Procédé et installation de production d'un gaz sous pression par distillation cryogénique

Abstract

 Dans un procédé de production de gaz sous pression par distillation cryogénique, on produit le gaz par vaporisation (ou pseudo-vaporisation) d'un liquide soutiré d'une colonne de distillation. Pour fournir du gaz supplémentaire sous pression,- un débit d'un gaz provenant d'une source extérieure est au moins partiellement liquéfié et le liquide ainsi formé est ajouté au liquide soutiré de la colonne avant ou après une éventuelle étape de pressurisation.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé et une installation de production de gaz sous pression par distillation cryogénique. En particulier, elle concerne un procédé dans lequel du gaz sous pression est produit par la vaporisation d'un liquide soutiré d'une colonne de distillation cryogénique.

[0002] Des procédés de ce genre sont bien connus dans le domaine et existent depuis plusieurs décennies.

[0003] Dans le présent mémoire, les pressions dont il est question sont des pressions absolues. De plus, on entend par "condensation" et "vaporisation" soit une condensation ou une vaporisation proprement dite, soit une pseudo-condensation ou une pseudo-vaporisation, selon que les pressions sont subcritiques ou supercritiques.

[0004] Le but de l'invention est de permettre de fournir la demande maximale en gaz sous pression avec un appareil dimensionné pour produire seulement une partie du liquide requis pour fournir la demande maximale en gaz.

[0005] Selon l'invention, il est prévu un procédé de production d'un gaz sous pression dans un appareil de séparation cryogénique comprenant les étapes de :

i) refroidir un fluide à séparer dans un échangeur de chaleur et l'envoyer à une colonne de distillation de l'appareil pour y être séparé ;

ii) soutirer un débit liquide d'une colonne de l'appareil et le réchauffer dans l'échangeur,

   caractérisé en ce que :

iii) on rajoute au moins un liquide d'appoint au débit liquide soutiré de l'étape ii) ;

iv) on réchauffe dans un échangeur le mélange ainsi formé par le liquide d'appoint et le débit soutiré par échange thermique indirect ; et

v) on récupère en sortie d'appareil un gaz sous pression.

[0006] De cette manière, un gaz provenant d'une source extérieure sert d'appoint pour suppléer au manque de liquide lorsque l'appareil fonctionne à sa capacité maximale.

[0007] Le gaz d'appoint liquéfié peut avoir la même composition que le débit de liquide soutiré.

[0008] Le liquide peut être un gaz de l'air. Par exemple, de l'azote liquide peut être soutiré de la tête d'une simple colonne ou d'une colonne basse ou moyenne pression d'une double colonne. De l'argon liquide peut être obtenu en tête d'une colonne argon. Néanmoins, l'invention s'applique également à la séparation d'autres fluides cryogéniques ; le liquide à vaporiser pourrait être du méthane, du monoxyde de carbone ou de l'hydrogène par exemple.

[0009] Avant sa vaporisation, le liquide peut être pressurisé soit par pression hydrostatique, soit avec une pompe.

[0010] Si le gaz d'appoint se trouve déjà à la pression de vaporisation du liquide soutiré, après sa liquéfaction, il peut être rajouté au liquide soutiré en aval des moyens de pressurisation. Sinon, le gaz d'appoint liquéfié se mélange au liquide en amont de la pompe afin d'y être pressurisé.

[0011] De préférence, le gaz d'appoint liquéfié constitue 20 % du débit liquide vaporisé, permettant ainsi à l'appareil d'être dimensionné à une capacité qui représente 80 % de la demande maximale.

[0012] Selon l'invention, il est également prévu une installation de production d'un débit de gaz sous pression par distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un fluide à séparer par distillation à une colonne de distillation, des moyens pour soutirer un liquide d'une colonne de distillation, des moyens pour envoyer le liquide soutiré à l'échangeur de chaleur pour réchauffer le liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour rajouter un liquide d'appoint au liquide soutiré en amont de l'échangeur et des moyens pour envoyer le mélange ainsi formé à l'échangeur afin de le vaporiser pour produire le gaz sous pression.

[0013] Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est illustré à la figure 1 qui représente schématiquement une installation selon l'invention.

[0014] Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur jusqu'à 5,6 x 10⁵ kPa, avant d'être divisé en trois fractions. La première fraction 1A est comprimée par le compresseur 3 jusqu'à 62 x10⁵ kPa, réfrigérée en 4 et comprimée à 76 x 10⁵ kPa. Après une deuxième étape de réfrigération en 6, la fraction 1A est refroidie dans un échangeur principal 9. Une partie de l'air 11A partiellement refroidie est soutirée à un niveau de température intermédiaire de l'échangeur 9 puis détendue dans une turbine 7, qui entraîne le compresseur 5, jusqu'à la pression d'une colonne moyenne pression 13 d'une double colonne 12. L'air détendu est ensuite envoyé dans cette colonne 13. La partie restante du débit 1A poursuit son refroidissement dans l'échangeur 9, se condense et est détendue dans la vanne 11 à la pression de la colonne 13, avant d'y être envoyée.

[0015] La fraction 1B traverse l'échangeur 9 avant d'être introduite en cuve de la colonne 13.

[0016] La fraction 1C est comprimée par le compresseur 15 à 8,9 x 10⁵ kPa, partiellement refroidie dans l'échangeur 9 et détendue par la turbine d'insufflation 17 jusqu'à la pression d'une colonne basse pression 14. La fraction détendue 1C est envoyée à la colonne 14, éventuellement après une étape de sous-refroidissement. La turbine d'insufflation 17 entraîne le compresseur 15.

