FR2777641A1 - Air distillation process to produce argon - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un procédé de distillation d'air avec production d'argon au moyen d'une installation de distillation d'air comprenant un appareil de distillation d'air et au moins une colonne de production d'argon impur, l'installation étant destinée à fournir de l'argon avec un rendement nominal pn d'extraction d'argon en sortie de ladite colonne de production d'argon impur. The invention relates to an air distillation method with argon production by means of an air distillation plant comprising an air distillation apparatus and at least one impure argon production column, the installation being intended to supply argon with a nominal yield pn of argon extraction at the outlet of said impure argon production column.
L'invention s'applique en particulier à la production d'argon au moyen d'installations de distillation d'air à double colonne de distillation. The invention is particularly applicable to the production of argon by means of air distillation plants with double distillation column.
Dans une telle installation à double colonne de distillation d'air, on prélève généralement de l'azote moyenne pression en tête de la colonne moyenne pression de la double colonne. On utilise cet azote moyenne pression, généralement après détente dans une turbine, comme source frigorifique, notamment pour refroidir l'air à distiller. In such a double column air distillation system, medium pressure nitrogen is generally taken at the top of the medium pressure column of the double column. This medium pressure nitrogen is used, generally after expansion in a turbine, as a cooling source, in particular for cooling the air to be distilled.
Ainsi, on peut récupérer une partie de l'énergie frigorifique apportée à l'air à distiller et donc limiter les coûts de fonctionnement d'une telle installation.Thus, it is possible to recover a portion of the cooling energy supplied to the air to be distilled and thus limit the operating costs of such an installation.
Une telle installation est dimensionnée pour répondre à des besoins nominaux de production d'argon, avec un rendement nominal pn d'extraction d'argon en sortie de la colonne de production d'argon impur, dite colonne de mixture. On cherche généralement à avoir un rendement pn maximal. Such an installation is sized to meet nominal argon production requirements, with a nominal output pn of argon extraction at the output of the impure argon production column, called the mixture column. It is generally sought to have maximum pn performance.
Jusqu'à présent, lorsque les besoins en production d'argon diminuent, par exemple dans les périodes de moindre charge d'une installation consommatrice ou lorsque des stockages à remplir sont pleins, on diminue de manière correspondante le rendement p d'extraction d'argon en sortie de la colonne de production d'argon impur pour satisfaire au plus juste à ces besoins réduits en production d'argon. So far, when argon production requirements are decreasing, for example in the periods of least load of a consumer installation or when the storages to be filled are full, the extraction efficiency p is correspondingly reduced. argon at the outlet of the impure argon production column in order to satisfy these reduced needs in argon production as closely as possible.
L'invention a pour but de fournir un procédé de distillation d'air avec production d'argon permettant d'optimiser les coûts de fonctionnement lorsque les besoins en production d'argon sont inférieurs aux besoins nominaux. The object of the invention is to provide an air distillation process with argon production which makes it possible to optimize operating costs when the argon production requirements are lower than the nominal requirements.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de distillation d'air avec production d'argon au moyen d'une installation de distillation d'air comprenant un appareil de distillation d'air et au moins une colonne de production d'argon impur, l'installation étant dimensionnée pour fournir de l'argon avec un rendement nominal pn d'extraction d'argon en sortie de ladite colonne de production d'argon impur, caractérisé en ce que pour des besoins en production d'argon réduits correspondant à un rendement nécessaire p d'extraction d'argon en sortie de la colonne de production d'argon impur, avec p < po < pn où po est un rendement optimal prédéterminé, on maintient le rendement d'extraction d'argon en sortie de la colonne de production d'argon impur sensiblement à la valeur po. To this end, the subject of the invention is an air distillation process with production of argon by means of an air distillation plant comprising an air distillation apparatus and at least one production column of impure argon, the plant being dimensioned to supply argon with a nominal output pn of argon extraction at the outlet of said impure argon production column, characterized in that for reduced argon production requirements corresponding to a necessary yield p of argon extraction at the outlet of the impure argon production column, with p <po <pn where po is a predetermined optimal yield, the argon extraction efficiency is maintained at the outlet the argon production column impuriously at the po value.
Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comprendre une ou plusieurs des caractéristi-- ques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles
- on utilise l'argon extrait en excès par rapport au rendement d'extraction nécessaire p comme source frigorifique dans l'installation de distillation d'air, notamment pour refroidir l'air à distiller
- on soutire au moins en partie ledit excès d'argon sous forme gazeuse et/ou liquide en tête de la colonne de production d'argon impur, et on envoie cette partie soutirée vers au moins un échangeur de chaleur de l'installation ;
- on mélange ladite partie soutirée au moins partiellement avec un fluide résiduaire soutiré d'une des colonnes de l'installation avant de l'envoyer vers ledit échangeur de chaleur
- l'installation comprenant également une colonne de production d'argon à peu près pur par désazotation raccordée à ladite colonne de production d'argon impur, on soutire au moins une partie de l'excès d'argon sous forme gazeuse et/ou liquide en cuve ou en tête de la colonne de production d'argon pur, et on envoie cette partie soutirée vers au moins un échangeur de chaleur de l'installation ;
- l'appareil de distillation d'air comprenant une double colonne comprenant elle-même une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et un vaporiseur-condenseur de mise en relation d'échange thermique de la tête de la colonne moyenne pression avec la cuve de la colonne basse pression, on soutire de l'azote moyenne pression depuis la tête de la colonne moyenne pression, po est le rendement pour lequel on peut soutirer un débit maximal D(po) d'azote moyenne pression, et pour un rendement d'extraction nécessaire p inférieur à po on soutire un débit d'azote moyenne pression supérieur à D(p)
- pour un rendement d'extraction nécessaire p inférieur à po, on soutire le débit maximal D(po) d'azote moyenne pression
- on utilise l'azote moyenne pression soutiré comme source frigorifique dans l'installation en l'envoyant, notamment après détente dans une turbine, dans un échangeur de chaleur de l'installation, notamment pour refroidir l'air à distiller
- l'appareil de distillation d'air comprenant une double colonne comprenant elle-même une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et un vaporiseur-condenseur de mise en relation d'échange thermique de la tête de la colonne moyenne pression avec la cuve de la colonne basse pression, on soutire de l'azote moyenne pression depuis la tête de la colonne moyenne pression, po est le rendement pour lequel on peut détendre un débit maximal D'(po) d'air à la basse pression, avec production de travail extérieur, en vue de l'insuffler dans la colonne basse pression, et pour un rendement d'extraction nécessaire p inférieur à po on dé tend à la basse pression, avec production de travail extérieur, un débit d'air supérieur à D'(po), et notamment égal à D'(po).According to particular embodiments, the method may comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination.
