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FR2837564A1 - Procede et installation de production d'oxygene et/ou d'azote sous pression et d'argon pur - Google Patents

Procede et installation de production d'oxygene et/ou d'azote sous pression et d'argon pur Download PDF

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FR2837564A1
FR2837564A1 FR0306513A FR0306513A FR2837564A1 FR 2837564 A1 FR2837564 A1 FR 2837564A1 FR 0306513 A FR0306513 A FR 0306513A FR 0306513 A FR0306513 A FR 0306513A FR 2837564 A1 FR2837564 A1 FR 2837564A1
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oxygen
argon
low pressure
distillation
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Frederic Staine
Jean Francois Ducholet
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

L'installation comprend une triple colonne de distillation d'air (13) qui produit de l'oxygène à 97, 5%, une colonne de production d'argon impur (17) couplée à la colonne basse pression (16), et des moyens de purification de l'argon par réchauffement (20), désoxygénation catalytique en présence d'hydrogène (22), déshydratation (23, 24), refroidissement (20) et déazotation (25).Application à l'alimentation en oxygène et/ ou en azote sous pression des installations de production d'énergie de type IGCC.

Description

revendications 7 à 12.
1 2837564
La présente invention est relative à un procédé de productlon simultance par distillation d' air, d'oxygène et/ou d'azote sous pression d'une part, d' argon sensiblement pur d'autre part, du type dans lequel on distille de l' air dans une unité de distillation d' air qui comprend: une triple colonne comprenant une colonne moyenne pression, une colonne à pression intermédiaire et une colonne basse pression, la pression intermédiaire étant comprise entre la moyenne pression et la basse pression et cette dernière étant au moins égale à 2,5 bars; une colonne de production d' argon impur couplée à la colonne basse pression et fonctionnant à la même pression que celle-ci, et des moyens
de purification de l' argon impur.
L' invention s' applique notamment à l' alimentation en oxygène et en azote sous pression des unités de production d'énergie de type IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). Les pressions dont il est question ici sont des
pressions absolues.
Les unités IGCC consomment de très grandes quantités d'oxygène et d'azote sous pression, et demandent de l'oxygène à faible pureté, typiquement de 95%. Ceci conduit à faire appel à des triples colonnes de distillation d' air pour permettre à la colonne basse pression de produire de l'oxygène sous pression à faible pureté dans des conditions
de distillation satisfaisantes.
De plus, du fait de la grande taille des unités de distillation d' air nécessaires, il est avantageux de les utiliser pour produire simultanément de l' argon et, éventuellement, de l'oxygène liquide et/ou de l'azote
liquide de plus grande pureté.
Cette production combinée pose cependant des problèmes complexes de conception de l'unité de distillation d' air, car d'une part les productions supplémentaires précitées doivent posséder une pureté élevée, typiquement 99,5% au moins pour l'oxygène, d'autre part la séparation
argon/oxygène est difficile sous pression.
L' invention a pour but de fournir un procédé qui permette d'obtenir une telle production combince dans des
conditions économiquement satisfaisantes.
A cet effet, l' invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que: - on soutire de la cuve de la colonne basse pression de l'oxygène à une première pureté au moins égale à 97,5% environ mais inférieure à 99%, notamment inférieure à 98%; et - on purifie l' argon impur par des étapes successives de réchauffement, désoxygénation catalytique en présence d'hydrogène, déshydratation, refroidissement et
déazotation par distillation.
Le procédé suivant l' invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on fournit l'oxygène soutiré de la cuve de la colonne basse pression à une unité industrielle, notamment à une unité de production d'énergie IGCC, qui accepte l'oxygène à une pureté au moins égale à une valeur nettement inférieure à 97,5%, notamment de 95% environ; - on soutire de la cuve de la colonne basse pression un courant auxiliaire d'oxygène liquide qui est purifié dans une colonne de distillation auxiliaire usqu'à une pureté supérieure à 99%; - on effectue une compression de l' argon impur avant l'étape de désoxygénation catalytique avec un taux de compression inférieur à 2; et - la colonne basse pression fonctionne sous environ 4 bars absolus, et on utilise une colonne de production
d' argon impur qui contient 60 à 90 plateaux théoriques.
