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EP1143216A1 - Procédé et appareil de production d'un fluide enrichi en oxygène par distillation cryogénique - Google Patents

Procédé et appareil de production d'un fluide enrichi en oxygène par distillation cryogénique Download PDF

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Publication number
EP1143216A1
EP1143216A1 EP01400749A EP01400749A EP1143216A1 EP 1143216 A1 EP1143216 A1 EP 1143216A1 EP 01400749 A EP01400749 A EP 01400749A EP 01400749 A EP01400749 A EP 01400749A EP 1143216 A1 EP1143216 A1 EP 1143216A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
argon
enriched
flow
column
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Granted
Application number
EP01400749A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1143216B1 (fr
Inventor
Benoít Davidian
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
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance 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, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP1143216A1 publication Critical patent/EP1143216A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1143216B1 publication Critical patent/EP1143216B1/fr
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    • F25J3/04593—The air gas consuming unit is also fed by an air stream
    • F25J3/046—Completely integrated air feed compression, i.e. common MAC
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    • F25J3/04666—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system
    • F25J3/04672—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser
    • F25J3/04678—Producing crude argon in a crude argon column as a parallel working rectification column of the low pressure column in a dual pressure main column system having a top condenser cooled by oxygen enriched liquid from high pressure column bottoms
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    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/58—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being argon or crude argon

Definitions

  • the present invention relates to a production method and apparatus of a fluid enriched in oxygen by cryogenic distillation of a mixture containing nitrogen, oxygen and argon.
  • it relates to a method and an apparatus for separating air by cryogenic distillation allowing the production of pure oxygen, i.e. oxygen containing at least 95% mol. oxygen, preferably at least 98% mol. oxygen or even 99.5% mol. oxygen.
  • Patent application EP-A-0540900 describes a production process impure oxygen in which part of the impure argon containing at least 90% of argon from a column of mixture is mixed with the residual nitrogen from a simple column.
  • the mixing column operates at the same low pressure as the low column pressure, up to 1.75 bara.
  • EP-A-0384213 has a low pressure column operating at between 1.5 and 10 bara but the argon column operates at a lower pressure.
  • US-A-4932212 describes the case in which the low pressure column and the argon column operate at pressures between 1 and 2 bars.
  • EP-A-0518491 describes a process for the production of nitrogen gas under pressure and incidentally liquid nitrogen, liquid argon and liquid oxygen in which the low pressure column and the argon column operate at a pressure substantially identical above 2.5 bara. No argon gas flow is produced.
  • EP-A-0952415 describes an apparatus comprising a double column and a argon column operating with a yield lower than the optimal yield.
  • An object of the present invention is to increase the yield of pure oxygen an air separation device.
  • Another object of the invention is to provide an air separation device particularly well suited to the demands of large quantities of nitrogen under pressure (typically when integrated with an IGCC gas turbine).
  • the flow enriched in argon or the flow enriched in argon mixed with a gas enriched in nitrogen can be sent upstream of the expansion machine of a gas turbine.
  • the flow enriched in argon can contain between 10 and 95 mol%. argon (or between 40 and 95% mol. argon), between 2 and 40.% mol of oxygen and between 2 and 40% mol. nitrogen.
  • the flow enriched in argon which is released to the atmosphere and / or which is used to regenerate adsorbent beds or reversible exchangers and / or which is mixed with a gas enriched in nitrogen from the device and / or another device and / or which is sent upstream of the expansion machine of a gas turbine can constitute between 0.3 and 2% of the air, preferably between 0.5 and 1% of the air. For this reason, it is best to mix the flow enriched in argon with a gas enriched in nitrogen containing at least 90% mol.
  • the mixture formed comprises less than 2% mol. argon, preferably less than 1% mol. argon.
  • the low pressure column can operate between 2 and 10 bara, preferably above 2.5 bara.
  • the apparatus may include an auxiliary separation column a flow containing at least argon and oxygen and two other columns, of which a high pressure column and a low pressure column thermally connected between them, the auxiliary column being supplied from the low pressure column.
  • the apparatus may include an auxiliary separation column of a flow rate containing at least argon and oxygen and at least three others columns, including a high pressure column, an intermediate pressure column and a low pressure column thermally connected to each other, the auxiliary column being supplied from the low pressure column or the intermediate pressure column.
