WO2009136074A2 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for air separation by cryogenic distillation.
  • One of the aims of the invention is to reduce the specific energy of oxygen separation low purity low pressure
  • WO-A-2007129152 discloses an air separation apparatus in which compressed nitrogen in a cold compressor is used to heat the bottom condenser of the low pressure column.
  • US-A-6286336 discloses a method in which low pressure nitrogen gas is cold pressed, then cooled and condensed in a condenser.
  • a method of air separation by cryogenic distillation in which: i) compressed, purified and cooled air is sent in a line of exchange to a column of a system of columns comprising a medium pressure column and a low pressure column ii) withdrawing at least one fluid enriched in an air component of the column system iii) compressing nitrogen gas from the medium pressure column in a compressor cold, iv) the compressed nitrogen is cooled in the exchange line to form cooled nitrogen and v) at least partially cooled nitrogen is condensed in a condenser of the column system, the nitrogen gas being not relaxed or sent to a column between the compression step and the condensation step.
  • an air separation apparatus by cryogenic distillation comprising: i) a line of exchange, ii) a column system comprising a medium pressure column and a low pressure column, iii) means for sending compressed, purified and cooled air in the exchange line to a column of the column system, iv) means for withdrawing at least one fluid enriched in an air component of the column system, v) a cold compressor and means for sending nitrogen gas from the medium pressure column to the cold compressor to form compressed nitrogen vi) means for sending compressed nitrogen into the exchange line to cool it and vii) a condenser of the column system and means for sending compressed nitrogen from the exchange line to the condenser, these means not passing through a column and the device does not include a turbine connected between the cold compressor and the condenser.
  • the condenser is a reboiler vessel or intermediate of the low pressure column
  • the condenser is a bath condenser or a film condenser.
  • the nitrogen from the cold compressor is cooled down to its dew point before being condensed in the vessel condenser. This saves up to 1% on the separation energy and reduces the irreversibilities of the cycle.
  • the inlet air of the medium pressure column contains less liquid, which makes it possible to draw more medium pressure nitrogen from the medium pressure column, the expanded nitrogen flow rate in the turbine increases, and therefore the cooling capacity.
  • the power of the cold compressor can be increased, which reduces the operating pressure of the air separation apparatus, and thus its separation energy.
  • An air flow 1 is divided in two, a portion 7 being supercharged in a booster 9 and the remainder 3 being sent directly to the exchange line 11.
  • the air 3 cools and is sent in gaseous form to the column medium pressure of a double air separation column.
  • the air 7 also cools in the exchange line, then condenses at least partially in a vaporizer 13 before being sent to the medium pressure column 15. Rich liquid 25, poor liquid 61 and a liquid close to the liquid air are sent from the medium pressure column 15 to the low pressure column 17 as reflux flow rates after subcooling in the exchanger 29. It is also possible to divide the flow rate 7 between the medium and low pressure columns. instead of taking a debit.
  • a flow of liquid oxygen 33 is withdrawn from the low pressure column, pressurized by the pump 13 and vaporized in the vaporizer 13 upstream of the exchange line 11.
  • the compression of the fluid 33 can also be done by a hydrostatic head, without the pump 13.
  • Low pressure nitrogen 31 is withdrawn at the top of the low pressure column 17 and is heated in the exchangers 29, 11.
  • a medium pressure nitrogen gas flow 39 is withdrawn at the top of the medium pressure column 15 and divided into two. Part 53 is sent to an intermediate condenser 23 of the low pressure column 17 where it condenses before being returned to the medium pressure column as reflux. The rest of the nitrogen 41 is divided in two, a portion is sent to a cold compressor 51 to form a flow 55, this flow 55 is sent to a point upstream of the cold end of the exchange line 11 where it is it cools to its dew point before being sent to the bottom condenser 19 of the low pressure column 17. In this condenser 19 it condenses and then serves as reflux for at least one of the columns.
  • the remainder 45 of the nitrogen is sent to the exchange line, heats up and is sent to a turbine 47.
  • the nitrogen expanded in the turbine 47 is sent to the exchange line and heats up to become the flow rate. .