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L' invention a également pour objet une installation
destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus.
Cette installation, du type comprenant une unité de distillation d' air qui comprend: une triple colonne comprenant une colonne moyenne pression, une colonne à pression intermédiaire et une colonne basse pression, la pression intermédiaire étant comprise entre la moyenne pression et la basse pression et cette dernière étant au moins égale à 2,5 bars; une colonne de production d' argon impur couplée à la colonne basse pression et fonctionnant à la même pression que celle-ci; une ligne d'échange thermique principale adaptée pour refroidir l' air et réchauffer des fluides issus de la triple colonne; et des moyens de purification de l' argon impur, est caractérisée en ce que: - le nombre de plateaux théoriques de la triple colonne est choisi pour une production d'oxygène en cuve de la colonne basse pression à une première pureté au moins égale à 97,5% environ mais inférieure à 99% et notamment inférieure à 98%; et les moyens de purification de l' argon impur comprennent, en série: un échangeur de chaleur pour réchauffer l' argon impur de tête de la colonne de production d' argon impur; un réacteur de désoxygénation catalytique alimenté par l' argon impur issu de l'échangeur de chaleur et par de l'hydrogène; des moyens de déshydratation; et 30. une colonne de déazotation par distilla tion. Un exemple de mise en oeuvre de l' invention va maintenant étre décrit en regard du dessin annexé, dont la
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Figure unique représente schématiquement une installation de
distillation d' air conforme à l'invention.
L' installation représentée au dessin est constituée d'une unité 1 de production drénergie de type IGCC et d'une unité de distillation d' air 2. L'unité 1 est de tout type connu. La seule caractéristique de cette unité qui soit importante dans le cadre de la présente invention est le fait qu'elle comporte une turbine à gaz et qu'elle consomme de l'oxygène et de
l'azote sous pression.
- L'unité 2 est destinée à fournir à l'unité 1 l'oxygène sous pression via une conduite 3 et l'azote sous pression via une conduite 4. Elle produit en outre de l' argon liquide sensiblement pur, via une conduite 5, de l'oxygène liquide sensiblement pur, via une conduite 6, et de l'azote liquide sensiblement pur, via une conduite 7. Ces
trois fluides seront par la suite qualifiés de " purs ".
L'unité 2 comprend essentiellement: des moyens d'alimentation en air moyenne pression, constitués par un compresseur d' air principal 7 et par une conduite 7A provenant de l'unité 1, le déLit de cette conduite représentant entre O et 100% du débit d' air traité dans l'unité 2; un appareil 107 de refroidissement et d'épuration en eau et en C02 de l' air moyenne pression; un surpresseur d' air 8; un ensemble turbine 9surpresseur (ou " booster ") couplés sur le même arbre 11 i une ligne d'échange thermique principale 12; une triple colonne de distillation d' air 13 constituée d'une colonne moyenne pression 14, d'une colonne à pression intermédiaire ou " colonne Etienne " 15, et d'une colonne basse pression 16 i une colonne 17 de production d' argon impur dont la cuve est couplée de façon classique à la colonne basse pression par une conduite d'alimentation en gaz 17A et par une conduite de retour de liquide 17B; une colonne 18 de production d'oxygène liquide
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pur à partir de l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression 16; et des moyens 19 de purification d' argon. Ces moyens 19 comprennent euxmêmes un échangeur de chaleur 20, un compresseur d' argon impur 21, un réacteur 22 de désoxygénation catalytique, un réfrigérant 23, un appareil 24 de déshydratation par adsorption, et une colonne
de déazotation par distillation cryogénique.
