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2 ~
La présente inventi~n est relative à un
procédé de production d'oxyg~ne lmpur par distilla-tlon
d'air dans une installation de distillation d'air à
double colonne, la doul~le colonne comprenant une colonne
moyenne pression et uns colonne basse pression.
Les appllcations conaern~es par 1' invention
sont celles ~ui consomment de grandes quantités d'oxygène
impur. On cltera le~ proc~d~s de gazéi~ication de charbon
ou de résldus pétrolier~, ainsi que les procéd~ de ré-
ductlon-fusion directe du minerai de fer.
Il est oonnu que pour produire par distil-
lation d'air de l'oxygene impur, c'est-à-dire ayant une
puret~ inf~rieure ~ 99,5% et généralement inférleure à
98~, il est possible de diminuer la dépense d'energie en
augmentant la pression de marche de la double colonne,
à condition que l'on puisse valoriser l'énergie disponi-
ble dans la colonne basse pression sous forme de pres-
sion.
Un moyen connu de valoriser cette pression,
décrit par exemple dans le US-A-4 224 045, consiste à
combiner l'apparetl de distillation d'air ~ une turbine
à gaz : l'air à séparer est prélevé totalement ou
partiellement au refoulement du compresseur de cette
turbine, et le gaz résiduaire basse pression de l'appa-
reil de distillation est renvoyé après compression à la
turbine à gaz, l'oxygène impur et l'azote étan-t envo~és
vers l'utilisation sous la pression de la colonne qui les
produit.
De cette manière, la basse pression est
entièrement valorisée, et l'on obtient une énergie de
séparation réduite.
L'invention a pour but de réduire encore la
dépense d'énergie nécessaire à la production de l'oxygène
, . . .
(,'~
. ,: , .
. ! , . : , - :
'
20~5~1
lmpur.
A cet effet, l'invention a pour objet un
procéd~ caracteris~ en ce que :
- on fait fonctionner la colonne moyenne
pre~sion 90U8 une pre~sion sup~rleure ~ 6 bars et de
préfe~enoe au moin~ ~gale ~ 9 bars absolus environ;
- on conden~e dans le condenseur de c~ve de
la colonne basse pression un premier gaz de vaporisation
moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne
pression; et
- on condense de l'azote de t~te de la
colonne moyenne pression, que l'on envoie ensulte en
reflux en tête de la colonne moyenne pression, à un
niveau de la colonne basse pression situé au-dassus dudit
condenseur de cuve.
Suivant d'autres caract~ristigues :
- ledit premier gaz de vaporisation est un
gaz soutiré ~ un niveau intermédiaira de la colonne
moyenne pression;
- ledit premier gaz de vaporisation est de
l'air moyenne pression;
- ledit premier gaz de vaporisation est de
l'azote ~ peu près pur ou impur comprim~ à une pression
supérieure ~ celle de la colonne moyenne pression;
- on condsnse un deuxième gaz de vapori-
sation, plus volatil que ledit premier gaz de vapori-
sation mais moins volatil que l'azote de tete de la
colonne mo~enne pression, à un niveau intermediaire entre
ceux desdites condensations;
- on ~outira l'oxygène impur sous forme
liquide de la cuve de la colonne basse pression, on
l'amène sous forme liquide à la pression de production
désirée, et on le vaporise sous cette pression par
condensation d'un troisième gaz de vaporisation;
- le troisième gaz de vaporisation est de
:-' , .' ' ' '........................ ~
. . ; ..
-: .
. .
,
203~
l'azote à peu près pur ou impur produit par la double
colonne et comprimé ~ une pression de vaporlsation de
l'oxyg~ne lmpur 50U~ la pr~Rsion de production;
- le troisi~me gaz de vaporlsation est de
l'air alimentant la double colon~e, comprimé à une
pression de vaporisation de l'oxygène impur 90US la
presslon de productlon.
