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EP0611936B1 - Procédé et installation de production d'azote ultra-pur par distillation d'air - Google Patents

Procédé et installation de production d'azote ultra-pur par distillation d'air Download PDF

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Publication number
EP0611936B1
EP0611936B1 EP94400257A EP94400257A EP0611936B1 EP 0611936 B1 EP0611936 B1 EP 0611936B1 EP 94400257 A EP94400257 A EP 94400257A EP 94400257 A EP94400257 A EP 94400257A EP 0611936 B1 EP0611936 B1 EP 0611936B1
Authority
EP
European Patent Office
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column
nitrogen
reboiler
condenser
bottom liquid
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94400257A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0611936A1 (fr
Inventor
Pascal Arriulou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP0611936A1 publication Critical patent/EP0611936A1/fr
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Publication of EP0611936B1 publication Critical patent/EP0611936B1/fr
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air

Definitions

  • the invention aims to add a degree of freedom to the process by allowing the reflux rates of the two columns to be adjusted independently, in particular in order to reduce the size of the second column, and therefore the corresponding investment.
  • the subject of the invention is a process of the aforementioned type, characterized in that a second flow of nitrogen from the high pressure cycle is condensed by vaporization of tank liquid from the first column and at least part of the condensed nitrogen by vaporization of the bottom liquid from the first column is introduced under reflux at the head of the first column.
  • the invention also relates to an installation intended for the implementation of such a method.
  • This installation of the type comprising a double distillation column which itself comprises a first nitrogen / oxygen separation column supplied by the air to be treated, and a second nitrogen / hydrogen separation column whose head is coupled to the tank of the first column by a vaporizer- condenser and which comprises a tank vaporizer, means for drawing off a gas enriched in hydrogen, and a nitrogen refrigeration cycle the high pressure part of which feeds the tank vaporizer of the second column then this second column itself, means for expanding liquid from the bottom of the second column and for introducing it into the first column, means for withdrawing the ultra-pure nitrogen from the production of the second column, characterized in that it also comprises means for condensing high pressure cycle nitrogen by vaporizing the liquid from the bottom of the first column, and means for introducing into reflux at the top of the first column at least part of the liquid zote from said means of condensation.
  • the installation shown in FIG. 1 essentially comprises an atmospheric air compressor 1, an apparatus 2 for purifying the air of water and CO 2 by adsorption, a heat exchange line 3, a turbine 4 for expansion air, a double distillation column 5, consisting itself of an oxygen / nitrogen separation column 6 and of a nitrogen / hydrogen separation column 7, and a sub-cooler 8.
  • Column 6 includes a head condenser 9 and a tank vaporizer 10, which also serves as a head condenser for column 7. The latter is also equipped with a tank vaporizer 11.
  • the installation also includes a nitrogen refrigeration cycle 12, the cycle compressor of which is indicated at 13.
  • the air to be treated, compressed at 1 and purified at 2 is cooled at 3 to an intermediate temperature T.
  • T the air to be treated, compressed at 1 and purified at 2
  • the air to be treated is cooled at 3 to an intermediate temperature T.
  • T the air to be treated, compressed at 1 and purified at 2
  • a bypass 15 of the turbine 4, equipped with an expansion valve 16 makes it possible to adjust the cooling power thus produced.
  • the resulting gas LRV (liquid rich vaporized) is then warmed to room temperature in 3 and then discharged from the installation, as waste gas, via a line 18.
  • liquid from the bottom of the column 7 is also, after sub-cooling at 8 and expansion in an expansion valve 22, introduced at the top of the column 6.
  • the air is separated in column 6 into a liquid rich in oxygen and in cycle nitrogen, and part of the cycle nitrogen is purified into hydrogen in column 7.
  • the separated hydrogen is evacuated from the vaporizer-condenser 10 via a vent 23 provided in its condensation passages of the head gas of the column 7.
  • ultra-pure nitrogen for example at a hydrogen concentration of less than 10 -9 (1 ppb), which is collected in the tank of column 7, and a production rate of Ultra-pure gaseous nitrogen is drawn off at the bottom of this column via a line 24, warmed to ambient temperature at 3 and recovered via a production line 25.
  • ordinary purity nitrogen for example at a hydrogen concentration of the order of ppm (10 -6 )
  • the invention is particularly advantageous when the ultra-pure nitrogen to be produced represents only a fraction of the total nitrogen production of the installation.