Les colonnes 14 et 16 sont couplées par un vaporiseur-condenseur 26 qui vaporise l'oxygène de cuve de la colonne 16 en condensant l'azote de tête de la colonne 14. La colonne 15 comporte un rebouilleur de cuve 27 dans lequel de l'azote moyenne pression soutiré en tête de la colonne 14 est condensé avant d'être renvoyé en reflux dans celle-ci, et un condenseur de tête 28 dans la calandre duquel du liquide de cuve de la colonne 15 est vaporisé,
après détente dans une vanne de détente 29.
La colonne 17 comporte un condenseur de tête 30 dans la calandre duquel du liquide de cuve de la colonne 15 est
vaporisé, après détente dans une vanne de détente 31.
Le gaz résultant des deux vaporisations précédentes, en 28 et 30, est envoyé à un niveau intermédiaire de la
colonne basse pression 16.
La colonne 18 comporte un reLouilleur de cuve 32 dans lequel de l' air moyenne pression est condensé, avant d'être renvoyé dans la partie inférieure de la colonne
moyenne pression 14.
La colonne 25 comporte un rebouilleur de cuve 33 dans lequel de l' air moyenne pression est également condensé avant d'être renvoyé dans la partie inférieure de la colonne moyenne pression 14. La colonne 25 comporte également un condenseur de tête 34 dans lequel de l'azote liquide, préalablement détendu à la basse pression de la colonne 16 dans une vanne de détente 35, est vaporisé puis constitue une partie de la production d'azote gazeux sous pression de
l'unité 2.
Les pressions de fonctionnement des colonnes sont les suivantes: 13 bars pour la colonne 14, 9 bars pour la colonne 15, et 4 bars pour les colonnes 16, 17, 18 et 25. En fonctionnement, l' air à traiter, comprimé à 13 bars en 7, est divisé en en trois flux: un flux moyenne pression à 13 bars (conduite 36), refroidi dans la ligne d'échange 12 jusqu'au voisinage de son point de rosée et introduit partiellement en cuve de la colonne 4 et partiellement dans chacun des condenseurs 32 et 33; un flux haute pression, surpressé en 8 à une haute pression suffisante pour permettre la vaporisation de l'oxygène sous pression, refroidi et liquéfié dans la ligne d'échange 12, puis détendu dans une vanne de détente 37 à la moyenne pression et introduit dans la partie inférieure de la colonne 14; et un flux surpressé en 10, refroidi jusqu'à une température intermédiaire dans la ligne d'échange 12 et détendu à la moyenne pression dans la turtine 9, puis réuni au premier flux d' air moyenne pression au bout froid de la
ligne d'échange.
Dans la triple colonne 13, comme connu en soi, le liquide riche de cuve de la colonne 14 est. après détente à la pression intermédiaire dans une vanne de détente 38, introduit en cuve de la colonne 15. Du liquide encore enrichi produit en cuve de cette colonne est. après une nouvelle détente dans les vannes 29 et 31, introduit dans la calandre des condenseurs 28 et 30. La fraction restante de ce même liquide est détendue dans une autre vanne de détente
39 et introduit à un niveau intermédiaire de la colonne 16.
Une partie de l'azote liquide produit en tête de la colonne 15 est soutirée en tant que produit, via la conduite 7, et une autre partie, détendue dans une vanne de détente 40, est réunie à de l'azote liquide de tête de la colonne 14, détendu dans une vanne de détente 41. Le fluide résultant est. pour partie, introduit en reflux au sommet de la colonne 16 et, pour le reste, détendu dans la vanne de détente 35 pour alimenter le condenseur de tête 34 de la colonne 25. La colonne 16 produit en tête de l'azote gazeux sous pression qui, après mélange avec l'azote vaporisé dans le condenseur 34 et réchauffement dans la ligne d'échange 12, et éventuellement après une nouvelle compression par un compresseur 104, est envoyé à l'unité IGCC 1 via la conduite 4.
