FR2955926A1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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

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Abstract

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

Description

La présente invention est relative aux procédés et aux appareils de séparation d'air par distillation cryogénique. Il est connu de distiller l'air dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression reliée thermiquement avec une colonne basse pression qui la surmonte.
Le lien thermique entre les deux colonnes peut être obtenu en utilisant deux vaporiseurs placés l'un au dessus de l'autre dans la colonne basse pression. Le vaporiseur le plus bas peut être chauffé au moyen d'une débit d'azote soutiré de la colonne moyenne pression puis comprimé dans un compresseur froid et le vaporiseur supérieur peut être chauffé par un débit d'azote moyenne pression pris
io dans la colonne moyenne pression sans avoir été comprimé en amont du vaporiseur.
Un compresseur froid est un compresseur ayant une température d'entrée cryogénique, une température cryogénique étant inférieure à -50°C.
L'azote comprimé dans le compresseur froid doit être condensé dans le
15 vaporiseur inférieur de la colonne basse pression. Le fluide comprimé à froid arrive donc relativement chaud dans le vaporiseur, avec un AT important avant de commencer à se condenser : cela signifie que même si le vaporiseur a un pincement faible de température, le AT au bout chaud est relativement important. Si le vaporiseur-condenseur a des disfonctionnements, notamment de bouchage
20 partiel ou de mauvaise distribution, il y a un fort risque de vaporisation à sec localement, ce qui nuit à la sécurité de l'appareil du fait de la présence d'impuretés de type CnHm avec un fluide riche en oxygène. Cela est d'autant plus sensible sur un vaporiseur-condenseur à film.
Selon l'invention, un fluide calorigène, par exemple de l'azote moyenne
25 pression, est refroidi en sortie d'un compresseur froid, en injectant une partie du fluide condensé dans le vaporiseur condenseur à l'entrée du vaporiseurcondenseur, pour le ramener à son point de rosée, avant d'être condensé. Ceci permet d'annuler la surchauffe du fluide, et permet un usage facilité en termes de sécurité pour le vaporiseur, notamment à film. Ceci se fait sans pénalité
30 énergétique notable.
L'injection d'autres fluides cryogéniques peut remplacer ce fluide condensé. Selon un objet de l'invention, il est proposé un procédé de séparation d'air d'air dans un système de colonnes par distillation cryogénique dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi est séparé dans le système de colonnes pour former un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote dans lequel au moins une colonne du système de colonnes contient un vaporiseur-condenseur devant assurer la vaporisation d'un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air au moyen d'un échange de chaleur avec un fluide calorigène, le fluide calorigène ayant été comprimé en amont du vaporiseur-condenseur dans un compresseur ayant une température d'entrée cryogénique, le fluide calorigène étant au moins partiellement condensé dans le vaporiseur-condenseur caractérisé en ce qu'un liquide
io cryogénique est rajouté au fluide calorigène en amont du vaporiseur-condenseur. Selon d'autres caractéristiques facultatives :
- le liquide cryogénique est constitué par une partie du fluide calorigène après sa condensation dans le vaporiseur-condenseur ;
15 - le système de colonnes est une double ou une triple colonne, le fluide calorigène est un débit enrichi en azote soutiré d'une des colonnes fonctionnant à pression plus élevée et le rebouilleur est dans une autre des colonnes fonctionnant à pression plus basse ;
- le vaporiseur-condenseur est un vaporiseur à film ;
20 - le liquide cryogénique est pressurisé soit par pression hydrostatique soit par une pompe.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air dans un système de colonnes par distillation cryogénique comprenant : a) un système de colonnes
25 b) un vaporiseurùcondenseur capable de vaporiser un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air
c) un compresseur d'air
d) une conduite reliant le compresseur d'air avec le système de colonnes 30 e) un compresseur cryogénique de fluide calorigène relié à une entrée du vaporiseur-condenseur f) une conduite de fluide condensé reliant une sortie du vaporiseurcondenseur à au moins une colonne du système de colonnes caractérisé en ce qu'il comprend une conduite de fluide condensé, et éventuellement une pompe, reliant la sortie du vaporiseur-condenseur ou un stockage de fluide condensé à la sortie du compresseur cryogénique sans passer par le vaporiseur-condenseur. L'appareil peut comprendre les caractéristiques suivantes :
- le système de colonnes est une double ou une triple colonne, une des colonnes opérant à plus basse pression comprenant le vaporiseur-condenseur en io vaporiseur de cuve ;
- le compresseur cryogénique est relié à la tête d'une des colonnes opérant à pression plus élevée ;
- des moyens pour pressuriser un liquide cryogénique adaptés à pressuriser un liquide circulant dans la conduite reliant la sortie du vaporiseur-condenseur à la 15 sortie du compresseur cryogénique.
L'invention comprend également une installation d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air tel que décrit ci-dessus et une chaudière alimentée par l'oxygène produit par l'appareil de séparation d'air.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui montre
20 un procédé selon l'invention.
Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur (non-illustré) jusqu'à 4 bars puis divisé en deux ; une partie 3 de l'air se refroidit dans une ligne d'échange 9 et est envoyé à la colonne moyenne pression 11 d'une double colonne. La double colonne comprend une colonne moyenne pression 11 et une colonne basse
25 pression 13 reliées thermiquement entre elles, la colonne basse pression surmontant la colonne moyenne pression.