L'invention a ~galement pour ob~et une
lnstallation da di~tillation d'alr à double colonne
destin~e à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Suivant
l'invention, cette installation comprend des moyens pour
fournir à la colonne moyenne pression de l'air à dis-til-
ler sous au moins 9 bars absolus environ, et la colonne
basse pression comprend au moins deux vaporiseurs-conden~
; 15 seurs superposés, dont un vaporiseur-condenseur de cuve,
des moyens pour alimenter ce vaporiseur-condenseur de
cuve avec un premier gaz de vaporisation moins volatil
que l'azote de tête de la colonne moyenne pression, des
moyens pour alimenter le deuxième vaporiseur-condenseur
; 20 avec de l'azote de tête de la colonne moyenne pression,
et des moyens pour envoyer l'azote ainsi condensé en
; reflux en tete de la colonne moyenne pression.
Suivant d'autres caract~rlstique~ :
- au moins deux vaporiseurs-condenseurs de la
25 colonne basse pression sont immediatement superpos s l'un
à l'autre, sans moyens de distillation intermédiair2s;
- l'installation comprend des moyens de
soutirage d'oxygène impur sous forme liquide de la cuve
de la colonne basse pression, des moyens de compression
de cet oxygène impur liquide à une pression de produc-
tion, ainsi qu'un cycle à azote de soutien de rectifi-
cation comprenant des moyens pour comprimer, liquéfier,
détendre et introduire dans la colonne moyenne pression
une fraction de l'azote à peu près pur ou impur produit
par la double colonne;
. .
.. : ,
. ~ - .
, ~ , .
.
20~iJ~g1
- lesdits moyens de compression sont adaptés
pour comprimer ladite fraction d'azoto ~ une pression de
vaporis~tion de l'oxyg~ne impur 80u8 ladlts pression de
product~on.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention
vont main-tenant être décrits en regard des dessins
annexés, sur lesquels les Flgures 1 ~ 4 représentent~
schématiquement quatre modes de réalisation de l'instal-
lation de dlstlllation d'air conforme à l'invention.
L' installation représentée à la Figure 1 est
destinée à produire de l'o~ygène à une pureté de l'ordre
de 85% sous une pression de l'ordre de 7,4 bars ab~olus.
Elle comprend essentiellement une double colonne 1 de
distillation d'air, constltuee d'une colonne moyenne
pression ~ou "colonne MP") 2 fonctionnant sous 15,7 bars
absolus et d'une colonne basse pression (ou "colonne BP")
3 fonctionnant sous 6,3 bars absolus, une ligne d'éahange
thermique principale 4, un sous-refroidisseur 5, un
vaporiseur-condenseur auxiliaire 6 et une turbine 7
d'~nsufflation d'air dans la colonne basse pression. La
colonne 3 est superposée à la solonne 2 et contient en
cuve un vaporiseur-condenseur 8 et, au-dessus de celui-
ci, un second vaporiseur-condenseur 9.
L'air à distiller arrive sous la moyenne
pression via une conduite 10 e-t pénètre dans la ligne
d'échange 4~ La majeure partie de cet air est refroidie
jusqu'au voisinage de son point de rosée et sort au bout
froid de la ligne d'échange, le reste étant sorti de la
ligne d'échange à une température in-termbdiaire, détendu
à la basse pression dans la turbine 7 pour assurer le
maintien en froid de l'installation, e~ insufflé à un
niveau intermédiaire dans la colonne BP 3.
Une fraction de l'air entièrement refroidi
est introduit, via une conduite 11, à la base de la
colonne MP 2, et le reste est condensé dans le vapori-
( .
-
- : .
-
.
- ~
2 ~
seur-co~denseur 6; une p~tie du liquide obtenu e.~t
introd~it vla une condui~e 12 en un polnt interm~dialre
de la colonne 2, et le reste est, après sous-refroidisse-
ment en 5 et detente dans une vanne de d~tente 13,
introduit en un point intermédiaire de la colonne sP 3.
Le "liquide riche" (air enrichi en oxygène)
recueilli en cuve de la aolonne MP est, aprbs SOU5-
refroidissement en 5 et détente dans une vanne de détente
14, introduit en un point interm~diaire de la colonne BP.
De m~me, du "liquide pauvre" tazote impur) soutiré en un
point intermédiaire de la colonne MP est, après sous-
refroidisse~ent erl5 et détente dans une vanne de détente
15, introduit au sommet de la colonne BP.