  • the condenser 19 or the condenser 23 may be film condensers or bath condensers.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans une ligne d'échange (11 ) à une colonne d'un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17), on soutire au moins un fluide enrichi en un composant de l'air du système de colonnes, on comprime de l'azote de la colonne moyenne pression dans un compresseur froid (51 ), on refroidit le fluide comprimé dans la ligne d'échange pour former de l'azote refroidi et on condense au moins partiellement l'azote refroidi dans un condenseur (19,23) du système de colonnes.

Description

Procédé et appareil de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Un des buts de l'invention est de réduire l'énergie spécifique de séparation de l'oxygène basse pureté basse pression
WO-A-2007129152 décrit un appareil de séparation d'air dans lequel de l'azote comprimé dans un compresseur froid est utilisé pour chauffer le condenseur de cuve de la colonne basse pression. US-A-6286336 décrit un procédé dans lequel de l'azote gazeux basse pression est comprimé à froid, puis refroidi et condensé dans un condenseur.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : i) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans une ligne d'échange à une colonne d'un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression ii) on soutire au moins un fluide enrichi en un composant de l'air du système de colonnes iii) on comprime de l'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression dans un compresseur froid, iv) on refroidit l'azote comprimé dans la ligne d'échange pour former de l'azote refroidi et v) on condense au moins partiellement l'azote refroidi dans un condenseur du système de colonnes, l'azote gazeux n'étant pas détendu ou envoyé à une colonne entre l'étape de compression et l'étape de condensation. Eventuellement :
- l'azote est refroidi jusqu'à son point de rosée dans l'étape d) ;
- le condenseur assure le rebouillage en cuve ou dans une position intermédiaire de la colonne basse pression. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : i) une ligne d'échange, ii) un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, iii) des moyens pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange à une colonne du système de colonnes, iv) des moyens pour soutirer au moins un fluide enrichi en un composant de l'air du système de colonnes, v) un compresseur froid et des moyens pour envoyer de l'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression au compresseur froid pour former de l'azote comprimé, vi) des moyens pour envoyer de l'azote comprimé dans la ligne d'échange pour le refroidir et vii) un condenseur du système de colonnes et des moyens pour envoyer l'azote comprimé de la ligne d'échange au condenseur, ces moyens ne passant pas par une colonne et l'appareil ne comprenant pas de turbine connectée entre le compresseur froid et le condenseur.
Eventuellement :
- l'azote gazeux envoyé au compresseur froid est soutiré de la tête de la colonne moyenne pression ;
- le condenseur est un rebouilleur de cuve ou intermédiaire de la colonne basse pression ;
- le condenseur est un condenseur à bain ou un condenseur à film. Selon l'invention l'azote provenant du compresseur froid est refroidi, pour être ramené à son point de rosée, avant d'être condensé dans le condenseur de cuve. Ceci permet de gagner jusqu'à 1 % sur l'énergie de séparation et de réduire les irréversibilités du cycle.
L'air en entrée de la colonne moyenne pression contient moins de liquide, ce qui permet de tirer plus d'azote moyenne pression de la colonne moyenne pression, le débit d'azote détendu dans la turbine augmente, et donc la puissance frigorifique. La puissance du compresseur froid peut être augmentée, ce qui réduit la pression de marche de l'appareil de séparation d'air, et donc son énergie de séparation.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui montre schématiquement un appareil selon l'invention. Un débit d'air 1 est divisé en deux, une partie 7 étant surpressée dans un surpresseur 9 et le reste 3 étant envoyé directement à la ligne d'échange 11. L'air 3 se refroidit et est envoyé sous forme gazeuse à la colonne moyenne pression 15 d'une double colonne de séparation d'air. L'air 7 se refroidit également dans la ligne d'échange, puis se condense au moins partiellement dans un vaporiseur 13 avant d'être envoyé à la colonne moyenne pression 15. Du liquide riche 25, du liquide pauvre 61 et un liquide proche de l'air liquide sont envoyés de la colonne moyenne pression 15 à la colonne basse pression 17 en tant que débits de reflux après sous-refroidissement dans l'échangeur 29. Il est également possible de diviser le débit 7 entre les colonnes moyenne et basse pression au lieu de prélever un débit.
