EP2591300A2 - Appareil et procede de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

Appareil et procede de separation d'air par distillation cryogenique

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EP2591300A2
EP2591300A2 EP11728893.6A EP11728893A EP2591300A2 EP 2591300 A2 EP2591300 A2 EP 2591300A2 EP 11728893 A EP11728893 A EP 11728893A EP 2591300 A2 EP2591300 A2 EP 2591300A2
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EP
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column
storage
liquid
oxygen
purity
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Benoît DAVIDIAN
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2290/62—Details of storing a fluid in a tank

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for air separation by cryogenic distillation.
  • a purge liquid is sent to a storage, and a portion of the storage liquid is sent into an exchanger to be mixed with oxygen gas.
  • the storage is also powered by liquid transported by a truck, so it is a liquid oxygen injection with a supplement of external liquid, thereby vaporizing the purge with heated oxygen gas.
  • WO2010 / 017968 discloses sending an auxiliary vaporizer purge to a storage.
  • US-A-5566556 discloses an air separation process in which the bottom liquid of the low pressure column is sent to storage as a purge flow.
  • An object of the present invention is to value the frigories of the waste flows and to reduce the investment of the apparatus.
  • oxygen is withdrawn from the column system and sent to a customer, possibly after vaporization in an auxiliary vaporizer other than the heat exchanger,
  • an oxygen-rich liquid flow having a second oxygen purity, optionally less than 98 mol% of oxygen is sent to a storage from an external source and / or the column system,
  • v) liquid is occasionally withdrawn from the storage and sent to a backup vaporizer to produce a backup product in case of stopping the column system or increased oxygen requirements of a customer
  • the flow rate having the first purity is withdrawn in liquid form and is vaporized in the heat exchanger.
  • the third storage purity liquid flow is sent only if the liquid level in the storage is above a given threshold.
  • the liquid flow is withdrawn from the auxiliary vaporizer.
  • the liquid flow having a third purity is sent to the storage only if no air flow is sent to the column system.
  • the column system comprising a double column constituted by a medium pressure column and a low pressure column and optionally an argon column or a column fed by the medium pressure column operating at an intermediate pressure between the medium pressure and the low pressure and the liquid having the third purity comes from at least the tank of the argon column and / or the column operating at the intermediate pressure and / or the low pressure column and / or the medium pressure column.
  • the liquid having the third purity comes solely from at least one column of the system.
  • the liquid having the third purity comes from at least the auxiliary vaporizer.
  • the liquid having the third purity comes solely from the auxiliary vaporizer.
  • a cryogenic distillation air separation apparatus comprising a column system comprising a medium pressure column and a low pressure column and optionally an intermediate pressure column or an argon column, a supply line for supplying compressed, purified and cooled air to the column system, a product line for withdrawing a high oxygen flow rate from the column low pressure column system and to send it to a customer, possibly after vaporization in an auxiliary vaporizer, a storage, a backup vaporizer connected to the storage, a conduit for supplying the storage with an oxygen-rich liquid and a filling line connected to the storage and to the medium pressure column vessel and / or to the vessel of the intermediate pressure column and / or the tank of the argon column.
  • the apparatus comprises: means for controlling the delivery of liquid from a column vessel of the column system through the filling line to storage, which means is controlled according to the liquid level in the storage.
  • the apparatus does not include a dedicated vaporizer for the vaporization of a purge flow of the medium pressure column and / or the intermediate pressure column and / or the argon column, if appropriate.
  • the purge can compensate the evaporation losses in the storage and the excess is vaporized in the system of the emergency vaporization (without recovery of frigories in the cold box).
  • the invention is intended to send a purge flow to a storage of liquid oxygen, possibly using a pump according to its pressure.
  • a flow rich in oxygen contains at least 75 mol%. oxygen.
  • the transfer pump may also be that used for the transfer of liquid oxygen production, if any.
  • the emergency spray is not used (the client does not consume) and the vaporization of the liquid in the storage will promote the evacuation of nitrogen (lighter) and therefore the oxygen concentrate.
