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Title:
METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING AIR BY CRYOGENIC DISTILLATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/106250
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for separating air by cryogenic distillation in a column system, comprising a first column (1) operating at a first pressure and a second column (2) operating at a second pressure, in which an argon-enriched flow (47) is sent from an intermediate point of the first column to the tank of the second column and an argon-rich flow (51) is drawn off at the top of the second column, wherein a nitrogen-enriched flow (7, 13, 17) of the first column is compressed in a compressor (19), the compressed flow is sent to a head condenser (37) of the second column after an expansion step and the vaporized flow is expanded in the condenser in a turbine (41) where it at least partially liquefies.

Inventors:
DAVIDIAN, Benoit (57 avenue Carnot, Champigny Sur Marne, 94503, FR)
Application Number:
FR2018/052776
Publication Date:
June 06, 2019
Filing Date:
November 08, 2018
Export Citation:
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Assignee:
L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (75 Quai d'Orsay, Paris, Paris, 75007, FR)
International Classes:
F25J3/04
Foreign References:
US4818262A1989-04-04
FR2705141A11994-11-18
GB1258568A1971-12-30
GB1258568A1971-12-30
US4818262A1989-04-04
FR2705141A11994-11-18
FR3052242A12017-12-08
FR3052243A12017-12-08
FR3052244A12017-12-08
FR3059087A32018-05-25
Other References:
AGRAWAL R ET AL: "HEAT PUMPS FOR THERMALLY LINKED DISTILLATION COLUMNS: AN EXERCISE FOR ARGON PRODUCTION FROM AIR", INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH,, vol. 33, no. 11, 1 January 1994 (1994-01-01), pages 2717 - 2730, XP009061446, ISSN: 0888-5885, DOI: 10.1021/IE00035A023
R. AGRAWAL: "Heat pumps for thermally linked distillation columns : an exercise for argon production from ai", IND ENG. CHEM. RES., vol. 33, 1994, pages 2717 - 2730, XP009061446, DOI: doi:10.1021/ie00035a023
Attorney, Agent or Firm:
MERCEY, Fiona (L'air Liquide S.A, Département de la Propriété Intellectuelle75 Quai d'Orsay, Paris Cedex 07, 75321, FR)
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Claims:
Revendications

1. Procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonne comprenant une première colonne (1 ) opérant à une première pression et une deuxième colonne (2) opérant à une deuxième pression, la première pression étant sensiblement égale à la deuxième pression dans lequel :

i) On envoie de l’air comprimé, épuré et refroidi à un point intermédiaire de la première colonne, on soutire un liquide enrichi en oxygène en cuve de la première colonne et/ou on soutire un gaz (45) enrichi en oxygène de la première colonne et on soutire un débit (7) enrichi en azote en tête de la première colonne,

ii) On envoie un débit enrichi en argon (47) d’un point intermédiaire de la première colonne vers la cuve de la deuxième colonne et on soutire un débit riche en argon (51 ) en tête de la deuxième colonne,

iii) On comprime le débit enrichi en azote (7, 13, 17) dans un compresseur (19) et on utilise le débit comprimé pour chauffer un rebouilleur de cuve (31 ) de la première colonne produisant un débit au moins partiellement condensé enrichi en azote,

iv) On divise le débit au moins partiellement condensé enrichi en azote en une première et une deuxième parties (33, 35), on envoie la première partie en tête de la première colonne après une étape de détente et on envoie la deuxième partie à un condenseur de tête (37) de la deuxième colonne après une étape de détente où la deuxième partie se vaporise au moins partiellement pour former un débit auxiliaire (39) caractérisé en ce que