  • an integrated method of separation comprising a method according to one of claims 1 to 12 in which a nitrogen-enriched gas is sent from the operating column preferably at the lowest pressure at the gas turbine, after one step possible compression and, optionally, a fluid enriched with oxygen is sent from an appliance column to a gasifier.
  • the auxiliary column contains between 30 and 40 trays theoretical.
  • the separation of oxygen and argon in the low pressure column tank is facilitated.
  • the fluid enriched in argon withdrawn from the auxiliary column is not necessarily an end product of the device but can be used to cool flows re-entering the columns or supplying frigories by expansion.
  • Figure 1 is a diagram of an oxygen production apparatus according to the invention using a double column.
  • Figure 2 is a diagram of an oxygen production apparatus according to the invention using a triple column.
  • an air flow 1 of 1000Nm3 / h is purified by beds adsorbent 4 is divided into two.
  • the flow 2 is boosted at a higher pressure, sent to the heat exchanger 3 where it cools ensuring the vaporization of liquid oxygen and then to a hydraulic turbine 5 where it comes out at least partially liquid.
  • This liquid (or two-phase mixture) 7 is sent to the column high pressure 9 operating between 14 and 15 bar and possibly partly at the column low pressure 11 operating between 4 and 6 bar (or even between 2 and 10 bar), either sending part of the capacity liquid upstream of the medium pressure column either by withdrawing a flow having a composition similar to that of the liquid air of the high pressure column 9, as shown in Figure 1.
  • the device may include an insufflation turbine which serves during start-up or a low-pressure nitrogen turbine 55.
  • a flow of rich liquid 15 is withdrawn from the high pressure column and sent to the sub-cooler 17, divided in two and sent in part to the lower column pressure, after expansion in the valve 21 and in part at the head condenser 23 of the auxiliary column 25 after expansion in the valve 27. At least the rich liquid partially vaporized in the overhead condenser is sent to the lower column pressure 11. If the vaporization is partial, a liquid flow and a gas flow are sent from the condenser to the low pressure column.
  • a nitrogen gas flow 19 can optionally be withdrawn from the head of the high pressure column 9.
  • the auxiliary column is supplied by a gas flow 29 containing between 5 and 15% mol. argon, preferably around 7 mol%. argon.
  • the tank liquid 31 of the auxiliary column is returned to the low pressure column which operates substantially at the same pressure as the auxiliary column.
  • the auxiliary column 25 can alternatively be supplied with a liquid flow containing between 5 and 15 mol%. argon, preferably around 7 mol%. argon.
  • column 25 will have a tank reboiler, heated by a gas flow such as air or nitrogen from the high pressure column 9.
  • a liquid air flow 33 and a lean liquid flow 35 are sent from the high pressure column 9 to low pressure column 11, after having been sub-cooled in the sub-cooler 17 and expanded in valves.
  • a liquid oxygen flow 37 containing 99.5% mol. oxygen is drawn in low pressure column tank, pressurized by a pump 39 and vaporized in the exchanger 3.
  • the mixture 53 heats up in the sub-cooler 17 then heats up in the exchanger 3.
  • the mixture can then be discharged into the atmosphere and / or can be used to regenerate the adsorbent beds 4 or reversible exchangers and / or sent in upstream of the expansion machine 51 of a gas turbine after a step of compression.
  • part of the mixture 53 can be expanded in a turbine 55 (dotted line).
  • a triple column is used in place of the double column of Figure 1.
  • An air flow 1 is purified by adsorbent beds 4 is divided into two.
  • Flow 2 is boosted to a higher pressure, sent to the heat exchanger heat 3 where it cools by ensuring the vaporization of liquid oxygen and then at a hydraulic turbine 5 where it exits in at least partially liquid form.
  • This liquid (or two-phase mixture) 7 is sent to the high pressure column 9 operating between 14 and 15 bar and possibly partly at the low pressure column 11 operating between 4 and 6 bar and / or possibly at the intermediate pressure column 40 operating between 7 and 9 bar, either by sending part of the liquid of a capacity upstream of the middle column pressure either by withdrawing a flow having a composition similar to that of liquid air of the high pressure column 9, as shown in FIG. 2.
  • the device may include an insufflation turbine which serves during start-up or a low-pressure nitrogen turbine 55.
  • a flow of rich liquid 15 is withdrawn from the high pressure column and sent to the sub-cooler 17, divided in two and sent partly to the middle of the column operating at intermediate pressure 40, after expansion in valve 21 and partly at head condenser 23 of the auxiliary column 25 after expansion in the valve 27.
