ZICK, Golo (27 allée des deux Mondes, Grenoble, F-38100, FR)
| REVENDICATIONS 1 . Procédé de distillation cryogénique de l'air pour la production d'oxygène gazeux à une pureté d'entre 75 et 95 mol. %, de préférence entre 85 et 95 mol. % et une pression inférieure à 5 bars abs, de préférence inférieure à 2.5 bars abs x) avec une triple colonne comprenant une colonne auxiliaire (5), une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (7), xi) la colonne moyenne pression étant intégralement ou partiellement thermiquement couplée à la colonne basse pression au moyen d'un premier déflegmateur, xii) de l'air étant envoyé à la colonne moyenne pression, xiii) un liquide de cuve étant envoyé de la colonne auxiliaire à la tête de la colonne basse pression et éventuellement en tête de la colonne moyenne pression, xiv) un gaz de tête étant envoyé de la colonne moyenne pression en bas de la colonne auxiliaire, xv) un liquide de cuve de la colonne auxiliaire étant envoyé en tête de la colonne basse pression, xvi) un gaz étant soutiré en tête de la colonne basse pression, xvii) un fluide contenant entre 75 et 95 mol. % d'oxygène est soutiré en cuve de la colonne basse pression, xviii) la colonne auxiliaire étant partiellement thermiquement couplée avec la colonne basse pression au moyen d'un échangeur, caractérisé en ce que la colonne auxiliaire est une colonne haute pression, le gaz de tête est envoyé de la colonne moyenne pression en bas de la colonne haute pression via un compresseur, la colonne moyenne pression étant intégralement ou partiellement thermiquement couplée au milieu de la colonne basse pression au moyen du premier déflegmateur et la colonne haute pression est intégralement ou partiellement thermiquement couplée avec la cuve de la colonne basse pression au moyen d'un deuxième déflegmateur. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier déflegmateur échange de la chaleur avec une région de la colonne basse pression (7) supérieure à celle avec laquelle le deuxième déflegmateur échange de la chaleur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz de tête de la colonne moyenne pression (3) étant au moins en partie comprimé dans un surpresseur froid (17) avant d'être envoyé à la colonne haute pression (5). 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le gaz comprimé à froid constitue la seule alimentation de la colonne haute pression (5). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colonne haute pression (5) opère à reflux total. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel du liquide de cuve de la colonne moyenne pression (3) est envoyé en tête de la colonne haute pression (5) et/ou au milieu, de préférence en dessus de la zone de couplage thermique, de la colonne basse pression (7). 7. Appareil de distillation diabatique comprenant une colonne auxiliaire (5), une colonne moyenne pression (3) et une colonne basse pression (7), un premier déflegmateur assurant un échange de chaleur entre la colonne basse pression et la colonne haute pression, un deuxième déflegmateur assurant un échange de chaleur entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression, une conduite d'air alimentant la colonne moyenne pression, une conduite (1 1 , 15) reliant la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne haute pression, aucun moyen de réchauffage étant connecté entre la colonne moyenne pression et le compresseur, une conduite pour envoyer un liquide de cuve de la colonne haute pression à la tête de la colonne basse pression et éventuellement à la tête de la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un liquide de cuve de la colonne moyenne pression à une région intermédiaire de la colonne basse pression, une conduite (29) pour soutirer un gaz de tête de la colonne basse pression et une conduite pour soutirer un liquide de cuve de la colonne basse pression caractérisé en ce que la colonne auxiliaire est une colonne haute pression, un compresseur (17) relie la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne haute pression, le premier déflegmateur assure un échange de chaleur entre la cuve de la colonne basse pression et la colonne haute pression et le deuxième déflegmateur assure un échange de chaleur entre la colonne moyenne pression et une région supérieure de la colonne basse pression. 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant une pompe (25) reliée à la cuve de la colonne basse pression. 9. Appareil selon la revendication 7 ou 8 sans moyen d'alimentation de la colonne haute pression en air. 10. Appareil selon la revendication 7, 8 ou 9 comprenant une conduite (19) pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la colonne haute pression (5). 1 1 . Appareil selon l'une des revendications 7 à 10 dans lequel les colonnes sont de colonnes de distillation. |
Dans l'objectif d'éviter l'émission de CO 2 dans l'atmosphère, les cycles d'oxycombustion trouvent un intérêt croissant. La taille des appareils de séparation d'air pour la combustion avec l'oxygène au l ieu d'air doit être beaucoup plus grande que cel les existantes. Pour ne pas dégrader trop l'efficacité globale de l'ensemble centrale électrique / appareil de séparation d'air, de l'oxygène avec un coût spécifique très bas est demandé, tout en ga rdant des coûts d ' i nvestissement le pl us bas poss ible . I l n 'existe pratiquement pas de besoin d'une production d'azote.
