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(11) | EP 0 718 576 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé de séparation d'un mélange gazeux par distillation cryogénique |
| (57) Afin de prérefroidir un débit de gaz à distiller, avant une étape d'épuration, on
l'envoie dans un échangeur (5) où il se refroidit contre un débit de fluide frigorigène
(13B). Ce fluide frigorigène est détendu au moins en partie avant de refroidir le
gaz non épuré et peut être une fraction du gaz à distiller ou un produit de la distillation.
Il est préférentiellement un gaz de cycle du système. Cette disposition permet de
supprimer un groupe frigorifique. |
[0001] La présente invention est relative à un procédé de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'oxygène et de l'azote par distillation dans un appareil cryogénique. En particulier, elle est relative aux procédés du type comprenant les étapes de :
- comprimer le mélange gazeux ;
- épurer le mélange gazeux comprimé en eau et en dioxyde de carbone ;
- refroidir le mélange gazeux épuré au voisinage de sa température de rosée ;
- distiller le mélange gazeux refroidi dans au moins une colonne de distillation ; et
- fournir la puissance frigorifique de l'appareil par un système de réfrigération autre qu'un groupe frigorifique, dans lequel on refroidit au moins une partie du mélange gazeux entre les étapes de compression et d'épuration par échange de chaleur indirect avec un débit de fluide frigorigène qui est un produit de la colonne de distillation ou qui constitue une partie du mélange gazeux à distiller.
[0002] Les conditions climatiques sont importantes dans la conception des appareils de séparation d'air et, plus généralement, dans les appareils cryogéniques. Plus particulièrement, l'eau de refroidissement des réfrigérants des différentes étapes de compression du compresseur d'air peut varier selon le climat et même entre le jour et la nuit, de manière importante dans certains pays, de sorte que l'on peut enregistrer dans ces pays des fluctuations de température sur l'eau de l'ordre de 15°C.
[0003] Ces variations sont résolues actuellement par l'installation en sortie du réfrigérant final, d'un groupe frigorifique fournissant l'appoint de frigories que l'eau n'a pas été capable de donner.
[0004] Le groupe frigorifique présente l'inconvénient d'être d'un investissement coûteux et d'utiliser au moins une machine tournante, qui est peu fiable et consommatrice d'énergie.
[0005] US-A-4.375.367 décrit un système dans lequel un débit d'air à distiller est refroidi avant d'être épuré par recyclage de l'air produit par le système d'épuration. Néanmoins, l'usage d'un groupe frigorifique est indispensable dans ce cas.
[0006] EP-A-0.624.765A divulgue un système qui permet de substituer le groupe frigorifique par un système d'échange de chaleur avec un débit de fluide sous pression provenant de l'installation de séparation d'air. L'usage d'un fluide de cycle pour refroidir l'air en amont du système d'épuration n'est pas décrit.
[0007] Cette demande de brevet ne divulgue pas non plus une installation dans laquelle l'air est prérefroidi dans un échangeur auxiliaire avec un seul autre fluide.
[0008] J-A-54103777 décrit l'usage d'un débit d'azote provenant une colonne de distillation pour refroidir l'air à épurer.
[0009] EP-A-0.505.812 divulgue qu'un débit d'air à épurer peut être refroidi avec un débit d'air épuré, avant la détente de celui-ci.
[0010] Le but de l'invention est de fournir une solution capable de remédier à ces inconvénients, c'est-à-dire :
- fournir un appoint de frigories moins coûteux en investissement et en énergie et de permettre une réfrigération de l'air à température constante (environ 25°C) avant son épuration par adsorption.
[0011] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé comme décrit ci-dessus, caractérisé en ce que l'on produit du liquide comme produit final et on détend au moins une partie du fluide frigorigène dans une machine de détente avant qu'il échange de la chaleur avec le mélange gazeux non épuré.
[0012] La solution proposée s'applique à tous les appareils de distillation d'un mélange gazeux contenant de l'oxygène et de l'azote et qui, pour cela, utilisent un cycle frigorifique, par exemple un mélange gazeux ou d'azote. Elle est bien adaptée aux appareils de production de liquide.