v) L’on détend le débit auxiliaire dans une turbine (41 ) où il se liquéfie au moins partiellement et on envoie le débit au moins partiellement liquéfié (43) en tête de la première colonne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit auxiliaire (43) est partiellement liquéfié à la sortie d’une roue de la turbine (41 ), voire dans la roue de la turbine, par exemple pour obtenir à la sortie de la roue ou dans celle-ci un débit auxiliaire détendu contenant entre 0,5% et 10%, préférentiellement entre 2% et 5% de liquide.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit auxiliaire (43) est directement détendu dans la turbine (41 ), sans réchauffement préalable. 4. Procédé selon l’une des revendication 1 , 2 ou 3 dans lequel le débit enrichi en azote (17) est réchauffé dans un échangeur de chaleur (15) en amont du compresseur (19), le débit comprimé enrichi en azote se refroidit dans l’échangeur de chaleur et est ensuite envoyé au moins en partie au rebouilleur de cuve (31 ). 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel une partie (25) du débit comprimé enrichi en azote est détendue dans une deuxième turbine (27) et renvoyée à l’échangeur de chaleur.

6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la température d’entrée (41 ) de la turbine et/ou de la deuxième turbine (27) et/ou du compresseur (19) est une température cryogénique.

7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on envoie un débit liquide riche en argon de la tête de la deuxième colonne (2) vers la tête de la première colonne (1 ).

8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel en opération on ne soutire aucun débit de purge du condenseur (37) de la deuxième colonne (2).

9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel après les étapes de détente, les première et deuxième parties (33, 35) du débit au moins partiellement condensé enrichi en azote ont des pressions et/ou des températures différentes, la deuxième partie se trouvant de préférence à une pression supérieure à celle de la première partie.

10. Appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonne comprenant une première colonne (1 ) opérant à une première pression et ayant un rebouilleur de cuve (31 ) et une deuxième colonne (2) opérant à une deuxième pression ayant un condenseur de tête (37), la première pression étant sensiblement égale à la deuxième pression, un compresseur (19), une turbine (41 ), une conduite pour envoyer de l’air comprimé, épuré et refroidi (3) à un point intermédiaire de la première colonne, une conduite pour soutirer un liquide enrichi en oxygène en cuve de la première colonne et/ou un gaz enrichi en oxygène (45) de la première colonne et une conduite pour soutirer un débit enrichi en azote (7) en tête de la première colonne et pour l’envoyer vers le compresseur, une conduite pour envoyer un débit enrichi en argon (47) d’un point intermédiaire de la première colonne vers la cuve de la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un débit riche en argon (51 ) en tête de la deuxième colonne, une conduite pour envoyer le débit enrichi en azote comprimé dans le compresseur vers le rebouilleur de cuve (31 ) de la première colonne afin de produire un débit au moins partiellement condensé enrichi en azote, des moyens pour diviser le débit au moins partiellement condensé enrichi en azote en une première et une deuxième parties (33,35), des moyens pour envoyer la première partie en tête de la première colonne après une étape de détente, des moyens pour envoyer la deuxième partie au condenseur de tête (37) de la deuxième colonne après une étape de détente où la deuxième partie se vaporise au moins partiellement pour former un débit auxiliaire, des moyens pour envoyer le débit auxiliaire (39) dans la turbine où il se liquéfie au moins partiellement et des moyens pour envoyer le débit au moins partiellement liquéfié (43) en tête de la première colonne, ces moyens comprenant éventuellement un séparateur de phases pour séparer le liquide et le gaz formés pour les envoyer ensuite séparément à la première colonne. 11. Appareil selon l’une des revendication 10 comprenant un échangeur de chaleur (15) en amont du compresseur (19) et des moyens pour y envoyer le débit enrichi en azote (17) s’y réchauffé et le débit comprimé enrichi en azote s’y refroidir.

12. Appareil selon la revendication 10 ou 11 comprenant une deuxième turbine (27) et des moyens pour y envoyer une partie (25) du débit comprimé enrichi en azote est détendue dans une deuxième turbine (27).

13. Appareil selon l’une des revendications 10 à 12 comprenant des moyens pour envoyer un débit liquide riche en argon de la tête de la deuxième colonne vers la tête de la première colonne. 14. Appareil selon l’une des revendications 10 à 13 ne comprenant aucune turbine d’air.

