La présente invention concerne un procédé de distillation d'air, du type comprenant les étapes consistant à :
Un tel procédé est décrit dans EP-A-0509871.
Dans un procédé du type précité, le premier fluide enrichi en oxygène est par exemple de l'oxygène impur utilisé pour assurer la gazéification de charbon pour former un combustible alimentant une turbine à gaz.
De telles applications requièrent des quantités très importantes d'oxygène.
Il est donc souhaitable de fournir des installations de distillation d'air de capacités importantes.
Toutefois, il faut également veiller à ce que les coûts globaux liés au fonctionnement de ces installations soient réduits.
Un but de l'invention est donc de fournir un procédé de distillation d'air du type précité qui permette de fournir des débits relativement importants de premier fluide enrichi en oxygène et/ou de premier fluide enrichi en azote, et dont la mise en oeuvre induise des coûts réduits.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on utilise au moins deux doubles colonnes de distillation et au moins deux colonnes argon qui fonctionnent en parallèle pour distiller de l'air en formant au moins deux fluides enrichis en argon, en ce qu'on mélange les fluides enrichis en argon en aval des deux colonnes argon, et en ce qu'au moins un élément choisi parmi le groupe consistant en le compresseur, l'unité de désoxygénation et l'unité de dessiccation est un élément commun qu'on utilise pour comprimer ou désoxygéner ou dessiquer de manière commune les fluides mélangés.
Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
L'invention a en outre pour objet une installation de distillation d'air comprenant :
Selon des modes particuliers de réalisation, l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
Dans ce qui suit, les teneurs données sous forme de pourcentage sont des teneurs molaires.
La figure 1 illustre schématiquement une installation 1 de distillation d'air qui comprend essentiellement :
Les appareils 2A et 2B ont des structures analogues. Dans tout ce qui suit, les références utilisées pour désigner des éléments correspondants de ces deux appareils porteront donc la même référence numérique suivie soit du suffixe A soit du suffixe B. En raison de cette analogie de structure, seuls les éléments et les raccordements essentiels de l'appareil 2B ont été représentés sur la figure 1 et seuls la structure et le fonctionnement de l'appareil 2A seront décrits par la suite.
L'appareil de distillation 2A comprend essentiellement :
L'air à distiller est comprimé par le compresseur 24A, épuré par l'unité 26A, refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée par l'échangeur principal 28A puis introduit en cuve de la colonne 8A.
Du "liquide riche" LR (air enrichi en oxygène), soutiré en cuve de la colonne 8A est sous-refroidi dans l'échangeur auxiliaire 30A puis divisé en deux flux. Un premier de ces flux est détendu dans une vanne 34A puis introduit à un premier niveau intermédiaire de la colonne 10A.
Le second flux du liquide riche LR est envoyé vers le vaporiseur-condenseur 16A de la colonne argon 14A où il est vaporisé. Ce liquide riche LR vaporisé est renvoyé vers un deuxième niveau intermédiaire de la colonne à pression inférieure 10A. Ce deuxième niveau intermédiaire est disposé sous le premier niveau intermédiaire.
De l'azote impur (ou résiduaire) NR est prélevé en tête de la colonne à pression inférieure 10A puis réchauffé, dans un premier temps, à la traversée de l'échangeur auxiliaire 30A et, dans un deuxième temps, à la traversée de l'échangeur principal 28A.
Du "liquide pauvre" LP (azote à peu près pur), prélevé en tête de la colonne 8A, est divisé en deux flux dont un premier est sous-refroidi dans l'échangeur auxiliaire 30A puis détendu dans une vanne 36A et enfin introduit au sommet de la colonne à pression inférieure 10A.
Le second flux de liquide pauvre LP est envoyé vers le vaporiseur-condenseur 22A de tête de la colonne de déazotation 18A où il est vaporisé. Le liquide pauvre LP vaporisé et issu du vaporiseur-condenseur 22A est mélangé à l'azote impur NR en amont de l'échangeur 30A.
