EP1623172B1 - Procede et installation de production de gaz de l`air sous pression par distillation cryogenique d`air - Google Patents

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EP1623172B1
EP1623172B1 EP04742833.9A EP04742833A EP1623172B1 EP 1623172 B1 EP1623172 B1 EP 1623172B1 EP 04742833 A EP04742833 A EP 04742833A EP 1623172 B1 EP1623172 B1 EP 1623172B1
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EP
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air
turbine
column
supercharger
exchange line
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Patrick Le Bot
Olivier Decayeux
Frédéric Judas
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2240/42—Expansion without extracting work, i.e. isenthalpic throttling, e.g. JT valve, regulating valve or venturi, or isentropic nozzle, e.g. Laval the fluid being air

Definitions

  • the present invention relates to a method and an installation for producing gas from pressurized air by cryogenic distillation of air.
  • Some processes such as those described in EP-A-0 504 029 , produce oxygen under high pressure (> 15 bar) using a single compressor to compress air at a pressure well above the pressure of the medium pressure column.
  • US Patent 5475980 discloses a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus according to the preamble of claim 15.
  • Temperatures are considered to be close if they differ at most 10 ° C, preferably at most 5 ° C.
  • the exchange line is the main heat exchanger where the gases produced by the column system are heated and where the air for distillation is cooled.
  • An object of the invention is to propose an alternative for producing process diagrams making it possible to improve the energy performances by compared to type 1 processes while keeping a lower exchange volume requirement than cold compression type 2 schemes as described above.
  • the turbine constituting the drive device or forming part thereof may be an air expansion turbine, in particular an insufflation turbine, or a nitrogen expansion turbine.
  • the air is compressed to a pressure of about 15 bar in a compressor (not shown) and is then purified to remove impurities (not shown).
  • the purified air is supercharged at a pressure of about 18 bar in a booster 5.
  • the supercharged air cools by heat exchange with a refrigerant such as water and is sent to the hot end of the exchange line 9. All the air cools down to an intermediate temperature of the exchange line and then the air is split in two.
  • a first portion of the air 11 comprising between 10% and 50% of the air flow under high pressure is sent to a booster 23 sucking at a cryogenic temperature.
  • the supercharged air is then sent to the exchange line, without being cooled at the outlet of the booster, at a pressure of about 31 bar, continues cooling and liquefies in particular by heat exchange with a flow of liquid oxygen pumped 25 which pseudo vaporizes.
  • the remainder of the air 13 comprising between 50 and 90% of the high-pressure air cools to a temperature lower than the suction temperature of the booster 23 and is expanded in a Claude turbine 17 and sent to the middle column pressure, thus constituting the only flow of gaseous air sent to the double column.
  • a nitrogen-enriched gas flow 31 from the medium pressure column 100 heats up in the exchange line, leaves at a temperature higher than the inlet temperature of the Claude 17 turbine and is sent to an expansion turbine 119.
  • Nitrogen expanded substantially at low pressure and substantially at the temperature of the cold end of the exchange line is reintroduced into the exchange line where it heats up or joins a nitrogen-enriched gas 33 withdrawn from the lower column. pressure and the nitrogen flow formed 29 is heated through completely the exchange line.
  • the nitrogen turbine 119 is coupled to the cold booster 23 while the Claude turbine 17 is coupled to the hot booster 5.
  • the expansion turbine 119 is not an essential element of the invention and the drive of the cold booster 23 can be replaced by an electric motor. Similarly, the expansion turbine 119 may be replaced by an air expansion turbine.
  • the column system of the Figure 1 and all the figures is a conventional air separation apparatus consisting of a medium pressure column 100 thermally connected with a low pressure column 200 by means of a bottom reboiler of the low pressure column heated by an average nitrogen flow pressure. Other types of reboiling can obviously be considered.
  • the medium pressure column 100 operates at a pressure of 5.5 bar but can operate at a higher pressure.
  • the gaseous air 35 from the turbine 17 is sent to the bottom of the medium pressure column 100.
  • the liquefied air 37 is expanded in the valve 39, divided in two, a part being sent to the medium pressure column 100 and the rest to the low pressure column 200.
  • Rich liquid 51, lower lean liquid 53 and upper lean liquid 55 are sent from medium pressure column 100 to low pressure column 200 after expansion steps in the valves and subcooling.
  • Oxygen enriched fluids 57 and nitrogen enriched 59 are optionally withdrawn as final products of the double column.
  • Oxygen-enriched liquid is pressurized by the pump 500 and sent as a pressurized liquid to the exchange line 9.
  • other liquids, pressurized or otherwise such as other liquid oxygen different pressure, liquid nitrogen and liquid argon, can vaporize in the exchange line 9.