Description:
Procédé et appareil de séparation d’air par distillation cryogénique

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique.

Dans un appareil de séparation d’air avec une distillation monocolonne à basse pression pour séparer l’air, on cherche à produire de l’argon sans disposer de liquide riche issu d’une colonne moyenne pression pour faire fonctionner le condenseur de la colonne argon.

L’invention consiste à utiliser une partie d’un cycle azote qui assure le rebouillage et le reflux de la mono-colonne opérant à basse pression pour faire fonctionner le condenseur de la colonne argon.

Sans complexifier le schéma du procédé, cela permet en plus de bénéficier d’une grande souplesse d’opération : en cas de bouffée d’azote vers la colonne argon, on peut toujours assurer la condensation en tête de la colonne argon, et donc maintenir la production d’oxygène sans risque d’arrêter la colonne argon, puis la colonne opérant à basse pression.

Par ailleurs, le schéma proposé est meilleur en énergie que ceux de l’art antérieur, notamment pour des hauts rendements d’argon.

L’homme de l’art pourrait concevoir un appareil mono-colonne opérant à basse pression (ou BP) avec un cycle azote et avec un soutirage d’un pseudo- liquide riche à un point intermédiaire de la colonne BP pour alimenter le condenseur de la colonne argon. Ce liquide pourrait être pris entre la tête de la colonne et le soutirage de gaz enrichi en argon envoyé vers la colonne argon. Le liquide serait pompé pour arriver au condenseur de la colonne argon, s’y vaporiserait et serait ensuite envoyé à la colonne BP à un niveau en dessous du point de soutirage du liquide.

• Il est connu pour un appareil mono-colonne BP sur cycle azote d’avoir le condenseur de la colonne argon qui fonctionne sur un cycle argon, tel que décrit dans la figure 3c de l’article de R. Agrawal « Heat pumps for thermally linked distillation columns : an exercise for argon production from air », Ind Eng. Chem. Res. 1994, 33, pp. 2717-2730. • Il est également connu de GB1258568 d’utiliser un cycle azote pour le rebouillage de la colonne BP, l’azote liquéfié servant comme reflux pour la colonne BP et pour refroidir le condenseur de la colonne argon. Le condenseur de tête de la colonne argon opère à la même pression que la colonne BP. La colonne argon opère par contre à une pression plus élevée que la colonne basse pression, comme le montre la vanne sur le gaz entre les deux colonnes et la pompe sur le liquide entre les deux colonnes.

Un procédé selon le préambule de la revendication 1 est connu de US4818262 et FR2705141.

Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonne comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, la première pression étant sensiblement égale à la deuxième pression dans lequel :

i) On envoie de l’air comprimé, épuré et refroidi à un point intermédiaire de la première colonne, on soutire un liquide enrichi en oxygène en cuve de la première colonne et/ou on soutire un gaz enrichi en oxygène de la première colonne et on soutire un débit enrichi en azote en tête de la première colonne,

ii) On envoie un débit enrichi en argon d’un point intermédiaire de la première colonne vers la cuve de la deuxième colonne et on soutire un débit riche en argon en tête de la deuxième colonne,

iii) On comprime le débit enrichi en azote dans un compresseur et on utilise le débit comprimé pour chauffer un rebouilleur de cuve de la première colonne produisant un débit au moins partiellement condensé enrichi en azote,

iv) On divise le débit au moins partiellement condensé enrichi en azote en une première et une deuxième parties, on envoie la première partie en tête de la première colonne après une étape de détente et on envoie la deuxième partie à un condenseur de tête de la deuxième colonne après une étape de détente où la deuxième partie se vaporise au moins partiellement pour former un débit auxiliaire caractérisé en ce que

v) On détend le débit auxiliaire dans une turbine où il se liquéfie au moins partiellement et on envoie le débit au moins partiellement liquéfié en tête de la première colonne. Selon d’autres aspects facultatifs :

• le débit auxiliaire est partiellement liquéfié à la sortie d’une roue de la turbine, voire dans la roue de la turbine,