  • a flow of compressed and purified air 1 is cooled in a heat exchanger 3 and divided into three.
  • a flow 7 is withdrawn from the exchanger at an intermediate level, expanded in a turbine 9 and sent to a low pressure column 13 of a double column in gaseous form.
  • Another flow 5 after having been supercharged in the compressor A liquefies in the heat exchanger 3, is expanded in a valve January 1 and sent to the medium pressure column 1 3.
  • a third flow B sent directly into the column medium pressure.
  • Flow rates enriched with nitrogen and oxygen are sent from the medium pressure column to the low pressure column in a known manner.
  • the liquid oxygen accumulates around the reboiler 17.
  • An oxygen flow 19 containing less than 98% of oxygen is withdrawn from the tank of the low pressure column 15 and pressurized by a pressure vessel. pump 23 up to 2 bars, alternatively the compression can be hydrostatic.
  • Part of the oxygen at this pressure is sent to a vaporizer 24 where it vaporizes by heat exchange with a portion of the supply air (5 or B) which is then sent to the column.
  • a flow rate 1 21 containing impurities is withdrawn from the vaporizer 24 permanently or punctually.
  • the vaporized oxygen continues to heat up in the exchanger 3 as the flow rate 27 of low pressure oxygen.
  • the rest of the oxygen is pressurized to a pressure of 10 bar in a pump 25 and vaporizes in the exchanger 3 as flow 29. Alternately, all the oxygen can be vaporized to the lower pressure and the flow rate 29 does not exist.
  • a purge flow 21 is withdrawn from the tank of the low pressure column 15. This liquid is richer in nitrogen than would normally be the flow withdrawn in column vat since all the liquids accumulated in the packings of the column fall to the bottom of the column.
  • the purge of the vessel of the low pressure column can also be mixed with a purge of the medium pressure column withdrawn by the line 51, which is even richer in nitrogen than the flow rate withdrawn from the bottom of the low pressure column.
  • One or other of these purge rates or a mixture of both are sent to storage 31 if the liquid level measured by the LL element does not exceed a given threshold. If the liquid level is low enough, the valve 41 opens and the purge liquid is sent into the storage.
  • liquid in the storage comes from a tanker 61 or from the apparatus itself by the flow 21, which can be diverted to storage punctually.
  • the liquid in the storage from the truck has a purity of 99.5 mol%.
  • the pump 23 can be used to send the purge liquid 21 to the storage.
  • a flow of liquid oxygen is withdrawn from the storage 31 and sent to a backup vaporizer 37 heated by the water vapor, hot water, air or other fluid.

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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, un débit riche en oxygène ayant une première pureté en oxygène inférieure à 98% mol. d'oxygène est soutiré du système de colonnes (13, 15) et envoyé à un client, un débit liquide riche en oxygène ayant une deuxième pureté en oxygène éventuellement inférieure à 98% mol d'oxygène est envoyé à un stockage (31), du liquide est ponctuellement soutiré du stockage et envoyé à un vaporiseur de secours pour produire un produit de secours et on soutire un débit liquide (21, 51) ayant une troisième pureté en oxygène, inférieure à la première pureté, de la cuve d'au moins une colonne du système de colonnes et/ou du vaporiseur auxiliaire et on l'envoie au stockage en tant que débit de purge pendant un arrêt du fonctionnement du système de colonnes.

Description

Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique.
Lors d'un arrêt d'un appareil de distillation pour entretien ou dégivrage, on doit évacuer les liquides cryogéniques accumulés dans la boite froide, que l'on retrouve essentiellement en cuve de colonnes et dans les vaporiseurs à bain, Ces liquides ne peuvent pas être rejetés tels quels à l'atmosphère.
En particul ier dans le cadre d'un appareil de production cryogénique d'oxygène impur (< 98%) notamment destiné à une oxycombustion, on se propose d'envoyer l'ensemble des liquides contenus dans la boîte froide vers le stockage LOX qui alimente un vaporiseur de secours.