  • Residual nitrogen 27 is withdrawn at the top of the low pressure column and is heated in the exchange line 9, after being used to subcool the reflux liquids 51, 53, 55.
  • the column may optionally produce argon by treating a flow rate withdrawn in low pressure column 200.
  • a part 41 of the non-superpressurized high pressure air in the booster 23 can be liquefied in the exchange line by heat exchange with the vaporizing oxygen, is relaxed in a valve 43 to the medium pressure and mixes with the liquefied air 37. It will be understood that if the air is at supercritical pressure at the outlet of the booster 5, the liquefaction will take place only after relaxation in the valves 39, 43.
  • the Figure 2 differs from the Figure 1 in that there is no withdrawal of nitrogen medium gas pressure at the head of the medium pressure column 100.
  • the medium pressure nitrogen turbine 119 is replaced by a blowing turbine 119A. Part 61 of the air coming from the Claude turbine 17 is sent to the blowing turbine and the air expanded in the turbine 119A is sent to the low pressure column 200.
  • the hot booster 5 is still coupled to the turbine Claude but the cold booster 23 is coupled to the blowing turbine.
  • the expansion valves of the liquid air are also different in the Figure 2 since the liquid flow rates are only relaxed after the division to form the flow rates for the medium pressure and low pressure columns.
  • This kind of process is more suitable for producing low purity oxygen.
  • the Figure 3 looks like Figures 1 and 2 but does not include any turbine apart from the Claude turbine.
  • the cold booster 23 is coupled to a motor 61 and the hot booster 5 is coupled to the turbine Claude.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé et à une installation de production de gaz de l'air sous pression par distillation cryogénique d'air.
  • Certains procédés (type 1), tels que ceux décrits dans EP-A- 0 504 029 , produisent de l'oxygène sous haute pression (> 15 bars) en utilisant un seul compresseur pour comprimer l'air à une pression bien supérieure à la pression de la colonne moyenne pression.
  • Ces procédés sont adaptés à un contexte dans lequel l'investissement prime, car ils souffrent d'une consommation d'énergie très importante lorsque aucune production de liquide n'est requise.
  • D'autres procédés (type 2) utilisant une haute pression d'air unique pour produire de l'oxygène gazeux sous pression sont divulgués dans US-A- 5 475 980 et présentent une meilleure énergie spécifique pour la production d'oxygène gazeux sous haute pression et sans production de liquide (ou avec une faible production de liquide. Ils utilisent la compression cryogénique d'air sous pression au moyen d'une soufflante liée mécaniquement à une turbine de détente.
  • US-A-5475980 décrit un procédé selon le préambule de la revendication 1 et un appareil selon le préambule de la revendication 15.
  • Néanmoins cet avantage énergétique est contrebalancé par un investissement nettement supérieur à ceux du type 1, car c'est un procédé coûteux en volume d'échangeur. En effet, généralement une forte fraction du débit d'air principal (60 % à 80 %) est soumise à compression cryogénique adiabatique avant d'être réintroduite dans la ligne d'échange principale.
  • Finalement, ces types de procédé paraissent avoir un intérêt économique, et le choix s'effectuera en fonction de la valorisation de l'énergie, disponible à faible ou fort coût.
  • Dans ce document, le terme « condensation » comprend la pseudo-condensation et le terme « vaporisation » comprend la pseudo-vaporisation.
  • Des températures sont considérées comme étant proches si elles diffèrent au plus 10°C, de préférence d'au plus 5°C.
  • La ligne d'échange est l'échangeur principal où se réchauffent les gaz produits par le système de colonnes et où se refroidit l'air destiné à la distillation.
  • Un but de l'invention est de proposer une alternative pour réaliser des schémas de procédé permettant d'améliorer les performances énergétiques par rapport aux procédés du type 1 tout en gardant un besoin en volume d'échange inférieur à celui des schémas du type 2 à compression froide tels que décrits ci-dessus.
  • Selon l'invention, seule une fraction de l'air (la fraction se liquéfiant au bout froid) subit une compression cryogénique, ce qui minimise l'augmentation du volume de l'échangeur. Cela permet cependant de réduire très sensiblement la pression d'air principale, puisque l'air en sortie du booster cryogénique reste à une pression suffisante pour permettre la vaporisation d'oxygène.
  • Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé selon la revendication 1. Selon d'autres aspects facultatifs :
    • l'air surpressé dans le surpresseur chaud ensuite se refroidit dans la ligne d'échange.
    • une partie de l'air provenant du surpresseur chaud est envoyée à la turbine Claude à la pression de sortie du surpresseur chaud.