argon extracted in excess with respect to the necessary extraction yield p as a cooling source in the air distillation plant, in particular for cooling the air to be distilled
at least in part, withdrawing said excess of argon in gaseous and / or liquid form at the head of the impure argon production column, and sending this withdrawn portion to at least one heat exchanger of the installation;
said part withdrawn at least partially is mixed with a residual fluid withdrawn from one of the columns of the installation before sending it to said heat exchanger
- The plant also comprising a substantially pure argon production column by denitrogen connected to said impure argon production column, is withdrawn at least a portion of the excess argon in gaseous form and / or liquid in the tank or at the top of the pure argon production column, and this withdrawn part is sent to at least one heat exchanger of the installation;
the air distillation apparatus comprising a double column which itself comprises a medium pressure column, a low pressure column and a vaporizer-condenser for setting the heat exchange relationship between the head of the medium pressure column and the vessel; of the low pressure column, medium pressure nitrogen is withdrawn from the head of the medium pressure column, po is the yield for which a maximum flow D (po) of medium pressure nitrogen can be withdrawn, and for a yield of extraction required p less than po is withdrawn a medium pressure nitrogen flow greater than D (p)
- for a necessary extraction efficiency p lower than po, the maximum flow D (po) of medium pressure nitrogen is withdrawn
the medium pressure nitrogen withdrawn as a cooling source in the installation is used by sending it, in particular after expansion in a turbine, in a heat exchanger of the installation, in particular for cooling the air to be distilled.
the air distillation apparatus comprising a double column which itself comprises a medium pressure column, a low pressure column and a vaporizer-condenser for setting the heat exchange relationship between the head of the medium pressure column and the vessel; of the low pressure column, medium pressure nitrogen is withdrawn from the head of the medium pressure column, po is the output for which a maximum flow D '(in) of air can be relaxed at low pressure, with production external working, for the purpose of blowing it into the low-pressure column, and for a necessary extraction efficiency p lower than po, the low pressure is produced, with production of external work, an air flow rate greater than D '(po), and especially equal to D' (po).
L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini cidessus, caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil de distillation d'air, au moins une colonne de production d'argon impur, un échangeur de chaleur, notamment traversé par une ligne d'amenée d'air à distiller, et au moins une conduite de dérivation pour envoyer au moins une partie en excès de l'argon extrait vers ledit échangeur de chaleur. The invention also relates to an installation for carrying out the method as defined above, characterized in that it comprises an air distillation apparatus, at least one impure argon production column, a heat exchanger heat, in particular through an air supply line to be distilled, and at least one bypass line to send at least an excess portion of the extracted argon to said heat exchanger.
Selon des modes particuliers de réalisation, l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles
- une entrée de ladite conduite de dérivation est raccordée à une sortie d'argon liquide ou gazeux de la tête de la colonne de production d'argon impur ;
- l'installation comprend une colonne de production d'argon à peu près pur raccordée à la colonne de production d'argon impur, et une entrée de ladite conduite de dérivation est raccordée à une sortie de gaz ou de liquide de la cuve ou de la tête de la colonne de production d'argon à peu près pur
- ladite conduite de dérivation est reliée à une sortie de fluide résiduaire d'une des colonnes de l'installation pour mélanger un fluide résiduaire avec l'argon canalisé dans ladite conduite de dérivation
- l'appareil de distillation comprend une double colonne de distillation comprenant elle même une colonne moyenne pression, une colonne basse pression et un vaporiseur-condenseur de mise en relation d'échange thermique de la tête de la colonne moyenne pression et de la cuve de la colonne basse pression, la tête de la colonne moyenne pression présente une sortie d'azote moyenne pression, et une conduite relie ladite sortie d'azote moyenne pression à un échangeur de chaleur de l'installation, qui est notamment traversé par une conduite d'amenée d'air à distiller
- ladite conduite est munie d'une turbine de détente de l'azote moyenne pression soutiré ; et
- l'installation comprend une turbine d'insufflation d'air épuré dans la colonne basse pression.According to particular embodiments, the installation may comprise one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination.
