FR2956478A1 - 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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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprend un compresseur d'air (1), une unité d'épuration (3) ,un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique (5), une turbine (73), des conduites pour envoyer de l'air au compresseur d'air, ensuite à l'unité d'épuration et après à l'appareil de séparation, des conduites pour prélever de l'azote gazeux à une pression supérieure à 3 bars dans l'appareil de séparation et pour l'envoyer à la turbine et à l'unité de régénération et un compresseur d'azote (87) relié à la sortie de la turbine et à une entrée de l'unité d'épuration.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique et à une installation comprenant l'appareil de séparation d'air et un appareil consommateur d'au moins un produit du procédé de séparation d'air, par exemple l'oxycombustion qui consomme de l'oxygène provenant de l'appareil de séparation d'air. L'oxycombustion dans une chaudière permet de faciliter la capture de CO2.
La consommation énergétique de l'appareil de séparation pèse de façon significative sur le rendement global de l'installation. Les appareils de séparation d'air fonctionnant sous pression permettent de baisser
io significativement l'énergie spécifique de la séparation d'oxygène, sous réserve que l'on sache valoriser la pression de l'azote sous pression.
Une solution consiste à chauffer l'azote sous pression, puis le détendre dans une turbine chaude. La chaleur résiduelle après détente est récupérée, puis tout ou partie de l'azote basse pression est envoyé pour la régénération
15 de l'épuration en tête, comme décrit dans WO-A-09/010931. En fait, seulement une partie du débit d'azote (en général environ 25% de l'azote, soit 20% du débit d'air) est nécessaire pour la régénération, mais la perte de charge dans la régénération impose une pression en aval de la turbine à l'ensemble de l'azote que l'on détend, réduisant son taux de détente et donc l'énergie
20 électrique ou mécanique que l'on peut récupérer. La perte de charge dans la régénération de 25% d'azote pénalise donc les 75% autres. L'invention cherche à remédier à cela.
Dans la Figure 1 est illustré un appareil de séparation d'air incorporant un procédé de récupération d'énergie de l'azote sous pression, ce procédé
25 étant connu en soi de WO-A-09/010931. L'intégration avec l'appareil de séparation d'air n'est pas divulguée dans tout le détail illustré dans l'art antérieur.
Selon la Figure 1, un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique 5 est intégré avec un procédé consommateur d'un gaz de l'air. Ce
30 procédé produit un gaz résiduaire dont la chaleur est récupérée pour chauffer de l'azote provenant de l'appareil 5. Le procédé produisant le gaz résiduaire peut être un procédé d'oxycombustion alimentée par de l'oxygène provenant de l'appareil 5. L'appareil 5 comprend une double colonne, dont une colonne moyenne pression 23 et une colonne basse pression 25, les colonnes étant intégrées thermiquement au moyen d'un rebouilleur de cuve 31 et un rebouilleur intermédiaire 33. L'appareil 5 comprend également une colonne opérant à une pression intermédiaire 27, appelée colonne Etienne, alimentée par un fluide enrichie en oxygène provenant de la colonne moyenne pression 23. D'autres configurations pour l'appareil 5 peuvent aisément être envisagées.
De l'air 1 est comprimé par un compresseur 7 jusqu'à une pression correspondant à celle de la colonne d'une colonne moyenne pression 23 d'une double colonne de séparation d'air. L'air est refroidi dans un échangeur 11,
io refroidi par un refroidisseur 13 et épuré dans une unité d'épuration 3 pour enlever de l'humidité et du dioxyde de carbone.
De préférence, le compresseur 7 n'est pas isotherme et donc produit de l'air à une température élevée pouvant aller de 250°C à 400°C, par exemple de la manière illustrée dans la publication IP.com 174664D.
15 Ensuite l'air est divisé en deux parties. Une première partie 15 se refroidit dans une ligne d'échange 29 et après refroidissement est divisé en deux fractions. La première fraction 47 est envoyée au rebouilleur de cuve 31 de la colonne basse pression où elle se condense avant être envoyée à la colonne moyenne pression à travers une vanne.
