APPARATUS AND METHOD FOR SEPARATING AIR BY CRYOGENIC DISTILLATION

APPAREIL ET PROCEDE DE SEPARATION D'AIR PAR DISTILLATION CRYOGENIQUE

Abrégé français

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.

Abrégé anglais

The invention relates to equipment for separating air that includes a first average pressure distillation column (1), a second low-pressure distillation column (2), a third low-pressure distillation column (3), a first condenser-vaporizer (9, 9A), a second condenser-vaporizer (5) arranged in the tank of the second column, a pipe (33) for supplying air to the first column, a pipe (35) for supplying a nitrogen-enriched liquid from the head of the first column to the head of the third column, at least one pipe (23) for supplying the liquid from the tank of the third column to the first condenser-vaporizer, a pipe (25) for supplying a liquid of the tank from the first column to the third column, a pipe (21) for supplying the liquid from the first condenser-vaporizer to the second column, a pipe (15, 19) for supplying gas from the head of the second column to the tank of the third column, wherein the first, second, and third columns are arranged side by side.

Revendications

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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.

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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).

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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.

Description

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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
io 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#1 : 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-272401 1).
= 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

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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.

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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
io 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
liquide 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.

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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
io 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

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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
5 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 11 pour former un débit gazeux
io 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.
Il 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

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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
io passage des liquides dans les conduites 21, 35 est facilité.

Dessin représentatif