FR2896860A1 - Air separation method for use in purification installation, involves separating part of purified air in medium pressure column into oxygen and nitrogen enriched liquids, and sending liquid from column to low pressure column - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de séparation d'air parThe present invention relates to a method of separating air by
distillation cryogénique. Pour la distillation cryogénique, l'air traité doit être sec et décarbonaté pour éviter la formation de glace dans la boite froide. Pour épurer l'air comprimé dans un compresseur principal, on utilise couramment une unité de traitement d'un gaz par adsorption, du type dans lequel on utilise au moins deux adsorbeurs, qui suivent chacun, en décalage, le même cycle où se succèdent une phase d'adsorption, à une haute pression du cycle, et une phase de régénération avec dépressurisation, qui se termine par une repressurisation de l'adsorbeur, le procédé comportant une étape de mise en parallèle des adsorbeurs durant laquelle le flux total de gaz traité est obtenu par à la fois le traitement d'un premier débit de gaz par au moins un adsorbeur terminant sa phase d'adsorption, et le traitement d'un second débit de gaz à traiter par au moins un autre adsorbeur commençant sa phase d'adsorption. cryogenic distillation. For cryogenic distillation, the treated air must be dry and decarbonated to prevent the formation of ice in the cold box. In order to purify the compressed air in a main compressor, an adsorption gas treatment unit is commonly used, of the type in which at least two adsorbers are used, each of which follows, in offset, the same cycle in which one succeeds one after the other. adsorption phase, at a high cycle pressure, and a regeneration phase with depressurization, which ends with a repressurization of the adsorber, the process comprising a step of paralleling the adsorbers during which the total flow of treated gas is obtained by both the treatment of a first gas flow rate by at least one adsorber ending its adsorption phase, and the treatment of a second gas flow rate to be treated by at least one other adsorber starting its phase of adsorption.
La figure 1 représente une installation d'épuration 1 d'une unité de distillation d `air. Cette installation 1 est adaptée pour éliminer des impuretés, notamment l'eau et le CO2, contenues dans un flux d'air atmosphérique comprimé à une pression comprise entre 3 et 36 bars et amené par une ligne 2, pour alimenter, via une ligne 3, une ligne principale d'échange thermique puis un appareil de distillation d'air. Ces derniers éléments ne sont pas représentés pour ne pas surcharger la figure 1. L'unité de distillation d'air peut être, par exemple, une double colonne de distillation d'air produisant de l'oxygène liquide qui, après pompage, est vaporisé dans la ligne d'échange thermique par condensation d'une partie de l'air comprimé. L'installation 1 comprend deux adsorbeurs sensiblement identiques R1 et R2. Chaque adsorbeur R1, R2 comprend une bouteille 4, 5 contenant chacune un matériau, par exemple du tamis moléculaire avec éventuellement de l'alumine, capable d'adsorber l'eau et le CO2 contenus dans l'air. L'installation 1 comprend en outre un certain nombre de conduites de raccordement et de vannes dont la disposition va apparaître maintenant lors de la description du procédé mis en oeuvre dans l'installation 1. Ce procédé est obtenu par répétition d'un cycle, illustré sur les figures 2 et 3, l'adsorbeur R1 suivant le cycle représenté sur la figure 2 et l'adsorbeur R2 suivant parallèlement le même cycle en décalage temporel, représenté sur la figure 3. Sur les figures 2 et 3, où les temps t sont portés en abscisses et les pressions absolues P en ordonnées, les traits orientés par des flèches indiquent les mouvements et destinations des courants gazeux, et, en outre, le sens de circulation dans respectivement les adsorbeurs R1 et R2: lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées croissantes (vers le haut du diagramme), le courant est dit à co-courant, dans l'adsorbeur. Si la flèche dirigée vers le haut est située au-dessous du trait indiquant la pression dans l'adsorbeur, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur ; si la flèche, dirigée vers le haut, est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant respectivement celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production ; lorsqu'une flèche est dans le sens des ordonnées décroissantes (vers le bas du diagramme), le courant est dit à contre courant, dans l'adsorbeur. Si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessous du trait indiquant la pression de l'adsorbeur, le courant sort de l'adsorbeur par l'extrémité d'entrée de l'adsorbeur ; si la flèche dirigée vers le bas est située au-dessus du trait indiquant la pression, le courant pénètre dans l'adsorbeur par l'extrémité de sortie de l'adsorbeur, les extrémités d'entrée et de sortie étant toujours celles du gaz à traiter et du gaz soutiré en phase de production. Il est à noter que l'origine des temps est identique sur les figures 2 et 3, permettant ainsi la lecture simultanée des deux figures pour un même instant donné. La description du cycle va principalement s'appuyer sur la figure 3, étant entendu que la figure 2 représente le même cycle décalé d'une demipériode de cycle. Figure 1 shows a purification plant 1 of an air distillation unit. This installation 1 is adapted to remove impurities, in particular water and CO2, contained in a stream of compressed atmospheric air at a pressure of between 3 and 36 bars and brought by