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Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un appareil et procédé de séparation
d'air
par distillation d'air.
En particulier elle concerne la production d'oxygène gazeux à une pression
inférieure à 9 bars abs, voire inférieure à 5 bars abs. L'oxygène gazeux peut
éventuellement contenir moins de 98% mol. d'oxygène.
Il est nécessaire de produire de grandes quantités d'oxygène ayant ces
caractéristiques pour alimenter les appareils d'oxycombustion, entre autres.
Il est connu de VVO-A-10/109149 de vaporiser un débit d'oxygène liquide à
basse pression dans un vaporiseur extérieur pour produire de l'oxygène gazeux
qui
se réchauffe ensuite dans un échangeur principal.
Il est connu de vaporiser la purge d'une colonne de distillation afin d'en
récupérer les frigories, par exemple dans US-A-5408831.
Par contre la présente invention propose de vaporiser la purge de
déconcentration d'un vaporiseur dans un échangeur afin de récupérer les
frigories,
ce vaporiseur étant l'échangeur permettant de vaporiser un liquide de
l'appareil
sous pression pour produire un produit gazeux sous pression.
Il est souhaitable d'envoyer la purge à un stockage gazeux sous pression
permettant de maintenir une production stable aussi bien en débit, qu'en
pression.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air
comprenant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une
colonne basse pression, un échangeur principal, un vaporiseur, un compresseur
principal, des moyens pour envoyer tout l'air à traiter dans la double colonne
au
compresseur principal pour produire de l'air substantiellement à la pression
P1 de la
colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer une partie de l'air
CA 2828716 2019-04-01
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substantiellement à une pression élevée P2 à l'échangeur principal et ensuite
au
vaporiseur, une conduite pour envoyer de l'air au moins partiellement condensé
dans le vaporiseur à au moins une des colonnes, une conduite pour envoyer de
l'air
à la pression P1 à la colonne moyenne pression, des moyens de pressurisation,
une pompe, une conduite pour soutirer de l'oxygène liquide de la colonne basse
pression et pour l'envoyer aux moyens de pressurisation, une conduite pour
envoyer de l'oxygène liquide pressurisé à une pression inférieure à 9 bar abs
des
moyens de pressurisation au vaporiseur, une conduite pour envoyer de l'oxygène
gazeux du vaporiseur à l'échangeur principal pour se réchauffer pour former un
premier débit d'oxygène gazeux, une conduite de purge pour envoyer de
l'oxygène
liquide de purge du vaporiseur à la pompe pour le pressuriser caractérisée en
ce
que la conduite de purge n'est pas reliée à un stockage de liquide de purge et
en
ce qu'elle comprend une conduite pour envoyer l'oxygène pressurisé de la pompe
à un échangeur pour se vaporiser, l'échangeur étant relié à une conduite d'air
comprimé reliée au compresseur principal et à une conduite reliée à la double
colonne, pour former un deuxième débit d'oxygène gazeux.
Selon un autre aspect l'invention concerne un appareil de séparation d'air
comprenant une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une
colonne basse pression, un échangeur principal, un vaporiseur, un compresseur
principal, des moyens pour envoyer tout l'air à traiter dans la double colonne
au
compresseur principal pour produire de l'air substantiellement à la pression
P1 de la
colonne moyenne pression, des moyens pour envoyer une partie de l'air
substantiellement à une pression élevée P2 à l'échangeur principal et ensuite
au
vaporiseur, une conduite pour envoyer de l'air au moins partiellement condensé
dans le vaporiseur à au moins une des colonnes, une conduite pour envoyer de
l'air
à la pression P1 à la colonne moyenne pression, des moyens de pressurisation
constitués par une pompe ou la pression hydrostatique, une conduite pour
soutirer
de l'oxygène liquide de la colonne basse pression et pour l'envoyer aux moyens
de
pressurisation, une conduite pour envoyer de l'oxygène liquide pressurisé à
une
pression inférieure à 9 bar abs des moyens de pressurisation au vaporiseur,
une
CA 2828716 2018-07-31
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conduite pour envoyer de l'oxygène gazeux du vaporiseur à l'échangeur
principal
pour se réchauffer pour former un premier débit d'oxygène gazeux, caractérisé
en
ce qu'il comprend une pompe de liquide de purge, une conduite de purge pour
envoyer de l'oxygène liquide de purge du vaporiseur à la pompe de liquide de
purge pour le pressuriser, la conduite de purge n'étant pas reliée à un
stockage de
liquide de purge, en ce qu'il comprend une conduite pour envoyer l'oxygène
pressurisé de la pompe de liquide de purge à un échangeur pour se vaporiser,
l'échangeur étant relié à une conduite d'air comprimé reliée au compresseur
principal et à une conduite reliée à la double colonne, pour former un
deuxième
débit d'oxygène gazeux, et en ce qu'il comprend un stockage gazeux sous
pression
relié à l'échangeur de vaporisation d'oxygène de purge pour recueillir
l'oxygène
gazeux.