20 La deuxième fraction 49 est envoyée en cuve de la colonne moyenne pression 23 sous forme gazeuse.
La deuxième partie de l'air 17 est surpressée dans un surpresseur 19, refroidie partiellement dans la ligne d'échange 29 et détendue dans une turbine 21, couplée au surpresseur 19, jusqu'à la pression de la colonne basse
25 pression 25.
L'air se sépare dans la colonne moyenne pression 23 pour former un débit enrichi en oxygène 35, un débit ayant à peu près la composition de l'air 37 et des débits enrichis en azote 39, 57, 59, 61. Les débits 37 et 39 sont refroidis dans l'échangeur 51 et envoyés à des points différents de la colonne
30 basse pression 25 de manière connue.
Dans la colonne basse pression, ces débits se séparent pour former un débit d'azote gazeux 53 et un débit d'oxygène liquide 65. Le débit d'oxygène liquide 65 est détendu dans une vanne et se vaporise dans le condenseur de tête 43 de la colonne à pression intermédiaire 27 pour former un débit d'oxygène 63 qui se réchauffe dans la ligne d'échange 29 et ensuite dans l'échangeur 11.
Le débit de liquide riche 35 est envoyé à la colonne à pression intermédiaire comme débit d'alimentation à un point intermédiaire. Chauffée par un rebouilleur de cuve 41, alimenté par un débit d'azote 59, la colonne à pression intermédiaire 27 produit un débit de liquide de cuve 81 qui est renvoyé à la colonne basse pression et un débit de liquide de tête qui est renvoyé à la colonne basse pression 25. Un débit de purge 45 est soutiré du
io condenseur de tête 43.
Un débit d'azote 57 se condense dans le rebouilleur intermédiaire 33 de la colonne basse pression et sert ensuite de reflux dans la double colonne.
De l'azote 61 provenant de la tête de la colonne moyenne pression 23 est réchauffé dans la ligne d'échange 29 et dans l'échangeur 11. Ensuite il se
15 réchauffe par échange de chaleur avec un gaz résiduaire provenant d'un procédé alimenté par un gaz de l'air dans un moyen d'échange 67, pouvant être une chaudière. L'azote ainsi chauffée est détendue dans une turbine dédiée 69.
De l'azote 53 provenant de la colonne basse pression est réchauffé
20 dans la ligne d'échange 29 et dans l'échangeur 11. Ensuite il est mélangé avec de l'azote provenant de la turbine 69, le mélange se chauffe dans le moyen d'échange 67 pour former un débit d'azote 71. Ce débit 71 est détendu dans une turbine dédiée 73 jusqu'à la pression de régénération de l'unité d'épuration. Le débit détendu est refroidi dans un échangeur 75 à la pression
25 de régénération par échange de chaleur avec de l'eau 77 destinée à une chaudière/la chaudière. Ensuite l'azote refroidi 79 est envoyé à l'unité d'épuration 3 pour la régénérer sans modification de pression.
On remarque donc que tout l'azote est détendu jusqu'à la pression de la régénération.
30 Selon l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel :
a) on épure de l'air dans une unité d'épuration pour former de l'air épuré, b) on sépare de l'air épuré dans une installation de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne moyenne pression et une colonne basse pression pour produire un débit d'azote à une pression d'au moins 3 bars, c) on régénère périodiquement l'unité d'épuration en utilisant de l'azote gazeux provenant de l'installation de séparation d'air à une première pression
d) on réchauffe le débit d'azote provenant de l'installation de séparation d'air
io e) on détend le débit d'azote dans une turbine pour former un débit d'azote détendu
f) on détend le débit d'azote dans la turbine à une deuxième pression plus basse que la première pression et caractérisé en ce qu'on comprime seulement une partie du débit d'azote détendu à partir de la deuxième pression
15 jusqu'à la première pression et on envoie cette partie du débit à l'unité d'épuration à la première pression pour la régénérer.
