fluide riche en argon.
L'installation de la Figure 4 comprend une colonne haute pression 101
opérant à 14,3 bars, une colonne pression intermédiaire 102 opérant à 8,5 bara
et une
colonne basse pression 103 opérant à 4,8 bara. Tout l'azote gazeux de tête de
la
colonne haute pression sert à chauffer le rebouilleur de cuve de la colonne
basse
pression mais d'autres moyens de chauffage peuvent être envisagés, tel que des
systèmes à doubles rebouilleurs, dont un chauffé par de l'air.
Un débit de 1000 Nm 3/h d'air 1 à environ 14,3 bars est divisé en deux pour
former un premier déb~~ 'j7 et un deuxième débit 3 qui est surpressé dans un
surpresseur 5 à une pres~,i~in plus élevée de l'ordre de 75 baya
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Les deux débits 3,17 se refroidissent en traversant un échangeur 100. Le
débit 17 est envoyé en cuve de la colonne haute pression 101 et le débit
liquide 3 est
détendu dans une turbine produisant un débit au moins partiellement liquide à
sa
sortie, le fluide ou mélange de fluides sortant de la turbine étant envoyé au
moins en
partie à la colonne haute pression 101.
Un débit de liquide riche 10 de la colonne haute pression 101 se refroidit
dans
le sousrefroidisseur 83 avant d'être détendu et envoyé à un niveau
intermédiaire de la
colonne à pression intermédiaire 102 entre deux sections, par exemple de
garnissages structurés de type ondulé-croisé. Le liquide peut être envoyé à un
autre
niveau de la colonne et la colonne peut également recevoir un débit d'air
gazeux ou
liquide.
Ce liquide est séparé en un deuxième liquide enrichi en oxygène 20 et un
liquide enrichi en azote 25. Le liquide 25 se refroidit dans le
sousrefroidisseur 83, avant
d'être détendu et envoyé en tête de la colonne basse pression 103, après être
mélangé avec un débit de liquide pauvre 15 de la tête de la colonne haute
pression
101 qui a également été refroidi dans le sousrefroidisseur 83 et détendu dans
une
vanne.
Le liquide de cuve 20 de la colonne à pression intermédiaire est divisé en
deux. Une partie est détendue et envoyée à la colonne basse pression
directement
tandis que le reste est détendu dans une vanne, envoyé au condenseur de tête
22 de
la colonne à pression intermédiaire où il se vaporise au moins partiellement
avant
d'être envoyé à la colonne basse pression 103.
Un débit d'air liquide 12 est soutiré de la colonne haute pression, refroidi
dans
le sousrefroidisseur 83, détendu et envoyé à la colonne basse pression.
Le rebouilleur de cuve 24 de la colonne à pression intermédiaire 102 est
chauffé au moyen d'un débit gazeux enrichi en argon 233 contenant environ 5 à
15
mol., préférablement 8 à 10 % mol. d'argon provenant de la colonne basse
pression
103. Ce débit se condense au moins partiellement dans le rebouilleur 24 avant
d'être
renvoyé à la cotonne basse pression 103.
Un débit d'azote résiduaire 72 est soutiré en tête de la colonne basse
pression
103, envoyé au sousrefroidisseur 83 et ensuite à l'échangeur 100 où il se
réchauffe.
Un débit 31 de 177 Nm3lh d'oxygène à 99,5% mol. est soutiré sous forme
liquide de la cotonne basse pression, pompé dans la pompe 19 à 40 bara et se
vaporise dans l'échangeur 100 pour former un débit gazeux sous pression.
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II est possible de soutirer des produits liquides de l'appareil mais
l'appareil ne
produit aucun fluide enrichi en argon.
Les avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'étude des tableaux ci-
dessus.
D'autres moyens de production de froid alternatifs ou supplémentaires
peuvent être envisagés, tel qu'une turbine d'insufflation, une turbine Claude
ou une
autre turbine qui n'est pas alimentée par un débit liquide ou une turbine de
gaz
provenant de la colonne basse pression.
L'appareil peut recevoir tout ou une partie de son air d'alimentation d'un
compresseur d'une turbine à gaz, l'azote résiduaire de l'appareil étant
renvoyé à la
turbine à gaz.
Procd de la Procd de la Figure 3
Figure 1 (invention)
Pression de la colonne 5 bara 5 baya
haute pression
Pression de la colonne 1.3 baya 1.3 baya
basse pression
Pression de la colonne 2.7 baya
pression intermdiaire
Dbit total d'air trait 1000 Nm /h 1000 Nm'/h
Teneur en oxygne du 99.5% 02 99.5% 02
produit gazeux
Production d'oxygne, 193 Nm /h 203 Nm'/h
compt pur
Production d'azote 200 Nm /h 200 Nm'/h
gazeux haute pression
Rendement d'extraction 92% 97%
d' oxygne
Energie de sparation Base : 100 95
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Procd de la Figure Procd de la Figure
2 4
(invention)
Pression de la colonne 14.3 bara 14.3 bara
haute pression
Pression de la colonne 4.8 baya 4.8 bara
basse pression
Pression de la colonne 8.5 baya
pression intermdiaire
Dbit d'air total 1000 Nm /h 1000 Nm'/h
Teneur en oxygne du 99.5% 02 99.5% 02
produit gazeux
Production d'oxygne, 164 Nm /h 177 Nm'/h
compt pur
Production d'azote 0 Nm /h 0 Nm'/h
gazeux haute pression
Rendement 78% 85%
d'extraction d'oxygne
Energie de sparation Base : 100 90