Optionnellement :
- l'échangeur relié à la conduite d'oxygène de purge est l'échangeur
principal.
- l'échangeur relié à la conduite d'oxygène de purge est un échangeur
distinct de l'échangeur principal.
- l'échangeur comprend des passages reliés à une conduite d'amenée
d'air d'alimentation et des passages reliés à une conduite d'amenée de fluide
frigorigène, provenant éventuellement de la double colonne.
- l'appareil comprend un stockage gazeux sous pression relié à
l'échangeur de vaporisation d'oxygène de purge pour recueillir l'oxygène
gazeux.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation
d'air
dans un appareil comprenant une double colonne comprenant une colonne
moyenne pression et une colonne basse pression, un échangeur principal, un
vaporiseur, un compresseur principal, des moyens de pressurisation, une pompe,
CA 2828716 2018-07-31
3a
dans lequel on envoie tout l'air à traiter dans la double colonne au
compresseur
principal pour produire de l'air substantiellement à la pression P1 de la
colonne
moyenne pression, on envoie une partie de l'air substantiellement à une
pression
élevée P2 à l'échangeur principal et ensuite au vaporiseur, on envoie de l'air
au
moins partiellement condensé dans le vaporiseur à au moins une des colonnes,
on
envoie de l'air à la pression P-1 à la colonne moyenne pression, on soutire de
l'oxygène liquide de la colonne basse pression et on le pressurise, on envoie
de
l'oxygène liquide pressurisé à une pression inférieure à 5 bar abs au
vaporiseur, on
envoie un premier débit d'oxygène gazeux du vaporiseur à l'échangeur principal
pour se réchauffer et on pressurise de l'oxygène liquide de purge du
vaporiseur
dans la pompe caractérisé en ce que l'oxygène liquide de purge est pressurisé
sans avoir été stocké et ensuite est vaporisé dans un échangeur par échange de
chaleur avec de l'air, comprimé dans le compresseur principal et destiné à la
double
colonne, pour former un deuxième débit d'oxygène gazeux.
Selon un autre aspect l'invention concerne un procédé de séparation d'air
dans un appareil comprenant une double colonne comprenant une colonne
moyenne pression et une colonne basse pression, un échangeur principal, un
vaporiseur, un compresseur principal et des moyens de pressurisation
constitués
par une pompe ou la pression hydrostatique, dans lequel on envoie tout l'air à
traiter
dans la double colonne au compresseur principal pour produire de l'air
substantiellement à la pression P1 de la colonne moyenne pression, on envoie
une
partie de l'air substantiellement à une pression élevée P2 à l'échangeur
principal et
ensuite au vaporiseur, on envoie de l'air au moins partiellement condensé dans
le
vaporiseur à au moins une des colonnes, on envoie de l'air à la pression P1 à
la
colonne moyenne pression, on soutire de l'oxygène liquide de la colonne basse
pression et on le pressurise, on envoie de l'oxygène liquide pressurisé à une
pression inférieure à 9 bar abs au vaporiseur et on envoie un premier débit
d'oxygène gazeux du vaporiseur à l'échangeur principal pour se réchauffer,
caractérisé en ce que l'appareil comprend une pompe de liquide de purge et en
ce
qu'on pressurise de l'oxygène liquide de purge du vaporiseur dans la pompe de
CA 2828716 2018-07-31
3b
liquide de purge, l'oxygène liquide de purge est pressurisé sans avoir été
stocké et
ensuite est vaporisé dans un échangeur par échange de chaleur avec de l'air,
comprimé dans le compresseur principal et destiné à la double colonne, pour
former
un deuxième débit d'oxygène gazeux et le deuxième débit d'oxygène gazeux est
envoyé à un stockage gazeux sous pression et sert de production de secours.