a line 2, to supply via a line 3 , a main heat exchange line and then an air distillation unit. The latter elements are not shown so as not to overload Figure 1. The air distillation unit can be, for example, a double air distillation column producing liquid oxygen which, after pumping, is vaporized. in the heat exchange line by condensation of a part of the compressed air. The installation 1 comprises two substantially identical adsorbers R1 and R2. Each adsorber R1, R2 comprises a bottle 4, 5 each containing a material, for example molecular sieve with optionally alumina, capable of adsorbing water and CO2 contained in the air. The installation 1 furthermore comprises a certain number of connection pipes and valves whose arrangement will now appear when describing the process implemented in the installation 1. This process is obtained by repeating a cycle, illustrated in FIGS. 2 and 3, the adsorber R1 according to the cycle shown in FIG. 2 and the adsorber R2 running in parallel with the same time-offset cycle, shown in FIG. 3. In FIGS. 2 and 3, where the times t are plotted on the abscissa and the absolute pressures P on the ordinate, the lines marked by arrows indicate the motions and destinations of the gaseous currents, and, in addition, the flow direction in the adsorbers R1 and R2 respectively: when an arrow is in the direction of increasing ordinates (towards the top of the diagram), the current is said to cocurrent, in the adsorber. If the upward arrow is below the line indicating the pressure in the adsorber, the current enters the adsorber through the inlet end of the adsorber; if the upwardly directed arrow is above the pressure line, the stream exits the adsorber through the outlet end of the adsorber, the inlet and outlet ends being respectively those of the adsorber gas to be treated and gas withdrawn during the production phase; when an arrow is in the direction of decreasing ordinates (towards the bottom of the diagram), the current is said against the current, in the adsorber. If the downward arrow is below the line indicating the pressure of the adsorber, the stream exits the adsorber through the inlet end of the adsorber; if the downward arrow is above the pressure line, the current enters the adsorber through the outlet end of the adsorber, the inlet and outlet ends always being those of the gas at the outlet. process and gas withdrawn during the production phase. It should be noted that the origin of the times is identical in FIGS. 2 and 3, thus allowing simultaneous reading of the two figures for the same given instant. The description of the cycle will mainly be based on FIG. 3, it being understood that FIG. 2 represents the same cycle shifted by one cycle half-cycle.
Le cycle de la figure 3, dont la période T est, à titre d'exemple, égale à 360 minutes pour une pression d'adsorption sensiblement égale à 6 bars, comprend quatre étapes successives I à IV. Lors de l'étape I, c'est-à-dire de t = 0 à t1 = 5 minutes, l'adsorbeur R1 est en phase d'adsorption, tandis que l'adsorbeur principal R2 est en phase de régénération. L'air de la ligne 2 est alors amené par une vanne 10 ouverte dans l'adsorbeur R1. L'air épuré, c'est-à-dire dessiqué et décarbonaté, est alors renvoyé par l'intermédiaire d'une vanne 11 ouverte vers la ligne 3. The cycle of FIG. 3, whose period T is, for example, equal to 360 minutes for an adsorption pressure substantially equal to 6 bars, comprises four successive stages I to IV. During step I, that is to say from t = 0 to t1 = 5 minutes, the adsorber R1 is in the adsorption phase, while the main adsorber R2 is in the regeneration phase. The air of the line 2 is then brought by an open valve 10 in the adsorber R1. The purified air, that is to say desiccated and decarbonated, is then returned via a valve 11 open to the line 3.
Pendant ce temps, l'adsorbeur R2 est ramené à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique en ouvrant une vanne 12, mettant ainsi à l'air l'adsorbeur R2 via une ligne 6. La vanne 12 reste ouverte jusqu'à 11 = 5 minutes, c'est-à-dire jusqu'à ce que la pression à l'intérieur de la bouteille 5 de l'adsorbeur R2 soit sensiblement égale à la pression atmosphérique. Puis, la vanne 12 est fermée et de l'azote résiduaire de l'unité de distillation canalisé par une ligne 7, provenant par exemple de la tête de la colonne basse pression de la double colonne, alimente l'adsorbeur R2 via une vanne 13 ouverte. Meanwhile, the adsorber R2 is reduced to a pressure substantially equal to the atmospheric pressure by opening a valve 12, thus airing the adsorber R2 via a line 6. The valve 12 remains open up to 11 = 5 minutes, that is to say until the pressure inside the bottle 5 of the adsorber R2 is substantially equal to atmospheric pressure. Then, the valve 12 is closed and the residual nitrogen of the distillation unit channelized by a line 7, coming for example from the head of the low pressure column of the double column, feeds the adsorber R2 via a valve 13 opened.
Cet azote résiduaire circule dans l'adsorbeur R2 dans le sens de régénération, c'est-à-dire dans le sens contraire au sens d'adsorption, en assurant la régénération de cet adsorbeur saturé lors d'une phase d'adsorption précédente. L'azote de régénération est chauffé dans un premier temps, puis non chauffé. This waste nitrogen circulates in the adsorber R2 in the direction of regeneration, that is to say in the opposite direction to adsorption direction, ensuring the regeneration of this saturated adsorber during a previous adsorption phase. The regeneration nitrogen is first heated and then unheated.