• on obtient à la sortie de la roue ou dans celle-ci un débit auxiliaire détendu contenant entre 0,5% et 10%, préférentiellement entre 2% et 5% de liquide,

• le débit auxiliaire est directement détendu dans la turbine, sans réchauffement préalable,

• le débit enrichi en azote est réchauffé dans un échangeur de chaleur en amont du compresseur, le débit comprimé enrichi en azote se refroidit dans l’échangeur de chaleur et est ensuite envoyé au moins en partie au rebouilleur de cuve,

• une partie du débit comprimé enrichi en azote est détendue dans une deuxième turbine et renvoyée à l’échangeur de chaleur,

• la température d’entrée de la turbine et/ou de la deuxième turbine et/ou du compresseur est une température cryogénique,

• on envoie un débit liquide riche en argon de la tête de la deuxième colonne vers la tête de la première colonne,

• en opération on ne soutire aucun débit de purge du condenseur de la deuxième colonne,

• après les étapes de détente, les première et deuxième parties du débit au moins partiellement condensé enrichi en azote ont des pressions et/ou des températures différentes, la deuxième partie se trouvant de préférence à une pression supérieure à celle de la première partie,

• les première et deuxième colonnes opèrent à la même pression.

Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique dans un système de colonne comprenant une première colonne opérant à une première pression ayant un rebouilleur de cuve et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression ayant un condenseur de tête, la première pression étant sensiblement égale à la deuxième pression, un compresseur, une turbine, une conduite pour envoyer de l’air comprimé, épuré et refroidi à un point intermédiaire de la première colonne, une conduite pour soutirer un liquide enrichi en oxygène en cuve de la première colonne et/ou un gaz enrichi en oxygène de la première colonne et une conduite pour soutirer un débit enrichi en azote en tête de la première colonne et pour l’envoyer vers le compresseur, une conduite pour envoyer un débit enrichi en argon d’un point intermédiaire de la première colonne vers la cuve de la deuxième colonne, une conduite pour soutirer un débit riche en argon en tête de la deuxième colonne, une conduite pour envoyer le débit enrichi en azote comprimé dans le compresseur vers le rebouilleur de cuve de la première colonne afin de produire un débit au moins partiellement condensé enrichi en azote, des moyens pour diviser le débit au moins partiellement condensé enrichi en azote en une première et une deuxième parties, des moyens pour envoyer la première partie en tête de la première colonne après une étape de détente, des moyens pour envoyer la deuxième partie au condenseur de tête de la deuxième colonne après une étape de détente où la deuxième partie se vaporise au moins partiellement pour former un débit auxiliaire, des moyens pour envoyer le débit auxiliaire dans la turbine où il se liquéfie au moins partiellement et des moyens pour envoyer le débit au moins partiellement liquéfié en tête de la première colonne, ces moyens comprenant éventuellement un séparateur de phases pour séparer le liquide et le gaz formés pour les envoyer ensuite séparément à la première colonne.

Selon d’autres aspect facultatifs de l’invention :

• l’appareil ne comprend pas de moyens de réchauffement du débit auxiliaire en amont de la turbine.

· l’appareil comprend un échangeur de chaleur et des moyens pour envoyer le débit enrichi en azote se réchauffer dans l’échangeur de chaleur en amont du compresseur.

• l’appareil comprend des moyens pour envoyer le débit comprimé enrichi en azote du compresseur vers l’échangeur de chaleur pour se refroidir.

· l’appareil comprend une deuxième turbine et des moyens pour y envoyer.

• une partie du débit comprimé enrichi en azote.

• l’appareil comprend des moyens pour envoyer un débit liquide riche en argon de la tête de la deuxième colonne vers la tête de la première colonne.

• aucune turbine d’air n’est présente.

L’invention consiste à utiliser une partie du cycle azote qui assure le rebouillage et le reflux de la mono-colonne BP pour faire fonctionner le condenseur de la colonne argon. L’azote de cycle est condensé dans le vaporiseur de la colonne BP. Une partie de l’azote est totalement, préférentiellement partiellement sous-refroidi et envoyé dans le condenseur de la colonne argon.