Dans une triple colonne, la tête de la colonne haute pression peut être reliée thermiquement avec la cuve de la colonne basse pression et la cuve de la colonne moyenne pression. Alternativement la cuve de la colonne basse pression est reliée thermiquement avec la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne moyenne pression avec la tête de la colonne haute pression. Dans ce dernier cas, un déflegmateur placé dans la cuve de la colonne moyenne pression et/ou la cuve de la colonne basse pression peut assurer la liaison thermique. Si le déflegmateur est en cuve d'une de ces colonnes, la liaison thermique pour la cuve de l'autre peut être assurée par un ou plusieurs vaporiseurs.
Il est connu de relier thermiquement une colonne moyenne pression à u n e co l o n n e ba s se p re ss io n a u m oye n d ' u n d éfl eg m ate u r d a n s JP-A-2006349319 et de FR-A-29451 1 1 .
Un diagramme typique de température sur la position de FR-A-29451 1 1 est montré en Figure 1 . On s'y aperçoit facilement les grands écarts de température aux extrémités des colonnes dus à la différence de température minimale au plateau de pincement qui impose la pression dans la colonne moyenne pression. Or l'écart de température ? qui est une source de création d'entropie principale, empêche de réduire l'énergie de séparation. Le schéma de FR-A-29451 1 1 possède une énergie de séparation d'environ 0.276 kWh /Nm3 pour une pureté de 95% mol . oxygène. Ce chiffre est obtenu avec un groupe frigorifique dans la ligne d'échange. La pression en tête de la colonne moyenne pression n'est que d'environ 3.7 bar. U n b u t d e l'invention est de produire de l'oxygène à très basse pression (entre 1 .2 et 2bar a b S , exemples avec 1 .7 bar a b S ) et à basse pureté (75 à 95% mol, de préférence entre 85 à 95% mol.) avec une énergie de séparation très basse, tout en respectant les contraintes de débits très élevés.
Selon un objet de l'invention , il est prévu un procédé de distillation cryogénique de l'air pour la production d'oxygène gazeux à une pureté d'entre 75 et 95 mol. %, de préférence entre 85 et 95 mol. % et une pression inférieure à 5 bars abs, de préférence inférieure à 2.5 bars abs
i) avec une triple colonne comprenant une colonne auxiliaire, une colonne moyenne pression et une colonne basse pression,
ii) la colonne moyenne pression étant intégralement ou partiellement thermiquement couplée à la colonne basse pression au moyen d'un premier déflegmateur,
iii) de l'air étant envoyé à la colonne moyenne pression,
iv) un liquide de cuve étant envoyé de la colonne auxiliaire à la tête de la colonne basse pression et éventuellement en tête de la colonne moyenne pression,
v) un gaz de tête étant envoyé de la colonne moyenne pression en bas de la colonne auxiliaire,
vi) un liquide de cuve de la colonne auxiliaire étant envoyé en tête de la colonne basse pression,
vii) un gaz étant soutiré en tête de la colonne basse pression, viii) un fluide contenant entre 75 et 95 mol. % d'oxygène est soutiré en cuve de la colonne basse pression,
ix) la colonne auxiliaire étant partiellement thermiquement couplée avec la colonne basse pression au moyen d'un échangeur,
caractérisé en ce que la colonne auxiliaire est une colonne haute pression, le gaz de tête est envoyé de la colonne moyenne pression en bas de la colonne haute pression via un compresseur, la colonne moyenne pression étant intégralement ou partiellement thermiquement couplée au milieu de la colonne basse pression au moyen du premier déflegmateur et la colonne haute pression est intégralement ou partiellement thermiquement couplée avec la cuve de la colonne basse pression au moyen d'un deuxième déflegmateur. De préférence :
- le premier déflegmateur échange de la chaleur avec une région de la colonne basse pression supérieure à celle avec laquelle le deuxième déflegmateur échange de la chaleur ;
- le gaz de tête de la colonne moyenne pression étant au moins en partie comprimé dans un surpresseur froid avant d'être envoyé à la colonne haute pression ;
- le gaz comprimé à froid constitue la seule alimentation de la colonne haute pression ;
- la colonne haute pression opère à reflux total ;
- du liquide de cuve de la colonne moyenne pression est envoyé en tête de la colonne haute pression et/ou au milieu, de préférence en dessus de la zone de couplage thermique, de la colonne basse pression.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de distillation diabatique comprenant une colonne auxiliaire, une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, un premier déflegmateur assurant un échange de chaleur entre la colonne basse pression et la colonne haute pression, un deuxième déflegmateur assurant un échange de chaleur entre la colonne moyenne pression et la colonne basse pression, une conduite d'air alimentant la colonne moyenne pression, une conduite reliant la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne haute pression, aucun moyen de réchauffage étant connecté entre la colonne moyenne pression et le compresseur, une conduite pour envoyer un liquide de cuve de la colonne haute pression à la tête de la colonne basse pression et éventuellement à la tête de la colonne moyenne pression, une conduite pour envoyer un liquide de cuve de la colonne moyenne pression à une région intermédiaire de la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un gaz de tête de la colonne basse pression et une conduite pour soutirer un liquide de cuve de la colonne basse pression caractérisé en ce que la colonne auxiliaire est une colonne haute pression, un compresseur relie la tête de la colonne moyenne pression et la cuve de la colonne haute pression, le premier déflegmateur assure un échange de chaleur entre la cuve de la colonne basse pression et la colonne haute pression et le deuxième déflegmateur assure un échange de chaleur entre la colonne moyenne pression et une région supérieure de la colonne basse pression.