Eventuellement, le procédé peut comprendre les étapes suivantes :
- on refroidit le débit d'azote détendu dans un échangeur par échange
de chaleur avec soit le débit d'azote avant de le réchauffer selon l'étape d), soit 20 avec un débit d'eau destinée à une chaudière ;
- en amont de l'étape d), on réchauffe le débit d'azote, on le détend dans une turbine auxiliaire et ensuite on réchauffe l'azote ainsi détendu selon l'étape d) ;
- le reste du débit d'azote détendu qui n'est pas comprimé pour être 25 envoyé à la régénération de l'unité d'épuration est envoyé à l'atmosphère, de préférence en aval de l'échangeur ;
- on refroidit l'air épuré dans une ligne d'échange en amont du système de colonnes, on réchauffe l'azote d'abord dans cette ligne d'échange et ensuite selon l'étape d) jusqu'à une température supérieure à celle de la partie la plus
30 chaude de la ligne d'échange.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant :
a) un compresseur d'air b) une unité d'épuration
c) un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique
d) une turbine
e) des conduites pour envoyer de l'air au compresseur d'air, ensuite à l'unité d'épuration et après à l'appareil de séparation
f) des conduites pour prélever de l'azote gazeux à une pression supérieure à 3 bars dans l'appareil de séparation et pour l'envoyer à la turbine et à l'unité de régénération
caractérisée en ce que l'installation comprend un compresseur d'azote io relié à la sortie de la turbine et à une entrée de l'unité d'épuration. Eventuellement l'installation comprend :
- des moyens pour chauffer de l'eau ou de l'azote en amont de la turbine par échange de chaleur avec l'azote à détendre ;
- des moyens pour chauffer de l'eau ou de l'azote en aval de la turbine 15 par échange de chaleur avec l'azote détendu ;
- le compresseur d'azote est connecté entre les moyens pour chauffer de l'eau ou l'azote et l'unité d'épuration.
L'invention présente la caractéristique que tout l'azote est détendu jusqu'à une pression quasi-atmosphérique et uniquement la partie nécessaire
20 pour la régénération est ensuite re-comprimé dans une soufflante pour vaincre la perte de charge de la régénération.
De l'azote chaud pourra être prélevé pendant la phase de chauffage de la régénération, permettant aussi de s'affranchir d'un réchauffeur dédié pour la régénération.
25 L'invention permet un gain d'énergie de 5 à 6 % par rapport à l'état de l'art.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 2 à qui illustrent des procédés selon l'invention.
Le procédé de la Figure 2 est identique à celui de la Figure 1 sauf que
30 l'azote de la turbine 73 est détendu jusqu'à une pression plus basse que celle de la régénération de l'unité d'épuration 5, par exemple jusqu'à la pression atmosphérique. Après le réchauffage de l'eau 77, l'azote est divisé en deux. Un débit d'azote 89 à la pression atmosphérique est rejeté à l'atmosphère et le reste 79 est comprimé depuis la pression atmosphérique dans un compresseur 87 et envoyé à l'unité d'épuration à la pression de régénération.
Le procédé de la Figure 3 diffère de celui de la Figure 2 en ce que l'air est d'abord comprimé dans un compresseur 1, refroidi dans l'échangeur 11 et ensuite surpressé dans le surpresseur d'air 97. L'air surpressé est envoyé à l'échangeur 11 de nouveau, refroidi par le refroidisseur 13 et puis épuré dans l'unité d'épuration 3. Ensuite le traitement de l'air se poursuit comme illustré dans les Figures 1 et 2. L'échangeur 11 sert également à réchauffer l'oxygène gazeux 63 en aval de la ligne d'échange 29 et pour chauffer l'eau 77 destinée
io à la chaudière. Par contre à la différence des figures précédentes, l'échangeur 11 ne sert pas à chauffer de l'azote.
L'azote 53 provenant de la colonne basse pression 25 se réchauffe dans les échangeurs 51, 29 et ensuite dans un échangeur 75 absent des figures précédentes. L'azote 61 provenant de la colonne moyenne pression 23 est
15 chauffé dans les échangeurs 29 et 75, dans le moyen de chauffage 67 contre le gaz résiduaire 85, détendu dans la turbine 69 puis est mélangé avec l'azote 53 provenant de la colonne basse pression et réchauffé dans les échangeurs 51, 29 et 75. Le mélange se réchauffe dans le moyen de chauffage 67 contre le gaz résiduaire 85 et puis est détendu dans la turbine 73 jusqu'à la pression
20 atmosphérique. Le débit détendu dans la turbine 73 est refroidi dans l'échangeur 75 contre les deux débits d'azote 53, 61 puis divisé en deux. Une partie 89 de l'azote à la pression atmosphérique est envoyée à l'atmosphère et le reste est comprimé depuis la pression atmosphérique à la pression de régénération de l'unité d'épuration, comme dans la figure 2.