Optionnellement :
- l'oxygène de purge est pressurisé à une pression d'au moins 10 bars
abs, de préférence au moins 15 bars abs, voire au moins 20 bars abs dans la
deuxième pompe.
- l'oxygène de purge se vaporise dans l'échangeur principal.
- l'oxygène de purge se vaporise dans un échangeur autre que
l'échangeur principal.
- le deuxième débit d'oxygène gazeux est envoyé à un stockage gazeux
sous pression et sert de production de secours.
- une quantité variable du deuxième débit d'oxygène gazeux est mélangée
avec le premier débit afin de produire un débit mélangé substantiellement
constant.
- l'oxygène liquide soutiré de la colonne basse pression contient au
moins
80% mol. d'oxygène.
- l'oxygène liquide soutiré de la colonne basse pression constitue le
seul
débit contenant au moins 80% mol, d'oxygène soutiré de la colonne basse
pression.
- l'oxygène liquide soutiré de la colonne basse pression contient au
plus
98% mol. d'oxygène.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui
illustrent des appareils de séparation d'air selon l'invention.
CA 2828716 2018-07-31
CA 02828716 2013-08-28
WO 2012/127148 PCT/FR2012/050500
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Dans la Figure 1, l'appareil comprend une ligne d'échange 21 et une
double colonne constituée par une colonne moyenne pression 27 et une
colonne basse pression 29.
Tout l'air 1 est comprimé dans le compresseur principal 2 pour produire
de l'air à la pression P1 substantiellement égale à la pression de la colonne
moyenne pression 27. L'air à la pression P1 est refroidi dans un refroidisseur
7,
épuré dans une unité d'épuration 9 et divisé en trois fractions. La première
fraction 11 est surpressée dans un surpresseur, pouvant être constitué par le
dernier étage du compresseur principal, dernier étage qui fait partie de la
deuxième partie du compresseur. La pression P1 est inférieure à 5 bars abs,
voire à 4.5 bar abs, préférablement inférieure à 4 bar, et encore inférieure à
3.5
bar abs
La première fraction 11 est amenée à une pression P2 par le booster 5
ou un compresseur indépendant 5 et se refroidit à cette pression dans un
1s refroidisseur (non-illustré) avant d'être envoyé à la ligne d'échange
21. La ligne
d'échange est constituée par un échangeur de chaleur indirect en aluminium à
plaques brasées. La fraction 11 est ensuite envoyée sous forme gazeuse à un
vaporiseur 41 où elle se condense au moins partiellement avant d'être
détendue et envoyée à la colonne moyenne pression 27. La pression P2 est
inférieure à 15 bar abs, préférablement inférieure à 10 bar, et encore
inférieure
à 6 bar abs. La fraction 11 est inférieure à la moitié du débit 1, et
préférentiellement inférieure à un tiers du débit 1
La deuxième fraction 13 à la pression P1 se refroidit complètement dans
la ligne d'échange 21 et est divisée en deux flux. Le premier flux 23 est
envoyé
à un rebouilleur de cuve 33 de la colonne basse pression 29 où il se condense
au moins partiellement et est envoyé à la colonne moyenne pression, mélangé
au débit 11. Le deuxième flux 25 est envoyé sous forme gazeuse à la colonne
moyenne pression 27.
La troisième fraction 15 est surpressée dans un surpresseur 17, refroidie
partiellement dans la ligne d'échange 21, soutirée de la ligne d'échange à un
niveau intermédiaire de celle-ci et détendue dans une turbine 19 couplée au
surpresseur 17 avant d'être envoyée à la colonne basse pression 29.