  • the at least partially vaporized rich liquid in the overhead condenser is sent to the low pressure column 11. If the vaporization is partial, a liquid flow and a flow gases are sent from the condenser to the low pressure column.
  • a nitrogen gas flow 19 can optionally be withdrawn from the head of the high pressure column 9.
  • the auxiliary column is supplied with part of a gas flow 29 containing between 5 and 15 mol%. argon, preferably around 7 mol%. argon.
  • the liquid tank 31 of the auxiliary column is returned to the low pressure column which operates at substantially the same pressure as the auxiliary column.
  • the auxiliary column 25 can alternatively be supplied with a liquid flow containing between 5 and 15 mol%. argon, preferably around 7 mol%. argon.
  • column 25 will have a tank reboiler, heated by a gas flow such as air or nitrogen from the high pressure column 9.
  • the rest of the gas flow 29 is used to heat the tank reboiler 41 of the column 40 and after condensation is returned to the low pressure column with the flow rate 31.
  • the tank liquid 43 of the column 40 is partly sent directly to the low pressure column and partly to the condenser at the top of column 40 where it at least partially vaporizes before being sent to the low pressure column at its tower.
  • the overhead liquid 47 of the column 40 is sub-cooled in the exchanger 17, expanded, mixed with expanded flow 35 and sent to the top of the lower column pressure.
  • a liquid air flow 33 and a lean liquid flow 35 are sent from the high pressure column 9 to low pressure column 11, after having been sub-cooled in the sub-cooler 17 and expanded in valves.
  • a liquid oxygen flow 37 containing 99.5% mol. oxygen is drawn in low pressure column tank, pressurized by a pump 39 and vaporized in the exchanger 3.
  • the mixture 53 heats up in the sub-cooler 17 then heats up in the exchanger 3.
  • the mixture can then be discharged into the atmosphere and / or can be used to regenerate the adsorbent beds 4 or reversible exchangers and / or sent in upstream of the expansion machine 51 of a gas turbine after a step of possible compression.
  • part of the mixture 53 can be expanded in a turbine 55 (dotted line).
  • the method according to the invention is of particular interest in the case in which the nitrogen in the low pressure column is valued, for example by sending it to an expansion machine 51 of a gas turbine.
  • at least part of the air 1 can come from compressor 53 of the gas turbine and the oxygen produced by the device distillation can be used for the gasification necessary to produce the fuel for the gas turbine.

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Abstract

Une installation de séparation d'air comprend au moins trois colonnes dont une colonne auxiliaire (25) et deux autres colonnes (9,11,40), dont au moins une alimentée par de l'air et dont celle opérant à la pression la plus basse opère entre 2 et 10 bars. Un débit contenant entre 40 et 95% mol. d'argon provenant de la colonne auxiliaire est éventuellement mélangé avec un gaz enrichi en azote de la colonne opérant à la pression plus basse. La colonne auxiliaire opère à la même pression que la colonne dont elle est alimentée. <IMAGE>

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de production d'un fluide enrichi en oxygène par distillation cryogénique d'un mélange contenant de l'azote, de l'oxygène et de l'argon.
En particulier il concerne un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique permettant la production d'oxygène pur, c'est à dire de l'oxygène contenant au moins 95% mol. oxygène, de préférence au moins 98% mol. d'oxygène ou même 99,5% mol. d'oxygène.
Lorsqu'on veut faire de l'oxygène pur, on doit nécessairement séparer l'oxygène de l'argon. Si les colonnes de l'appareil opèrent toutes à une pression au-dessus de 2 bar, la distillation est difficile.
La production d'argon pur nécessite une colonne ayant plus que 100 plateaux théoriques.
La demande de brevet EP-A-0540900 décrit un procédé de production d'oxygène impur dans lequel une partie de l'argon impur contenant au moins 90% d'argon d'une colonne de mixture est mélangé avec l'azote résiduaire d'une simple colonne. La colonne de mixture opère à la même pression basse que la colonne basse pression, jusqu'à 1,75 bara.
EP-A-0384213 a une colonne basse pression opérant à entre 1,5 et 10 bara mais la colonne argon opère à une pression plus basse.
US-A-4932212 décrit le cas dans lequel la colonne basse pression et la colonne argon opèrent à des pressions entre 1 et 2 bars.