La colonne 16 produit également, en cuve, c'est-à-
dire au-dessous de tous les moyens d'échange de chaleur et de matière, tels que des garnissages, contenus dans celle ci, de l'oxygène liquide impur, à 97,5% de pureté. Une partie de cet oxygène, après pompage par une pompe 42 à la haute pression de production, est vaporisé puis réchauffé dans la ligne d'échange 12 en condensant l'air surpressé en 8, puis, éventuellement après une nouvelle compression par un compresseur 103, est envoyé à l'unité IGCC via la conduite 3. Une autre partie de cet oxygène liquide, introduit en tête de la colonne 18 via une conduite 43, est purifice dans cette colonne jusqu'à une pureté de 99,5%, puis soutirce à l'état liquide en cuve de la colonne 18, en tant que produit, via la conduite 6. La vapeur de tête de la colonne 18 est renvoyée en cuve de la colonne 16 via une
conduite 44.
L' argon impur produit en tête de la colonne 17 est soutiré sous forme gazeuse, réchauffé dans l'échangeur 20 et comprimé à environ 5,5 bars en 21. Un flux d'hydrogène y est ajouté via une conduite 45, et l' argon est désoxygéné dans le réacteur catalytique 22. L'eau formée par la réaction de l'oxygène et de l'hydrogène est éliminée par réfrigération
en 23, puis par adsorption en 24.
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L' argon désoxygéné et déshydraté est ensuite refroidi du bout chaud au bout froid de l'échangeur 20, détendu à 4 bars dans une vanne de détente 46, et introduit dans la colonne 25. L' argon liquide pur est soutiré, en tant que produit, de la cuve de cette colonne via la conduite 5. Le gaz résiduaire W évacué en tête de la colonne 25 ne
contient pratiquement pas d' argon.
L'ensemble de l' installation permet de fournir de facon particulièrement efficace l'ensemble des productions désirces: oxygène sous pression, azote sous pression,
oxygène liquide pur, azote liquide pur, argon liquide pur.
La triple colonne permet à son tour, comme connu, de produire en cuve de la colonne 16 de l'oxygène sous pression à 97,5% de pureté, ce qui permet une séparation efficace de l' argon dans la colonne 17, et ce avec de bonnes performances de distillation. La limitation de la séparation argon/oxygène sous pression, dans la colonne 17, à une teneur en oxygène de l' argon de 2,5% environ, suivie d'une purification " chaude " de l' argon en 22, conduit à un rendement d' extraction élevé de l' argon avec un nombre de
plateaux théoriques relativement modéré.
Par exemple, on obtient un rendement d' extraction de
l' argon d' environ 33% avec 60 à 90 plateaux théoriques.
En même temps, la pression de la colonne 16, et donc de la colonne 17, est mise à profit d'une part par le fait que le taux de compression du compresseur 21 n'est que d' environ 1,4 (5,5/4), et d'autre part par le fait que la température en tête de la colonne 25 est environ - 182 C, et donc éloignée de la température de - 189 C à partir de laquelle la cristallisation de l' argon apparaît. Les pertes d' argon dans le gaz résiduaire W sont donc nulles, ce qui contribue à l'élévation du rendement d' extraction de
l' argon.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1 - Procédé de production simultance par distillation d' air, d' oxygène et/ou d' azote sous pression d'une part, d' argon sensiblement pur d'autre part, du type dans lequel on distille de l'air dans une unité de distillation d' air (2) qui comprend: une triple colonne (13) comprenant une colonne moyenne pression (14), une colonne à pression intermédiaire (15) et une colonne basse pression (16), la pression intermédiaire étant comprise entre la moyenne pression et la basse pression et cette dernière étant au moins égale à 2,5 bars; une colonne de production d' argon impur (17) couplée à la colonne basse
pression (16) et fonctionnant à la même pression que celle-
ci, et des moyens (19) de purification de l'argon impur, caractérisé en ce que: - on soutire de la cuve de la colonne basse pression (13) de l'oxygène à une première pureté au moins égale à 97,5% environ mais inférieure à 99%, notamment inférieure à 98%; et - on purifie l' argon impur par des étapes successives de réchauffement (20), désoxygénation catalytique en présence d'hydrogène (22), déskydratation (23, 24), refroidissement (20) et déazotation par
distillation (25).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' on fournit l'oxygène soutiré de la cuve de la colonne basse pression (13) à une unité industrielle (1), notamment à une unité de production d'énergie IGCC, qui accepte l'oxygène à une pureté au moins égale à une valeur
nettement inférieure à 97,5%, notamment de 95% environ.