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  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Description

  • La présente invention est relative à un procédé de production d'azote ultra-pur par distillation d'air du type dans lequel :
    • l'air à traiter est séparé dans une première colonne en azote de tête et en liquide de cuve riche en oxygène ;
    • de l'azote de tête est utilisé pour circuler suivant un cycle frigorifique, un débit d'azote de cycle haute pression étant épuré en hydrogène dans une seconde colonne comprenant un vaporiseur de cuve qui assure la condensation de cet azote avant son introduction dans cette seconde colonne, et un condenseur de tête refroidi par le liquide de cuve de la première colonne ;
    • du liquide de cuve de la seconde colonne étant envoyé à la première colonne après une étape de détente ;
    • l'azote ultra-pur de production étant soutiré en cuve de la seconde colonne ; et
    • une partie au moins de l'azote condensé par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne étant épurée en hydrogène dans la seconde colonne.
  • Un tel procédé, décrit dans EP-A-0.413.631, présente l'inconvénient suivant : la condensation du gaz de tête de la seconde colonne étant l'unique moyen de vaporisation du liquide de cuve de la première colonne, les taux de reflux des deux colonnes sont dépendants l'un de l'autre. Ceci ne correspond pas à l'optimum, puisque la seconde colonne effectue une séparation (azote/hydrogène) plus facile que celle (oxygène/ azote) réalisée dans la première colonne.
  • L'invention a pour but d'ajouter un degré de liberté au procédé en permettant de régler indépendamment les taux de reflux des deux colonnes, afin notamment de réduire la taille de la deuxième colonne, et donc l'investissement correspondant.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'un second débit d'azote de cycle haute pression est condensé par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne et une partie au moins de l'azote condensé par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne est introduite en reflux en tête de la première colonne.
  • L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation qui comprend elle-même une première colonne de séparation azote/oxygène alimentée par l'air à traiter, et une seconde colonne de séparation azote/hydrogène dont la tête est couplée à la cuve de la première colonne par un vaporiseur-condenseur et qui comporte un vaporiseur de cuve, des moyens de soutirage d'un gaz enrichi en hydrogène, et un cycle frigorifique à azote dont la partie haute pression alimente le vaporiseur de cuve de la seconde colonne puis cette seconde colonne elle-même, des moyens pour détendre du liquide de cuve de la seconde colonne et pour l'introduire dans la première colonne, des moyens pour soutirer l'azote ultra-pur de production de la seconde colonne, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour condenser de l'azote de cycle haute pression par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne, et des moyens pour introduire en reflux en tête de la première colonne une partie au moins de l'azote liquide issu desdits moyens de condensation.
  • Suivant des modes particuliers de réalisation de cette installation :
    • lesdits moyens de condensation comprennent des passages d'azote de cycle haute pression prévus dans ledit vaporiseur-condenseur;
    • lesdits moyens de condensation comprennent un vaporiseur-condenseur auxiliaire monté en parallèle avec le vaporiseur-condenseur de la première colonne ;
    • le vaporiseur-condenseur auxiliaire est monté à l'extérieur de la première colonne ;
    • l'installation comprend des moyens pour introduire dans la seconde colonne une partie au moins de l'azote liquide issu desdits moyens de condensation.
  • Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 représente schématiquement une installation de production d'azote ultra-pur conforme à l'invention ; et
    • la figure 2 est une vue analogue d'une variante.
  • L'installation représentée à la figure 1 comprend essentiellement un compresseur d'air atmosphérique 1, un appareil 2 d'épuration de l'air en eau et en CO2 par adsorption, une ligne d'échange thermique 3, une turbine 4 de détente d'air, une double colonne de distillation 5, constituée elle-même d'une colonne 6 de séparation oxygène/azote et d'une colonne 7 de séparation azote/hydrogène, et un sous-refroidisseur 8.
  • La colonne 6 comporte un condenseur de tête 9 et un vaporiseur de cuve 10, lequel sert aussi de condenseur de tête pour la colonne 7. Cette dernière est par ailleurs équipée d'un vaporiseur de cuve 11.