Dans le condenseur, il se vaporise à une pression intermédiaire entre la pression du cycle azote et la pression de la colonne BP, sa vaporisation permettant de condenser la vapeur montante dans la colonne argon pour assurer le reflux de la colonne Argon.

L’azote vaporisé à une pression intermédiaire est alors détendu dans une turbine vers la tête de la colonne BP. Cette turbine étant très froide, on obtient en sortie un mélange légèrement diphasique, la partie liquide contribuant aussi au reflux de la colonne BP. Le froid produit par la turbine permet d’apporter tout ou partie de la puissance frigorifique pour sortir l’argon produit directement sous forme liquide, pour être envoyé vers un stockage par exemple.

En cas de bouffée d’azote vers la colonne argon, on va pouvoir continuer à assurer un reflux dans la colonne argon en réduisant la pression intermédiaire de façon à baisser la température de l’azote vaporisé, ce qui permet de continuer à condenser la vapeur montante chargée en azote et donc devenue plus froide. Le soutirage d’argon est arrêté car il ne respecte pas la spécification en azote. La puissance frigorifique de la turbine est fortement réduite puisque la pression intermédiaire a été réduite, mais cela est sans conséquence puisqu’on ne produit plus d’argon liquide.

Le maintien de la colonne argon en fonctionnement évite de perturber, voire arrêter la colonne BP (par envoi massif du liquide retenu dans la colonne argon vers la colonne BP), ce qui permet de fiabiliser la production d’oxygène, quelles que soient les perturbations vers la colonne argon.

La bouffée d’azote peut être évacuée par exemple par une purge au niveau du condenseur de la colonne argon ou de la tête de la colonne argon, tout en ayant la colonne argon qui fonctionne vis-à-vis de la séparation difficile argon/oxygène.

Dès que la bouffée d’azote est évacuée, on récupère tout de suite la production d’argon aux bonnes spécifications azote et oxygène, contrairement à un appareil plus classique où une bouffée d’azote va arrêter la colonne argon, nécessitant de refaire entièrement l’inventaire de liquide dans la colonne argon lors de son redémarrage. Cette grande tolérance permet d’avoir un fonctionnement en opération très proche du rendement argon maxi atteignable pour la marche de procédé considérée, sans prendre de marge opératoire pour éviter les arrêts intempestifs liés notamment aux bouffées d’azote.

De même, cela permet, en minimisant les risques opérationnels, de faciliter la suppression de la colonne de déazotation pour épurer en azote l’argon produit par la colonne argon, en ajoutant quelques plateaux théoriques directement au- dessus du piquage argon dans la colonne BP, pour réduire fortement la teneur en azote avant d’entrer dans la colonne argon.

II n’est pas utile de prévoir en opération une purge du bain du condenseur de la colonne argon, car on n’a pas de liquide riche en oxygène et potentiellement en impuretés secondaires de l’air. La purge peut ne servir qu’à l’arrêt par exemple pour vider le bain de liquide cryogénique.

L’invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures.

La Figure 1 représente un appareil de séparation d’air utilisant une simple colonne 1 pour produire de l’oxygène et de l’azote ainsi qu’une colonne argon 2.

La colonne 1 opère entre 1 ,013 bara et 2 bara, par exemple à 1 ,3 bara.

La colonne argon 2 opère à entre 1 ,013 bara et 2 bara, par exemple à 1 ,3 bara.

Dans cet exemple les deux colonnes opèrent à la même pression.