3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on soutire de la cuve de la colonne basse pression (16) un courant auxiliaire d'oxygène liquide
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(43) qui est purifié dans une colonne de distillation
auxiliaire (18) jusqu'à une pureté supérieure à 99%.
4. Procédé suivant l'une queleonque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on effectue une
compression (en 21) de l' argon impur avant l'étape de désoxygénation catalytique (22) avec un taux de compression
inférieur à 2.
5. Procédé suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la colonne basse
pression (16) fonctionne sous environ 4 bars absolus, et en ce qu'on utilise une colonne de production d' argon impur
(17) qui contient 60 à 90 plateaux théoriques.
6. Installation de production simultanée par distillation d' air, d'oxygène et/ou d'azote sous pression d'une part, d' argon sensiblement pur d'autre part, du type comprenant une unité de distillation d' air (2) qui comprend: une triple colonne (13) comprenant une colonne moyenne pression (14), une colonne à pression intermédiaire (15) et une colonne basse pression (16), la pression intermédiaire étant comprise entre la moyenne pression et la basse pression et cette dernière étant au moins égale à 2,5 bars; une colonne de production d' argon impur (17) couplée à la colonne basse pression (16) et fonctionnant à la même pression que celle-ci; une ligne d'échange thermique principale (12) adaptée pour refroidir l' air et réchauffer des fluides issus de la triple colonne (13) ; et des moyens (19) de purification de l' argon impur, caractérisoe en ce que: - le nombre de plateaux théoriques de la triple colonne (13) est choisi pour une production d'oxygène en cuve de la colonne basse pression (13) à une première pureté au moins égale à 97,5% environ mais inférieure à 99% et notamment inférieure à 98%; et - les moyens de purification de l' argon impur (19) comprennent, en série: un échangeur de chaleur (20) pour réchauffer l' argon impur de tête de la colonne de production d' argon impur (17); un réacteur de désoxygénation catalytique (22) alimenté par l' argon impur issu de l'échangeur de chaleur (20) et par de l'hydrogène; des moyens (23, 24) de déshydratation; et 10. une colonne de déazotation par
distillation (25).
7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une unité industrielle (1), notamment une unité de production d'énergie IGCC, qui accepte l'oxygène à une pureté au moins égale à une valeur nettement inférieure à 97,5% et notamment de 95% environ, et des moyens (3) pour alimenter cette unité industrielle (1) avec l'oxygène soutiré de la cuve de la
colonne basse pression (13).
8. Installation suivant la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une colonne de purification d'oxygène (18) alimentée par de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne basse pression (16) et adaptée pour produire en cuve de l'oxygène à une pureté
supérieure à 99%.
9. Installation suivant l'une quelconque des
revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les moyens de
purification d' argon impur (19) comprennent un compresseur (21), entre l'échangeur de chaleur (20) et le réacteur (22),
ce compresseur ayant un taux de compression inférieur à 2.
10. Installation suivant l'une quelconque des
revendications 6 à 9, caractérisée en ce que la colonne
basse pression (16) fonctionne sous environ 4 bars absolus, s
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et en ce que la colonne de production d' argon impur (17)
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