    • une partie de l'air provenant du surpresseur chaud se refroidit dans la ligne d'échange, est détendue, liquéfiée et envoyée à au moins une colonne du système de colonnes.
    • tout l'air provenant du surpresseur chaud est envoyé uniquement à la turbine Claude ou à la turbine Claude et au surpresseur froid.
    • tout l'air gazeux destiné à la distillation provient de la turbine et éventuellement d'une autre turbine de détente de l'air.
    • tout l'air surpressé dans le surpresseur froid se refroidit dans la ligne d'échange, est détendu, liquéfié et envoyé à au moins une colonne du système de colonnes.
    • un débit gazeux enrichi en azote provenant d'une colonne du système de colonnes se réchauffe partiellement dans la ligne d'échange, est détendu dans la turbine de détente constituant le (ou faisant partie du) dispositif d'entraînement et se réchauffe dans la ligne d'échange.
    • un débit d'air se détend dans la turbine de détente constituant le (ou faisant partie du) dispositif d'entraînement et l'air détendu est envoyé à une colonne du système de colonnes, en particulier à la colonne basse pression.
    • le liquide issu des colonnes qui se vaporise est enrichi en oxygène par rapport à de l'air.
    • la température d'aspiration du surpresseur froid est proche de, de préférence sensiblement égale à, celle de vaporisation du liquide soutiré des colonnes et introduit pressurisé dans la ligne d'échange.
    • la température d'aspiration de la turbine Claude est inférieure à la température d'aspiration du surpresseur froid.
    • la température d'aspiration de la turbine constituant le ou faisant partie du dispositif d'entraînement est supérieure à la température d'aspiration du surpresseur froid.
    • tout l'air porté à une haute pression au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression est épuré à cette haute pression.
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air par distillation cryogénique selon la revendication 15.
  • La turbine constituant le dispositif d'entraînement ou formant partie de celui-ci peut être une turbine de détente d'air, en particulier une turbine d'insufflation, ou une turbine de détente d'azote.
  • L'invention sera décrit en plus de détail par rapport aux figures dont les Figures 1 et 3 représentent un appareil de séparation d'air selon l'invention. Dans la Figure 1, l'air est comprimé à une pression d'environ 15 bars dans un compresseur (non-illustré) et est ensuite épuré pour enlever les impuretés (non-illustré). L'air épuré est surpressé à une pression d'environ 18 bars dans un surpresseur 5. L'air surpressé se refroidit par échange de chaleur avec un réfrigérant tel que de l'eau et est envoyé au bout chaud de la ligne d'échange 9. Tout l'air se refroidit jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange et ensuite l'air est divisé en deux. Une première partie de l'air 11 comprenant entre 10 % et 50 % du débit d'air sous haute pression est envoyée à un surpresseur 23 aspirant à une température cryogénique. L'air surpressé est ensuite envoyé à la ligne d'échange, sans être refroidi à la sortie du surpresseur, à une pression de 31 bars environ, poursuit son refroidissement et se liquéfie en particulier par échange de chaleur avec un débit d'oxygène liquide pompé 25 qui se pseudo vaporise. Le reste de l'air 13 comprenant entre 50 et 90 % de l'air à haute pression se refroidit à une température plus basse que la température d'aspiration du surpresseur 23 et est détendu dans une turbine Claude 17 et envoyé à la colonne moyenne pression, ainsi constituant le seul débit d'air gazeux envoyé à la double colonne.
  • Un débit de gaz enrichi en azote 31 provenant de la colonne moyenne pression 100 se réchauffe dans la ligne d'échange, en sort à une température plus élevée que la température d'entrée de la turbine Claude 17 et est envoyé à une turbine de détente 119. L'azote détendu sensiblement à la basse pression et sensiblement à la température du bout froid de la ligne d'échange est réintroduit dans la ligne d'échange où il se réchauffe ou rejoint un gaz enrichi en azote 33 soutiré de la colonne basse pression et le débit d'azote formé 29 se réchauffe en traversant complètement la ligne d'échange.
  • La turbine d'azote 119 est couplée au surpresseur froid 23 alors que la turbine Claude 17 est couplée au surpresseur chaud 5.
  • La turbine de détente 119 n'est pas un élément essentiel de l'invention et l'entraînement du surpresseur froid 23 peut être remplacé par un moteur électrique. De même, la turbine de détente 119 peut être remplacée par une turbine de détente d'air.
  • Le système de colonnes de la Figure 1 et de toutes les figures est un appareil de séparation d'air classique constitué par une colonne moyenne pression 100 thermiquement reliée avec une colonne basse pression 200 au moyen d'un rebouilleur de cuve de la colonne basse pression chauffé par un débit d'azote moyenne pression. D'autres types de rebouillage peuvent évidemment être envisagés.