L'azote résiduaire transportant l'eau et le CO2 désorbés est ensuite renvoyé de l'adsorbeur R2, via une vanne 14 ouverte, vers une ligne 8 d'évacuation. Cette vanne 14 reste ouverte jusqu'à t2 = 155 minutes, où elle se ferme, ainsi que la vanne 13, pour permettre la repressurisation de l'adsorbeur R2. Cette repressurisation de R2 consiste, de t2 à t3 = 170 minutes, à amener la pression à l'intérieur de la bouteille 5 de l'adsorbeur R2 à une valeur sensiblement égale à celle maintenue dans les éléments aval. Elle est réalisée par divers aménagements opératoires envisageables, notamment par l'ouverture d'une vanne 15 raccordant les sorties des deux adsorbeurs R1 et R2, et éventuellement par l'ouverture d'une vanne 15B raccordée à l'extrémité de sortie de R2 et alimentant partiellement ce dernier en fluide riche en oxygène, par exemple l'oxygène provenant de l'unité de distillation d'air via une conduite 102. L'étape I s'achève lorsque la pression de l'adsorbeur R2 a atteint la valeur souhaitée de 6 bars. Lors de l'étape II, c'est-à-dire de t3 à t4 = 180 minutes, l'adsorbeur R1 est, comme dans l'étape I, en adsorption. The waste nitrogen carrying the desorbed water and CO2 is then returned from the adsorber R2 via an open valve 14 to an evacuation line 8. This valve 14 remains open until t2 = 155 minutes, where it closes, and the valve 13 to allow repressurization of the adsorber R2. This repressurization of R2 consists, from t2 to t3 = 170 minutes, in bringing the pressure inside the bottle 5 of the adsorber R2 to a value substantially equal to that maintained in the downstream elements. It is carried out by various possible operating arrangements, in particular by the opening of a valve 15 connecting the outlets of the two adsorbers R1 and R2, and possibly by the opening of a valve 15B connected to the outlet end of R2 and partially supplying the latter with oxygen-rich fluid, for example oxygen from the air distillation unit via a line 102. Stage I ends when the pressure of the adsorber R2 has reached the desired value 6 bars. During stage II, that is to say from t3 to t4 = 180 minutes, the adsorber R1 is, as in stage I, adsorbed.
Cependant, l'air de la ligne 2 est également amené par une vanne 16 ouverte dans l'adsorbeur R2. L'air ainsi épuré est envoyé par l'intermédiaire d'une vanne 17 ouverte, vers la ligne 3. Au cours de l'étape II, les adsorbeurs R1 et R2 sont donc tous les deux en phase d'adsorption pour épurer l'air en parallèle. However, the air of the line 2 is also brought by a valve 16 open in the adsorber R2. The air thus purified is sent through an open valve 17, to the line 3. During stage II, the adsorbers R1 and R2 are both in adsorption phase to purify the air in parallel.
Cependant, le flux d'air épuré en sortie de l'adsorbeur R2 est à une température bien supérieure à celui en sortie de l'adsorbeur R1, comme il a été rappelé précédemment. Le flux d'air total acheminé par la conduite 3, se composant du flux sortant de R1 et du flux sortant de R2, est donc à une température intermédiaire entre celle du flux sortant de R1 et celle du flux sortant de R2 suivant sensiblement une loi des mélanges. Cette étape II de mise en parallèle des adsorbeurs en phase d'adsorption se poursuit pendant une durée prédéterminée très supérieure au temps de commutation des vannes de commande des adsorbeurs R1 et R2 établissant cette étape, qui dure quelques secondes, voire quelques dizaines de secondes, et/ou jusqu'à ce que la température intermédiaire du flux total soit au-dessous d'une température préalablement fixée, sensiblement égale à la température de l'air entrant dans R1 à laquelle est ajouté un seuil de tolérance en température, valant 10 dans cet exemple. Au cours de l'étape III, c'est-à-dire de t4 à t7 = 345 minutes, l'adsorbeur R2 est maintenu en phase d'adsorption, tandis que l'adsorbeur R1 est en phase de régénération. De façon analogue à R2 lors de l'étape I, R1 est soumis successivement à : - une dépressurisation de t4 à t5 = 185 minutes par l'intermédiaire de la fermeture des vannes 10 et 11 et de l'ouverture d'une vanne 18 de fonction analogue à la vanne 12 pour R2 ; - une circulation d'azote résiduaire de t5 à t6 = 335 minutes par l'intermédiaire de la fermeture de la vanne 18 et de l'ouverture de vannes 19 et 20 de fonctions analogues respectivement aux vannes 13 et 14 pour R2 ; - une repressurisation de t6 à t7 = 350 minutes par l'intermédiaire de l'ouverture de la vanne 15, et éventuellement de l'ouverture d'une vanne 15A, de fonction analogue à la vanne 15B pour R2. However, the stream of purified air leaving the adsorber R2 is at a much higher temperature than that at the outlet of the adsorber R1, as previously recalled. The total air flow conveyed by line 3, consisting of the outgoing flow of R1 and the outflow of R2, is therefore at a temperature intermediate that of the outgoing flow of R1 and that of the outgoing flow of R2 substantially following a law. mixtures. This step II of placing the adsorbers in adsorption phase in parallel is continued for a predetermined duration much greater than the switching time of the control valves of the adsorbers R1 and R2 establishing this step, which lasts a few seconds, or even a few tens of seconds, and / or until the intermediate temperature of the total stream is below a predetermined temperature, substantially equal to the temperature of the air entering R1 to which is added a temperature tolerance threshold, equal to 10 in this example. During step III, that is to say from t4 to t7 = 345 minutes, the adsorber R2 is maintained in the adsorption phase, while the adsorber R1 is in the regeneration phase. In a similar manner to R2 in step I, R1 is successively subjected to: - a depressurization of t4 at t5 = 185 minutes by means of the closing of the valves 10 and 11 and the opening of a valve 18 similar function to the valve 12 for R2; a flow of residual nitrogen from t5 to t6 = 335 minutes via the closing of the valve 18 and the opening of valves 19 and 20 of functions similar to the valves 13 and 14 respectively for R2; a repressurization of t6 at t7 = 350 minutes via the opening of the valve 15, and possibly the opening of a valve 15A, of function similar to the valve 15B for R2.