Ceci évite aussi d'ajouter des équipements spécifiques, tels que décrits dans EP-A-1746374 (coûteux et qui prennent de l'emprise au sol, parfois défaillants car rarement sollicités) pour gérer la purge des liquides lors des arrêts, et permet aussi de ne pas perdre les molécules d'oxygène.
La purge des liquides cryogéniques de la boite froide sont en général envoyés vers un dispositif spécifique pour les vaporiser :
• fosse à cailloux pour les très petites tailles de générateurs,
• enceinte atmosphérique qui recueille les liquides, qui vont ensuite se vaporiser lentement,
• évaporateur (chauffage et ventilation).
Dans EP-A-0605262, un liquide de purge est envoyé dans un stockage, et une partie de l iquide du stockage est envoyé dans un échangeur pour être mélangé avec de l'oxygène gazeux. Le stockage est également alimenté par du liquide transporté par un camion : il s'agit donc d'une injection d'oxygène liquide avec un appoint de liquide extérieur, permettant ainsi de vaporiser la purge avec l'oxygène gazeux réchauffé.
WO2010/017968 décrit l'envoi d'une purge de vaporiseur auxiliaire à un stockage. US-A-5566556 décrit un procédé de séparation d'air dans lequel le liquide de cuve de la colonne basse pression est envoyé à un stockage comme débit de purge.
Un but de la présente invention est de valoriser les frigories des débits résiduaires et de réduire l'investissement de l'appareil.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel :
i) tout l'air comprimé et épuré à séparer est refroidi dans un échangeur de chaleur,
ii) de l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur est envoyé à un système de colonnes,
iii) un débit riche en oxygène ayant une première pureté en oxygène inférieure à 98% mol. d'oxygène est soutiré du système de colonnes et envoyé à un client, éventuellement après vaporisation dans un vaporiseur auxiliaire autre que l'échangeur de chaleur,
iv) un débit l iqu ide riche en oxygène ayant une deuxième pureté en oxygène éventuellement inférieure à 98% mol d'oxygène est envoyé à un stockage à partir d'une source extérieure et/ou le système de colonnes,
v) du liquide est ponctuellement soutiré du stockage et envoyé à un vaporiseur de secours pour produire un produit de secours en cas d'arrêt du système de colonnes ou de besoins accrus en oxygène d'un client,
vi) on soutire un débit liquide ayant une troisième pureté en oxygène de la cuve d'au moins une colonne du système de colonnes et/ou du vaporiseur auxiliaire, s'il est présent, et on l'envoie au stockage en tant que débit de purge, caractérisé en ce que l'on envoie le débit liquide au stockage pendant un arrêt du fonctionnement du système de colonnes et éventuellement pendant le redémarrage des colonnes, la troisième pureté en oxygène étant inférieure à la première.
Selon d'autres aspects optionnels :
- le débit ayant la première pureté est soutiré sous forme liquide et est vaporisé dans l'échangeur de chaleur. - on envo ie l e d ébit liquide ayant la troisième pureté au stockage uniquement si le niveau de liquide dans le stockage est supérieur à un seuil donné.
- le débit liquide est soutiré du vaporiseur auxiliaire.
- le débit liquide ayant une troisième pureté est envoyé au stockage uniquement si aucun débit d'air n'est envoyé au système de colonnes.
- le système de colonnes comprenant une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et éventuellement une colonne d'argon ou une colonne alimentée par la colonne moyenne pression opérant à une pression intermédiaire entre la moyenne pression et la basse pression et le liquide ayant la troisième pureté provient au moins de la cuve de la colonne argon et/ou de la colonne opérant à la pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression et/ou de la colonne moyenne pression.
- le liquide ayant la troisième pureté provient uniquement d'au moins une colonne du système.
- le liquide ayant la troisième pureté provient au moins du vaporiseur auxiliaire.