L'azote à peu près pur produit en tete de la
colonne MP est pour partie évacué de l'installation en
tant ~ue produit, après réchauffement dans la ligne
d'échange, via une conduite 16, et, po~r le reste, envoyé
sous forme gazeuse via une conduite 17, sous la moyenne
pression, dans le vaporiseur-condenseur supérieur 9.
Après condensation, cet azote est renvoyé en reflux en
t8te de la colonne MP via une conduite 18.
De plus, de l'azote impur gazeux, soutiré en
un point intermédiaire de la colonne 2 et, dans cat
exemple, au même niveau que le liquide pauvre, est envoyé
via une conduite 19, sous la moyenne pressian, dans le
vaporiseur-condenseur inférieur 8. Le liquide ainsi
obtenu est renvoyé en reflux dans la colonne MP, à peu
près au rnême niveau, via une conduite 20. ~:
Les courants de fluides sortant de la double
30 cslonne sont : -
~ au sommet de la colonne MP, de l'azote
moyenne pression, dont il a été question plus haut;
- au sommet de la colonne BP, de l'azote
impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation. ~-
35 Cet azote impur, après réchauffemPnt dans le sous-
, ~ . .
. - , , .
,
6 2 ~
refroidisseur 5 et dans la ligne d'échange 4, est évacu~
via une conduite 21; et
- en cuve de la colo~ne BP, de l'oxy~ène
lmpur liqulde. Ce liquide est soutiré via une conduite
22, comprime par une pompe 23 ~ la pression de production
(7,4 bars absolus dans cet ~xenlple), puis vaporlsé dans
le vapori~eur~condenseur 6 en condensant la ~raction
d'air moyenne pression qui traverse ce dernier, puis
réchauffé sous forme gazeuse dans la ligne d'~change et
evacu~ de l'installation via une conduite de production
24.
En variante, la pompe 23 pourrait être
supprimée, l'oxygène impur étant alors vaporisé en 6 sous
la basse pression.
La descrip-tion ci-dessus montra que, pour un
ecart de température donn~ dans le vaporiseur-condenseur
8, la température du liquide de cuve de la colonne BP est
déterminée par celle du gaz condensé dans ce vaporiseur-
condenseur. Comme il s'agit d'un gaz intermédiaire de la
colonne MP, plus chaud ~ua l'azote de tete de cette
colonne, la température du liquide de cuve, qui ~st
l'oxygène impur, est relativement élevee. Par suite, pour
une pureté désirés de cet oxyg~ne impur, la pression de
la colonne BP, a'est-à-dire la basse pression, peut etre
augment~a. Finalement, on obtient de l'oxygène impur et
de l'azote impur sous une pression accrue, ce qui permet
de réaliser des économies sur leur valorisation, par
exemple sur l'énergie nécessaire pour comprimer l'a-
zote impur à la pression voulue dans une turbine à gaz
(non représentée) couplée à l'installation, par exemple
de la manière décrite dans le US-A-4 224 045 précité.
Dans ce contexte, le vaporiseur~condenseur
supérieur 9 sert à fournir le reflux nécessaire en tête
de la colonne MP.
Si les températures des deux gaz alimentant
,,,
.
- , : . .
, ~
:,
2 ~
les deux vaporiseurs-condenseurs sont nettement diffé-
ren-tes l'une de llautre, il est nécæssalre de prévoir un
~ertain nonlbre de pla-teaux de distillation 25 entr~ C9S
vaporlseurs-condenseurs. Dans le cas contraire, ces
plateaux peuvent ~tre supprlm~s, ce qui simplifie la
constructions de la colonne BP, les deu~ vaporiseurs-
condenseurs pouvant mame etre intégrés en un seul
échangeur de ahaleur. C'est pourquoi les plateaux 25 ont
été représent~s en trait inter~ompu.
L'in~tallation représentée ~ la Figure 2 ne
diff~re de la Figure l que par les points suivants.
