Appareil et procédé de séparation d'air par distillation cryogénique

La présente invention s'applique à un appareil et à un procédé de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique et en particulier à un procédé de séparation des gaz de l'air à compression interne (dans lequel l'oxygène gazeux est produit par vaporisation sous pression dans la ligne d'échange) où l'on extrait un mélange krypton/xénon.

Dans une unité de séparation des gaz de l'air comprenant une double colonne et où l'oxygène gazeux est produit par vaporisation sous pression dans la ligne d'échange (appareil à compression interne) dans lequel il est prévu d'extraire un mélange krypton/xénon, il est constaté que le rendement de cette extraction décroît de façon significative du fait que l'oxygène pompé extrait de la colonne de distillation basse pression entraîne avec lui un partie non négligeable des composés à valoriser tel que le krypton et le xénon. Pour ce type d'appareil à compression interne, dans le cas de la production de krypton/xénon associé à une production d'argon plusieurs procédés permettant de remédier à cette problématique ont été imaginés. L'invention se résume en deux étapes essentielles : 1. Appauvrissement de l'air gazeux entrant dans la colonne de séparation en composés à valoriser (krypton, xénon) par transfert de matière avec une portion réduite du liquide riche. Cette étape donne un liquide riche inférieur riche en krypton et xénon, de préférence 100 % du xénon contenu ainsi dans l'alimentation d'air gazeux étant extrait ainsi que plus de 80 % du krypton. 2. Concentration du liquide riche inférieur riche en krypton et en xénon, par vaporisation partielle dans un vaporiseur/condenseur. La source de chaleur utilisée pour vaporiser le liquide riche inférieur est de préférence un fluide de la colonne d'où provient le dit liquide riche inférieur, fluide provenant d'étage de distillation supérieure qui, en cédant sa chaleur, se condense dans le vaporiseur/condenseur. Le liquide ainsi produit alimente à un étage de distillation approprié la colonne basse pression. Le liquide riche inférieur produit, quant à lui, une phase vaporisée qui alimente la colonne basse pression à un étage de distillation approprié, et une purge où de préférence

quasiment 100 % du xénon contenu dans l'alimentation y est extraite, par contre seulement 50 % environ du krypton y est présent

Selon une variante, la colonne basse pression est alimentée par la purge riche en krypton et en xénon produite par concentration. La purge riche en krypton et en xénon produite ci-dessus va alimenter la colonne basse pression, à un étage de distillation inférieur au soutirage de l'oxygène liquide destiné à être pompé pour être ensuite vaporisé dans l'échangeur principal. Le mélange final riche en krypton et en xénon est extraite du fond de la colonne basse pression afin d'y être traité ultérieurement. Optionnellement, dans le cas où le mélange krypton xénon est sous forme liquide, ce retour est injecté à l'aspiration de la pompe pour minimiser le soutirage OL de la colonne, et ainsi augmenter le rendement d'extraction du krypton et xénon

Un tel procédé permet d'extraire de l'ordre de 90 % du xénon présent dans l'air où un procédé conventionnel ne permet qu'un rendement de l'ordre

70 % au mieux. Quant au rendement d'extraction du krypton, celui-ci atteint environ 75 % alors que le rendement d'un appareil conventionnel ne permet au mieux qu'un rendement de l'ordre de 60 %.

Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression dans lequel : i) on envoie de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la colonne moyenne pression ii) on envoie de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression au-dessus du premier niveau iii) on soutire un liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression iv) on soutire un liquide de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression v) on vaporise partiellement le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon pour former un gaz intermédiaire et un liquide intermédiaire

vi) on soutire un premier débit liquide riche en oxygène à un troisième niveau de la colonne basse pression vii) on envoie le liquide intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau ou on le mélange à un deuxième débit liquide riche en oxygène. viii) on soutire un/le deuxième débit liquide riche en oxygène de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au troisième niveau et, le cas échéant, au niveau intermédiaire. Selon des caractéristiques facultatives :

- on envoie le gaz intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau supérieur au niveau intermédiaire ;

- on vaporise le liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon par échange de chaleur avec un gaz soutiré de la colonne moyenne pression ; - le gaz soutiré de la colonne moyenne pression est soutiré au-dessus du premier niveau ;

- le liquide intermédiaire est envoyé du vaporiseur à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau ;

- on soutire le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au niveau intermédiaire ;

- le liquide intermédiaire est mélangé à un deuxième débit liquide riche en oxygène.

Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production de krypton et xénon par séparation d'air par distillation cryogénique comprenant une double colonne constituée par une colonne moyenne pression et une colonne basse pression et un vaporiseur comprenant : i) des moyens pour envoyer de l'air gazeux comprimé, refroidi et épuré à un premier niveau de la colonne moyenne pression ii) des moyens pour envoyer de l'air liquide comprimé, refroidi et épuré à un deuxième niveau de la colonne moyenne pression au-dessus du premier niveau iii) des moyens pour soutirer un liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon de la cuve de la colonne moyenne pression

iv) des moyens pour soutirer un liquide de la colonne moyenne pression à un niveau entre les premier et deuxième niveaux et on l'envoie à la colonne basse pression v) des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide enrichi en oxygène, en krypton et en xénon au vaporiseur où il se vaporise partiellement pour former un gaz intermédiaire et un liquide intermédiaire vi) des moyens pour soutirer un premier débit liquide riche en oxygène à un troisième niveau de la colonne basse pression vii) des moyens pour envoyer du liquide intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression ou pour le mélanger à un deuxième débit liquide riche en oxygène et viii) des moyens pour soutirer un/le deuxième débit liquide riche en oxygène de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au troisième niveau et, le cas échéant, au niveau intermédiaire. Eventuellement, l'appareil comprend :

- des moyens pour envoyer le gaz intermédiaire du vaporiseur à la colonne basse pression à un niveau supérieur au niveau intermédiaire

- des moyens pour envoyer un gaz soutiré de la colonne moyenne pression au vaporiseur - des moyens pour soutirer le gaz de la colonne moyenne pression est soutiré au-dessus du premier niveau

- des moyens pour pressuriser et vaporiser le premier débit riche en oxygène, de préférence par échange de chaleur avec l'air à distiller

- des moyens pour envoyer le liquide intermédiaire du vaporiseur à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression inférieur au troisième niveau

- des moyens pour soutirer le deuxième débit liquide riche en oxygène (11 ) de la colonne basse pression à un quatrième niveau inférieur au niveau intermédiaire

- des moyens pour mélanger le liquide intermédiaire à un deuxième débit liquide riche en oxygène

L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. Un débit d'air gazeux moyenne pression 1 est envoyé à la colonne moyenne pression 20 d'une double colonne de séparation d'air. La double

colonne comprend aussi une colonne basse pression 21 couplée thermiquement avec la colonne moyenne pression 20 au moyen d'un vaporiseur 24, qui vaporise le liquide de cuve de la colonne basse pression par échange de chaleur avec l'azote gazeux de tête de la colonne moyenne pression.

Un débit d'air liquide à haute pression est détendu dans une vanne puis divisé en deux. Le débit 3 ainsi formé est envoyé à la colonne moyenne pression 20 quelques plateaux théoriques au dessus du point d'entrée du débit 1. Le reste de l'air liquide 4 est refroidi dans le sous-refroidisseur 26, détendu puis envoyé à la colonne basse pression 21.

Un débit de liquide riche inférieur 5 enrichi en oxygène, en krypton et en xénon est soutiré en cuve de la colonne moyenne pression 20, refroidi dans le sous-refroidisseur 26, puis détendu et envoyé à un vaporiseur 22 où il se vaporise partiellement par échange de chaleur avec de l'air gazeux enrichi en azote 8 provenant de la colonne moyenne pression 20. L'air gazeux est condensé pour former un débit 9 qui est ensuite envoyé à la colonne basse pression 21. Le liquide riche vaporisé 16 est détendu comme gaz intermédiaire et envoyé à la colonne basse pression alors que le liquide intermédiaire restant 7 est envoyé à la colonne basse pression 21 quelques plateaux au-dessus de la cuve. Un débit de liquide riche supérieur 6 est soutiré entre l'arrivée de l'air 1 et l'arrivée d'air 3 et/ou le soutirage du débit 8. Ce débit 6 est refroidi dans le sous-refroidisseur 26, mélangé avec le liquide riche vaporisé 16 et envoyé à la colonne basse pression 21. Du liquide pauvre enrichi en azote 15 est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 20 et envoyé en tête de la colonne basse pression 21 après refroidissement et détente.

De l'oxygène liquide 10 est soutiré de la colonne basse pression 21 quelques plateaux au-dessus de la cuve et de préférence au-dessus de l'arrivée du liquide 7. Ce liquide est pompé par la pompe 23 pour servir de produit riche en oxygène. De l'oxygène liquide 11 enrichi en krypton et xénon est soutiré en cuve de la colonne basse pression 21 et peut être épuré ultérieurement pour produire un mélange de krypton et xénon. Le liquide intermédiaire 7 peut être mélangé

directement avec ce débit d'oxygène liquide au lieu d'être envoyé à la colonne basse pression 21.

De l'azote basse pression 13 est soutiré en tête de la colonne basse pression 21 , chauffé dans le sous-refroidisseur et chauffé contre les débits d'air 1 ,2 (chauffage non-illustré).

Equipements :

20 Colonne moyenne pression, 21 Colonne basse pression, 22 Vaporiseur liquide riche inférieur, 23 Pompe oxygène liquide.

Fluides : 1 Air gazeux moyenne pression, 2 Air liquide haute pression, 3 Air liquide détendu alimentant la colonne moyenne pression, 4 Air liquide détendu alimentant la colonne basse pression, 5 Liquide riche inférieur enrichie en krypton xénon, 6 Liquide riche inférieur vaporisé appauvri en krypton xénon, 7 Purge riche en krypton xénon, 8 Air pauvre extrait de la colonne moyenne pression, 9 Air pauvre liquide, 10 Oxygène liquide extrait de la colonne basse pression, 11 Oxygène liquide extrait de la colonne basse pression riche en krypton xénon.