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CA 02075420 2002-08-29
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Procédé et installation de distillation d'air, et application à l'alimentation
en gaz d'une
aciérie
La présente invention est relative à la technique de distillation de l'air.
Certaines applications industrielles nécessitent des quantités importantes
d'oxygène
impur sous diverses pressions : gazéification du charbon, gazéification de
résidus
pétroliers, réduction-fusion directe du minerai de fer, injection de charbon
dans les
hauts fourneaux, métallurgie des métaux non ferreux, etc.
Par ailleurs, certains contextes industriels nécessitent la fourniture
simultanée, en
grandes quantités, d'oxygène pratiquement pur et d'oxygène impur sous des
pressions
différentes. C'est notamment le cas des aciéries comportant des convertisseurs
à
l'oxygène et dans lesquelles le haut fourneau est alimenté en oxygène ou en
air enrichi
en oxygène.
L'invention a pour but de satisfaire de tels besoins de façon économique,
c'est-à-dire de
permettre, avec un investissement et une consommation d'énergie relativement
faibles,
la production d'oxygène impur à une pureté et une pression choisies à volonté
et, si
nécessaire, la production d'oxygène pratiquement pur.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de distillation d'air au
moyen d'une
double colonne de distillation comprenant une colonne basse pression et une
colonne
moyenne pression, couplée à une colonne de mélange, dans lequel on alimente la
colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d'un mélange de gaz
de
l'air, et en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire,
prélevé dans la
partie inférieure de la colonne basse pression, et on soutire en tête de la
colonne de
mélange de l'oxygène impur constituant un gaz de production, où le gaz
auxiliaire et le
liquide alimentant la colonne de mélange sont comprimés à une même pression
différente de celle de la colonne moyenne pression, typiquement supérieure à
cette
dernière, avantageusement d'au moins 2 x 105 Pa.
Ledit liquide peut être le liquide de cuve de la colonne basse pression,
notamment de
l'oxygène pratiquement sans azote, ou bien être soutiré quelques plateaux au-
dessus de
la cuve de la colonne basse pression.
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Dans le cadre d'un tel procédé, on peut en outre produire de l'argon au moyen
d'une
colonne de distillation additionnelle de production d'argon impur couplée à la
colonne
basse pression.
L'invention a également pour objet une installation de distillation d'air
destinée à la
mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, du type comprenant une double
colonne de
distillation, comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne
pression,
une colonne de mélange, une ligne d'échange thermique, une source d'un gaz
auxiliaire
constitué d'un mélange de gaz de l'air, des moyens pour introduire le gaz
auxiliaire à la
base de la colonne de mélange, des moyens pour soutirer un liquide plus riche
en
oxygène que le gaz auxiliaire dans la partie inférieure de la colonne basse
pression, des
moyens pour pomper ce liquide et pour l'introduire au sommet de la colonne de
mélange, et des moyens pour soutirer de l'oxygène impur en tête de la colonne
de
mélange en tant que gaz de production de l'installation, caractérisée en ce
qu'elle
comprend des moyens pour comprimer le gaz auxiliaire à une pression déterminée
supérieure à celle de la colonne moyenne pression, des passages pour ce gaz
auxiliaire
comprimé prévus dans la ligne d'échange thermique et en ce que les moyens de
pompage portent le liquide à ladite pression déterminée.
L'invention a encore pour objet l'application du procédé défini plus haut à
l'alimentation en gaz d'une aciérie, ledit oxygène impur étant produit sous la
pression
du haut fourneau et étant envoyé à ce dernier.
Lorsque ledit liquide est de l'oxygène pratiquement sans azote, de façon
avantageuse,
on envoie ledit oxygène pratiquement sans azote aux convertisseurs de
l'aciérie.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en
regard
des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 3 représentent
schématiquement trois
modes de réalisation de l'installation de distillation d'air conforme à
l'invention.
L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 est destinée à
produire de
l'oxygène impur, par exemple ayant une pureté de 80 à 97% et de préférence de
85 à
95%, sous une pression déterminée P nettement différente de 6 x 105 Pa. abs.,
par
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exemple sous 2 à 5 x 105 Pa ou avantageusement sous une pression
supérieure d'au moins 2 x 105 Pa et pouvant aller jusqu'à 30 x 105 Pa
environ, de préférence entre 8 x 105 Pa et 15 x 105 Pa. L'installation
comprend essentiellement une ligne d'échange thermique 1, une double
colonne de distillation 2 comprenant elle-même une colonne moyenne
pression 3, une colonne basse pression 4 et un condenseur-vaporiseur
principal 5, et une colonne de mélange 6. Les colonnes 3 et 4
fonctionnent typiquement sous environ 6 x 105 Pa et environ
1 x 105 Pa, respectivement.
Comme expliqué en détail dans le document US-A-4.022.030,
une colonne de mélange est une colonne qui a la même structure qu'une
colonne de distillation mais qui est utilisée pour mélanger de façon
proche de la réversibilité un gaz relativement volatil, introduit à sa
base, et un liquide moins volatil, introduit à son sommet.
Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet
donc de réduire la consommation d'énergie liée à la distillation. Dans
le cas présent, ce mélange est mis à profit, en outre, pour produire
directement de l'oxygène impur sous la pression P, comme cela sera
décrit cï-dessous.