EP-A-0518491 décrit un procédé de production d'azote gazeux sous pression et accessoirement de l'azote liquide, de l'argon liquide et de l'oxygène liquide dans lequel la colonne basse pression et la colonne argon opèrent à une pression substantiellement identique au-dessus de 2,5 bara. Aucun débit d'argon gazeux n'est produit.
EP-A-0952415 décrit un appareil comprenant une double colonne et une colonne argon opérant avec un rendement inférieur au rendement optimal.
Un but de la présente invention est d'augmenter le rendement en oxygène pur d'un appareil de séparation d'air.
Un autre but de l'invention est de fournir un appareil de séparation d'air particulièrement bien adapté aux demandes de grandes quantités d'azote sous pression (typiquement en cas d'intégration avec une turbine à gaz d'un IGCC).
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un débit enrichi en oxygène dans un appareil de distillation cryogénique comprenant les étapes de:
  • a) refroidir un débit d'alimentation comprenant de l'oxygène, de l'azote et de l'argon et introduire ce débit dans un appareil de distillation comprenant une colonne auxiliaire de séparation d'un débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène et au moins deux autres colonnes ;
  • b) séparer ce débit par distillation cryogénique dans l'appareil afin de former des fluides enrichis en oxygène et en azote ;
  • c) envoyer le débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène d'une des autres colonnes à la colonne auxiliaire, la colonne auxiliaire opérant substantiellement à la même pression que la colonne dont provient le débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène, cette pression étant entre 2 et 10 bars absolus ;
  • d) soutirer un débit enrichi en oxygène d'une colonne de l'appareil contenant au moins 95 % mol. d'oxygène, éventuellement 98 % mol. d'oxygène;
  • e) soutirer un débit enrichi en argon de la colonne auxiliaire ;
    •    caractérisé en ce qu'au moins une partie du débit enrichi en argon est rejetée à l'atmosphère et/ou sert à régénérer des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles et/ou au moins une partie du débit enrichi en argon sert de produit, après être mélangée avec un gaz enrichi en azote de l'appareil et/ou un autre appareil.
    Par exemple le débit enrichi en argon ou le débit enrichi en argon mélangé avec un gaz enrichi en azote peut être envoyé en amont de la machine de détente d'une turbine à gaz..
    Le débit enrichi en argon peut contenir entre 10 et 95 % mol. d'argon (ou entre 40 et 95% mol. d'argon) ,entre 2 et 40.% mol d'oxygène et entre 2 et 40 % mol. d'azote.
    Optionnellement tout le débit enrichi en argon est rejeté à l'atmosphère et/ou sert à régénérer des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles et/ou est mélangé avec un gaz résiduaire de l'appareil et/ou un autre appareil et/ou envoyé en amont de la machine de détente d'une turbine à gaz.
    Dans ce cas, il peut tout de même y avoir une production d'argon, par exemple en soutirant un débit plus riche en argon de la colonne auxiliaire qui est le produit.
    Le débit enrichi en argon qui est rejeté à l'atmosphère et/ou qui sert à régénérer des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles et/ou qui est mélangé avec un gaz enrichi en azote de l'appareil et/ou un autre appareil et/ou qui est envoyé en amont de la machine de détente d'une turbine à gaz peut constituer entre 0,3 et 2% de l'air, de préférence entre 0,5 et 1% de l'air. Pour cette raison, il est préférable de mélanger le débit enrichi en argon avec un gaz enrichi en azote contenant au moins 90 %mol. d'azote provenant par exemple de la colonne basse pression d'une double colonne et d'utiliser le mélange pour régénérer des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles et/ou pour envoyer le mélange à une turbine à gaz et/ou de détendre le mélange dans une turbine. Ainsi le mélange formé comprend moins de 2 % mol. d'argon, de préférence moins de 1% mol. d'argon.
    La colonne basse pression peut opérer entre 2 et 10 bara, de préférence au-dessus de 2,5 bara.
    Par exemple, l'appareil peut comprendre une colonne auxiliaire de séparation d'un débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène et deux autres colonnes, dont une colonne haute pression et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles, la colonne auxiliaire étant alimentée à partir de la colonne basse pression.