  • La colonne moyenne pression 100 opère à une pression de 5,5 bars mais peut opérer à une pression plus élevée.
  • L'air gazeux 35 provenant de la turbine 17 est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 100.
  • L'air liquéfié 37 est détendu dans la vanne 39, divisé en deux, une partie étant envoyée à la colonne moyenne pression 100 et le reste à la colonne basse pression 200.
  • Du liquide riche 51, du liquide pauvre inférieur 53 et du liquide pauvre supérieur 55 sont envoyés depuis la colonne moyenne pression 100 vers la colonne basse pression 200 après des étapes de détente dans les vannes et de sous-refroidissement.
  • Des liquides enrichis en oxygène 57 et enrichis en azote 59 sont éventuellement soutirés comme produits finaux de la double colonne.
  • Du liquide enrichi en oxygène est pressurisé par la pompe 500 et envoyé comme liquide pressurisé 25 vers la ligne d'échange 9. Alternativement ou additionnellement, d'autres liquides, pressurisés ou non, tel que d'autres débits d'oxygène liquide à une pression différente, de l'azote liquide et de l'argon liquide, peuvent se vaporiser dans la ligne d'échange 9.
  • De l'azote résiduaire 27 est soutiré en tête de la colonne basse pression et se réchauffe dans la ligne d'échange 9, après avoir servi à sous-refroidir les liquides de reflux 51, 53, 55.
  • La colonne peut éventuellement produire de l'argon en traitant un débit soutiré en colonne basse pression 200.
  • En variante, comme l'on voit en pointillés, une partie 41 de l'air haute pression non-surpressé dans le surpresseur 23 peut se liquéfier dans la ligne d'échange par échange de chaleur avec l'oxygène qui se vaporise, est détendu dans une vanne 43 jusqu'à la moyenne pression et se mélange avec l'air liquéfié 37. Il sera compris que si l'air est à pression supercritique en sortie du surpresseur 5, la liquéfaction n'aura lieu qu'après détente dans les vannes 39, 43.
  • La Figure 2 diffère de la Figure 1 en ce qu'il n'y a aucun soutirage d'azote moyenne pression gazeuse en tête de la colonne moyenne pression 100. La turbine d'azote moyenne pression 119 est remplacée par une turbine d'insufflation 119A. Une partie 61 de l'air provenant de la turbine Claude 17 est envoyée à la turbine d'insufflation et l'air détendu dans la turbine 119A est envoyé à la colonne basse pression 200.
  • Le surpresseur chaud 5 est toujours couplé à la turbine Claude mais le surpresseur froid 23 est couplé à la turbine d'insufflation.
  • Les vannes de détente de l'air liquide sont également différentes dans la Figure 2 du fait que les débits liquides ne sont détendus qu'après la division pour former les débits destinés aux colonnes moyenne pression et basse pression.
  • Comme pour la Figure 1, il est possible de refroidir une partie de l'air haute pression par échange de chaleur avec l'oxygène, de sorte que deux débits d'air se liquéfient dans la ligne d'échange, permettant d'optimiser le bilan de chaleur.
  • Ce genre de procédé est plus adapté à la production d'oxygène à basse pureté.
  • La Figure 3 ressemble aux Figures 1 et 2 mais ne comprend aucune turbine à part la turbine Claude. Le surpresseur froid 23 est couplé à un moteur 61 et le surpresseur chaud 5 est couplé à la turbine Claude.

Claims (16)

  1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes (100,200) comprenant une double colonne ou une triple colonne, la colonne (100) opérant à la pression la plus élevée opérant à une pression dite moyenne pression dans lequel :
    a) tout l'air est porté à une haute pression au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression.
    b) une partie (11) de l'air, comprenant entre 10 % et 50 % du débit d'air sous haute pression, est soutirée de la ligne d'échange (9), à une température proche de la température de (pseudo) vaporisation du liquide, surpressée à partir d'au moins la haute pression au moyen d'un surpresseur froid (23), puis est renvoyée dans la ligne d'échange, et au moins une partie se liquéfie au bout froid de la ligne d'échange, puis est envoyée dans au moins une colonne du système de colonnes après détente.
    c) une autre fraction (13) de l'air à au moins la haute pression, constituant éventuellement le reste de l'air à haute pression, est détendue dans une turbine Claude (17) puis envoyée dans la colonne moyenne pression.
    d) au moins un débit liquide (25) est soutiré d'une des colonnes (200) du système de colonnes, pressurisé, et se vaporise dans la ligne d'échange.
    e) le surpresseur froid est couplé à un dispositif d'entraînement parmi :
    i) une turbine de détente (119, 119A)
    ii) un moteur électrique (61)
    iii) une combinaison d'une turbine de détente et d'un moteur électrique caractérisé en ce que tout l'air à distiller est surpressé à une pression supérieure à la haute pression dans un surpresseur chaud (5), lequel est couplé à la turbine Claude.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'air surpressé dans le surpresseur chaud (5) ensuite se refroidit dans la ligne d'échange (9).