- le liquide ayant la troisième pureté provient uniquement du vaporiseur auxiliaire.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et éventuellement une colonne à pression intermédiaire ou une colonne argon, une conduite d'alimentation pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi au système de colonnes, une conduite de produit pour soutirer un débit riche en oxygène de la colonne basse pression système de colonnes et pour l'envoyer à un client, éventuellement après vaporisation dans un vaporiseur auxiliaire, un stockage, un vaporiseur de secours relié au stockage, une conduite pour alimenter le stockage avec un liquide riche en oxygène et une conduite de remplissage reliée au stockage et à la cuve de la colonne moyenne pression et/ou à la cuve de la colonne à pression intermédiaire et/ou à la cuve de la colonne argon.
Selon d'autres objets facultatifs, l'appareil comprend : des moyens pour réguler l'envoi de liquide d'une cuve de colonne du système de colonnes par la conduite de remplissage au stockage, ces moyens étant commandés en fonction du niveau de liquide dans le stockage.
des moyens pour réguler l'envoi de liquide d'une cuve de colonne du système de colonnes par la conduite de remplissage au stockage, ces moyens étant commandés en fonction du débit d'air dans la conduite d'alimentation.
une conduite de remplissage rel iant le stockage et la cuve de la colonne moyenne pression.
une condu ite de rempl issage rel iant le stockage et la cuve de la colonne argon.
Eventuellement l'appareil ne comprend pas de vaporiseur dédié pour la vaporisation d'un débit de purge de la colonne moyenne pression et/ou de la colonne à pression intermédiaire et/ou de la colonne argon, le cas échéant.
Selon l'invention, la purge peut compenser les pertes d'évaporation dans le stockage et l'excès est vaporisé dans le système de la vaporisation de secours (sans récupération des frigories dans la boite froide).
Selon l'invention, il est prévu envoyer un débit de purge vers un stockage d'oxygène liquide, éventuellement à l'aide d'une pompe en fonction de sa pression.
Un débit riche en oxygène contient au moins 75 % mol. d'oxygène.
On notera que la pompe de transfert peut être aussi celle qui est utilisée pour le transfert de la production d'oxygène liquide, le cas échéant.
Le stockage d'oxygène liquide est rempli avec de l'oxygène de qualité « industrielle marchande » qui est donc « pur » (99,5% mol.). L'envoi occasionnel d'un liquide avec une pureté moyenne nettement inférieur va polluer légèrement le stockage, qui restera :
• soit à une teneur moyenne supérieure à la demande client
• soit transitoirement à une teneur moyenne inférieure à la demande du client, ce que peut généralement accepter un client qui utilise l'oxygène dans un procédé de combustion (par exemple oxycombustion). Cette teneur inférieure sera transitoire pour deux raisons :
o soit la vaporisation de secours est utilisée (ce qui est plus le cas général lors de l'arrêt de l'unité pour continuer à fournir le client) et donc le stockage est rempli de nouveau au moyen des camions citerne avec de l'oxygène « pur »
o soit la vaporisation de secours n'est pas utilisée (le client ne consomme pas) et la vaporisation du liquide dans le stockage va favoriser l'évacuation de l'azote (plus léger) et donc le concentrer en oxygène.
Il faudra s'assurer que le stockage n'est pas complètement rempli pour permettre d'ajouter le moment venu la quantité de liquide de purge de la boite froide. La quantité de liquide de purge reste relativement faible par rapport au volume du stockage.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui illustre un appareil selon l'invention.
Dans la Figure 1 , un débit d'air comprimé et épuré 1 est refroidi dans un échangeur de chaleur 3 et divisé en trois. Un débit 7 est soutiré de l'échangeur à un niveau intermédiaire, détendu dans une turbine 9 et envoyé à une colonne basse pression 13 d'une double colonne sous forme gazeuse. Un autre débit 5, après avoir été surpressé dans le compresseur A se liquéfie dans l'échangeur de chaleur 3, est détendu dans une vanne 1 1 et envoyé à la colonne moyenne pression 1 3. Un troisième débit B en envoyé directement dans la colonne moyenne pression.