En fin d'étape III, l'adsorbeur R1 est régénéré. Au cours de l'étape IV, c'est-à-dire de t7 à t8 = 360 minutes, les adsorbeurs R1 et R2 assurent en parallèle l'épuration de l'air acheminé par la ligne 2, ces adsorbeurs étant tous les deux en phase d'adsorption comme lors de l'étape II. At the end of stage III, the adsorber R1 is regenerated. During step IV, that is to say from t7 to t8 = 360 minutes, the adsorbers R1 and R2 provide in parallel the purification of the air conveyed by the line 2, these adsorbers being both in the adsorption phase as in stage II.
L'étape IV se poursuit pendant la durée prédéterminée précitée et/ou jusqu'à ce que la température du flux total acheminé par la conduite 3 soit au-dessous de la même température préfixée évoquée précédemment, cette fois-ci sensiblement égale à la somme de la température de l'air entrant dans R2 et du même seuil de tolérance en température. Step IV continues for the aforementioned predetermined duration and / or until the temperature of the total flow conveyed by line 3 is below the same prefixed temperature mentioned above, this time substantially equal to the sum the temperature of the air entering R2 and the same temperature tolerance threshold.
Pour un cycle total de 120 à 300 minutes, l'étape de repressurisation dure en règle générale entre 5 et 20 minutes. Ce temps est fonction du débit d'air supplémentaire disponible pour la repressurisation. De façon générale, on utilise entre 5 et 10% du débit d'air comprimé (par rapport au débit nominal) pour repressuriser. Bien sûr, le dimensionnement du compresseur principal d'air doit prendre en compte ces étapes de repressurisation. Pour une unité qui utilisera 100 d'air, il faut prévoir un compresseur d'une capacité de 105 comme illustré à la Figure 4. Un des buts de l'invention est de permettre l'usage d'un compresseur plus petit. Un autre but est de permettre une consommation d'énergie constante par le compresseur d'air. For a total cycle of 120 to 300 minutes, the repressurization stage generally lasts between 5 and 20 minutes. This time is a function of the additional air flow available for repressurization. In general, between 5 and 10% of the compressed air flow (relative to the nominal flow rate) is used to repressurize. Of course, the sizing of the main air compressor must take into account these repressurization steps. For a unit that will use 100 of air, it is necessary to provide a compressor with a capacity of 105 as shown in Figure 4. One of the aims of the invention is to allow the use of a smaller compressor. Another goal is to allow constant energy consumption by the air compressor.
L'invention s'applique à tous procédés de séparation d'air avec au moins une double colonne (colonne moyenne Pression et colonne basse Pression) avec une production d'oxygène dit pompée : c'est-à-dire que l'oxygène liquide soutiré en fond de colonne basse pression est pompé à une pression supérieure à 10 bars, avant d'être vaporisé dans un ou des échangeurs. L'invention s'applique aussi pour des appareils produisant de l'oxygène impur par le principe de la colonne de mélange. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans lequel un débit d'air est comprimé dans un compresseur, le débit d'air comprimé est épuré dans une unité d'adsorption comprenant au moins deux adsorbeurs, qui suivent chacun, en décalage, le même cycle où se succèdent une phase d'adsorption, à une haute pression du cycle, et une phase de régénération avec dépressurisation, qui se termine par une repressurisation de l'adsorbeur, l'air épuré est envoyé à un système de colonnes comprenant une colonne haute pression et une colonne basse pression, au moins une partie de l'air épuré se sépare dans la colonne moyenne pression en un liquide enrichi en oxygène et un liquide enrichi en azote et au moins un liquide de la colonne moyenne pression est envoyé à la colonne basse pression suite à une détente et pendant une étape de repressurisation d'un adsorbeur, on réduit au moins un débit de liquide envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression par rapport au débit du même liquide envoyée à la colonne basse pression lors de l'étape d'adsorption ou de régénération du même adsorbeur. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention : - on réduit le débit d'un liquide enrichi en oxygène envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression pendant l'étape de repressurisation ; - on réduit le débit d'un liquide enrichi en azote envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression pendant l'étape de repressurisation ; - on réduit un débit d'air liquéfié envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression pendant l'étape de repressurisation ; - le débit d'air comprimé reste sensiblement constant pendant les étapes d'adsorption, de régénération et de repressurisation pour un adsorbeur donné ; - le débit d'air épuré baisse pendant l'étape de repressurisation par rapport au débit pendant les étapes d'adsorption et de régénération et de repressurisation pour un adsorbeur donné ; - le niveau de liquide en cuve de la colonne moyenne pression augmente pendant l'étape de repressurisation d'un adsorbeur donné ; - le niveau de liquide en cuve de la