L'air à séparer par distillation, comprimé à 6 x 105 Pa et
convenablement épuré, est acheminé vers la base de la colonne moyenne
pression 3 par une conduite 7. La majeure partie de cet air est
refroidie dans la ligne d'échange 1 et introduite à la base de la
colonne moyenne pression 3, et le reste, surpressé en 8 puis refroidi,
est détendu à la basse pression dans une turbine 9 couplée au
surpresseur 8, puis insufflé en un point~fini;ermédiaire de la colonne
basse pression 4. Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène), prélevé
en cuve de la colonne 3 est, après détente dans une vanne de détente
10, introduit dans la colonne 4, à peu près au point d'insufflation de
l'air. Du "liquide pauvre" (azote impur) prélevé en un point
intermédiaire 11 de la colonne 3 est, après détente dans une vanne de
détente 12, introduit au sommet de la colonne 4, constituant le gaz
résiduaire de l'installation, et l'azote gazeux pur sous la moyenne
pression produit en tête de la colonne 3, sont réchauffés dans la
ligne d'échange 1 et évacués de i'install~tion. Ces gaz sont indiqués
respectivement par Nï et NG sur la figure 1.
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De l'oxygène liquide, plus ou moins pur suivant le réglage
de la double colonne 2, est soutiré en cuve de la colonne 4, porté par
une pompe 13 à une pression Pl,légèrement supérieure à la pression P
précitée pour tenir compte des pertes de charge (P1-P inférieur à
1 x 105 Pa), et introduit au sommet de la colonne 6. P1 est donc
avantageusement comprise entre 8 x 105 Pa et 30 x 105 Pa, de
préférence entre 8 x 105 Pa et 16 x 105 Pa. De l'air auxiliaire,
comprimé à la même pression P1 par un compresseur auxiliaire 14 et
refroidi dans la ligne d'échange 1, est introduit à la base de la
colonne de mélange 6. De cette dernière sont soutirés trois courants
de fluide : à sa base, du liquïde voisin du liquide riche et réuni à
ce dernier via une conduite 15 munie d'une vanne de dëtente 15A ; en
un point intermédiaire, un mélange essentiellement constitué d'oxygène
et d'azote, qui est renvoyé en un point intermédiaire de la colonne
basse pression 4 via une conduite 16 munie d'une vanne de dëtente 17 ;
et à son sommet de l'oxygène impur qui, après réchauffement dans la
ligne d'échange thermique, est évacué, sensiblement à la pression P,
de l'installation via une conduite 18 en tant que gaz de production
OI.
On a également représenté sur la figure 1 des échangeurs de
chaleur auxiliaires 19, 20, 21 assurant la récupération du froid
disponible dans les fluides en circulation dans l'installation.
Comme on le comprend, grâce à la présence d'un circuit
séparé pour l'air auxiliaire alîmentant la colonne 6, on peut choisir
à volonté la pression P de l'oxygène impur produit. Da plus, comme
indiqué plus haut, le réglage de la double colonne permet d'obtenir
divers degrés de pureté pour ce gaz.
Une autre manière de déterminer ce degré de pureté consiste,
comme représenté à la figure 2, à choisir le niveau de prélèvement,
dans ïa colonne basse pression 4; du liquide alimentant la colonne 6,
par exemple en laissant quelques plagaux de distillation,entre le
point de prélèvement et la cuve de la colorme 4.
Comme on l'a également représenté sur la figure 2,
l'insta-llation peut produire, simultanément à l'oxygène impur de la
colonne 6, de l'oxygène à une pureté ~t à une pression différentes,
notamment de l'oxygène à peu près pur, par soutirage au bas de la
colonne 4. Cet oxygène peut être,fourni sous forme gazeuse, via une
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conduite 22 traversant la ligne d'échange 1, sous la basse pression de
la colonne basse pression 4 ou sous pression, notamment par pompage du
liquide en 23 avant son réchauffement dans la ligne d'échange ; il
peut aussi être liquéFié et envoyé dans un stockage 24.
L'installation de la 'Figure 3 diffère de celle de la
figure 2 par le fait qu'elle comprend en outre une colonne 25 de
production d'argon impur couplée, de façon classique, à la colonne
basse pression 4.
En efFet, le fait que l'oxygène impur soit produit non pas
par la colonne basse pression 4 mais par la colonne de mélange 6
permet de produire de l'oxygène impur contenant très peu d'argon, ce
qui laisse la possibilité de produire, en plus de l'argon, à condition
bien entendu que l'oxygène liquide soutiré et pompé en 13 ait Une
pureté suffisante, notamment au moins égale à 98 %.
L'air auxiliaire à la pression P1 peut être de l'air
atmosphérique convenablement épuré, mais également provenir d'un
procédé annexe comprenant un compresseur d'air. Z1 peut par exemple
s'agir d'air prélevé à l'entrée d'une turbine à gaz et dont la
pression est éventuellement ajustée au moyen d'un surpresseur ou d'une
turbine de détente. Plus généralement, on peut utiliser pour alimenter
la base de la colonne de mélange 6, un mélange de gaz de l'air moins
riche en oxygène que le liquide prélevé dans la partie inférieure de
la colonne basse pression, notamment de l'azote impur provenant
éventuellement de l'ïnstallation elle-même.
Ainsi, l'invention permet de produire simultanément, dans
des conditions particulièrement économiques d'investissement et de
consommation d'énergie, de l'oxygène pur ou à peu près pur, de
l'oxygène impur et de l'argon
I1 est à noter que l'oxygène produit par la colonne 4 est
pratiquement dépourvu d'azote et peut donc être utilisé dans les
convertisseurs d'uns aciérie. L'installation, sous ia forme de la
figure 2, permet ainsi d'alimenter à la fois ces convertisseurs en
oxygène pur et le haut fourneau de l'aciérie en oxygène impur à la
pression du haut fourneau ; squs sa forme de la figure 3,
l'installation peut alimenter en outre l'aciérie en argon.