Des débits enrichis en azote et en oxygène sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression de manière connue. En cuve de la colonne basse pression 15, l'oxygène liquide s'accumule autour du rebouilleur 17. Un débit d'oxygène 19 contenant moins de 98% d'oxygène est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 15 et pressurisé par une pompe 23 jusqu'à 2 bars, alternativement la compression peut être hydrostatique. Une partie de l'oxygène à cette pression est envoyée à un vaporiseur 24 où elle se vaporise par échange de chaleur avec une partie de l'air d'alimentation (5 ou B) qui est ensuite envoyé à la colonne. U n débit de pu rge 1 21 contenant des impuretés est soutiré du vaporiseur 24 en permanence ou ponctuellement. L'oxygène vaporisé poursuit son réchauffement dans l'échangeur 3 comme débit 27 d'oxygène basse pression.
Le reste de l'oxygène est pressurisé jusqu'à une pression de 10 bars dans une pompe 25 et se vaporise dans l'échangeur 3 comme débit 29. Alternativennent tout l'oxygène peut être vaporisé jusqu'à la pression plus basse et le débit 29 n'existe pas.
Lors d'un arrêt du système (panne de compresseur principal, entretien ou dégivrage de l'appareil), un débit de purge 21 est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 15. Ce liquide est plus riche en azote que serait normalement le débit soutiré en cuve de colonne puisque tous les liquides accumulés dans les garnissages de la colonne tombent au fond de la colonne.
Ainsi le débit de purge est moins pur en oxygène que le débit pris en fonctionnement normal,
La purge de la cuve de la colonne basse pression peut également être mélangée à une purge de la colonne moyenne pression soutiré par la ligne 51 , encore plus riche en azote que le débit soutiré en cuve de la colonne basse pression. L'un ou autre de ces débits de purge ou un mélange des deux sont envoyés au stockage 31 si le niveau de liquide mesuré par l'élément LL ne dépasse pas un seuil donné. Si le niveau de liquide est suffisamment bas, la vanne 41 s'ouvre et le liquide de purge est envoyé dans le stockage.
On arrête d'envoyer du liquide de la cuve de la colonne basse pression et/ou moyenne pression lors du redémarrage de la distillation.
Il est également possible d'envoyer le liquide accumulé dans la vaporiseur 121 via le débit de purge 121 du vaporiseur au stockage 31 soit seul, mélangé avec la purge 21 , mélange avec la purge 51 ou les deux purges 21 , 51 . Ce liquide est moins riche en oxygène que le débit 21 en fonctionnement normal.
La plupart du liquide dans le stockage provient d'un camion-citerne 61 ou de l'appareil lui-même par le débit 21 , qui peut être détourné vers le stockage ponctuellement. Le liquide dans le stockage provenant du camion a une pureté de 99,5% mol.
Eventuellement la pompe 23 peut servir à envoyer le liquide de purge 21 vers le stockage.
Pour fournir le client alors que l'appareil de séparation d'air ne fonctionne pas ou ne produit pas suffisamment d'oxygène, un débit d'oxygène liquide 35 est soutiré du stockage 31 et envoyé à un vaporiseur de secours 37 chauffé par de la vapeur d'eau, de l'eau chaude, de l'air ou autre fluide.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel : i) tout l'air comprimé et épuré à séparer est refroidi dans un échangeur de chaleur (3),
ii) de l'air refroidi dans l'échangeur de chaleur est envoyé à un système de colonnes (13, 15),
iii) un débit riche en oxygène (19) ayant une première pureté en oxygène inférieure à 98% mol. d'oxygène est soutiré du système de colonnes et envoyé à un client, éventuellement après vaporisation dans un vaporiseur auxiliaire (24) autre que l'échangeur de chaleur,
iv) un débit liquide riche en oxygène (33) ayant une deuxième pureté en oxygène éventuellement inférieure à 98 % mol d'oxygène est envoyé à un stockage (31 ) à partir d'une source extérieure (61 ) et/ou le système de colonnes, v) du liquide est ponctuellement soutiré du stockage et envoyé à un vaporiseur de secours (37) pour produire un produit de secours en cas d'arrêt du système de colonnes ou de besoins accrus en oxygène d'un client,
vi) on soutire un débit liquide ayant une troisième pureté en oxygène de la cuve d'au moins une colonne (13, 15) du système de colonnes et/ou du vaporiseur auxiliaire, s'il est présent, et on l'envoie au stockage en tant que débit de purge caractérisé en ce que l'on envoie le débit liquide au stockage pendant un arrêt du fonctionnement du système de colonnes, et éventuellement pendant le redémarrage des colonnes, la troisième pureté en oxygène étant inférieure à la première.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit ayant la première pureté est soutiré sous forme liquide et est vaporisé dans l'échangeur de chaleur (3).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on envoie le débit liquide ayant la troisième pureté au stockage (31 ) uniquement si le niveau de liquide dans le stockage est supérieur à un seuil donné.