an inlet of said bypass line is connected to a liquid or gaseous argon outlet from the head of the impure argon production column;
the plant comprises a substantially pure argon production column connected to the impure argon production column, and an inlet of said bypass line is connected to an outlet of gas or liquid from the tank or from the head of the almost pure argon column
said bypass pipe is connected to a residual fluid outlet of one of the columns of the installation for mixing a residual fluid with the argon channeled in said bypass pipe;
the distillation apparatus comprises a double distillation column comprising itself a medium pressure column, a low pressure column and a vaporizer-condenser for setting the heat exchange relationship between the head of the medium pressure column and the reactor vessel; the low pressure column, the head of the medium pressure column has a medium pressure nitrogen outlet, and a pipe connects said medium pressure nitrogen outlet to a heat exchanger of the installation, which is traversed in particular by a pipe of supply of air to distill
- said pipe is provided with a nitrogen pressure expansion turbine medium pressure withdrawn; and
the installation comprises a purified air blower turbine in the low pressure column.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'une installation de distillation d'air avec production d'argon selon l'invention,
- la figure 2 est une vue partielle agrandie d'une variante de l'installation de la figure 1, illustrant le voisinage de la colonne de production d'argon impur,
- la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, illustrant un deuxième mode de réalisation d'une installation de distillation d'air selon l'invention et,
- la figure 4 est une vue partielle schématique d'un autre mode de réalisation d'une installation de distillation d'air selon l'invention.The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is a schematic view of an air distillation plant with argon production according to the invention,
FIG. 2 is an enlarged partial view of a variant of the installation of FIG. 1, illustrating the vicinity of the impure argon production column,
FIG. 3 is a view similar to FIG. 1, illustrating a second embodiment of an air distillation installation according to the invention and
- Figure 4 is a schematic partial view of another embodiment of an air distillation plant according to the invention.
La figure 1 illustre une installation 1 de distillation d'air avec production d'argon. Cette installation 1 comprend essentiellement une double colonne 2 de distillation d'air, une colonne 3 de production d'argon impur dite colonne de mixture, une colonne 4 de production d'argon pur dite colonne de désazotation, une ligne principale d'échange thermique 5, un compresseur principal d'air à distiller 6 et un appareil d'épuration d'air à distiller 7. Figure 1 illustrates an installation 1 of air distillation with production of argon. This plant 1 essentially comprises a double column 2 for the distillation of air, a column 3 for the production of impure argon, said column of mixture, a column 4 for the production of pure argon, said denitrogenation column, a main heat exchange line. 5, a main air compressor 6 to be distilled and an air purification apparatus to be distilled 7.
La double colonne 2 comprend une colonne moyenne pression 8, fonctionnant sous une moyenne pression par exemple de 6 bars absolus, une colonne basse pression 9, fonctionnant sous une basse pression inférieure à la moyenne pression, par exemple une pression légèrement supérieure à 1 bar absolu, et un vaporiseur-condenseur principal 10. The double column 2 comprises a medium pressure column 8 operating at a medium pressure, for example 6 bar absolute, a low pressure column 9 operating at a low pressure below the medium pressure, for example a pressure slightly greater than 1 bar absolute. , and a main vaporizer-condenser 10.
La colonne 3 de production d'argon impur comprend un condenseur de tête 12 pour condenser partiellement l'argon impur de tête de la colonne 3. The impure argon production column 3 comprises a top condenser 12 for partially condensing the impure argon at the top of column 3.
La colonne 4 de production d'argon pur comprend un condenseur de tête 13 et un vaporiseur de cuve 14. The pure argon production column 4 comprises a top condenser 13 and a tank vaporizer 14.
Une conduite de gaz 16, dite de piquage argon relie un point intermédiaire de la colonne basse pression 9 à la cuve de la colonne 3 de production d'argon impur, du fond de laquelle une conduite de retour de liquide 17 rejoint la colonne 9, à peu près au même niveau que la conduite 16. A gas pipe 16, called argon quenching pipe connects an intermediate point of the low pressure column 9 to the tank of column 3 for producing impure argon, from the bottom of which a liquid return line 17 joins the column 9, approximately at the same level as driving 16.
Une conduite de gaz 19 relie une sortie du condenseur de tête 12 de la colonne 3 à un niveau intermédiaire de la colonne 4 de production d'argon à peu près pur. Cette conduite soutire la partie non-condensée dans le condenseur 12 de l'argon impur de tête de la colonne 3. Cette conduite 19 traverse successivement depuis la colonne 3, un échangeur de chaleur 20, pour condenser l'argon impur gazeux, et une vanne de détente 21, pour détendre cet argon impur condensé. A gas line 19 connects an outlet of the overhead condenser 12 of the column 3 to an intermediate level of the relatively pure argon production column 4. This pipe withdraws the non-condensed part in the condenser 12 from the impure argon at the top of the column 3. This pipe 19 passes successively from the column 3, a heat exchanger 20, for condensing the gaseous impure argon, and a expansion valve 21, to relax this impure condensed argon.
L'air gazeux à distiller, comprimé par le compresseur 6 et épuré en eau et en CO2, par exemple par adsorption, dans l'appareil 7, est divisé en deux flux primaires. The gaseous air to be distilled, compressed by the compressor 6 and purified with water and CO2, for example by adsorption, in the apparatus 7, is divided into two primary streams.
Le premier flux primaire d'air est refroidi dans la ligne principale d'échange thermique 5 puis divisé en deux flux secondaires. Le premier flux secondaire est injecté en cuve de la colonne moyenne pression au voisinage de son point de rosée. Le deuxième flux secondaire est envoyé vers le vaporiseur 14 de cuve de la colonne 4 de production d'argon pur, où ce deuxième flux secondaire est liquéfié en vaporisant l'argon de cuve de cette colonne 4. Le liquide ainsi produit est envoyé par une conduite 23 vers la cuve de la colonne moyenne pression 8.The first primary air stream is cooled in the main heat exchange line 5 and then divided into two secondary streams. The first secondary stream is injected into the vat of the medium pressure column near its dew point. The second secondary stream is sent to the vessel 14 of the vat of pure argon production column 4, where this second secondary stream is liquefied by vaporizing the bottom argon of this column 4. The liquid thus produced is sent by a pipe 23 to the tank of the medium pressure column 8.