25 Dans la Figure 4, seul un débit d'azote est réchauffé dans le moyen de chauffage 67. L'air est d'abord comprimé dans un compresseur 1, refroidi dans l'échangeur 11 et ensuite surpressé dans le surpresseur d'air 97. L'air surpressé est envoyé à l'échangeur 11 de nouveau, refroidi par le refroidisseur 13 et puis épuré dans l'unité d'épuration 3. L'échangeur 11 sert également à
30 réchauffer l'oxygène gazeux 63 en aval de la ligne d'échange 29 et pour chauffer l'eau 77 destinée à la chaudière. Par contre à la différence des figures précédentes 1 et 2, l'échangeur 11 ne sert pas à chauffer de l'azote.
L'air épuré est refroidi dans la ligne d'échange 29 puis divisé en deux. Une partie 47 est totalement condensée dans le rebouilleur de cuve de la colonne basse pression après une étape de compression dans un surpresseur froid 89 et une partie 59 sert d'alimentation gazeuse de la colonne moyenne pression 23.
L'air se sépare dans la colonne moyenne pression 23 pour former un débit enrichi en oxygène 35, un débit ayant à peu près la composition de l'air 37 et des débits enrichis en azote 39, 57, 59, 61. Les débits 37 et 39 sont refroidis dans l'échangeur 51 et envoyés à des points différents de la colonne
io basse pression 25 de manière connue.
Dans la colonne basse pression, ces débits se séparent pour former un débit d'azote gazeux 53 et un débit d'oxygène liquide 65. Le débit d'oxygène liquide 65 est détendu dans une vanne et se vaporise dans le condenseur de tête 43 de la colonne à pression intermédiaire 27 pour former un débit
15 d'oxygène 63 qui se réchauffe dans la ligne d'échange 29 et ensuite dans l'échangeur 11.
Le débit de liquide riche 35 est envoyé à la colonne à pression intermédiaire comme débit d'alimentation à un point intermédiaire. Chauffée par un rebouilleur de cuve 41, alimenté par un débit d'azote 59 comprimé par
20 un compresseur 91, la colonne à pression intermédiaire 27 produit un débit de liquide de cuve 81 qui est renvoyé à la colonne basse pression et un débit de liquide de tête 83 qui est renvoyé à la colonne basse pression 25. Un débit de purge 45 est soutiré du condenseur de tête 43.
Un débit d'azote 57 se condense dans le rebouilleur intermédiaire 33 de
25 la colonne basse pression et sert ensuite de reflux dans la double colonne.
L'oxygène liquide 65 et l'azote condensé 59 se refroidissement partiellement dans l'échangeur 51 avant d'être envoyés au condenseur de tête 43 et en tête de la colonne basse pression 25 respectivement.
De l'azote 61 provenant de la tête de la colonne moyenne pression 23
30 est réchauffé partiellement dans la ligne d'échange 29, est détendu dans une turbine 93, puis se réchauffe de nouveau dans la ligne d'échange 29 puis est mélangé avec l'azote basse pression 53.
Le débit mélangé 64 se réchauffe dans un échangeur 75. Ensuite il se réchauffe par échange de chaleur avec un gaz résiduaire 85 provenant d'un procédé alimenté par un gaz de l'air dans un moyen d'échange 67, pouvant être une chaudière. L'azote ainsi chauffé 64 est détendu dans une turbine dédiée 73 jusqu'à la pression atmosphérique, puis se refroidit ensuite dans l'échangeur 75. L'azote refroidi dans l'échangeur 75 est divisé en deux parties, une partie 89 étant envoyé à l'atmosphère et le reste étant comprimé depuis la pression atmosphérique dans un compresseur 87 jusqu'à la pression de régénération puis envoyé à la régénération de l'unité d'épuration 3.
io Si l'on veut utiliser la chaleur disponible pour la phase de chauffage de la régénération et ne pas installer un réchauffeur spécifique, on peut adopter le schéma de la Figure 5 qui montre une variante d'une partie de la Figure 4 ou de la Figure 1. Ici l'air 1 s'épure dans l'unité d'épuration 3 dont la régénération est assurée par un débit d'azote comprimé dans le compresseur 87. Tout
15 l'azote est réchauffé dans le moyen de réchauffage 67, puis détendu dans la turbine 73 jusqu'à la pression atmosphérique et ensuite utilisé pour chauffer soit l'azote 64 soit l'eau 77 dans l'échangeur 75.