  • L'installation comprend encore un cycle frigorifique à azote 12, dont le compresseur de cycle est indiqué en 13.
  • En fonctionnement, l'air à traiter, comprimé en 1 et épuré en 2, est refroidi en 3 jusqu'à une température intermédiaire T. A cette température, une fraction seulement de l'air poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange et est liquéfié, puis est détendu dans une vanne de détente 14 et introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 6. Le reste de l'air à la température T est sorti de la ligne d'échange, détendu dans la turbine 4 et introduit à un autre niveau intermédiaire dans la colonne 6. Un bypass 15 de la turbine 4, équipé d'une vanne de détente 16, permet de régler la puissance frigorifique ainsi produite.
  • Du liquide de cuve de la colonne 6, riche en oxygène, est sous-refroidi en 8, détendu dans une vanne de détente 17, puis vaporisé en 9 par condensation d'azote de tête de la colonne 6. Le gaz résultant LRV (liquide riche vaporisé) est ensuite réchauffé à la température ambiante en 3 puis évacué de l'installation, en tant que gaz résiduaire, via une conduite 18.
  • L'azote gazeux produit en tête de la colonne 6 est utilisé comme azote de cycle : il est partiellement réchauffé en 8, réchauffé à la température ambiante en 3, comprimé à une haute pression de cycle en 13, refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis séparé en deux courants :
    • un premier courant qui est condensé en 11 par vaporisation du liquide de cuve de la colonne 7, détendu dans une vanne de détente 19 et introduit en un point intermédiaire de la colonne 7; et
    • un second courant qui est condensé en 10, dans des passages spéciaux de ce vaporiseur-condenseur, par vaporisation du liquide de cuve de la colonne 6. Le liquide ainsi obtenu est à son tour divisé en une première fraction détendue dans une vanne de détente 20 et introduite en un point intermédiaire de la colonne 7 en même temps que le premier courant précité, et en une seconde fraction détendue dans une vanne de détente 21 et introduite en reflux en tête de la colonne 6.
  • Par ailleurs, du liquide de cuve de la colonne 7 est également, après sous-refroidissement en 8 et détente dans une vanne de détente 22, introduit en tête de la colonne 6.
  • Ainsi, l'air est séparé dans la colonne 6 en liquide riche en oxygène et en azote de cycle, et une partie de l'azote de cycle est épurée en hydrogène dans la colonne 7. L'hydrogène séparé est évacué du vaporiseur-condenseur 10 via un évent 23 prévu dans ses passages de condensation du gaz de tête de la colonne 7.
  • Par conséquent, c'est de l'azote ultra-pur, par exemple à une concentration en hydrogène inférieure à 10-9 (1 ppb), que l'on recueille en cuve de la colonne 7, et un débit de production d'azote ultra-pur gazeux est soutiré au bas de cette colonne via une conduite 24, réchauffé à la température ambiante en 3 et récupéré via une conduite 25 de production.
  • Le réglage du débit d'azote de cycle et du débit d'ouverture des vannes 20 et 21 permet de déterminer indépendamment l'un de l'autre les taux de reflux des deux colonnes. Par suite, il est possible de dimensionner la colonne 7, qui effectue une séparation (azote/hydrogène) plus facile que celle (oxygène/azote) réalisée dans la colonne 6, de manière optimale, et donc de réduire l'investissement correspondant, ceci sans perturber le fonctionnement de la colonne principale 6 et donc sans modifier les performances de l'installation.
  • Comme représenté, de l'azote à pureté ordinaire (par exemple à une concentration en hydrogène de l'ordre du ppm (10-6)) peut être récupéré en tant que produit à peu près à la pression de la colonne 6 via une conduite 26 piquée juste en amont du compresseur de cycle 13, et/ou à la haute pression du cycle via une conduite 27 piquée juste en aval de ce compresseur. L'invention est particulièrement avantageuse lorsque l'azote ultra-pur à produire représente une fraction seulement de la production totale d'azote de l'installation.
  • La variante de la Figure 2 (dans laquelle le sous-refroidisseur 8 n'a pas été représenté) diffère de la précédente par le fait que le courant d'azote de cycle condensé par vaporisation du liquide de cuve de la colonne 6 est condensé dans un vaporiseur-condenseur auxiliaire 10A monté en parallèle avec le vaporiseur-condenseur 10 en dehors de la colonne 6.
  • A titre d'exemple numérique, on peut choisir les paramètres suivants :
    • pression de l'air au refoulement du compresseur 1 : 8 bars absolus
    • pression de la colonne 6 : 4 bars absolus
    • pression de la colonne 7 : 9 bars absolus
    • pression du gaz résiduaire LRV : 1,2 bar absolu
    • haute pression du cycle : 11 bars absolus.

