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WO2018104598A1 - Procédé et appareil intégrés de séparation d'air par distillation cryogénique et de refroidissement d'un gaz - Google Patents

Procédé et appareil intégrés de séparation d'air par distillation cryogénique et de refroidissement d'un gaz Download PDF

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WO2018104598A1
WO2018104598A1 PCT/FR2017/052315 FR2017052315W WO2018104598A1 WO 2018104598 A1 WO2018104598 A1 WO 2018104598A1 FR 2017052315 W FR2017052315 W FR 2017052315W WO 2018104598 A1 WO2018104598 A1 WO 2018104598A1
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liquid
nitrogen
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Alexis ASSE
Tobias OELMANN
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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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Definitions

  • the present invention relates to an integrated process and an integrated apparatus for air separation by cryogenic distillation and cooling of a gas. Cooling is used to cool or even at least partially condense a gas from a storage that contains a liquid; the liquid is produced by a unit supplied with a gas from the air separation apparatus.
  • FIG. 1 Another possibility, illustrated in FIG. 1, is to dissolve the gas in demineralised water H and send it to a purification unit.
  • an ASU cryogenic distillation air separation apparatus produces oxygen 1 which is fed to an MEOH methanol producing apparatus.
  • the methanol produced in liquid form is sent to an isolated storage 7.
  • the gaseous methanol 9 formed at the top of the storage by the heat returns through the insulation is sent to mix with demineralized water H in a unit 13
  • the formed mixture is returned to the purification section in the MEOH methanol generator.
  • a cryogenic distillation air separation unit produces oxygen at the request of a customer but has no customer for nitrogen or all nitrogen, which is necessarily co-produced.
  • the excess nitrogen produced is used at the outlet of the air separation apparatus for cooling water in a direct contact tower fed at the bottom by the cold nitrogen gas and at the top by the water to cool.
  • the cooled water is then used to cool or even condense a gas from a storage of a liquid at a subambient temperature, to reduce the power consumption.
  • a process according to the preamble of claim 1 is known from EP-A-0748763.
  • the unit is a methanol production unit.
  • the air sent for distillation is cooled by means other than a heat exchanger supplied with cooled water coming from the first tower.
  • a first nitrogen-enriched gas flow is sent to the first tower and a second nitrogen-enriched gas flow is sent to a purification unit which serves to purify the air for distillation.
  • the ratio between the first rate of nitrogen and the oxygen-enriched flow rate sent to the production unit is less than 0.7: 1, or even 0.1: 1.
  • the cooled water leaves the first tower at a temperature below 50 ° C. or below 15 ° C., or even below 10 ° C.
  • the condensation step is carried out by cooling in a refrigeration means using electrical energy.
  • the apparatus does not comprise means for cooling the air intended for distillation, receiving cooled water from the first tower.
  • the apparatus comprises a storage of an alkene produced from the liquid product which is methanol, the gas coming from the storage of the alkene being cooled by means of cooled water coming from the first tower, condensed and returned to the storage; alkene.
  • the storage may for example be a storage of liquid methanol or liquid propylene.
  • the liquid contained in the storage preferably has a boiling temperature at the pressure inside the storage, less than 50 ° C. or less than 15 ° C., or even less than 10 ° C., or even less than 0 ° C. vs.
  • the saturation temperature is 11 ° C.
  • the saturation temperature is 40 ° C.
  • An ASU cryogenic distillation air separation apparatus produces oxygen 1 which is fed to MEOH methanol production apparatus.
  • the methanol produced in liquid form is sent to an isolated storage 7 to 1. 1 bar abs.
  • the gaseous methanol 9 formed at the top of the storage by the heat returns through the insulation is sent to a heat exchanger 23 which is a brazed aluminum plate heat exchanger. In this exchanger, either it condenses completely or it cools or condenses partially to be condensed completely by other means.
  • the condensation temperature can be around 1 1 ° C.
  • the condensed gas is returned to storage 7.
  • the ASU air separation apparatus also produces nitrogen gas 17 which heats up by heat exchange with the air to be separated.
  • This nitrogen gas 17 is sent down a cooling tower 19 fed at the top with water 21 to cool.
  • the nitrogen gas contacts the water to be cooled and the heated nitrogen leaves the top of the tower 19 while the cooled water exits the bottom of the tower 19.
  • the cooled water is sent to the heat exchanger 23 to cool or at least partially condense the gas 9.
  • the supply air sent to the ASU air separation apparatus preferably to be separated therefrom is not cooled by heat exchange with the cooled water in the tower 19.
  • Preferably no element of the apparatus air separation is cooled by heat exchange with the cooled water in the tower 19.
  • the cooling tower 19 provides water cooled not for the cooling of the air separation apparatus but for, preferably only for, cooling the evaporated gas 9 from the storage 7 or other storage not serving to store a fluid from the air separation apparatus.
  • cooled water from the tank of tower 19 serves to cool air for distillation in the ASU apparatus.
  • the cooling can be carried out by means of a second tower fed at the top by cooled water and at the bottom by the air to be cooled. Only a portion of the cooled water will be available to cool the gas 9 from the storage 7. It is conceivable to collect nitrogen from several air separation units, at least one of which supplies oxygen-enriched gas to the MEOH production unit that produces the methanol. The collected nitrogen can be sent to a common cooling tower for all the distillation apparatuses and then sent to one or more storages to cool the gases produced by reheating.
  • Methanol is often converted to other alkenes that are also stored at subambient temperatures and are susceptible to evaporation.
  • the gases from at least one alkene storage produced from the methanol of the MEOH production unit can also be cooled by the nitrogen of the air separation apparatus, using water from the cooling tower 19 or a cooling tower common to several air separation devices.
  • the alkene may for example be propylene, stored at 16 bar abs with a saturation temperature of 40 ° C.