De l'oxygène gazeux OG est soutiré en cuve de la colonne à pression inférieure 10A puis réchauffé à la traversée de l'échangeur principal 28A à la sortie duquel il est distribué par une conduite de production 38A, comme premier produit de distillation. Il peut s'agir par exemple d'oxygène pur, c'est-à-dire de pureté comprise entre 99 et 99,8 %.
Un gaz contenant principalement de l'oxygène et de l'argon est soutiré par une conduite 39A d'un troisième niveau intermédiaire de la colonne à pression inférieure 10A. Ce troisième niveau intermédiaire, situé en-dessous du deuxième niveau intermédiaire, correspond de manière classique au ventre argon que forme le profil de la composition en argon dans le mélange gazeux à l'intérieur de la colonne 10A. Ainsi, le gaz soutiré contient par exemple environ 90 % d'oxygène, 10 % d'argon et moins de 2000 ppm d'azote. Il s'agit donc d'un gaz riche en argon par rapport à l'air qui n'en contient qu'environ 0,9 %.
Ce gaz riche en argon est introduit en cuve de la colonne argon 14A. Cette colonne 14A assure la distillation de ce gaz et produit en cuve un liquide principalement composé d'oxygène qui est renvoyé, par une conduite 40A, vers le troisième niveau intermédiaire de la colonne à pression inférieure 10A. La colonne 14A produit en tête un gaz enrichi en argon qui contient majoritairement de l'argon, typiquement 95 %, de l'azote, typiquement 3 %, et de l'oxygène, typiquement 2 %.
Le reflux dans la colonne 14A est assuré par condensation du gaz de tête dans le vaporiseur-condenseur 16A puis renvoi de ce gaz condensé dans la colonne 14A. Cette condensation est assurée par vaporisation d'une partie du liquide riche LR préalablement sous-refroidi, comme cela a été décrit précédemment.
Le gaz enrichi en argon issu de la colonne argon 14A est réchauffé dans l'échangeur auxiliaire 32A puis mélangé en un point 41 au gaz enrichi en argon issu de la colonne argon 14B et qui a été préalablement réchauffé dans un échangeur auxiliaire 328.
Les deux gaz ainsi mélangés forment alors un seul flux qui est introduit dans l'appareil 3 de désoxygénation et de dessiccation.
Cet appareil 3 comprend essentiellement, raccordés en série :
Le mélange de gaz est comprimé par le compresseur 42 puis refroidi dans le dispositif 44. De l'hydrogène est alors ajouté, au moyen d'une conduite unique 54, au mélange comprimé et refroidi, avant introduction dans l'unité de désoxygénation 46.
Cette unité de désoxygénation 46 comprend un réacteur chimique sous forme d'une capacité métallique contenant un lit de catalyseur. L'oxygène contenu dans le mélange comprimé et refroidi réagit avec l'hydrogène ajouté pour former de l'eau.
Le mélange ainsi désoxygéné et contenant de l'eau est ensuite refroidi dans le dispositif 48 puis envoyé vers le séparateur 51, qui est par exemple un pot séparateur, où l'eau liquide contenue dans le mélange est éliminée. Le gaz issu du séparateur 51 est ensuite envoyé vers le dispositif 52 de dessiccation par adsorption qui comprend typiquement des bouteilles remplies d'alumine et raccordées en parallèle au séparateur 51. Le flux unique de gaz issu du séparateur 51 est envoyé alternativement vers l'une ou l'autre des bouteilles, la bouteille dans laquelle le flux ne circule pas étant en phase de régénération. Le flux unique de gaz issu de l'unité 50 contient donc essentiellement de l'argon et de l'azote, l'oxygène et l'eau ayant été éliminés.
Ce gaz sort de l'appareil 3 puis est divisé, en un point 54, en deux flux dont un premier est envoyé vers l'appareil de distillation 2A et un second envoyé vers l'appareil de distillation 2B. On notera que le débit du flux envoyé vers l'appareil 2A, respectivement 2B, est sensiblement égal au débit d'argon et d'oxygène soutiré de la colonne 14A, respectivement 14B, via le gaz enrichi correspondant.