Claims (8)

  1. Procédé de production d'azote ultra-pur par distillation d'air, du type dans lequel :
    - l'air à traiter est séparé dans une première colonne (6) en azote de tête et en liquide de cuve riche en oxygène ;
    - de l'azote de tête est utilisé pour circuler suivant un cycle frigorifique, un débit d'azote de cycle de la partie haute pression étant épuré en hydrogène dans une seconde colonne (7) comprenant un vaporiseur de cuve (11) qui assure la condensation de cet azote avant son introduction dans cette seconde colonne, et un condenseur de tête (10) refroidi par le liquide de cuve de la première colonne (6) ;
    - du liquide de cuve de la seconde colonne (7) étant envoyé à la première colonne (6) après une étape de détente ;
    - l'azote ultra-pur de production étant soutiré (en 24) de la seconde colonne (7), et une partie au moins de l'azote condensé par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne (6) étant épurée en hydrogène dans la seconde colonne (7),
       caractérisé en ce qu'un second débit d'azote de cycle de la partie haute pression est condensé (en 10 ; 10A) par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne (6) et une partie au moins de l'azote condensé par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne (6) est introduite en reflux en tête de la première colonne (6).
  2. Procédé suivant la revendication 1 dans lequel une partie au moins de l'azote condensé par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne (6) est introduite dans la seconde colonne (7).
  3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2 dans lequel une partie réglable de l'air est envoyée à une vanne de by-pass (16) d'une turbine (4), de détente d'air.
  4. Installation de production d'azote ultra-pur par distillation d'air, du type comprenant une double colonne de distillation (5) qui comprend elle-même une première colonne (6) de séparation azote/oxygène alimentée par l'air à traiter, et une seconde colonne (7) de séparation azote/hydrogène dont la tête est couplée à la cuve de la première colonne par un vaporiseur-condenseur (10) et qui comporte un vaporiseur de cuve (11), des moyens de soutirage d'un gaz enrichi en hydrogène, et un cycle frigorifique à azote (12) dont la partie haute pression alimente le vaporiseur de cuve (11) de la seconde colonne (7) puis cette seconde colonne elle-même, des moyens (22) pour détendre du liquide de cuve de la seconde colonne et pour l'introduire dans la première colonne, des moyens (24) pour soutirer l'azote ultra-pur de production de la seconde colonne (7), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (10 ; 10A) pour condenser de l'azote de cycle haute pression par vaporisation de liquide de cuve de la première colonne (6), et des moyens pour introduire en reflux en tête de la première colonne (6) une partie au moins de l'azote liquide issu desdits moyens de condensation (10).
  5. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de condensation comprennent des passages d'azote de cycle haute pression prévus dans ledit vaporiseur-condenseur (10).
  6. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de condensation comprennent un vaporiseur-condenseur auxiliaire (10A) monté en parallèle avec le vaporiseur-condenseur (10) de la première colonne (6).
  7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le vaporiseur-condenseur auxiliaire (10A) est monté à l'extérieur de la première colonne (6).
  8. Installation suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour introduire dans la seconde colonne (7) une partie au moins de l'azote liquide issu desdits moyens de condensation (10).
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