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Abstract

De l'azote gazeux (17) d'un appareil de séparation d'air (ASU) sert à refroidir le gaz (9) formé dans un stockage (7) de liquide (5) provenant d'une unité (MEOH) alimentée en oxygène (1) par l'appareil de séparation d'air.

Description

Procédé et appareil intégrés de séparation d'air
par distillation cryogénique et de refroidissement d'un gaz
La présente invention est relative à un procédé intégré et à un appareil intégré de séparation d'air par distillation cryogénique et de refroidissement d'un gaz. Le refroidissement permet de refroidir, voire au moins partiellement condenser un gaz provenant d'un stockage qui contient un liquide ; le liquide est produit par une unité alimentée par un gaz provenant de l'appareil de séparation d'air.
II est souvent nécessaire de stocker des liquides à basse température, c'est- à-dire à des températures en dessous de la température ambiante. Les stockages sont isolés pour empêcher la chaleur ambiante de faire évaporer le liquide mais néanmoins des défauts dans l'isolation provoquent des rentrées de chaleur et du gaz se forme en haut du stockage. Ce gaz doit être soit rejeté à l'atmosphère soit recondensé et renvoyé au stockage.
Une autre possibilité, illustrée dans la Figure 1 , est de dissoudre le gaz dans de l'eau déminéralisée H et de l'envoyer à une unité de purification. Dans la Figure, un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique ASU produit de l'oxygène 1 qui est envoyé à un appareil de production de méthanol MEOH. Le méthanol produit sous forme liquide est envoyé à un stockage isolé 7. Le méthanol sous forme gazeux 9 formé en haut du stockage par les rentrées de chaleur à travers l'isolation est envoyé se mélanger avec de l'eau déminéralisée H dans une unité 13. Le mélange formé 15 est renvoyé à la section de purification dans l'appareil de production de méthanol MEOH.
Pour condenser le gaz, une autre possibilité est d'utiliser de l'eau refroidie par un réfrigérateur électrique à une température de 10°C qui échange des frigories avec le gaz dans un échangeur de chaleur par échange indirect.
Dans beaucoup de cas, un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique produit de l'oxygène à la demande d'un client mais n'a pas de client pour l'azote, voire tout l'azote, qui est nécessairement coproduit.
Selon l'invention, l'azote produit en excès est utilisé à la sortie de l'appareil de séparation d'air pour refroidir de l'eau dans une tour à contact direct alimentée en bas par l'azote gazeux froid et en haut par l'eau à refroidir. L'eau refroidie sert ensuite à refroidir, voire à condenser un gaz provenant d'un stockage d'un liquide à une température subambiante, permettant de réduire la consommation électrique.
Un procédé selon le préambule de la revendication 1 est connu de EP-A-0748763.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé selon la revendication 1 .
Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention :
- l'unité est une unité de production de méthanol.
- l'air envoyé à distillation est refroidi par un moyen autre qu'un échangeur de chaleur alimenté par de l'eau refroidie provenant de la première tour.
- on envoie un premier débit de gaz enrichi en azote à la première tour et on envoie un deuxième débit de gaz enrichi en azote à une unité d'épuration qui sert à épurer l'air destiné à la distillation.
- le rapport entre le premier débit de l'azote et le débit enrichi en oxygène envoyé à l'unité de production est inférieur à 0,7 :1 , voire à 0,1 :1 .
- l'eau refroidie sort de la première tour à une température inférieure à 50°C ou inférieure à 15°C, voire inférieure à 10°C.
- l'étape de condensation se réalise par refroidissement dans un moyen de réfrigération utilisant de l'énergie électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil intégré selon la revendication 8.
Selon d'autres aspects facultatifs :
- l'appareil ne comprend pas de moyen de refroidissement de l'air destiné à la distillation recevant de l'eau refroidie de la première tour.