    Alternativement l'appareil peut comprendre une colonne auxiliaire de séparation d'un débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène et au moins trois autres colonnes, dont une colonne haute pression, une colonne pression intermédiaire et une colonne basse pression reliées thermiquement entre elles, la colonne auxiliaire étant alimentée à partir de la colonne basse pression ou la colonne pression intermédiaire.
    Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé intégré de séparation d'air et de production d'énergie comprenant un procédé selon l'une des revendications 1 à 12 dans lequel on envoie un gaz enrichi en azote de la colonne opérant préférablement à la pression la plus basse à la turbine à gaz ,après une étape éventuelle de compression et, éventuellement on envoie un fluide enrichi en oxygène d'une colonne de l'appareil à un gazéifieur.
    Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'oxygène par distillation cryogénique comprenant :
  • a) une colonne auxiliaire et au moins deux autres colonnes ;
  • b) des moyens pour envoyer un débit contenant de l'oxygène, de l'azote et de l'argon à une des autres colonnes ;
  • c) des moyens pour soutirer un débit enrichi en oxygène d'une des autres colonnes ;
  • d) des moyens pour soutirer un débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène d'une des autres colonnes et des moyens pour envoyer ce débit comme alimentation à la colonne auxiliaire ;
  • e) des moyens pour soutirer un fluide enrichi en argon de la colonne auxiliaire ;
    •    caractérisé en ce que la colonne auxiliaire contient entre 1 et 99 plateaux théoriques et en ce que l'appareil comprend une turbine de détente, des moyens pour amener un gaz de la colonne opérant à la pression la plus basse, à part la colonne auxiliaire, à la turbine de détente, ces moyens ne comprenant pas de moyen de compression et des moyens pour envoyer au moins une partie du fluide enrichi en argon à l'atmosphère et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du fluide enrichi en argon à des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles pour les régénérer et/ou des moyens pour mélanger au moins une partie du fluide enrichi en argon avec un gaz résiduaire de l'appareil ou un autre appareil et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du fluide enrichi en argon à une turbine à gaz.
    De préférence il n'y a pas de moyen de détente entre la colonne alimentant la colonne auxiliaire et la colonne auxiliaire.
    Optionnellement la colonne auxiliaire contient entre 30 et 40 plateaux théoriques.
    Ainsi avec une colonne auxiliaire opérant à la même pression que la colonne basse pression, et de préférence opérant à une pression au-dessus de 2 bar, la séparation d'oxygène et argon en cuve de la colonne basse pression est facilitée. Dans ce cas le fluide enrichi en argon soutiré de la colonne auxiliaire n'est pas nécessairement un produit final de l'appareil mais peut servir à refroidir les débits rentrant dans les colonnes ou à fournir des frigories par détente.
    L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures.
    La figure 1 est un schéma d'un appareil de production d'oxygène selon l'invention utilisant une double colonne.
    La figure 2 est un schéma d'un appareil de production d'oxygène selon l'invention utilisant une triple colonne.
    Dans la figure 1, un débit d'air 1 de 1000Nm3/h est épuré par des lits d'adsorbants 4 est divisé en deux. Le débit 2 est surpressé à une pression plus élevée, envoyé dans l'échangeur de chaleur 3 où il se refroidit en assurant la vaporisation de l'oxygène liquide et ensuite à une turbine hydraulique 5 où il sort sous forme au moins partiellement liquide. Ce liquide (ou mélange diphasique) 7 est envoyé à la colonne haute pression 9 opérant entre 14 et 15 bar et éventuellement en partie à la colonne basse pression 11 opérant entre 4 et 6 bar (ou même entre 2 et 10 bar), soit en envoyant une partie du liquide d'une capacité en amont de la colonne moyenne pression soit en soutirant un débit ayant une composition similaire à celle de l'air liquide de la colonne haute pression 9, comme montré à la figure 1.
    Le reste de l'air 13 à 14,4 bara est envoyé à la colonne haute pression 9.
    Eventuellement l'appareil peut comporter une turbine d'insufflation qui sert pendant le démarrage ou une turbine d'azote basse pression 55.
    Un débit de liquide riche 15 est soutiré de la colonne haute pression et envoyé au sous refroidisseur 17, divisé en deux et envoyé en partie à la colonne basse pression, après détente dans la vanne 21 et en partie au condenseur de tête 23 de la colonne auxiliaire 25 après détente dans la vanne 27. Le liquide riche au moins partiellement vaporisé dans le condenseur de tête est envoyé à la colonne basse pression 11. Si la vaporisation est partielle, un débit liquide et un débit gazeux sont envoyés du condenseur à la colonne basse pression.