Le reste 5 de l'air est surpressé dans un surpresseur 7, refroidi dans la ligne d'échange, condensé dans un vaporiseur produit 23 et puis envoyé à la colonne moyenne pression 11.
30 La colonne basse pression 13 contient un vaporiseur de cuve 15 et un vaporiseur intermédiaire 17. Le vaporiseur intermédiaire 17 est chauffé au moyen d'une fraction 33 d'un débit d'azote 31 soutiré de la colonne moyenne pression à la pression de la tête de la colonne moyenne pression.
Une autre fraction 37 de l'azote moyenne pression azote est comprimée dans un compresseur 61 ayant une température d'entrée cryogénique. La fraction est refroidie en sortie de ce compresseur froid 61 par contact direct avec un liquide cryogénique 45, pour être ramené à son point de rosée, avant d'être condensé. Le liquide cryogénique 45 préférentiellement comprend une partie du fluide qui vient de se condenser dans le vaporiseur de cuve 15. Ainsi une conduite ramène vers la sortie du compresseur froid une partie de l'azote condensé dans le vaporiseur de cuve.
La mise en contact du gaz et du liquide 45 peut se faire directement dans la
io tuyauterie ou dans un équipement spécifique, à l'aide de buses d'injection, de contacteurs physiques, le liquide 45 étant comprimé soit par hauteur hydrostatique, soit à l'aide d'une pompe.
Le reste du liquide condensé dans le vaporiseur de cuve 15 est envoyé en partie en tête de la colonne basse pression 13 pour former du reflux.
15 Un liquide enrichi en oxygène 49 et un liquide enrichi en azote 53 sont envoyés de la colonne moyenne pression 11 à la colonne basse pression 13
Un débit d'oxygène liquide 19 est soutiré de la cuve de la colonne basse pression, pressurisé jusqu'à une basse pression de 1,5 à 4 bars par une pompe 21 et puis vaporisé dans un vaporiseur 23 par échange de chaleur avec l'air. Une
20 partie non-vaporisée de l'oxygène est soutirée en tant que purge 25.
Le vaporiseur de cuve 15 est de préférence à film.
Une partie 39 de l'azote moyenne pression se réchauffe dans la ligne d'échange 9, est détendu dans une turbine 41 puis de nouveau se réchauffe dans la ligne d'échange 9.
25 L'invention s'applique à tout gaz comprimé dans un compresseur froid, qui doit se condenser dans un vaporiseur où il y a un risque de vaporisation à sec vis-à-vis d'oxygène en présence d'impureté de type CnHm.
Dans l'exemple le liquide cryogénique rajouté en amont du compresseur froid vient du système de colonnes mais le liquide peut provenir d'une source extérieure
30 et peut par exemple être pris dans un stockage de liquide de biberonnage ou de liquide stocké dans un système de bascule.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air dans un système de colonnes (11,13) par distillation cryogénique dans lequel de l'air comprimé, épuré et refroidi est séparé dans le système de colonnes pour former un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote dans lequel au moins une colonne (13) du système de colonnes contient un vaporiseur-condenseur (15) devant assurer la vaporisation d'un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air au moyen d'un échange de chaleur avec un fluide calorigène (37), le fluide calorigène ayant été comprimé en amont du vaporiseur-condenseur dans un compresseur (61) ayant une température d'entrée cryogénique, le fluide calorigène étant au moins partiellement condensé dans le vaporiseur-condenseur caractérisé en ce qu'un liquide cryogénique (45) est rajouté au fluide calorigène en amont du vaporiseur-condenseur.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le liquide cryogénique (45) est constitué par une partie du fluide calorigène après sa condensation dans le vaporiseur-condenseur (15).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le système de colonnes (11,13) est une double ou une triple colonne, le fluide calorigène est un débit enrichi en azote (37) soutiré d'une des colonnes (11) fonctionnant à pression plus élevée et le rebouilleur est dans une autre des colonnes fonctionnant à pression plus basse (13).
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le vaporiseur-condenseur (11) est un vaporiseur à film.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide cryogénique (45) est pressurisé soit par pression hydrostatique soit par une pompe.
  6. 6. Appareil de séparation d'air dans un système de colonnes par distillation cryogénique comprenant : a) un système de colonnes (11,13), b) un vaporiseurùcondenseur (15) capable de vaporiser un liquide enrichi en oxygène par rapport à l'air, c) un compresseur d'air, d) une conduite reliant le compresseur d'air avec le système de colonnes, e) un compresseur cryogénique (61) de fluide calorigène relié à une entrée io du vaporiseur-condenseur, f) une conduite de fluide condensé (45) reliant une sortie du vaporiseurcondenseur à au moins une colonne du système de colonnes caractérisé en ce qu'il comprend une conduite de fluide condensé (45) et éventuellement une pompe reliant la sortie du vaporiseur-condenseur (15) ou un stockage de fluide condensé à 15 la sortie du compresseur cryogénique sans passer par le vaporiseur-condenseur.
  7. 7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel le système de colonnes est une double ou une triple colonne, une des colonnes opérant à plus basse pression 20 (13) comprenant le vaporiseur-condenseur (15) en vaporiseur de cuve.
  8. 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le compresseur cryogénique (61) est relié à la tête d'une des colonnes (11) opérant à pression plus 25 élevée.
  9. 9. Appareil selon l'une des revendications 6 à 8 comprenant des moyens pour pressuriser un liquide cryogénique adaptés à pressuriser un liquide circulant dans la conduite reliant la sortie du vaporiseur-condenseur (15) à la sortie du 30 compresseur cryogénique (61).
  10. 10. Installation d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air selon l'une des revendications 6 à 9 et une chaudière alimentée par l'oxygène produit par l'appareil de séparation d'air.
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