Le deuxième flux primaire d'air comprimé et épuré est compressé par un compresseur 230, puis liquéfié à la traversée de la ligne principale d'échange thermique 5 et détendu dans une vanne de détente 231 sensiblement jusqu'à la pression régnant dans la colonne moyenne pression 8. Une première partie de ce flux est alors injectée à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression 8. L'autre partie de ce flux est sous-refroidie à la traversée d'un échangeur de chaleur 24, puis détendue dans une vanne de détente 240 et injectée à niveau intermédiaire de la colonne basse pression 9. The second primary stream of compressed and purified air is compressed by a compressor 230, and then liquefied at the crossing of the main heat exchange line 5 and expanded in an expansion valve 231 substantially until the pressure prevailing in the middle column pressure 8. A first part of this flow is then injected at an intermediate level of the medium pressure column 8. The other part of this flow is subcooled at the crossing of a heat exchanger 24, then relaxed in a valve 240 and injected at intermediate level of the low pressure column 9.
Le vaporiseur-condenseur 10 vaporise de l'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression 9 par condensation d'azote de tête de la colonne moyenne pression 8. The vaporizer-condenser 10 vaporizes liquid oxygen in the bottom of the low pressure column 9 by condensing nitrogen overhead of the medium pressure column 8.
Du liquide riche (enrichi en oxygène) LR est soutiré de la cuve de la colonne moyenne pression 8, puis sous-refroidi dans l'échangeur de chaleur 24 et enfin divisé en deux flux. Le premier flux est envoyé, après détente dans une vanne de détente 25, vers un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 9. Le deuxième flux est envoyé, après détente dans une vanne de détente 26 vers le condenseur 12 de tête de la colonne 3 de production d'argon impur, où ce deuxième flux est vaporisé par condensation d'argon impur de tête de la colonne 3. Le gaz ainsi produit est renvoyé, via une conduite 27, dans la colonne basse pression 9 à un niveau intermédiaire inférieur à celui d'injection du premier flux du liquide riche. Rich liquid (enriched with oxygen) LR is withdrawn from the tank of the medium pressure column 8, then subcooled in the heat exchanger 24 and finally divided into two streams. The first stream is sent, after expansion in an expansion valve 25, to an intermediate level of the low pressure column 9. The second stream is sent, after expansion in an expansion valve 26 to the condenser 12 of the top of the column 3 impure argon production, where this second stream is vaporized by condensation of impure argon at the top of the column 3. The gas thus produced is returned, via a line 27, to the low pressure column 9 at an intermediate level lower than that of injection of the first flow of the rich liquid.
Du liquide pauvre (azote à peu près pur) LP est prélevé dans la partie supérieure de la colonne moyenne pression 8, puis sous-refroidi dans l'échangeur de chaleur 24, et enfin divisé en trois flux. Le premier flux est détendu dans une vanne de détente 30 puis injecté au sommet de la colonne basse pression 9. Le deuxième flux est détendu dans une vanne de détente 31 puis vaporisé dans l'échangeur de chaleur 20, en condensant l'argon impur canalisé par la conduite 19, puis ce flux vaporisé est à nouveau détendu dans une vanne de détente 32. Ce deuxième flux est ensuite renvoyé par une conduite de résiduaire 33 vers l'échangeur de chaleur 24, où ce deuxième flux est réchauffé en refroidissant les liquides LP et LR traversant l'échangeur 24. Ce deuxième flux est enfin envoyé vers la ligne principale d'échange thermique 5, où ce deuxième flux est réchauffé en participant au refroidissement de l'air à distiller. Le troisième flux de liquide pauvre est détendu dans une vanne de détente 34 avant d'être envoyé vers le condenseur 13 de tête de la colonne 4 de production d'argon pur, où ce troisième flux est vaporisé par condensation de l'azote impur de tête de la colonne 4. Le gaz ainsi produit est envoyé, après détente dans une vanne de détente 35, dans la conduite de résiduaire 33 pour être réchauffé d'une part dans l'échangeur de chaleur 24 en assurant le refroidissement des liquides LP et LR et, d'autre part, dans la ligne principale d'échange thermique 5 en participant au refroidissement de l'air à distiller. Lean liquid (almost pure nitrogen) LP is taken from the upper part of the medium pressure column 8, then subcooled in the heat exchanger 24, and finally divided into three streams. The first flow is expanded in an expansion valve 30 and then injected at the top of the low pressure column 9. The second flow is expanded in an expansion valve 31 and then vaporized in the heat exchanger 20, condensing the impure argon channelized by the pipe 19, then this vaporized stream is again expanded in an expansion valve 32. This second stream is then returned by a waste pipe 33 to the heat exchanger 24, where the second stream is heated by cooling the liquids LP and LR passing through the exchanger 24. This second stream is finally sent to the main heat exchange line 5, where the second stream is heated by participating in the cooling of the air to be distilled. The third stream of lean liquid is expanded in an expansion valve 34 before being sent to the top condenser 13 of the pure argon production column 4, where this third stream is vaporized by condensation of the impure nitrogen of The gas thus produced is sent, after expansion in an expansion valve 35, into the waste pipe 33 to be heated on the one hand in the heat exchanger 24 while cooling the liquids LP and LR and, on the other hand, in the main heat exchange line 5 by participating in the cooling of the air to be distilled.