    Un débit d'azote gazeux 19 peut éventuellement être soutiré de la tête de la colonne haute pression 9.
    La colonne auxiliaire est alimentée par un débit gazeux 29 contenant entre 5 et 15 % mol. d'argon, de préférence vers 7 % mol. d'argon. Le liquide de cuve 31 de la colonne auxiliaire est renvoyé à la colonne basse pression qui opère substantiellement à la même pression que la colonne auxiliaire.
    Le colonne auxiliaire 25 peut alternativement être alimentée par un débit liquide contenant entre 5 et 15 % mol. d'argon, de préférence vers 7 % mol. d'argon. Dans ce cas la colonne 25 aura un rebouilleur de cuve, chauffe par un débit gazeux tel que l'air ou de l'azote de la colonne haute pression 9.
    Un débit d'air liquide 33 et un débit de liquide pauvre 35 sont envoyés de la colonne haute pression 9 à la colonne basse pression 11, après avoir été sous-refroidis dans le sous refroidisseur 17 et détendus dans des vannes.
    Un débit d'oxygène liquide 37 contenant 99,5% mol. d'oxygène est soutiré en cuve de la colonne basse pression, pressurisé par une pompe 39 et vaporisé dans l'échangeur 3.
    Un gaz enrichi en argon 49 constituant entre 0,5 et 1% de l'air envoyé à l'appareil et contenant entre 40 et 95 % mol. d'argon soutiré de la tête de la colonne auxiliaire 25 est mélangé avec de l'azote résiduaire 47 de la tête de la colonne basse pression. Le mélange 53 se réchauffe dans le sous refroidisseur 17 puis se réchauffe dans l'échangeur 3. Le mélange peut ensuite être rejeté à l'atmosphère et/ou peut servir à régénérer les lits d'adsorbants 4 ou des échangeurs réversibles et/ou envoyé en amont de la machine de détente 51 d'une turbine à gaz après une étape de compression.
    Eventuellement auparavant une partie du mélange 53 peut être détendue dans une turbine 55 (en pointillés).
    Par rapport à un système classique avec une colonne haute pression à 14,3 bara et une colonne basse pression à 4,8 bara mais sans colonne auxiliaire, le procédé de la Figure 1 permet d'augmenter le rendement en oxygène de 78% à 90%.
    Dans la Figure 2, une triple colonne est utilisée à la place de la double colonne de la Figure 1. Un débit d'air 1 est épuré par des lits d'adsorbants 4 est divisé en deux. Le débit 2 est surpressé à une pression plus élevée, envoyé dans l'échangeur de chaleur 3 où il se refroidit en assurant la vaporisation de l'oxygène liquide et ensuite à une turbine hydraulique 5 où il sort sous forme au moins partiellement liquide. Ce liquide (ou mélange diphasique) 7 est envoyé à la colonne haute pression 9 opérant entre 14 et 15 bar et éventuellement en partie à la colonne basse pression 11 opérant entre 4 et 6 bar et/ou éventuellement à la colonne pression intermédiaire 40 opérant entre 7 et 9 bar, soit en envoyant une partie du liquide d'une capacité en amont de la colonne moyenne pression soit en soutirant un débit ayant une composition similaire à celle de l'air liquide de la colonne haute pression 9, comme montré à la figure 2.
    Le reste de l'air 13 à 14,4 bara est envoyé à la colonne haute pression 9.
    Eventuellement l'appareil peut comporter une turbine d'insufflation qui sert pendant le démarrage ou une turbine d'azote basse pression 55.
    Un débit de liquide riche 15 est soutiré de la colonne haute pression et envoyé au sous refroidisseur 17, divisé en deux et envoyé en partie au milieu de la colonne opérant à pression intermédiaire 40, après détente dans la vanne 21 et en partie au condenseur de tête 23 de la colonne auxiliaire 25 après détente dans la vanne 27. Le liquide riche au moins partiellement vaporisé dans le condenseur de tête est envoyé à la colonne basse pression 11. Si la vaporisation est partielle, un débit liquide et un débit gazeux sont envoyés du condenseur à la colonne basse pression.
    Un débit d'azote gazeux 19 peut éventuellement être soutiré de la tête de la colonne haute pression 9.