Le flux de gaz renvoyé vers l'appareil 2A est refroidi dans l'échangeur de chaleur 32A puis condensé dans le vaporiseur 20A de cuve de la colonne de déazotation 18A. Le liquide ainsi obtenu est détendu dans une vanne 56A et enfin introduit à un niveau intermédiaire de la colonne 18A. La condensation précitée assure la vaporisation, par le vaporiseur 20A, du liquide de cuve de la colonne de déazotation 18A. Le reflux dans la colonne 18A est assuré par condensation de son gaz de tête dans le vaporiseur-condenseur 22A. Cette condensation est assurée grâce à la vaporisation d'une partie du liquide pauvre LP, comme décrit précédemment.
La colonne 18A produit en tête un gaz contenant majoritairement de l'azote qui est canalisé par une conduite 57A pour être mélangé au liquide vaporisé par le vaporiseur-condenseur 22A, avant le mélange de ce liquide LP vaporisé à l'azote impur NR.
Une conduite 58A permet de soutirer de l'argon liquide pur en cuve de la colonne de déazotationdéazotation 18A. Typiquement cet argon contient entre 1 et 10 ppm d'oxygène et/ou d'azote.
Les conduites 58A et 58B sont raccordées à une conduite de production commune 60 pour mélanger les deux liquides soutirés des colonnes 18A et 18B et récupérer l'argon en tant que deuxième produit de la distillation.
Dans l'installation 1, l'utilisation de deux doubles colonnes 6A et 6B en parallèle permet de produire un débit important d'oxygène gazeux OG.
Par ailleurs, l'utilisation, pour chaque double colonne de distillation 6A et 6B, d'une colonne de déazotation 18A mais surtout d'une colonne argon 14A dédiées permet de limiter les problèmes de régulation du fonctionnement de chacune de ces colonnes: En particulier, cette régulation s'avère beaucoup plus simple et moins coûteuse que si une seule colonne argon et/ou une seule colonne de déazotation étaient utilisées de manière commune pour les deux doubles colonnes de distillation 6A et 6B.
On notera que pour assurer que les colonnes 14 et 18 fonctionnent bien comme des colonnes dédiées, des vannes pilotables (non-représentées) sont prévues, notamment en amont et en aval des points de mélange 41 et de division 54. Ces vannes permettent d'assurer que les débits des fluides alimentant les colonnes 14 et 18 et soutirés de celles-ci sont tels que les fonctionnements des appareils 2A et 2B sont sensiblement les mêmes que s'ils fonctionnaient chacun seul.
L'appareil 3 étant commun aux deux appareils de distillation d'air 2A et 2B, les investissements correspondants sont donc réduits.
Ainsi, le procédé mis en oeuvre par l'installation 1 engendre globalement des investissements et des coûts de régulation relativement réduits.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré par la figure 2, les échangeurs de chaleur auxiliaires 32A et 32B sont remplacés par un échangeur commun 32 qui appartient à l'appareil 3. L'échangeur 32 est situé en aval du point de mélange 41 et en amont du point de division 54.
Cet échangeur de chaleur 32 est traversé par, d'une part, les gaz enrichis issus des colonnes argon 14A et 14B et préalablement mélangés pour former un flux unique, et, d'autre part, par le flux unique de gaz désoxygéné et dessiqué provenant de l'unité 50 de dessiccation.
Ce deuxième mode de réalisation permet de réduire encore plus les investissements requis.
Selon d'autres modes de réalisation non représentés, le compresseur 42, les dispositifs de refroidissement 44 et 48, l'unité de désoxygériation 46, le séparateur de phase 51 et le dispositif 52 peuvent être remplacés, respectivement, par deux éléments correspondants dont l'un est dédié à l'appareil 2A et l'autre à l'appareil 2B. Toutefois, on veillera à utiliser au moins un compresseur 42 commun, ou une unité de désoxygénation 46 commune, ou une unité de dessiccation 50 commune. On conçoit que ces modes de réalisation conduisent cependant à un procédé dont les coûts globaux de mise en oeuvre sont plus importants que ceux du procédé des figures 1 et 2.