De l'azote impur ou résiduaire NR, soutiré du sommet de la colonne basse pression 9, est envoyé vers la conduite de résiduaire 33, où cet azote impur est réchauffé à la traversée de l'échangeur de chaleur 24, puis de la ligne principale d'échange thermique 5. Impure or residual nitrogen NR, withdrawn from the top of the low pressure column 9, is sent to the waste pipe 33, where this impure nitrogen is heated through the heat exchanger 24 and then from the main line. heat exchange 5.
De l'oxygène liquide OL, soutiré en cuve de la colonne basse pression 9, est pompé par une pompe 37 puis envoyé par une conduite 38 vers la ligne principale d'échange thermique 5, où cet oxygène liquide est vaporisé en participant au refroidissement de l'air à distiller. OL liquid oxygen, withdrawn in the bottom of the low pressure column 9, is pumped by a pump 37 and then sent via a pipe 38 to the main heat exchange line 5, where this liquid oxygen is vaporized by participating in the cooling of the air to distill.
De l'azote gazeux moyenne pression NGNP est prélevé en tête de la colonne moyenne pression 8 puis envoyé via une conduite 39 vers la ligne d'échange thermique 5 pour participer au refroidissement de l'air à distiller. En une région intermédiaire de cette ligne d'échange thermique 5, l'azote gazeux moyenne pression est divisé en deux flux. Le premier flux traverse le reste de la ligne 5 où il est réchauffé puis il est distribué par une conduite de production 40, par exemple pour alimenter une installation consommatrice 140. Le deuxième flux est détendu dans une turbine 41 puis envoyé vers la conduite de résiduaire 33 au bout froid de la ligne d'échange thermique 5, pour participer à nouveau au refroidissement de l'air à distiller. NGNP medium pressure nitrogen gas is taken at the top of the medium pressure column 8 and then sent via a line 39 to the heat exchange line 5 to participate in the cooling of the air to be distilled. In an intermediate region of this heat exchange line 5, the medium pressure nitrogen gas is divided into two streams. The first flow crosses the rest of the line 5 where it is heated then it is distributed by a production line 40, for example to feed a consumer installation 140. The second flow is expanded in a turbine 41 and sent to the waste pipe 33 at the cold end of the heat exchange line 5, to participate again in cooling the air to be distilled.
De l'azote liquide moyenne pression NLMP est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 8 puis envoyé via une conduite 43 vers l'échangeur de chaleur 24, où cet azote liquide est sous-refroidi par réchauffement des gaz résiduaires canalisés par la conduite de résiduaire 33. Cet azote liquide est ensuite distribué, en alimentant par exemple, après détente dans une vanne de détente 143, un réservoir de stockage 144. NLMP medium pressure liquid nitrogen is withdrawn at the top of the medium pressure column 8 and then sent via a pipe 43 to the heat exchanger 24, where the liquid nitrogen is sub-cooled by heating the waste gases channeled by the pipe of This liquid nitrogen is then distributed, feeding for example, after expansion in an expansion valve 143, a storage tank 144.
De l'argon liquide à peu près pur ArL est soutiré en cuve de la colonne 4 puis distribué par une conduite de production 45. De l'azote impur ou résiduaire est prélevé en tête de la colonne 4 puis évacué par une conduite 46. Arl about pure liquid argon is withdrawn in the bottom of the column 4 and then distributed through a production line 45. Impure or waste nitrogen is taken at the top of the column 4 and then discharged through a line 46.
L'installation 1 comprend en outre une conduite de dérivation 48 dont l'entrée 49 est raccordée à la conduite 19, entre l'échangeur de chaleur 20 et la vanne de détente 21, et dont la sortie 50 débouche dans la conduite de résiduaire 33, juste en amont de l'échangeur de chaleur 24. Le rôle de cette conduite de dérivation 48 sera décrit ultérieurement. The installation 1 further comprises a bypass line 48 whose inlet 49 is connected to the pipe 19, between the heat exchanger 20 and the expansion valve 21, and whose outlet 50 opens into the waste pipe 33 just upstream of the heat exchanger 24. The role of this bypass line 48 will be described later.
La colonne moyenne pression 8 présente par exemple 40 plateaux théoriques, et la colonne basse pression 9 présente par exemple 65 plateaux théoriques. L'installation 1 est dimensionnée, par exemple, pour traiter un débit d'air de 1.000 Nm3/h et extraire 207,4 Nm/h d'oxygène pur, 6,4
Nm3/h d'argon pur et 160 Nm3/h d'azote gazeux moyenne pression.The medium pressure column 8 has for example 40 theoretical plates, and the low pressure column 9 has for example 65 theoretical plates. The installation 1 is sized, for example, to treat an air flow of 1,000 Nm3 / h and extract 207.4 Nm / h of pure oxygen, 6.4
Nm3 / h of pure argon and 160 Nm3 / h of medium pressure nitrogen gas.
Ces chiffres correspondent au fonctionnement nominal de l'installation 1. Le rendement d'extraction nominal pn d'argon en sortie de la colonne 3 de production d'argon impur est d'environ 69%. Ce rendement pn est dans ce cas égal au rendement po d'extraction d'argon optimal vis-à-vis de la quantité d'azote moyenne pression pouvant être soutirée en tête de la colonne moyenne pression 8. These figures correspond to the nominal operation of the plant 1. The nominal extraction yield pn of argon at the outlet of column 3 of impure argon production is about 69%. In this case, this pn efficiency is equal to the optimum argon extraction efficiency po with respect to the amount of medium pressure nitrogen that can be withdrawn at the top of the medium pressure column 8.