    La colonne auxiliaire est alimentée par une partie d'un débit gazeux 29 contenant entre 5 et 15 % mol. d'argon, de préférence vers 7 % mol. d'argon. Le liquide de cuve 31 de la colonne auxiliaire est renvoyé à la colonne basse pression qui opère substantiellement à la même pression que la colonne auxiliaire.
    Le colonne auxiliaire 25 peut alternativement être alimentée par un débit liquide contenant entre 5 et 15 % mol. d'argon, de préférence vers 7 % mol. d'argon. Dans ce cas la colonne 25 aura un rebouilleur de cuve, chauffe par un débit gazeux tel que l'air ou de l'azote de la colonne haute pression 9.
    Le reste du débit gazeux 29 sert à chauffer le rebouilleur de cuve 41 de la colonne 40 et après condensation est renvoyé à la colonne basse pression avec le débit 31.
    Le liquide de cuve 43 de la colonne 40 est envoyé en partie directement à la colonne basse pression et en partie au condenseur de tête de la colonne 40 où il se vaporise au moins partiellement avant d'être envoyé à la colonne basse pression à son tour.
    Le liquide de tête 47 de la colonne 40 est sousrefroidi dans l'échangeur 17, détendu, mélangé avec le débit détendu 35 et envoyé en tête de la colonne basse pression.
    Un débit d'air liquide 33 et un débit de liquide pauvre 35 sont envoyés de la colonne haute pression 9 à la colonne basse pression 11, après avoir été sous-refroidis dans le sous refroidisseur 17 et détendus dans des vannes.
    Un débit d'oxygène liquide 37 contenant 99,5% mol. d'oxygène est soutiré en cuve de la colonne basse pression, pressurisé par une pompe 39 et vaporisé dans l'échangeur 3.
    Un gaz enrichi en argon 49 constituant entre 0,5 et 1% de l'air envoyé à l'appareil et contenant entre 40 et 95 % mol. d'argon soutiré de la tête de la colonne auxiliaire 25 est mélangé avec de l'azote résiduaire 47 de la tête de la colonne basse pression. Le mélange 53 se réchauffe dans le sous refroidisseur 17 puis se réchauffe dans l'échangeur 3. Le mélange peut ensuite être rejeté à l'atmosphère et/ou peut servir à régénérer les lits d'adsorbants 4 ou des échangeurs réversibles et/ou envoyé en amont de la machine de détente 51 d'une turbine à gaz après une étape de compression éventuelle.
    Eventuellement auparavant une partie du mélange 53 peut être détendue dans une turbine 55 (en pointillés).
    Le procédé selon l'invention présente un intérêt particulier dans le cas dans lequel l'azote de la colonne basse pression est valorisé, par exemple en l'envoyant à une machine de détente 51 d'une turbine à gaz. Dans ce cas au moins une partie de l'air 1 peut provenir du compresseur 53 de la turbine à gaz et l'oxygène produit par l'appareil de distillation peut servir à la gazéification nécessaire pour produire le carburant de la turbine à gaz.

    Claims (16)

    1. Procédé de production d'un débit enrichi en oxygène dans un appareil de distillation cryogénique comprenant les étapes de :
      a) refroidir un débit d'alimentation (1) comprenant de l'oxygène, de l'azote et de l'argon et introduire ce débit dans un appareil de distillation comprenant une colonne auxiliaire (25) de séparation d'un débit (29) contenant au moins de l'argon et de l'oxygène et au moins deux autres colonnes (9,11) ;
      b) séparer ce débit par distillation cryogénique dans l'appareil afin de former des fluides enrichis en oxygène et en azote (15,33,35) ;
      c) envoyer le débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène d'une des autres colonnes à la colonne auxiliaire, la colonne auxiliaire opérant substantiellement à la même pression que la colonne (11) dont provient le débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène, cette pression étant entre 2 et 10 bars absolus ;
      d) soutirer un débit enrichi en oxygène (37), contenant au moins 95 %mol. d'oxygène d'une colonne de l'appareil ;
      e) soutirer un débit enrichi en argon (49)de la colonne auxiliaire ;
         caractérisé en ce qu'au moins une partie du débit enrichi en argon (49) est rejetée à l'atmosphère et/ou sert à régénérer des lits d'adsorbants (4) ou des échangeurs réversibles et/ou au moins une partie du débit enrichi en argon sert de produit après s'être mélangée avec un gaz enrichi en azote (47) de l'appareil et/ou un autre appareil.