[0013] L'invention s'applique en particulier aux petits appareils de production de liquide par distillation d'air qui utilisent un cycle azote capable de fournir à l'air l'appoint nécessaire en frigories pour sa réfrigération jusqu'à sa température d'épuration.
[0014] L'invention peut consister à installer en sortie du réfrigérant final du compresseur d'air un échangeur auxiliaire permettant, par exemple, l'échange thermique entre l'air comprimé avec une fraction d'azote de cycle pris à un niveau intermédiaire d'un échangeur principal. L'air comprimé est ainsi refroidi par l'azote de cycle qui est réchauffé dans cet échangeur auxiliaire, puis remélangé au reste de l'azote de cycle ayant poursuivi son réchauffement dans l'échangeur principal.
[0015] Si l'on veut maintenir constant l'écart de température au bout chaud de l'échangeur principal et soutirer une fraction d'azote de cycle à un niveau intermédiaire de l'échangeur principal, il faut augmenter le débit du fluide de cycle dans cet échangeur.
[0017] Le procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le cycle frigorifique est un cycle d'azote ;
- le fluide frigorigène avec lequel le mélange gazeux échange de la chaleur est le fluide de cycle ;
- le débit de fluide frigorigène est réglé pour maintenir constante la température de la partie de mélange gazeux ;
- on épure le mélange gazeux en eau et en dioxyde de carbone par un système de perméation et/ou d'adsorption ;
- le débit de fluide est un débit d'azote produit par une colonne moyenne pression d'une double colonne de distillation ;
- toute la puissance frigorifique de l'appareil est fournie par au moins un cycle frigorifique ;
- après le refroidissement d'au moins une partie du mélange gazeux, le débit de fluide est liquéfié et injecté dans la colonne de distillation.
[0018] L'invention a également pour objet une installation de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène par distillation cryogénique comprenant un compresseur, un système d'épuration, un échangeur principal, au moins une colonne de distillation, des moyens constituant un système de réfrigération et un échangeur auxiliaire qui met le mélange gazeux comprimé par le compresseur en relation d'échange thermique avec un fluide frigorigène provenant soit de la colonne, soit de l'alimentation en aval du système d'épuration, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de soutirage d'un produit liquide et une machine de détente pour détendre au moins une partie du fluide frigorigène en amont de l'échangeur auxiliaire.
[0019] L'installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- une vanne de réglage pour contrôler la quantité de fluide frigorigène envoyé à l'échangeur auxiliaire ;
- le fluide frigorigène circule dans le cycle de réfrigération ;
- le fluide frigorigène est de l'azote gazeux provenant d'une colonne moyenne pression d'une double colonne ;
- le système d'épuration fonctionne par adsorption et/ou perméation ;
- des moyens pour liquéfier au moins une partie du fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire et d'envoyer au moins une partie du fluide liquéfié à la colonne de distillation ;
- au moins un compresseur qui comprime le fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire.
[0020] Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés qui représentent schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'invention.