colonne basse pression réduit pendant l'étape de repressurisation d'un adsorbeur ; - le niveau de liquide en cuve de la colonne moyenne pression réduit en dehors des étapes de repressurisation des adsorbeurs ; - le niveau de liquide en cuve de la colonne basse pression augmente en dehors des étapes de repressurisation des adsorbeurs ; - le débit d'au moins un liquide envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression est réglé au moins en fonction du débit d'air rentrant dans la colonne moyenne pression ; - le débit d'au moins un liquide envoyé de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression est réglé au moins en fonction d'un signal émis lors du déclenchement d'une étape de repressurisation ; - on soutire au moins un liquide enrichi en un composant de l'air du système de colonnes, on le pressurise et on le vaporise dans un échangeur de chaleur pour former un débit gazeux pressurisé ; - on soutire au moins un liquide enrichi en oxygène de la colonne basse pression, on le pressurise et on l'envoie à une colonne de mélange. L'invention a également pour objet une installation de séparation d'air capable de fonctionner selon le procédé décrit ci-dessus comprenant un compresseur, une unité d'épuration et un système de colonnes comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, au moins une conduite d'amenée de liquide de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression et un dispositif de régulation du débit de liquide dans la conduite caractérisée en ce que le dispositif de régulation est commandé par un détecteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 5 représente un appareil de séparation d'air fonctionnant selon le procédé de l'invention ; - les figures 6A et 6B montrent la variation des niveaux des colonnes basse pression et moyenne pression respectivement de la Figure 5; - la figure 7 montre les débits d'air comprimé et épuré pendant le cycle selon l'invention, à comparer avec la figure 4 ; - la figure 8 montre les points de consigne pour les niveaux de liquide pauvre et de liquide riche ; - la figure 9 montre les points de consigne pour la charge d'air envoyée à la boîte froide et pour le débit de liquide pauvre ; - la figure 10 montre les points de consigne pour le débit et le niveau de liquide riche ; - la figure 11 montre le point de consigne pour le niveau du vaporiseur à bain. La Figure 5 montre un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique utilisant une double colonne. Pour simplifier, les moyens de production de frigories ne sont pas montrés mais il sera aisément compris que ceux-ci peuvent être des moyens bien connus, tels que turbine Claude, turbine d'insufflation, turbine d'azote... Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur C pour former un débit d'air comprimé 3 à la pression de la colonne moyenne pression. Le compresseur C est entraîné par un moteur électrique M qui peut être remplacé par une turbine à vapeur ou tout autre moyen connu. The invention applies to all air separation processes with at least one double column (medium pressure column and low pressure column) with a so-called pumped oxygen production: that is to say that liquid oxygen withdrawn at the bottom of the low pressure column is pumped at a pressure above 10 bars, before being vaporized in one or more exchangers. The invention also applies to devices producing impure oxygen by the principle of the mixing column. For this purpose, the subject of the invention is a process for separating air by cryogenic distillation in which a flow of air is compressed in a compressor, the compressed air flow is purified in an adsorption unit comprising at least two adsorbers, each of which follows, in offset, the same cycle in which an adsorption phase is followed at a high cycle pressure, and a regeneration phase with depressurization, which ends with a repressurization of the adsorber, the purified air is sent to a column system comprising a high pressure column and a low pressure column, at least a portion of the purified air separates in the medium pressure column into an oxygen enriched liquid and a nitrogen enriched liquid and less a liquid of the medium pressure column is sent to the low pressure column following expansion and during a repressurization step of an adsorber, at least one flow of liquid from the adsorber is reduced. a medium pressure column at the low pressure column with respect to the flow of the same liquid sent to the low pressure column during the adsorption or regeneration step of the same adsorber. According to other characteristics of the invention: the flow rate of an oxygen-enriched liquid sent from the medium-pressure column to the low-pressure column during the repressurization stage is reduced; the flow rate of a nitrogen enriched liquid sent from the medium pressure column to the low pressure column during the repressurization stage is reduced; a flow of liquefied air sent from the medium pressure column to the low pressure column is reduced during the repressurization stage; - The compressed air flow remains substantially constant during the adsorption, regeneration and repressurization steps for a given adsorber; the purified air flow rate decreases during the repressurization