    2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit enrichi en argon (49) contient entre 10 et 95 % mol. d'argon.
    3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le débit enrichi en argon (49)contient entre 40 et 95 % mol. d'argon.
    4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit enrichi en argon (49) contient entre 2 et 40 % mol. d'oxygène.
    5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du débit enrichi en argon (49) est rejetée à l'atmosphère, éventuellement après l'avoir mélangé avec un gaz enrichi en azote de l'appareil.
    6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du débit enrichi en argon (49) sert à régénérer des lits d'adsorbants (4) ou des échangeurs réversibles, éventuellement après l'avoir mélangé avec un gaz enrichi en azote de l'appareil.
    7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du débit enrichi en argon (49) envoyée en amont de la machine de détente (51) d'une turbine à gaz,. éventuellement après l'avoir mélangé avec un gaz enrichi en azote de l'appareil.
    8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel tout le débit enrichi en argon (49) est rejeté à l'atmosphère et/ou sert à régénérer des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles et/ou sert de produit final éventuellement après s'être mélangé avec un gaz enrichi en azote de l'appareil.
    9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel il y a production d'un fluide enrichi en argon comme produit final.
    10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du débit (49) enrichi en argon est envoyée à une turbine de détente (53) ou une vanne de détente, éventuellement après avoir été mélangé avec un débit gazeux enrichi en azote.
    11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'appareil comprend une colonne auxiliaire (25) de séparation d'un débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène et deux autres colonnes, dont une colonne haute pression (9) et une colonne basse pression (11) reliées thermiquement entre elles, la colonne auxiliaire étant alimentée à partir de la colonne basse pression.
    12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel l'appareil comprend une colonne auxiliaire (25) de séparation d'un débit contenant au moins de l'argon et de l'oxygène et au moins trois autres colonnes, dont une colonne haute pression (9), une colonne pression intermédiaire (40) et une colonne basse pression (11) reliées thermiquement entre elles, la colonne auxiliaire étant alimentée à partir de la colonne basse pression ou la colonne pression intermédiaire.
    13. Procédé intégré de séparation d'air et de production d'énergie comprenant un procédé selon la revendication 7 dans lequel on envoie un fluide enrichi en oxygène d'une colonne de l'appareil à un gazéifieur ou au moins une partie de l'air destiné à l'appareil de distillation provient d'un compresseur (53) de la turbine à gaz.
    14. Appareil de production d'oxygène par distillation cryogénique comprenant :
      a) une colonne auxiliaire (25) et au moins deux autres colonnes(9,11);
      b) des moyens pour envoyer un débit (1) contenant de l'oxygène, de l'azote et de l'argon à une des autres colonnes ;
      c) des moyens pour soutirer un débit enrichi en oxygène (37) d'une des autres colonnes ;
      d) des moyens pour soutirer un débit (29)contenant au moins de l'argon et de l'oxygène d'une des autres colonnes et des moyens pour envoyer ce débit comme alimentation à la colonne auxiliaire (25) ;
      e) des moyens pour soutirer un fluide enrichi en argon de la colonne auxiliaire ;
      caractérisé en ce que la colonne auxiliaire contient entre 1 et 99 plateaux théoriques et il y a une turbine de détente (53), des moyens pour amener .un gaz (53) de la colonne opérant à la pression la plus basse (11), à part la colonne auxiliaire,à la turbine de détente, ces moyens ne comprenant pas de moyen de compression et des moyens pour envoyer au moins une partie du fluide enrichi en argon à l'atmosphère et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du fluide enrichi en argon à des lits d'adsorbants ou des échangeurs réversibles pour les régénérer et/ou des moyens pour mélanger au moins une partie du fluide enrichi en argon avec un gaz enrichi en azote (47) de l'appareil ou d'un autre appareil et/ou des moyens pour envoyer au moins une partie du fluide enrichi en argon à une turbine à gaz.
    15. Appareil selon la revendication 14 dans lequel il n'y a pas de moyen de détente entre la colonne (11) alimentant la colonne auxiliaire et la colonne auxiliaire (25).
    16. Appareil selon la revendication 14 ou 15 comprenant des moyens pour envoyer tout le fluide enrichi en argon à l'atmosphère ou des moyens pour mélanger tout le fluide enrichi en argon avec un gaz enrichi de l'appareil ou un autre appareil.
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