Lorsque les besoins en fournitures d'argon diminuent, avec par exemple des besoins en fourniture d'oxygène constants, le rendement d'extraction p d'argon en sortie de la colonne 3 nécessaire à la satisfaction de ces besoins réduits est inférieur à po. Toutefois, on maintient le rendement d'extraction à la valeur po et on renvoie l'excès d'argon ainsi extrait en sortie de la colonne 3 de production d'argon impur vers la conduite de résiduaire 33 par l'intermédiaire de la conduite de dérivation 48. As the need for argon supplies decreases, with, for example, constant oxygen supply requirements, the argon extraction yield at column 3 output necessary to satisfy these reduced requirements is less than po. However, the extraction efficiency is maintained at the po value and the excess of argon thus extracted at the outlet of the impure argon production column 3 is returned to the waste pipe 33 via the control pipe. diversion 48.
Ainsi, en maintenant le rendement d'extraction p à la valeur po, on maintient le débit D d'azote moyenne pression pouvant être soutiré en tête de la colonne moyenne pression 8 à la valeur maximale D (po). Thus, by maintaining the extraction efficiency p at the po value, the medium pressure nitrogen flow D which can be withdrawn at the top of the medium pressure column 8 is maintained at the maximum value D (po).
Au contraire, si, comme dans l'état de la technique, on assurait la production d'argon avec un rendement d'extraction d'argon p < po correspondant aux besoins en fournitures d'argon, le débit d'azote moyenne pression D (p) pouvant être soutiré serait inférieur à D(po). On the other hand, if, as in the state of the art, argon was produced with a argon extraction yield p <po corresponding to the need for argon supplies, the average pressure nitrogen flow D (p) that can be withdrawn would be less than D (in).
Le tableau I ci-dessous illustre cette constatation. Table I below illustrates this finding.
TABLEAU I
<tb> <SEP> CAS <SEP> 1 <SEP> CAS <SEP> 2A <SEP> CAS <SEP> 2B <SEP> . <SEP> CAS <SEP> 3A <SEP> . <SEP> CAS <SEP> <SEP> 33 <SEP>
<tb> <SEP> D <SEP> (air) <SEP> 1000 <SEP> 1000 <SEP> 1000 <SEP> 1000 <SEP> 1000
<tb> <SEP> (Nm3/h)
<tb> D <SEP> (oxygène) <SEP> 207,5 <SEP> 207,5 <SEP> 207,5 <SEP> 207,5 <SEP> 207,5
<tb> <SEP> (Nm3/h)
<tb> <SEP> D <SEP> (argon) <SEP> Extrait <SEP> de <SEP> la <SEP> co- <SEP> 6,4 <SEP> 2,8 <SEP> 6,4 <SEP> . <SEP> 0 <SEP> . <SEP> 6,4
<tb> <SEP> (Nm3/h) <SEP> lonne <SEP> de <SEP> mixture
<tb> <SEP> Produit <SEP> (ArL) <SEP> 6,4 <SEP> 2,8 <SEP> 2,8 <SEP> 0 <SEP> . <SEP> 0
<tb> <SEP> D <SEP> (NGMP) <SEP> Total <SEP> 160 <SEP> . <SEP> 130 <SEP> 160 <SEP> 100 <SEP> . <SEP> 160
<tb> <SEP> detendu <SEP> dans <SEP> la <SEP> 80 <SEP> 52 <SEP> 52 <SEP> 30 <SEP> . <SEP> 30
<tb> <SEP> turbine
<tb> <SEP> Restant <SEP> 80 <SEP> 78 <SEP> 108 <SEP> 70 <SEP> 130
<tb> GAIN <SEP> (NGMP) <SEP> NGMP <SEP> 30 <SEP> 60
<tb> <SEP> Energie <SEP> ~3% <SEP> ~6%
<tb>
Dans ce tableau, le Cas 1 correspond aux conditions nominales de fonctionnement de l'installation 1. <tb><SEP> CAS <SEP> 1 <SEP> CAS <SEP> 2A <SEP> CAS <SEP> 2B <SEP>. <SEP> CAS <SEP> 3A <SEP>. <SEP> CAS <SEP><SEP> 33 <SEP>
<tb><SEP> D <SEP> (air) <SEP> 1000 <SEP> 1000 <SEP> 1000 <SEP> 1000 <SEP> 1000
<tb><SEP> (Nm3 / h)
<tb> D <SEP> (oxygen) <SEP> 207.5 <SEP> 207.5 <SEP> 207.5 <SEP> 207.5 <SEP> 207.5
<tb><SEP> (Nm3 / h)
<tb><SEP> D <SEP> (argon) <SEP> Extract <SEP> from <SEP> the <SEP> co- <SEP> 6.4 <SEP> 2.8 <SEP> 6.4 <SEP >. <SEP> 0 <SEP>. <SEP> 6.4
<tb><SEP> (Nm3 / h) <SEP> lonne <SEP> of <SEP> mixture
<tb><SEP> Product <SEP> (ArL) <SEP> 6.4 <SEP> 2.8 <SEP> 2.8 <SEP> 0 <SEP>. <SEP> 0
<tb><SEP> D <SEP> (NGMP) <SEP> Total <SEP> 160 <SEP>. <SEP> 130 <SEP> 160 <SEP> 100 <SEP>. <SEP> 160
<tb><SEP> relaxed <SEP> in <SEP><SEP> 80 <SEP> 52 <SEP> 52 <SEP> 30 <SEP>. <SEP> 30
<tb><SEP> turbine
<tb><SEP> Remaining <SEP> 80 <SEP> 78 <SEP> 108 <SEP> 70 <SEP> 130
<tb> GAIN <SEP> (NGMP) <SEP> NGMP <SEP> 30 <SEP> 60
<tb><SEP> Energy <SEP> ~ 3% <SEP> ~ 6%
<Tb>
In this table, Case 1 corresponds to the nominal operating conditions of the installation 1.