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel une partie (13) de l'air provenant du surpresseur chaud (5) est envoyée à la turbine Claude (17) à la pression de sortie du surpresseur chaud.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel une partie (41) de l'air provenant du surpresseur chaud (5) se refroidit dans la ligne d'échange, est détendue, liquéfiée et envoyée à au moins une colonne du système de colonnes.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel tout l'air provenant du surpresseur chaud (5) est envoyé uniquement à la turbine Claude (17) ou à la turbine Claude et au surpresseur froid (23).
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout l'air gazeux destiné à la distillation provient de la turbine Claude (17) et éventuellement d'une autre turbine de détente de l'air.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout l'air surpressé dans le surpresseur froid (5) se refroidit dans la ligne d'échange, est détendu, liquéfié et envoyé à au moins une colonne du système de colonnes (100,200).
  8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit gazeux enrichi en azote (31) provenant d'une colonne (100) du système de colonnes se réchauffe partiellement dans la ligne d'échange (9), est détendu dans la turbine de détente (119) constituant le ou faisant partie du dispositif d'entraînement et se réchauffe dans la ligne d'échange.
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit d'air (61) se détend dans la turbine de détente (119A) constituant le ou faisant partie du dispositif d'entraînement et l'air détendu est envoyé à une colonne du système de colonnes, en particulier à la colonne basse pression (200).
  10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide (25) issu des colonnes qui se vaporise est enrichi en oxygène par rapport à de l'air.
  11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'aspiration du surpresseur froid (23) est proche de, de préférence sensiblement égale à, celle de vaporisation du liquide (25) soutiré des colonnes et introduit pressurisé dans la ligne d'échange.
  12. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'aspiration de la turbine Claude (17) est inférieure à la température d'aspiration du surpresseur froid (23).
  13. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la température d'aspiration de la turbine (17) constituant le ou faisant partie du dispositif d'entraînement est supérieure à la température d'aspiration du surpresseur froid (23).
  14. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout l'air porté à une haute pression au moins 5 à 10 bars au-dessus de la moyenne pression est épuré à cette haute pression.
  15. Installation de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant :
    a) une ligne d'échange de chaleur (9)
    b) une double ou triple colonne de séparation d'air (100,200) dont la colonne opérant à la pression la plus élevée opère à une moyenne pression
    c) une turbine Claude (17)
    d) un surpresseur chaud (5) couplé à la turbine Claude
    e) un surpresseur froid (23)
    f) un dispositif d'entraînement du surpresseur froid constitué par une turbine (119,119A), un moteur électrique (61) ou une combinaison des deux,
    g) des moyens pour envoyer de l'air comprimé destiné à la distillation au surpresseur chaud, des moyens pour envoyer l'air surpressé à la ligne d'échange de chaleur
    h) des moyens pour soutirer de l'air surpressé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange, de préférence constituant entre 10 et 50 % de l'air comprimé, et pour l'envoyer au surpresseur froid, des moyens pour renvoyer l'air provenant du surpresseur froid à la ligne d'échange et des moyens pour sortir l'air provenant du surpresseur froid du bout froid de la ligne d'échange, pour le détendre et pour l'envoyer dans au moins une colonne du système de colonnes
    i) des moyens pour sortir une partie de l'air à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange et pour l'envoyer à la turbine Claude et
    j) des moyens pour envoyer un liquide à vaporiser depuis la double ou triple colonne dans la ligne d'échange
    caractérisée en ce que les moyens de g) sont des moyens pour envoyer tout l'air destiné à la distillation au surpresseur chaud, en ce que les mooyens de h) sont des moyens pour soutirer une première partie de l'air surpressé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange et pour l'envoyer au surpresseur froid et en ce que des moyens de i) sont des moyens pour sortir une deuxième partie de l'air surpressé à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange et pour l'envoyer à la turbine Claude.
  16. Installation selon la revendication 15 dans laquelle la turbine constituant le dispositif d'entraînement ou formant partie de celui-ci est une turbine de détente d'air, en particulier une turbine d'insufflation (119A), ou une turbine de détente d'azote (119).
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