Un débit d'oxygène liquide 33 est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé par la pompe 13 et vaporisé dans le vaporiseur 13 en amont de la ligne d'échange 11. La compression du fluide 33 peut se faire aussi par une hauteur hydrostatique, sans la pompe 13.
De l'azote basse pression 31 est soutiré en tête de la colonne basse pression 17 et se réchauffe dans les échangeurs 29,11.
Un débit d'azote gazeux moyenne pression 39 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 15 et divisé en deux. Une partie 53 est envoyée à un condenseur intermédiaire 23 de la colonne basse pression 17 où elle se condense avant d'être renvoyée à la colonne moyenne pression en tant que reflux. Le reste de l'azote 41 est divisé en deux, une portion est envoyée à un compresseur froid 51 pour former un débit 55, ce débit 55 est envoyé à un point en amont du bout froid de la ligne d'échange 11 où il se refroidit jusqu'à son point de rosée avant d'être envoyé au condenseur de cuve 19 de la colonne basse pression 17. Dans ce condenseur 19 il se condense et ensuite sert de reflux pour au moins une des colonnes.
Le reste 45 de l'azote est envoyé à la ligne d'échange, se réchauffe et est envoyé à une turbine 47. L'azote détendu dans la turbine 47 est envoyé à la ligne d'échange et se réchauffe pour devenir le débit 49.
Le condenseur 19 ou le condenseur 23 peuvent être des condenseurs à film ou des condenseurs à bain.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : a) on envoie de l'air comprimé, épuré et refroidi dans une ligne d'échange (11 ) à une colonne d'un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17) ; b) on soutire au moins un fluide enrichi en un composant de l'air du système de colonnes ; c) on comprime de l'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression dans un compresseur froid (51 ) ; d) on refroidit l'azote gazeux comprimé dans la ligne d'échange pour former de l'azote gazeux refroidi et e) on condense au moins partiellement l'azote gazeux refroidi dans un condenseur (19,23) du système de colonnes, l'azote gazeux n'étant pas détendu ou envoyé à une colonne entre l'étape de compression et l'étape de condensation.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'azote est refroidi dans l'étape d) jusqu'à son point de rosée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le condenseur (19) assure le rebouillage en cuve de la colonne basse pression.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le condenseur (23) assure le rebouillage dans une position intermédiaire de la colonne basse pression.
5. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant : a) une ligne d'échange (3) ; b) un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression (15) et une colonne basse pression (17) ; c) des moyens (3) pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi dans la ligne d'échange à une colonne du système de colonnes ; d) des moyens pour soutirer au moins un fluide enrichi en un composant de l'air du système de colonnes ; e) un compresseur froid (51 ) et des moyens pour envoyer de l'azote gazeux provenant de la colonne moyenne pression au compresseur froid pour former de l'azote gazeux comprimé ; f) des moyens pour envoyer l'azote gazeux comprimé dans la ligne d'échange pour le refroidir et g) un condenseur (19,23) du système de colonnes et des moyens pour envoyer l'azote gazeux comprimé de la ligne d'échange au condenseur, ces moyens ne passant pas par une colonne et l'appareil ne comprenant pas de turbine connectée entre le compresseur froid et le condenseur.
6. Appareil selon la revendication 5 dans lequel le condenseur est un rebouilleur de cuve (19) de la colonne basse pression.
7. Appareil selon la revendication 5 ou 6 comprenant un rebouilleur de cuve (19) et un rebouilleur intermédiaire (23) et dans lequel le condenseur est le rebouilleur intermédiaire de la colonne basse pression.
8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le rebouilleur intermédiaire est un condenseur à film.
9. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le rebouilleur intermédiaire est un condenseur à bain.
10. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 dans lequel le rebouilleur de cuve est un vaporiseur à film.
11. Appareil selon l'une des revendications 6 à 9 dans lequel le rebouilleur de cuve est un vaporiseur à bain.
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