stage with respect to the flow rate during the adsorption and regeneration and repressurization stages for a given adsorber; the level of liquid in the tank of the medium pressure column increases during the repressurization stage of a given adsorber; the level of liquid in the tank of the low pressure column reduced during the repressurization stage of an adsorber; the level of liquid in the tank of the reduced medium pressure column outside the repressurization stages of the adsorbers; the level of liquid in the tank of the low pressure column increases outside the repressurization stages of the adsorbers; - The flow rate of at least one liquid sent from the medium pressure column to the low pressure column is adjusted at least according to the air flow entering the medium pressure column; the flow rate of at least one liquid sent from the medium-pressure column to the low-pressure column is set at least as a function of a signal emitted when a repressurization step is triggered; at least one enriched liquid is withdrawn from an air component of the column system, pressurized and vaporized in a heat exchanger to form a pressurized gas flow; at least one oxygen enriched liquid is withdrawn from the low pressure column, pressurized and sent to a mixing column. The invention also relates to an air separation plant capable of operating according to the method described above comprising a compressor, a purification unit and a column system comprising a medium pressure column and a low pressure column, at the at least one liquid supply line from the medium pressure column to the low pressure column and a device for regulating the flow of liquid in the pipe characterized in that the regulation device is controlled by a detector. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 5 represents an air separation apparatus operating according to the process of the invention; FIGS. 6A and 6B show the variation of the levels of the low pressure and medium pressure columns respectively of FIG. 5; FIG. 7 shows the flow rates of compressed and purified air during the cycle according to the invention, to be compared with FIG. 4; FIG. 8 shows the set points for the lean liquid and rich liquid levels; FIG. 9 shows the set points for the air charge sent to the cold box and for the lean liquid flow rate; - Figure 10 shows the set points for the flow and the level of rich liquid; - Figure 11 shows the set point for the level of the bath vaporizer. Figure 5 shows an apparatus for separating air by cryogenic distillation using a double column. For simplicity, the means of production of frigories are not shown but it will be easily understood that they can be well known means, such as Claude turbine, blowing turbine, nitrogen turbine ... A flow of air 1 is compressed in a compressor C to form a flow of compressed air 3 at the pressure of the medium pressure column. The compressor C is driven by an electric motor M which can be replaced by a steam turbine or any other known means.
L'air est ensuite épuré dans les absorbeurs R1, R2 de manière classique, par exemple tel que décrit ci-dessus. L'air épuré 5 est divisé en deux. Une partie 7 est envoyé à un surpresseur où il est pressurisé à une pression élevée. Il se liquéfie dans l'échangeur E et est envoyé à la colonne moyenne pression MP sous forme liquide. Une partie d'air 9 se refroidit dans l'échangeur et est envoyé à la colonne moyenne pression sous forme gazeuse. L'appareil comprend les remontées de liquide classiques : une conduite 11 de liquide riche (enrichi en oxygène) détendu dans une vanne V11, une conduite 13 d'air liquide détendu dans une vanne V13, un conduite de liquide pauvre inférieur (enrichi en azote) 15 détendu dans une vanne V15 et une conduite liquide pauvre supérieur (enrichi en azote) 17 détendu dans une vanne V17. Ces liquides sont envoyés de la colonne moyenne pression à la colonne basse pression pour fournir du reflux. De la colonne basse pression sont soutiré un débit 19 d'azote pur, un débit d'azote résiduaire (non-illustré) et un débit d'oxygène liquide 21. L'oxygène liquide 21 est pressurisé dans une pompé et se vaporise ensuite dans l'échangeur E. The air is then purified in the absorbers R1, R2 in a conventional manner, for example as described above. The purified air 5 is divided in two. Part 7 is sent to a booster where it is pressurized to a high pressure. It liquefies in exchanger E and is sent to the medium pressure column MP in liquid form. Part of the air 9 cools in the exchanger and is sent to the medium pressure column in gaseous form. The apparatus comprises the conventional liquid lifts: a rich liquid line (enriched with oxygen) 11 expanded in a valve V11, a pipe 13 of liquid air expanded in a valve V13, a lower liquid line poor (enriched in nitrogen ) Expanded in a valve V15 and a higher lean liquid line (enriched in nitrogen) 17 expanded in a valve V17. These liquids are sent from the medium pressure column to the low pressure column to provide reflux. From the low pressure column are withdrawn a flow 19 of pure nitrogen, a flow of residual nitrogen (not shown) and a flow of liquid oxygen 21. The liquid oxygen 21 is pressurized in a pumped and then vaporizes in the exchanger E.