De l’air comprimé et épuré en eau et en dioxyde de carbone 3 est refroidi dans un échangeur de chaleur 5 et envoyé à un point intermédiaire d’une colonne de séparation 1. Par distillation l’air est séparé pour produire du liquide enrichi en oxygène en cuve de la colonne et de l’azote gazeux 7 en tête de colonne. A un niveau intermédiaire de la colonne en dessous de l’arrivée d’air, un débit 47 enrichi en argon est prélevé et envoyé à une colonne argon 2. De l’argon liquide ou gazeux 51 est produit en tête de la colonne 2 et le liquide de cuve 49 est envoyé à la colonne 1 au niveau du soutirage de la colonne 1. Ni le liquide 49 ni le gaz 47 ne sont pressurisés ou détendus entre les deux colonnes (au-delà des pertes de charges et des hauteurs hydrostatiques).

L’appareil est tenu en froid et réalise la distillation grâce à un cycle d’azote. L’azote pris en tête de la colonne 1 sert à refroidir un échangeur de chaleur 11 puis est divisé en deux, une partie 9 étant réchauffée dans l’échangeur de chaleur 5 et une partie 13 étant utilisée pour produire du froid et apporter l’énergie pour la distillation. L’azote 13 est réchauffé dans un échangeur de chaleur 15, comprimé dans un compresseur 19, refroidi dans le refroidisseur 21 pour former le débit 23 et puis renvoyé à l’échangeur 15. Dans l’échanger 15 le débit 23 est divisé en deux. Une partie 29 est refroidie jusqu’au bout froid de l’échangeur 15 et puis sert à chauffer le rebouilleur de cuve 31 de la colonne 1. Le reste de l’azote 25 à une température intermédiaire de l’échangeur 15 est détendu dans une turbine 27 et rejoint l’azote 13 pour repartir dans l’échangeur 15.

Après avoir servi à réchauffer le rebouilleur 31 , l’azote 29 qui se trouve condensé est refroidi dans le sous-refroidisseur 11 et puis divisé en deux. L’azote 29 peut être divisé en deux avant le sous-refroidisseur, permettant de sous-refroidir différemment les deux parties

Une partie 33 est détendue dans une vanne puis envoyée comme liquide de reflux en tête de la colonne 1. L’autre partie 35 est envoyée, à une pression supérieure à celle de la colonne 1 , au condenseur de tête 37 de la colonne 2 où elle se vaporise au moins partiellement. L’azote 39 ainsi formé se détend dans la turbine 41 et le débit détendu 43 alimente la tête de la colonne 1 , éventuellement en passant par un pot séparateur et en envoyant le liquide, lui-même éventuellement pompé et le gaz dans deux conduits distincts.

La partie 35 de l’azote provenant du sous-refroidisseur, qui est envoyée vers le condenseur 37 de la colonne argon 2, est très froide, ce qui génère un risque de cristallisation. Pour prévenir ce problème, on peut :

• Limiter le sous-refroidissement de la partie 35 dans le sous-refroidisseur 11 par rapport à la partie 33.

• Mélanger la partie 35 directement dans le bain du condenseur 37 qui est relativement plus chaud vis-à-vis du risque de cristallisation.

• Ajouter un condenser intermédiaire dans la colonne argon 2 (dans sa partie basse, qui reste relativement chaude vis-à-vis du risque de cristallisation) pour réchauffer le liquide sous-refroidi 35.

L’azote 43 détendu dans la turbine 41 se liquéfie partiellement en sortie de la roue de la turbine, voire dans la roue, les conditions de pressions et de température régnant en sortie de roue étant telles que l’on a, par exemple, effectué la moitié de la détente isentropique. Le taux de liquide dans la roue ou à la sortie de celle-ci est alors compris entre 0,5% et 10%, préférentiellement entre 2% et 5%. Si on veut limiter ce taux de liquide pour éviter des dommages mécaniques sur la turbine, on peut prévoir de réchauffer l’azote 39 avant détente, par exemple dans le sous-refroidisseur 11. Le reste de la détente est effectué dans la volute de la turbine où on continue à refroidir et à liquéfier au moins une partie du reste du gaz. La partie liquide ainsi formée contribue ainsi au reflux de la colonne BP 1.