Les cas 2A et 2B correspondent au fonctionnement de l'installation pour des besoins en fourniture d'argon inférieurs aux besoins nominaux et correspondant à un rendement d'extraction d'argon nécessaire p en sortie de la colonne 3 environ égal à 30%. Cases 2A and 2B correspond to the operation of the installation for argon supply requirements lower than the nominal requirements and corresponding to an argon extraction efficiency required at the outlet of column 3 approximately equal to 30%.
Les cas 3A et 3B correspondent au fonctionnement de l'installation 1 d'argon pour des besoins en fourniture d'argon nul et correspondant donc à un rendement d'extraction d'argon nécessaire p égal à 0%. Cases 3A and 3B correspond to the operation of the argon plant 1 for requirements in the supply of zero argon and therefore corresponding to a necessary argon extraction yield p equal to 0%.
Les lettres A et B correspondent respectivement à la mise en oeuvre d'un procédé selon l'état de la technique et à la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. On suppose dans ces cas que l'azote moyenne pression liquide est prélevé avec un débit constant. The letters A and B respectively correspond to the implementation of a method according to the state of the art and the implementation of a method according to the invention. It is assumed in these cases that the average liquid nitrogen is taken at a constant rate.
On constate donc que le procédé selon l'invention permet de maintenir la quantité d'azote moyenne pression gazeux prélevé à son niveau maximal. L'excès d'azote moyenne pression gazeux ainsi extrait, c'est-à-dire D(po)-D(p), permet de diminuer l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'installation 1 d'environ 3% dans le cas 2B par rapport au cas 2A, et d'environ 6% dans le cas 3B par rapport au cas 3A. It can therefore be seen that the process according to the invention makes it possible to maintain the quantity of average nitrogen gas pressure taken at its maximum level. The excess nitrogen gas pressure thus extracted, that is to say D (po) -D (p), reduces the energy required for the operation of the installation 1 by about 3% in the case 2B with respect to case 2A, and about 6% in case 3B with case 3A.
De manière plus générale, on peut utiliser de différentes manières l'excès d'azote moyenne pression obtenu par la mise en oeuvre du procédé. Ainsi, cet excès peut être prélevé sous forme liquide et/ou gazeuse en tête de la colonne moyenne pression 8, valorisé en le fournissant à une installation consommatrice, ou utilisé comme source frigorifique dans l'installation 1. On peut ainsi par exemple accroître la quantité d'azote gazeux moyenne pression détendu dans la turbine 41 et donc, par exemple, diminuer la quantité d'oxygène liquide traversant la ligne principale d'échange thermique 5. Ainsi, une conduite 52 (représentée en pointillé sur la figure 1) peut permettre de produire directement de l'oxygène liquide. More generally, the excess of medium pressure nitrogen obtained by carrying out the process can be used in different ways. Thus, this excess can be taken in liquid and / or gaseous form at the top of the medium pressure column 8, upgraded by supplying it to a consumer installation, or used as a cooling source in the installation 1. the amount of nitrogen gas gas expanded in the turbine 41 and thus, for example, decrease the amount of liquid oxygen passing through the main heat exchange line 5. Thus, a pipe 52 (shown in dotted line in FIG. allow to directly produce liquid oxygen.
I1 est possible en variante, dans les périodes où on extrait un excès d'argon, de soutirer un débit D d'azote moyenne pression tel que D(p) < D < D(po) où p est le rendement d'extraction nécessaire. It is possible alternatively, in the periods when an excess of argon is extracted, to withdraw a medium pressure nitrogen flow D such that D (p) <D <D (po) where p is the necessary extraction yield .
La conduite de dérivation 48 permet de récupérer l'énergie frigorifique de l'argon extrait en excès en sortie de la colonne 3 de production d'argon impur. Cet argon produit en excès est en effet utilisé comme source frigorifique dans l'échangeur de chaleur 24 et dans la ligne d'échange thermique 5. The bypass line 48 makes it possible to recover the refrigerating energy of the excess argon extracted at the outlet of the column 3 for the production of impure argon. This argon produced in excess is indeed used as a cooling source in the heat exchanger 24 and in the heat exchange line 5.
En variante, cette conduite de dérivation 48 peut être supprimée, l'excès d'argon extrait étant alors mis à l'air, ou l'entrée de cette conduite de dérivation 48 peut ainsi être raccordée en d'autres endroits de l'installation 1. L'entrée 49 de la conduite 48 peut être raccordée à la cuve ou à la tête de la colonne 4 de production d'argon pur, pour prélever l'excès d'argon extrait par la colonne 3. Alternatively, this bypass line 48 can be omitted, the excess argon extracted then being vented, or the inlet of this bypass line 48 can thus be connected to other parts of the installation. 1. The inlet 49 of the pipe 48 can be connected to the tank or to the head of the pure argon production column 4, to take the excess of argon extracted by the column 3.
L'entrée 49 de la conduite 48 peut également être raccordée à la tête de la colonne 3 de production d'argon impur pour prélever de l'argon impur gazeux, comme illustré par la figure 2.The inlet 49 of the pipe 48 may also be connected to the head of the impure argon production column 3 to remove gaseous impure argon, as illustrated in FIG. 2.
Selon d'autres variantes, la conduite de dérivation 48 peut traverser indépendamment l'échangeur de chaleur 24 et/ou la ligne principale d'échange thermique 5, sans que l'argon extrait en excès ne soit mélangé avec un gaz résiduaire. According to other variants, the bypass line 48 can pass independently through the heat exchanger 24 and / or the main heat exchange line 5, without the argon extracted in excess being mixed with a waste gas.