[0021] Dans le système de la figure 1, un débit d'air est comprimé à 6 X 105 Pa par un compresseur 1 et refroidi jusqu'à 40°C dans un réfrigérant à l'eau 3. Ensuite, le débit rentre dans l'échangeur auxiliaire 5 où il refroidit jusqu'à 25°C par échange de chaleur avec un débit d'azote à 6 X 105 Pa. Des pots séparateurs (non représentés) en sortie du réfrigérant 3 et de l'échangeur 5 permettent d'évacuer l'eau condensée de l'air traité après refroidissement. Après épuration de l'eau restante et du dioxyde de carbone dans un appareil à plusieurs lits d'adsorbant 7, l'air est refroidi dans l'échangeur principal 9 au voisinage de son point de rosée, puis envoyé en cuve d'une double colonne classique 11 dans laquelle l'air est séparé en oxygène liquide, azote résiduaire à la pression de la colonne basse pression (1,3X 105 Pa) et azote gazeux et liquide sensiblement purs à la pression de la colonne moyenne pression (6X 105 Pa). Le débit d'azote gazeux sensiblement pur est réchauffé dans l'échangeur principal 9 jusqu'à une température de 22°C, d'où on soutire le premier débit 13A d'azote pur par la vanne de soutirage 15 avant de passer dans l'échangeur auxiliaire 5 où il refroidit l'air d'alimentation jusqu'à 25°C. L'azote du cycle 13A est ainsi réchauffé à 37°C. Un deuxième débit d'azote pur gazeux 13B poursuit son réchauffement dans l'échangeur principal 9 jusqu'à 35°C et rejoint le premier débit 13A après son passage dans l'échangeur auxiliaire 5. Après être comprimés à 30 X 105 Pa par le compresseur 17 et refroidis dans l'échangeur 19, les débits réunis sont recomprimés jusqu'à 42 bar dans le compresseur 21 et refroidis dans l'échangeur principal 9. Partiellement réchauffé, un troisième débit 13C d'azote pur recomprimé est détendu dans la turbine 23 de 42X 105 Pa jusqu'à 6 X 105 Pa et recyclé avec l'azote gazeux soutiré de la colonne à 6X 105 Pa. Le débit d'azote pur restant se liquéfie dans l'échangeur 9 et sert de reflux pour la colonne moyenne pression de la double colonne 11. Le compresseur 21 est couplé à la turbine 23. L'azote résiduaire se réchauffe dans l'échangeur principal 9, est encore réchauffé dans le réchauffeur électrique 8 et sert à régénérer un des lits d'adsorbant de l'appareil 7.
[0022] On peut réguler le débit de cycle soutiré de la ligne principale 9 à une température intermédiaire en asservissant la vanne de soutirage 15 à la température de l'air en sortie de l'échangeur auxiliaire 5.
[0023] En période hivernale, la température de l'eau peut atteindre 20-22°C. Dans ces conditions, l'air comprimé sortira du réfrigérant final du compresseur 1 à une température voisine de 25°C et la vanne 15 sera fermée.
[0024] En période estivale, la température de l'eau peut atteindre 30-32°C et l'air en sortie du réfrigérant final du compresseur 1 sera à une température voisine de 40°C.
[0025] L'azote de cycle 13A sera alors envoyé à un débit suffisant par ouverture suffisante de la vanne 15 pour que la température de l'air en sortie de l'échangeur auxiliaire 5 soit voisine de 25°C.
[0026] Le système ne comporte aucun groupe frigorifique, toute la puissance frigorifique étant fournie par le cycle d'azote.
[0027] Le système de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 en ce que le cycle d'azote est remplacé par un cycle d'air (le mélange gazeux à distiller). L'équipement reste essentiellement le même.
[0028] Après épuration, le débit d'air est comprimé dans le compresseur 17 à 30 X 105 Pa, refroidi dans l'échangeur 19 et recomprimé par le compresseur 21 à 42 X 105 Pa. Ensuite, l'air se refroidit dans l'échangeur principal 9. Un débit d'air 13C est soutiré après être partiellement refroidi, la partie restante de l'air étant donc liquéfiée et envoyée à la colonne 11. Le débit 13C est détendu jusqu'à 6 X 105 Pa dans la turbine 23. Une partie de cet air détendu est envoyé à la colonne 11 comme alimentation gazeuse et le reste de l'air est réchauffé dans l'échangeur 9. Un débit 13A de cet air est partiellement réchauffé, soutiré par la vanne 15 et envoyé à l'échangeur auxiliaire 5 où il refroidit tout l'air d'alimentation jusqu'à 25°C. Le débit 13A rejoint ensuite l'air à comprimer dans le compresseur 17. Le débit 13B d'air poursuit son réchauffement et rejoint l'air d'alimentation en aval du système d'épuration 7.