En phase de chauffage, la vanne 95 est fermée et la vanne 93 ouverte. L'azote nécessaire pour la régénération 101 est extrait à un niveau
20 intermédiaire de refroidissement (typiquement entre 120°C et 200°C), puis comprimé dans le compresseur 87, le reste de l'azote 89 étant complètement refroidi dans l'échangeur 75 .
En phase de refroidissement, la vanne 93 est fermée et la vanne 95 ouverte. L'azote nécessaire pour la régénération est refroidi complètement, 25 puis comprimé dans le compresseur 87.
L'azote 89 non utilisé pour la régénération est complètement refroidi et rejeté à l'atmosphère, éventuellement à travers une tour de refroidissement (ou de lavage), par exemple de type eau/azote.
EP-A-1058075 décrit un procédé dans lequel l'azote de régénération
30 régénère l'unité d'épuration à une pression élevée et ensuite est détendu dans une turbine. Cette façon d'opérer pourrait s'appliquer aux modes de mise en oeuvre décrits ci-dessus. 30

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : a) on épure de l'air dans une unité d'épuration pour former de l'air épuré ; b) on sépare de l'air épuré dans une installation de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne moyenne pression et une colonne basse pression pour produire un débit d'azote à une pression d'au moins 3 bars ; io c) on régénère périodiquement l'unité d'épuration en utilisant de l'azote gazeux provenant de l'installation de séparation d'air à une première pression ; d) on réchauffe le débit d'azote provenant de l'installation de séparation d'air , e) on détend le débit d'azote dans une turbine pour former un débit 15 d'azote détendu ; f) on détend le débit d'azote dans la turbine à une deuxième pression plus basse que la première pression et caractérisé en ce qu'on comprime seulement une partie du débit d'azote détendu à partir de la deuxième pression jusqu'à la première pression et on envoie cette partie du débit à l'unité 20 d'épuration à la première pression pour la régénérer.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on refroidit le débit d'azote détendu dans un échangeur par échange de chaleur avec soit le débit d'azote avant de le réchauffer selon l'étape d) soit avec un débit d'eau destinée 25 à une chaudière.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel en amont de l'étape d), on réchauffe le débit d'azote, on le détend dans une turbine auxiliaire et ensuite on réchauffe l'azote ainsi détendu selon l'étape d).
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le reste du débit d'azote détendu qui n'est pas comprimé pour être envoyé à larégénération de l'unité d'épuration est envoyé à l'atmosphère, de préférence en aval de l'échangeur.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on refroidit l'air épuré dans une ligne d'échange en amont du système de colonnes, on réchauffe l'azote d'abord dans cette ligne d'échange et ensuite selon l'étape d) jusqu'à une température supérieure à celle de la partie la plus chaude de la ligne d'échange. io
  6. 6. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : a) un compresseur d'air b) une unité d'épuration c) un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique 15 d) une turbine e) des conduites pour envoyer de l'air au compresseur d'air, ensuite à l'unité d'épuration et après à l'appareil de séparation f) des conduites pour prélever de l'azote gazeux à une pression supérieure à 3 bars dans l'appareil de séparation et pour l'envoyer à la turbine 20 et à l'unité de régénération caractérisée en ce que l'installation comprend un compresseur d'azote relié à la sortie de la turbine et à une entrée de l'unité d'épuration.
  7. 7. Installation selon la revendication 6 comprenant des moyens pour 25 chauffer de l'eau ou de l'azote en amont de la turbine par échange de chaleur avec l'azote à détendre.
  8. 8. Installation selon l'une des revendications 6 et 7 comprenant des moyens pour chauffer de l'eau ou de l'azote en aval de la turbine par échange 30 de chaleur avec l'azote détendu.
  9. 9. Installation selon la revendication 8 dans laquelle le compresseur d'azote est connecté entre les moyens pour chauffer de l'eau ou l'azote et l'unité d'épuration.
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