- l'appareil comprend un stockage d'un alcène produit à partir du produit liquide qui est le méthanol, le gaz provenant du stockage de l'alcène étant refroidi au moyen d'eau refroidie provenant de la première tour, condensé et renvoyé au stockage de l'alcène.
Le stockage peut par exemple être un stockage de méthanol liquide ou de propylène liquide.
Le liquide contenu dans le stockage a, de préférence, une température d'ébullition à la pression à l'intérieur du stockage, inférieure à 50°C ou inférieure à 15°C, voire inférieure à 10°C, voire inférieure à 0°C. Pour un stockage de méthanol à 1 .1 bars abs, la température de saturation est de 1 1 °C et pour un stockage de propylène à 16 bars, la température de saturation est de 40°C.
Le procédé sera décrit en plus de détail en se référant à la Figure 2. Un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique ASU produit de l'oxygène 1 qui est envoyé à un appareil de production de méthanol MEOH. Le méthanol produit sous forme liquide est envoyé à un stockage isolé 7 à 1 .1 bars abs. Le méthanol sous forme gazeux 9 formé en haut du stockage par les rentrées de chaleur à travers l'isolation est envoyé à un échangeur de chaleur 23 qui est un échangeur à plaques d'aluminium brasé. Dans cet échangeur, soit il se condense totalement soit il se refroidit ou se condense partiellement pour être condensé totalement par un autre moyen. La température de condensation peut être aux alentours de 1 1 °C. Le gaz condensé est renvoyé au stockage 7.
L'appareil de séparation d'air ASU produit également de l'azote gazeux 17 qui se réchauffe par échange de chaleur avec l'air à séparer. Cet azote gazeux 17 est envoyé en bas d'une tour de refroidissement 19 alimentée en haut par de l'eau 21 à refroidir. L'azote gazeux contacte l'eau à refroidir et l'azote réchauffé sort en haut de la tour 19 alors que l'eau refroidie 25 sort en bas de la tour 19. L'eau refroidie 25 est envoyée à l'échangeur de chaleur 23 pour refroidir voire condenser au moins partiellement le gaz 9.
L'air d'alimentation envoyé à l'appareil de séparation d'air ASU pour y être séparé de préférence n'est pas refroidi par échange de chaleur avec l'eau refroidie dans la tour 19. De préférence aucun élément de l'appareil de séparation d'air n'est refroidi par échange de chaleur avec l'eau refroidie dans la tour 19. Ainsi la tour de refroidissement 19 fournit de l'eau refroidie non pas pour le refroidissement de l'appareil de séparation d'air mais pour, de préférence uniquement pour, refroidir le gaz évaporé 9 provenant du stockage 7 ou d'autres stockages ne servant pas à stocker un fluide provenant de l'appareil de séparation d'air.
Selon une autre variante, de l'eau refroidie de la cuve de la tour 19 sert à refroidir de l'air destiné à la distillation dans l'appareil ASU. Dans ce cas, le refroidissement peut être effectué au moyen d'une deuxième tour alimentée en haut par de l'eau refroidie et en bas par l'air à refroidir. Seulement une partie de l'eau refroidie sera disponible pour refroidir le gaz 9 provenant du stockage 7. Il est envisageable de collecter de l'azote de plusieurs appareils de séparation d'air dont au moins un fournit du gaz enrichi en oxygène à l'unité de production MEOH qui produit le méthanol. L'azote collecté peut être envoyé à une tour de refroidissement commune pour tous les appareils de distillation et ensuite être envoyé à un ou plusieurs stockages pour refroidir les gaz produits par réchauffement.
Le méthanol est souvent converti en d'autres alcènes qui sont également stockés à température subambiante et sont susceptibles à s'évaporer. Les gaz provenant d'au moins un stockage d'alcène produit à partir du méthanol de l'unité de production MEOH peuvent également être refroidis par l'azote de l'appareil de séparation d'air, en utilisant de l'eau de la tour de refroidissement 19 ou d'une tour de refroidissement commune à plusieurs d'appareils de séparation d'air. L'alcène peut par exemple être le propylène, stocké à 16 bars abs avec une température de saturation de 40°C.