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel le débit liquide est soutiré du vaporiseur auxiliaire (24).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit liquide ayant une troisième pureté est envoyé au stockage (31 ) uniquement si aucun débit d'air n'est envoyé au système de colonnes (13, 15).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système de colonnes (13, 15) comprenant une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et éventuellement une colonne d'argon ou une colonne alimentée par la colonne moyenne pression opérant à une pression intermédiaire entre la moyenne pression et la basse pression et le liquide ayant la troisième pureté provient au moins de la cuve de la colonne argon et/ou de la colonne opérant à la pression intermédiaire et/ou de la colonne basse pression et/ou de la colonne moyenne pression.
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le liquide ayant la troisième pureté provient uniquement d'au moins une colonne du système (13, 15).
8. Procédé selon de la revendication 4 dans lequel le liquide ayant la troisième pureté provient au moins du vaporiseur auxiliaire (24).
9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le liquide ayant la troisième pureté provient uniquement du vaporiseur auxiliaire (24).
10. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comprenant un système de colonnes (13, 15) comprenant une colonne moyenne pression (13) et une colonne basse pression (15) et éventuellement une colonne à pression intermédiaire ou une colonne argon, une conduite d'alimentation pour envoyer de l'air comprimé, épuré et refroidi au système de colonnes, une conduite de produit pour soutirer un débit riche en oxygène (19) de la colonne basse pression système de colon nes et pour l 'envoyer à un client, éventuellement après vaporisation dans un vaporiseur auxiliaire, un stockage (31 ), un vaporiseur de secours (37) relié au stockage, une conduite pour alimenter le stockage avec un liquide riche en oxygène caractérisé en ce qu'il comprend une conduite de remplissage (51 ) reliée au stockage et à la cuve de la colonne moyenne pression et/ou à la cuve de la colonne à pression intermédiaire et/ou à la cuve de la colonne argon.
1 1 . Appareil selon la revendication 10 comprenant des moyens pour réguler l'envoi de liquide d'une cuve de colonne du système de colonnes par la conduite de remplissage au stockage, ces moyens étant commandés en fonction du niveau de liquide dans le stockage (31 ).
12. Appareil selon l'une des revendications 10 ou 1 1 comprenant des moyens pour réguler l'envoi de liquide d'une cuve de colonne du système de colonnes par la conduite de remplissage au stockage, ces moyens étant commandés en fonction du débit d'air dans la conduite d'alimentation.
13. Appareil selon l'une des revendications 10 à 12 ne comprenant pas de vaporiseur dédié pour la vaporisation d'un débit de purge de la colonne moyenne pression (13) et/ou de la colonne à pression intermédiaire et/ou de la colonne argon, le cas échéant.
14. Appareil selon l'une des revendications 10 à 12 comprenant une conduite de remplissage reliant le stockage (31 ) et la cuve de la colonne moyenne pression (51 ).
15. Appareil selon l'une des revendications 10 à 14 comprenant une conduite de remplissage reliant le stockage (31 ) et la cuve de la colonne argon.
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