Selon des variantes, et en fonction des caractéristiques de l'appareil 2 de distillation d'air utilisé, le rendement optimal po peut être différent du rendement nominal pn. Ce rendement po est généralement inférieur à pn. According to variants, and depending on the characteristics of the air distillation apparatus 2 used, the optimum efficiency po may be different from the nominal efficiency pn. This po yield is generally less than pn.
Dans ce cas, on maintient le rendement d'extraction d'argon à la valeur po pour des besoins en fourniture d'argon correspondant à un rendement nécessaire p < po < pn. In this case, the argon extraction efficiency is maintained at the po value for argon supply requirements corresponding to a required yield p <po <pn.
Dans l'installation 1 décrite, le rendement d'extraction po est optimal par rapport à la quantité d'azote moyenne pression pouvant être soutirée en tête de la colonne moyenne pression 8. In the installation 1 described, the extraction efficiency po is optimal relative to the amount of medium pressure nitrogen that can be withdrawn at the top of the medium pressure column 8.
Cependant, en fonction du type d'installation et en particulier de la nature de l'appareil 2 de distillation d'air utilisé, ce rendement d'extraction peut être optimal par rapport à d'autres grandeurs. However, depending on the type of installation and in particular the nature of the air distillation apparatus 2 used, this extraction efficiency can be optimal compared to other quantities.
Un premier exemple, illustré par la figure 3, concerne les installations de distillation d'air où la tenue en froid est assurée par une turbine d'insufflation d'air. A first example, illustrated in Figure 3, relates to air distillation plants where the cold resistance is provided by an air blower turbine.
Comme cela est connu, cette turbine 501 est disposée dans une conduite 502 qui relie la sortie de l'appareil d'épuration d'air 7 à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression 9, et qui traverse au moins partiellement la ligne d'échange thermique 5. La turbine 501 détend à la basse pression, aux pertes de charges près, de l'air épuré par l'appareil 7 puis comprimé par un compresseur auxiliaire 503 couplé à la turbine 501. Cette turbine 501 d'insufflation d'air assure la tenue en froid de l'installation 1 à la place de la turbine 41 de la figure 1.As is known, this turbine 501 is disposed in a pipe 502 which connects the outlet of the air cleaning apparatus 7 to an intermediate level of the low pressure column 9, and which at least partially passes through the line of heat exchange 5. The turbine 501 relaxes at low pressure, with the pressure losses close, air purified by the apparatus 7 and then compressed by an auxiliary compressor 503 coupled to the turbine 501. This turbine 501 blowing of air ensures the cold resistance of the installation 1 in place of the turbine 41 of FIG.
Dans un tel cas, le rendement po peut être le rendement optimal, pour une quantité prédéterminée d'azote gazeux moyenne pression soutirée en tête de la colonne moyenne pression 9, vis-à-vis de la quantité d'air détendue dans la turbine d'insufflation d'air. Ainsi, en maintenant le rendement d'extraction d'argon p à la valeur po, on détend une quantité maximale d'air dans la turbine d'insufflation d'air, ce qui permet, comme précédemment, de maximiser la production frigorifique.In such a case, the efficiency po may be the optimum yield, for a predetermined quantity of medium pressure nitrogen gas withdrawn at the top of the medium pressure column 9, with respect to the amount of air expanded in the turbine. air insufflation. Thus, by maintaining the argon extraction yield p at the po value, a maximum quantity of air is expanded in the air blower turbine, which makes it possible, as before, to maximize the refrigeration production.
La figure 4 illustre un second exemple où l'appareil 2 de distillation d'air est une simple colonne de distillation. Figure 4 illustrates a second example where the air distillation apparatus 2 is a simple distillation column.
Dans ce cas, de l'azote impur NC est soutiré en tête de la colonne 2 puis réchauffé dans un échangeur de chaleur 51, comprimé dans un compresseur 52, et refroidi dans l'échangeur 51 par échange de chaleur avec l'azote NC à comprimer. Cet azote comprimé et refroidi est ensuite liquéfié en assurant la vaporisation de l'oxygène de cuve dans la colonne 2. L'azote liquéfié est ensuite détendu dans une vanne de détente 53 puis réintroduit en tête de la colonne 2. Le rendement po correspond alors sensiblement au débit minimal d'azote impur NC de tête devant être utilisé pour vaporiser l'oxygène de cuve. Ainsi, le maintien à po du rendement d'extraction d'argon pendant les périodes de besoins en fourniture d'argon réduits permet de diminuer l'énergie de compression fournie au compresseur de cycle 52 et donc les coûts de fonctionnement de l'installation 1. In this case, impure nitrogen NC is withdrawn at the top of the column 2 and then heated in a heat exchanger 51, compressed in a compressor 52, and cooled in the exchanger 51 by heat exchange with the NC nitrogen to compress. This compressed and cooled nitrogen is then liquefied by vaporizing the bottom oxygen in column 2. The liquefied nitrogen is then expanded in an expansion valve 53 and then reintroduced at the top of the column 2. The yield po then corresponds to substantially at the minimum flow rate of impure nitrogen NC head to be used to vaporize the vessel oxygen. Thus, keeping the argon extraction efficiency in po during periods of reduced argon supply requirements makes it possible to reduce the compression energy supplied to the cycle compressor 52 and thus the operating costs of the installation 1 .
D'une manière plus générale, le procédé selon l'invention permet de diminuer l'énergie à fournir aux installations de distillation d'air avec production d'argon. In a more general manner, the method according to the invention makes it possible to reduce the energy to be supplied to the air distillation plants with production of argon.
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