Claims

Revendications
1 . Procédé intégré de séparation d'air par distillation cryogénique et de refroidissement d'un gaz provenant d'un stockage d'un liquide produit par une unité (MEOH) alimentée par un gaz (1 ) provenant de l'appareil de séparation d'air (ASU) dans lequel :
i) On sépare de l'air dans l'appareil de séparation d'air qui est au moins un appareil de distillation cryogénique (ASU) pour produire un gaz enrichi en oxygène (1 ) et un gaz enrichi en azote (17),
ii) On envoie du gaz enrichi en oxygène de l'appareil de distillation cryogénique ou d'au moins un des appareils de distillation cryogénique à au moins une unité de production d'un liquide (5),
iii) On envoie du gaz enrichi en azote de l'appareil de distillation cryogénique ou d'au moins un des appareils de distillation cryogénique à la cuve d'une première tour d'échange de masse et de chaleur par contact direct (19) et on envoie de l'eau (25) en tête de la première tour, la température de l'eau rentrant dans la tour étant supérieure à celle à laquelle le gaz enrichi en azote rentre dans la première tour,
caractérisé en ce que l'unité de production d'un liquide comprend un stockage isolé (7) du liquide, on soutire un gaz (9) formé dans le stockage, le liquide ayant un point d'ébullition à la pression à l'intérieur du stockage inférieur à 50°C ou inférieur à 15°C, voire inférieur à 10°C, voire inférieur à 0°C, on soutire de l'eau refroidie (21 ) de la première tour et on l'utilise pour refroidir, voire au moins partiellement condenser au moins une partie du gaz formé dans le stockage pour former un premier fluide (15) éventuellement on condense le premier fluide s'il n'est pas complètement condensé et on renvoie le premier fluide au stockage (7) sous forme liquide.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'unité (MEOH) est une unité de production de méthanol.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air envoyé à distillation est refroidi par un moyen autre qu'un échangeur de chaleur alimenté par de l'eau refroidie provenant de la première tour (19).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on envoie un premier débit de gaz enrichi en azote (17) à la première tour et on envoie un deuxième débit de gaz enrichi en azote à une unité d'épuration qui sert à épurer l'air destiné à la distillation.
5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le rapport entre le premier débit de l'azote (17) et le débit enrichi en oxygène (1 ) envoyé à l'unité de production (MEOH) est inférieur à 0,7 :1 , voire à 0,1 :1 .
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'eau refroidie (21 ) sort de la première tour à une température inférieure à 50°C ou inférieure à 15°C, voire inférieure à 10°C.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'étape de condensation du premier fluide se réalise par refroidissement dans un moyen de réfrigération utilisant de l'énergie électrique.
8. Appareil intégré de séparation d'air par distillation cryogénique et de refroidissement comprenant un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique (ASU), une conduite pour soutirer un gaz enrichi en azote (17) de l'appareil de séparation d'air, une conduite pour soutirer un gaz enrichi en oxygène (1 ) de l'appareil de séparation d'air, cette conduite étant reliée à une unité de production (MEOH) pour y envoyer le gaz enrichi en oxygène, une première tour d'échange de masse et de chaleur (19) , la cuve de la première tour étant reliée à la conduite pour soutirer le gaz enrichi en azote et la tête de la première tour étant reliée à des moyens d'amenée d'eau (25) et une conduite pour sortir de l'eau refroidie (21 ) de la première tour caractérisé en ce que l'unité de production comprend au moins un stockage (7) d'un produit liquide (5) ayant un point d'ébullition à la pression du stockage, et en ce que l'appareil comprend une conduite de gaz de réchauffement pour sortir un gaz résultant du réchauffement du produit liquide du stockage, la conduite pour sortir l'eau refroidie de la première tour permettant de envoyer l'eau refroidie à un échangeur de chaleur (23) relié à la conduite de gaz de réchauffement, l'échangeur étant relié au stockage pour y renvoyer le gaz de réchauffement refroidi, voire condensé.
9. Appareil selon la revendication 8 ne comprenant pas de moyen de refroidissement de l'air destiné à la distillation recevant de l'eau refroidie (21 ) de la première tour (19).
10. Appareil selon la revendication 8 ou 9 comprenant un stockage d'un alcène produit à partir du produit liquide (5) qui est le méthanol, le gaz provenant du stockage de l'alcène étant refroidi au moyen d'eau refroidie provenant de la première tour, condensé et renvoyé au stockage de l'alcène.
1 1 . Appareil selon la revendication 8 ou 9 comprenant un stockage (7) de méthanol liquide ou de propylène liquide.
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