[0017] La double colonne 12 comprenant la colonne basse pression 14 et la colonne moyenne pression 13 est dimensionnée pour produire un débit moyen de liquide qui se vaporise dans l'échangeur 9 pour former un gaz sous pression. En l'occurrence, le liquide est l'oxygène soutiré en cuve de la colonne 14 par la conduite 31 à une pression d'environ 1,5 x 10⁵ kPa. Le liquide est pressurisé jusqu'à 76 x 10⁵ kPa par une pompe 25 avant de se vaporiser dans l'échangeur 9 pour former l'oxygène sous pression.

[0018] Un appoint d'oxygène gazeux provient d'un réseau 19 à 30 x 10⁵ kPa. Le gaz d'appoint de la conduite 20 se refroidit dans l'échangeur 9, se détend à travers la vanne 21 et est séparé en deux phases dans le séparateur 23. La partie gazeuse de l'oxygène est envoyée au moins en partie à la colonne basse pression 14. La partie liquide est envoyée à la conduite 31 quand la demande en oxygène passe au-dessus de la capacité maximale de la double colonne 12, qui représente 80 % de la demande maximale. Ainsi, le liquide provenant du réseau est vaporisé pour fournir jusqu'à 20 % de la demande maximale. Ce pourcentage est limité par la capacité de liquéfaction de l'oxygène du réseau acceptable par l'échangeur 9.

[0019] De cette manière, avec un appareil sous-dimensionné, on peut néanmoins fournir toute la demande en oxygène gazeux sous pression, pour un coût énergétique moindre.

Revendications

1. Procédé de production d'un gaz sous pression dans un appareil de séparation cryogénique comprenant les étapes de :

i) refroidir un fluide à séparer dans un échangeur de chaleur (9) et l'envoyer à une colonne de distillation (12) de l'appareil ;

ii) soutirer un débit liquide d'une colonne (14) de l'appareil et le réchauffer dans l'échangeur (9),

   caractérisé en ce que :

iii) on ajoute au moins un liquide d'appoint au débit liquide soutiré de l'étape ii) ;

iv) on réchauffe et éventuellement on vaporise dans un échangeur (9) le mélange ainsi formé par le liquide d'appoint et le débit soutiré par échange thermique indirect; et

v) on récupère en sortie d'appareil un gaz sous pression.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on envoie du gaz d'appoint provenant d'une source extérieure (19) à un échangeur, on refroidit le gaz d'appoint et on le condense au moins partiellement pour former le liquide d'appoint.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le liquide d'appoint et le débit soutiré ont substantiellement la même composition.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le liquide soutiré est un liquide enrichi en oxygène, en azote, argon ou en méthane.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la plupart du gaz sous pression provient d'une colonne de distillation (14).

6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel au moins 80 % du gaz sous pression provient d'une colonne de l'appareil.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel on rajoute le liquide d'appoint au débit soutiré en amont ou en aval d'un moyen de pressurisation (25).

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide à séparer se condense au moins partiellement dans l'échangeur (9) où se vaporise le liquide soutiré de l'étape (ii).

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dépendantes de la revendication 2, dans lequel on refroidit le gaz d'appoint dans l'échangeur (9) où se vaporise le liquide soutiré de l'étape (ii).

10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on ne produit aucun produit final sous forme liquide.

11. Installation de production d'un débit de gaz sous pression par distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation (13, 14), un échangeur de chaleur (9), des moyens (1A, 1B, 1C) pour envoyer un fluide à séparer par distillation à une colonne de distillation (13, 14), des moyens (31) pour soutirer un liquide d'une colonne de distillation (14), des moyens pour envoyer le liquide soutiré à l'échangeur de chaleur (9) pour réchauffer le liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend :

- des moyens (27) pour rajouter un liquide d'appoint au liquide soutiré en amont de l'échangeur et des moyens pour envoyer le mélange ainsi formé à l'échangeur (9) afin de former le gaz sous pression.

12. Installation selon la revendication 11 comprenant des moyens (20) pour envoyer un gaz d'appoint provenant d'une source extérieure à l'échangeur (9) afin de refroidir le gaz d'appoint et des moyens (21, 23) pour liquéfier le gaz d'appoint refroidi au moins partiellement pour former le liquide d'appoint.

13. Installation selon la revendication 11 ou 12, dans laquelle le liquide soutiré est un liquide enrichi en oxygène, en azote ou en argon.

14. Installation selon la revendication 11, 12 ou 13, dans laquelle les moyens pour soutirer un liquide sont reliés à la colonne basse pression (14) d'une double colonne de distillation d'air (12).

15. Installation selon l'une des revendications 11 à 14, dans laquelle les moyens pour envoyer le liquide soutiré à l'échangeur sont reliés à un moyen de pressurisation (25) en amont de l'échangeur.

16. Installation selon la revendication 15, dans laquelle les moyens pour rajouter du gaz d'appoint liquéfié au liquide soutiré sont reliés aux moyens pour envoyer le liquide soutiré à l'échangeur en aval ou en amont des moyens de pressurisation (25).

17. Installation selon l'une des revendications 11 à 16, dans laquelle les moyens (1A, 1B, 1C) pour envoyer le fluide à séparer à une colonne traversent au moins partiellement l'échangeur (9).

Dessins