L'invention consiste à utiliser les capacités de liquide que l'on a dans la double colonne, pour supprimer une grande partie de la sur-capacité du compresseur d'air. Pendant toutes les étapes autres que la re-pressurisation, on envoie un léger excès d'air, moins de 1%. Cet excès permet de constituer une réserve de molécules d'oxygène dans le fond de la colonne basse pression BP. Le niveau d'oxygène liquide dans le fond de la colonne basse pression augmente légèrement comme l'on voit à la Figure 6A, en dehors des périodes t2-t3 et t6-t7. Pendant ce temps, le niveau dans le fond de la colonne moyenne pression diminue légèrement MP (Figure 6B), afin de respecter le bilan frigorifique. Pendant les quelques minutes (t2-t3 et t6-t7) de l'étape de re-pressurisation, le débit d'air comprimé par le compresseur C (ou plusieurs compresseurs C en parallèle) reste constant. Par contre, comme une partie de l'air est utilisée pour la re-pressurisation, le débit d'air épuré 5 envoyé dans la boîte froide diminue d'autant. On ajuste alors les débits à l'intérieur de la boîte froide, afin de conserver et le débit de production d'oxygène 21 et la teneur de l'oxygène produit. The invention consists in using the liquid capacities that one has in the double column, to remove a large part of the over-capacity of the air compressor. During all stages other than re-pressurization, a slight excess of air is sent, less than 1%. This excess makes it possible to constitute a pool of oxygen molecules in the bottom of the LP low pressure column. The level of liquid oxygen in the bottom of the low pressure column increases slightly as can be seen in Figure 6A, outside the periods t2-t3 and t6-t7. Meanwhile, the level in the bottom of the medium pressure column decreases slightly MP (Figure 6B), in order to meet the refrigeration budget. During the few minutes (t2-t3 and t6-t7) of the re-pressurization step, the flow of compressed air by the compressor C (or more compressors C in parallel) remains constant. On the other hand, since part of the air is used for re-pressurization, the flow of purified air sent to the cold box decreases accordingly. The flow rates are then adjusted inside the cold box, in order to keep both the oxygen production rate and the oxygen content produced.
Les débits manipulés sont les remontées de liquide : air liquide 13, liquide pauvre (inférieur 15 & supérieur 17), liquide riche 11(appelé liquide très riche dans le cas d'une double colonne avec colonne de mélange). The manipulated flow rates are the liquid lifts: liquid air 13, poor liquid (lower 15 & upper 17), rich liquid 11 (called very rich liquid in the case of a double column with mixing column).
L'ouverture de chaque vanne V11, V13, V15, V17 est commandée par un régulateur de débit FIC. De cette manière, le débit envoyé à la colonne basse pression peut être réduit pendant les étapes de repressurisation et augmenté en dehors de ces étapes. Pour ajuster les boucles ouvertes, on peut soit utiliser la mesure du débit d'air 5 entrant réellement dans la boîte froide, soit un signal venant de la séquence de la purification en tête (par exemple, ouverture de la vanne 15, 15A ; 15B de re-pressurisation), soit une combinaison des deux. Pour une unité de séparation d'air avec une faible flexibilité (fonctionnant en permanence proche de son nominal), on privilégiera un ajustement des débits basés sur la logique de la séquence. Pour une unité avec une grande flexibilité, on utilisera une combinaison de la logique et du débit d'air, afin d'adapter les changements en fonction de la charge de l'unité. Pendant l'étape de re-pressurisation, on déstocke les molécules d'oxygène, cela se traduit par une baisse du niveau d'oxygène liquide dans le fond de la colonne basse pression, et une augmentation du niveau dans la colonne moyenne pression permet de respecter le bilan frigorifique global de l'unité de séparation d'air. Dans la Figure 6A, il est montré la variation du niveau de liquide riche en oxygène de la cuve de la colonne basse pression NBP avec le temps pendant le cycle d'épuration. On peut constater que pendant les étapes t2-t3, t6-T7 où l'un des adsorbeurs est en repressurisation, le niveau du liquide baisse car les remontées de liquide à la colonne basse pression ont été réduites. Pendant le reste du cycle, le niveau de la cuve augmente d'un niveau bas N1 à un niveau haut N2. The opening of each valve V11, V13, V15, V17 is controlled by a flow controller FIC. In this way, the flow rate sent to the low pressure column can be reduced during the repressurization steps and increased outside of these steps. To adjust the open loops, one can either use the measurement of the air flow actually entering the cold box, or a signal from the sequence of the overhead purification (eg, opening the valve 15, 15A; 15B; re-pressurization), a combination of both. For an air separation unit with low flexibility (operating permanently close to its nominal), it will be preferred to adjust the flow rates based on the logic of the sequence. For a unit with great flexibility, a combination of logic and airflow will be used to adapt the changes to the load of the unit. During the re-pressurization step, the oxygen molecules are released, this results in a drop in the level of liquid oxygen in the bottom of the low pressure column, and an increase in the level in the medium pressure column makes it possible to observe the overall refrigeration balance of the air separation unit. In Figure 6A, the change in the oxygen-rich liquid level of the NBP low-pressure column vessel is shown with time during the purification cycle. It can be seen that during the stages t2-t3, t6-T7, where one of the adsorbers is repressurized, the level of the liquid decreases because the liquid returns to the low pressure column have been reduced. During the rest of the cycle, the level of the tank increases from a low level N1 to a high level N2.
Dans la Figure 6B, il est montré la variation du niveau de liquide enrichi en oxygène de la cuve de la colonne moyenne pression NMP avec le temps pendant le cycle d'épuration. On peut constater que pendant les étapes t2-t3, t6-t7 où l'un des adsorbeurs est en repressurisation, le niveau du liquide augmente d'un niveau bas N1 à un niveau haut N2 car les remontées de liquide à la colonne basse pression ont été réduites. Pendant le reste du cycle, le niveau de la cuve réduit du niveau haut N2 au niveau bas N1. In Figure 6B, the variation of the oxygen enriched liquid level of the medium pressure NMP column with time is shown during the purification cycle. It can be seen that during the stages t2-t3, t6-t7, where one of the adsorbers is repressurized, the level of the liquid increases from a low level N1 to a high level N2 because the rising of liquid at the low pressure column have been reduced. During the remainder of the cycle, the tank level reduces from the high level N2 to the low level N1.