Une pompe peut être reliée à la cuve de la colonne basse pression pour élever la pression du produit riche en oxygène à sa pression de vaporisation. Dans ce cas, l'oxygène se vaporise en dehors d'une ligne d'échange principal.
Le procédé selon l'invention utilise un appareil à trois colonnes de distillation, avec des déflegmateurs entre les colonnes de haute, moyenne et de basse pression. On soutire d'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression pour y éviter la vaporisation à sec et transforme ce liquide en vapeur dans une vaporiseur externe avec de l'air comme fluide chaude. L'objectif est de réduire la différence de température en moyenne entre les colonnes. Pour ce faire, il est proposé de diviser la colonne MP dans deux parties, une avec une pression plus basse (colonne MP') couplé thermiquement au milieu de la colonne BP et une avec une pression légèrement plus haute (colonne HP') qui est couplé thermiquement à la partie basse de la colonne BP. Le principe est montré en Figure 2 et la relation entre température et la position dans les colonnes dans la F ig u re 3. Puisqu'il y a, contrairement à la distillation diabatique avec deux colonnes, seulement une partie de l'alimentation de la colonne MP' comprimé à la pression de la colonne HP', on va obtenir un gain en énergie de compression totale.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures dont la Figure 2 représente un appareil fonctionnant selon le procédé de l'invention.
Un débit d'air gazeux 1 d'une pression inférieure à 3,9 bars est envoyé en cuve de la colonne MP' 3. La colonne MP' 3 est couplée thermiquement avec le milieu de la colonne BP (travaillant à des pressions inférieur à 1 .8bar A bs) au moyen d'un déflegmateur. Un débit liquide enrichi en oxygène 9 est soutiré en cuve de la colonne MP' 3 et envoyé à un niveau supérieur de la colonne BP 7 après détente dans une vanne et refroidissement dans l'échangeur 21 .
Un débit gazeux enrichi en azote 1 1 est soutiré en tête de la colonne MP' 3 et divisé en deux. Une partie 13 sert de produit ou est mis à l'air et le reste 15 est comprimé dans un compresseur froid 17 sans avoir été réchauffé et envoyé en cuve de la colonne HP' 5 qui opère à une pression supérieure à celle de la colonne MP' 3 mais inférieure à 5.5bar A b S - La colonne HP' 5 est reliée thermiquement avec la partie inférieure de la colonne BP au moyen d'un déflegmateur. L'azote 15 étant le seul débit alimentant la colonne HP' 5 s'y sépare pour former éventuellement une phase très riche en azote 19 en tête de colonne qui peut être valorisée comme produit et un débit de cuve 31 aussi riche ou plus riche en oxygène que le débit 15. Le débit de cuve liquide 31 peut être divisé en deux, une partie 35 étant détendue et envoyée en tête de la colonne MP' 3 comme renfort de reflux (non impératif) et l'autre partie 33 étant détendue et envoyée en tête de la colonne BP 7 (dans tous les cas).
Un débit d'air partiellement ou totalement liquéfié 27 est envoyé à la colonne BP 7 au même niveau ou supérieur que le liquide 9, plus bas que le niveau d'envoi du liquide 33 provenant de la colonne MP'.
Un débit gazeux 29 contenant de l'azote basse pression est soutiré en tête de la colonne BP 7 et un débit liquide 23 est soutiré en cuve de la colonne BP 7, pressurisé par la pompe 25 et éventuellement vaporisé contre de l'air dans un vaporiseur dédié ou dans la ligne d'échange. Le débit 23 est à une pression d'entre 1 .2 et 2bar a b S en aval de la pompe 25 et à basse pureté contenant entre 75 et 95 % mol . d'oxygène, de préférence entre 85 à 95% mol. d'oxygène.
En baissant la pureté de l'oxygène, l'énergie de séparation diminuera remarquablement.