1. Procédé de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène par
distillation dans un appareil cryogénique comprenant les étapes de :
- comprimer le mélange gazeux ;
- épurer le mélange gazeux comprimé en eau et en dioxyde de carbone ;
- refroidir le mélange gazeux épuré au voisinage de sa température de rosée ;
- distiller le mélange gazeux refroidi dans au moins une colonne de distillation (11) ; et
- fournir la puissance frigorifique de l'appareil par un système de réfrigération autre qu'un groupe frigorifique, dans lequel on refroidit au moins une partie du mélange gazeux entre les étapes de compression et d'épuration par échange de chaleur indirect avec un débit (13B) de fluide frigorigène qui est un produit de la colonne de distillation ou qui constitue une partie du mélange gazeux à distiller, caractérisé en ce que l'on produit du liquide comme produit final et on détend au moins une partie du fluide frigorigène dans une machine de détente avant qu'il échange de la chaleur avec le mélange gazeux non épuré.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le système de réfrigération est un cycle
frigorifique.
3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le fluide frigorigène avec lequel le
mélange gazeux échange de la chaleur est le fluide de cycle frigorifique.
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le système de réfrigération est
un cycle d'air ou un cycle d'azote.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit (13B) de fluide
frigorigène est réglé pour maintenir constante la température de la partie de mélange
gazeux.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on épure le mélange
gazeux en eau et en dioxyde de carbone par un système de perméation et/ou d'adsorption
(7).
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit (13B) de fluide
frigorigène est un débit d'azote produit par une colonne moyenne pression d'une double
colonne de distillation (11).
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie
du mélange gazeux ou du débit de fluide frigorigène est liquéfié et injecté dans la
colonne de distillation (11).
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système de réfrigération
comprend l'injection d'un débit de liquide froid provenant d'une source extérieure
dans la colonne de distillation (11).
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie
du fluide frigorigène est surpressé avant d'être détendu.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le fluide frigorigène
est partiellement réchauffé contre le mélange gazeux épuré après sa détente.
12. Installation de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote et de l'oxygène
par distillation cryogénique comprenant un compresseur (1), un système d'épuration
(7), un échangeur principal (9), au moins une colonne de distillation (11), des moyens
(17, 21, 23) constituant un système de réfrigération et un échangeur auxiliaire (5)
qui met le mélange gazeux comprimé par le compresseur (1) en relation d'échange thermique
avec un fluide frigorigène provenant soit de la colonne (11), soit de l'alimentation
en aval du système d'épuration (7), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens
de soutirage d'un produit liquide et une machine de détente (23) pour détendre au
moins une partie du fluide frigorigène en amont de l'échangeur auxiliaire.
13. Installation selon la revendication 12, dans laquelle une vanne de réglage (15) contrôle
la quantité de fluide frigorigène envoyé à l'échangeur auxiliaire (5).
14. Installation selon la revendication 12 ou 13, dans laquelle le fluide frigorigène
circule dans le cycle de réfrigération.
15. Installation selon l'une des revendications 12 à 14, dans laquelle le fluide frigorigène
est de l'azote gazeux provenant d'une colonne moyenne pression d'une double colonne
(11) ou une partie du mélange gazeux.
16. Installation selon l'une des revendications 12 à 15, dans laquelle le système d'épuration
(7) fonctionne par adsorption et/ou perméation.
17. Installation selon l'une des revendications 12 à 16 comprenant des moyens (17, 19,
21) pour liquéfier le fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire (5) et
d'en envoyer au moins une partie à la colonne de distillation (11).
18. Installation selon l'une des revendications 12 à 17 comprenant au moins un compresseur
(17, 21) qui comprime le fluide frigorigène en aval de l'échangeur auxiliaire (5).
19. Installation selon l'une des revendications 12 à 18 comprenant des moyens pour injecter
un débit de liquide provenant d'une source extérieure dans la colonne de distillation
(11).
20. Installation selon l'une des revendications 12 à 19 dans laquelle l'échangeur auxiliaire
(5) met le mélange gazeux en relation d'échange thermique avec un seul fluide frigorigène.
21. Installation selon l'une des revendications 12 à 20 comprenant des moyens (17, 21)
pour surpresser la partie du fluide frigorigène destiné à être détendu.