L'avantage de l'invention est la réduction de la taille du système de compression. Pour une unité qui utilisera 100 d'air, au lieu de prévoir un compresseur d'une capacité de 105, il suffira d'un compresseur de 101. Comme le montre la Figure 7, l'excès d'air nécessaire à la repressurisation est réparti sur tout le cycle, ce qui permet de réduire de façon significative le coût du système de compression d'air. Selon l'invention, comme l'on voit à la Figure 8A, la charge d'air montrée en abscisses varie entre une valeur maximale et une valeur minimale. A la valeur maximale de la charge d'air, le point de consigne ( set-point ) SPLLL du niveau de liquide pauvre, en ordonnées, est à une valeur maximale et il réduit à une valeur minimale pour la valeur minimale de la charge d'air. Il en est de même pour le point de consigne ( set-point ) SPRLL du niveau de liquide riche comme l'on voit à la Figure 8B. Dans la Figure 9A, la variation de la charge d'air envoyée à la boîte froide est montrée en ordonnées et le temps en abscisses. On voit que la charge ne varie pas pendant substantiellement tout le cycle sauf pendant les périodes de pressurisation P quand elle baisse de 25 kNm3/h. De même, comme illustré à la Figure 9B, pendant la pressurisation P, le point de consigne SPLLF du débit de liquide pauvre baisse de 15 kNm3/h pour remonter à sa valeur normale juste après la fin de l'étape de pressurisation. The advantage of the invention is the reduction of the size of the compression system. For a unit that will use 100 air, instead of providing a compressor with a capacity of 105, a compressor of 101 will suffice. As shown in Figure 7, the excess air required for repressurization is distributed throughout the cycle, which significantly reduces the cost of the air compression system. According to the invention, as can be seen in FIG. 8A, the air load shown in abscissas varies between a maximum value and a minimum value. At the maximum value of the air charge, the set point SPLLL of the lean liquid level, on the ordinate, is at a maximum value and it reduces to a minimum value for the minimum value of the charge. 'air. The same is true for the set point SPRLL of the rich liquid level as shown in Figure 8B. In Figure 9A, the variation of the air load sent to the cold box is shown on the ordinate and the time on the abscissa. It can be seen that the charge does not vary during substantially the entire cycle except during pressurization periods P when it drops by 25 kNm3 / h. Likewise, as illustrated in FIG. 9B, during the pressurization P, the SPLLF set point of the lean liquid flow rate decreases by 15 kNm3 / h to return to its normal value just after the end of the pressurization stage.
Comme illustré à la Figure 10A, pendant la pressurisation P, le point de consigne SPRLF du débit de liquide riche baisse de 17 kNm3/h pour remonter à sa valeur normale juste après la fin de l'étape de pressurisation. Par contre, le point de consigne SPRLI du niveau de liquide riche de la Figure 10B baisse juste avant la pressurisation, augmente pendant la pressurisation et ensuite réduit petit-à-petit jusqu'à la prochaine étape de pressurisation. La Figure 11 montre la variation du point de consigne SP BVL du niveau de vaporiseur de bain. Pendant tout le cycle en dehors des étapes de pressurisation, le niveau monte jusqu'à une valeur maximale. Pendant la première moitié de la pressurisation, le niveau baisse jusqu'à une valeur minimale pour maintenir ce niveau pendant la deuxième moitié de la pressurisation. As illustrated in FIG. 10A, during the pressurization P, the SPRLF set point of the rich liquid flow rate drops by 17 kNm3 / h to rise to its normal value just after the end of the pressurization step. In contrast, the SPRLI setpoint of the rich liquid level of Figure 10B declines just prior to pressurization, increases during pressurization, and then slowly reduces to the next pressurization stage. Figure 11 shows the variation of the SP BVL set point of the bath vaporizer level. During the entire cycle outside the pressurization steps, the level rises to a maximum value. During the first half of the pressurization, the level drops to a minimum value to maintain this level during the second half of the pressurization.
Le débit comprimé dans le compresseur d'air restant constant, sa consommation d'énergie reste constante, ce qui peut constituer un avantage supplémentaire : • Lorsque l'énergie de compression vient d'une détente de vapeur d'eau, la consommation de vapeur reste constante (pas de perturbation sur le réseau de vapeur, donc pas de risque de faire chuter la pression du collecteur de vapeur). • Lorsque le compresseur est entraîné par un moteur électrique, il est beaucoup plus facile de prévoir la consommation électrique de l'unité, et ainsi d'optimiser la facture (surtout si le coût de l'énergie est basé sur une part fixe et une part variable). The compressed flow rate in the air compressor remains constant, its energy consumption remains constant, which can be an additional advantage: • When the compression energy comes from a relaxation of water vapor, the steam consumption remains constant (no disturbance on the steam network, so no risk of dropping the pressure of the steam collector). • When the compressor is driven by an electric motor, it is much easier to predict the power consumption of the unit, and thus optimize the bill (especially if the cost of energy is based on a fixed part and a variable part).
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