Un débit de liquide enrichi en oxygène 55, un débit intermédiaire 53 et un
débit liquide riche en azote 51 sont soutirés de la colonne moyenne pression
CA 02828716 2013-08-28
WO 2012/127148 PCT/FR2012/050500
27, refroidis dans l'échangeur 31, détendus et envoyés à des niveaux
différents
de la colonne basse pression 29.
De l'azote gazeux moyenne pression 49 est condensé dans un
vaporiseur intermédiaire 35 de la colonne basse pression 29 et envoyé comme
5 reflux en tête de la colonne moyenne pression 27. Un autre débit d'azote
gazeux moyenne pression 47 se réchauffe dans la ligne d'échange.
De l'oxygène liquide 37, contenant au moins 80% mol. d'oxygène et
éventuellement au plus 98% mol. d'oxygène, est soutiré en cuve de la colonne
basse pression 29, pressurisé par une pompe 39 à une pression inférieure à 9
bars abs, voire inférieure à 5 bars abs et envoyé au vaporiseur 41. A part une
purge de liquide 43, l'oxygène se vaporise dans le vaporiseur 41 par échange
de chaleur avec la fraction d'air 11 à la pression P2. Cet oxygène forme
ensuite
le premier débit d'oxygène gazeux pressurisé 45 qui se réchauffe dans la ligne
d'échange 21. La fraction d'air 11 se trouve partiellement condensée et est
envoyée à la double colonne.
Le liquide de purge 43 est pressurisé jusqu'à une pression d'au moins
10 bars abs, ou d'au moins 15 bar abs, voire au moins 20 bars abs dans une
pompe 63 puis se vaporise dans la ligne d'échange 21. Le deuxième débit
gazeux ainsi produit 59 est envoyé à un stockage gazeux sous pression 3 et
détendu pour être mélangé avec le débit 45 via la conduite 61.
Ici la vaporisation de liquide de purge s'effectue en utilisant
principalement de la chaleur sensible, de sorte qu'aucun débit d'air sortant
de
l'échangeur 21 n'est totalement condensé, voire n'est condensé.
Alternativement comme illustré dans la Figure 2, le liquide de purge
pressurisé 43 peut être vaporisé dans un échangeur auxiliaire 21A, distinct de
la ligne d'échange, contre un débit d'air 25A et avec un débit de fluide
frigorigène, par exemple un débit d'azote 57A se réchauffant du procédé de
séparation.
Le débit 25A refroidi dans l'échangeur 21A se mélange avec le débit
refroidi 25 et le débit d'azote 57A réchauffé dans l'échangeur 21A se mélange
avec le débit réchauffé 57.
Le deuxième débit d'oxygène gazeux 59, 61 formé par la vaporisation
peut être utilisé comme gaz de secours lors d'une interruption de la
production
d'oxygène gazeux 45.
CA 02828716 2013-08-28
WO 2012/127148 PCT/FR2012/050500
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Ainsi le seul débit d'air qui sert à vaporiser l'oxygène de purge 43 reste
sous forme gazeuse dans l'échangeur 21A et la vaporisation se réalise par
échange de chaleur sensible.
La pressurisation par la pompe 39 et/ou 63 peut être remplacée par une
pressurisation hydrostatique dans tous les cas décrits.
Pour toutes les figures, une quantité variable du deuxième débit
d'oxygène gazeux est mélangée avec le premier débit afin de produire un débit
mélangé substantiellement constant.
Cette quantité variable du liquide de purge vaporisé peut être mélangée
au premier débit 45 pour lisser les variations de débits, dues, par exemple à
des variations de la pression du réseau d'oxygène.
En détectant une réduction de pression dans la ligne 45, due, par
exemple à une demande accrue d'oxygène, de l'oxygène peut être détendu et
envoyé du stockage 3 vers la ligne 45 par la conduite 61.
En cas de panne de l'appareil de séparation d'air, le débit d'oxygène 45
réduira ou sera inexistant. Dans ce cas, le débit d'oxygène 63 du stockage 3
peut alimenter un client, le temps qu'un vaporiseur de secours se mette en
marche pour éviter tout arrêt de production.
Le débit 37 est le seul débit contenant plus que 60% mol. d'oxygène
soutiré de la colonne basse pression.
Le stockage 3 opère à une pression plus élevée que le débit 45.