Il y a aussi possibilité de prévoir une conduite d’argon liquide vers l’azote liquide qui va en tête de colonne 1 , dans le cas où la production d’argon est inférieure à la production au rendement argon optimum, pour bénéficier d’un reflux liquide supplémentaire en tête de colonne BP et donc gagner en efficacité énergétique. Cette conduite peut être directe vers la tête de colonne BP ou être reliée à un pot séparateur en sortie de turbine.

L’architecture de cet appareil peut être celle d’un appareil classique, à savoir utilisant des colonnes à section circulaire en une seule pièce, équipées de garnissages structurés ou de plateaux.

Or il est également possible d’utiliser la nouvelle architecture de FR3052242,

FR3052243, FR3052244 ou FR3059087. Selon cette architecture, la colonne est remplacée par un empilement de modules à section carrée ou rectangulaire, chaque module étant isolé et contenant un élément permettant l’échange de matière et de chaleur, tel que des garnissages. La séparation s’effectue à basse température par distillation, les liquides en cours en distillation descendant d’un module à un autre et les gaz montant d’un module à un autre. De cette façon le fluide à séparer est introduit dans un module et un fluide enrichi en un composant du fluide sort d’un autre module du même empilement.

On peut définir une option argon consiste à venir intercaler un module à une position intermédiaire de la colonne BP, au niveau du ventre argon, et de la boite froide, sans avoir à modifier le reste des équipements. On profite du rallongement possible de la colonne BP pour ajouter des plateaux théoriques au-dessus du soutirage de la mixture argon pour réduire fortement la teneur azote au ventre argon et donc supprimer la colonne de déazotation, ce qui simplifie la mise en œuvre de l’option Argon.

Dans la version de base, l’azote liquide condensé dans le vaporiseur, puis sous-refroidi est détendu dans une vanne puis est envoyé dans un tuyau sous forme diphasique en tête de colonne BP. Dans la version avec option argon, il est partiellement détendu dans la même vanne et envoyé dans le même tuyau vers le module intercalé où une partie est partiellement détendue, puis envoyée vers le condenseur de la colonne Argon et l’autre partie est totalement détendue et envoyée vers la tête de la colonne BP à travers le même tuyau que la version de base.

La partie partiellement détendue est vaporisée, puis turbinée :

• la partie gazeuse est renvoyée à travers le module intercalé vers le même tuyau/gaine de l’azote gazeux issu de la tête de colonne BP du cas de base, pour aller vers le sous-refroidisseur unique

· La partie liquide est :

o soit pompée pour être remélangée avec le liquide totalement détendu et envoyé en tête de colonne BP (la pompe sert essentiellement à vaincre la hauteur hydrostatique),

o soit vaporisée en ajoutant un condenser intermédiaire dans la colonne Argon (dans sa partie basse) ou en soutirant un gaz de la partie basse de la colonne argon pour aller le condenser.

Le module intercalé comprend aussi des extensions de tuyauteries/gaines pour rabouter les tuyauteries/gaines qui sont placé le long de la colonne BP au niveau du ventre argon.

Dans cette configuration de l’invention, le cycle azote reste inchangé entre l’option sans argon et l’option avec argon, avec un surdimensionnement des équipements (notamment compresseur de cycle azote) limité à 10%, voire 5%, voire sans surdimensionnement. Il est donc aisé de le standardiser et/ou modulariser pour satisfaire les deux options.

L’ajout de la turbine ad hoc sur le condenseur argon permet de fournir la puissance frigorifique nécessaire pour la liquéfaction de l’argon, sans impacter le reste du bilan frigorifique de l’appareil.

En terme d’énergie, l’invention se place particulièrement bien par rapport à l’état de l’art, notamment à haut rendement d’argon comme illustré à la Figure 2 qui compare l’énergie de séparation de l’oxygène avec le rendement en argon.

Le gain est amplifié par la non-nécessité de prendre des marges vis-à-à de l’opération de l’appareil de séparation. Eventuellement, un cycle d’azote externe sert à réchauffer en partie le rebouilleur de cuve de la colonne basse pression, le reste du chauffage étant assuré par le gaz en tête de colonne MP.