L'oxygene impur est soutiré sou~ ~orme
gazeuse de la colonne BP 3, et est simplemen-t r~chauffé
dans la ligne d'échange 4 avant son evacuation via la
conduite 24. Ceci est particulièrement int~ressant
lorsque l'oxyg~ne impur est d~sir~ sous la basse pres-
sion. En conséquence, le vaporiseur-condenseur 6 est
supprime.
De plus, une fraction de l'air moyenne
prassion refroidi au voisinage de son point de rosée est
envoyée, via une conduite 26, dans le vaporiseur-conden-
seur inférieux 8 à la place du gaz intermédiaire de la
Figure 1. Ce gaz in-termédia~re, quant à lui, alimenta un
vaporiseur-condenseur intermédiaire 27 situé entre les
vaporiseurs-condenseurs inférieur 8 et supérieur 9. Comme
précédemment, il peut y avoir ou non des pla-teaux en-tre
les paires de vaporiseurs-condenseurs. L'air liquéié
issu du vaporiseur-condenseur 8 est envoyé pour partie,
via une conduite 28, dans la colonne MP et pour partie,
après sous-refroidissement en 5 et détente dans la vanne
de détente 13, dans la colonne BP.
Par rapport a la solution de la Fi~ure 1, on
obtient une température plus élevée en cuve de la colonne
BP, ce qui est favorable à l'augmentation de 12 basse
pression. En revanche, on doit vaporiser un liquide plus
.
,
.
203~
riche en oxygène que l'oxyyène impur à produire, ce qui
tend ~ ~éduire la basse pression.
Ce dernier inconv~nient e~t supprim~ dans
l'installation de la Flgure 3, qui permet de produire
l'oxyg~ne impur 90US une pression élevée, et qui diffère
de la précédente par le~ points suivants.
D'une p~rt, l'ox~g~ne impur es-t soutiré sous
forme liquide da la auve de la colonne BP, puis est amené
par une pompe 23 ~ la press:Lon de production désirée,
puis vaporis~ et rechauffé sous cette pression dans la
ligne d'échange 4 avant d'être évacué de l'installation
via la conduite 24.
D ' autre part, pour compenser la perte de
reflux da~s la colonne MP résultant du soutirage
lS d'oxygène liquide en cuve de la colonne 8P, il est pré~u
un cycle azote, dit cycle de soutien de rectification,
qui est utilisé en meme temps pour assurer la vapo-
risation de l'oxyg~ns impur : une partie de l'azote
produit en tete de la colonne 3 (la~uelle, dans ce cas,
poss~de en tete un "minaret" 30 gui est alimenté ~ son
sommet par de l'azote liqulde pur provenant du Yapori-
seur-condenseur supérieur 9 et gui, par suite, produit
de l'azote pur sous la basse pression) est, après ré-
chauffement dans la ligne d'échange~ aomprimée par un
compresseur 31 ~ la moyenne pression. Cet azote moyenne
pression, réuni à un courant d'azote moyenne pression
prélevé sur la conduite 16, est comprimé de nouveau par
un compresseur 33 à une pression de vaporisation dè
l'oxygène impur comprimé par la pompe 23, liquéfié dans
la ligne d'échange, p.uis, après détente dans une vanne
de détente 34, introduit en reflux en tête de la colonne
MP.
I.'installation de la Figure 4 comporte
également une colonne BP 3 à minarat 30. Toutefois,
contrairement au cas précédent, c'est de l'air haute
s
2~3.3~
pression, surpresse à une pression de vaporisation de
l'oxygène impur par un surpresseur 35, qui assure la
vaporisation de l'o~ygène impur dans la ligne d'échange
4. Dans cet exemple, cet air est, apres liqué~action et
d~tente dans une vanne de déten-te 36 et dans.la vanne de
détente 13, répartl entre les deux colonnes 2 et 3. Par
consequent, le compresseur 33 et la vanne de détenta 34
de la Figure 3 sont supprimés.
De plus, l'azote issu du compresseur 31,
comprim~ ~ une pression sup~rieure à la moyenne pression,
alimente sous forme gazeuse, après refroidissement dans
la ligne d'échange, le vaporiseur-condenseur inférieur
8, et l'azote liquide resultant est, après détente dans
une vanne de détente 37, réuni à l'azo-te liquide moyenne
pression issu du vaporiseur-condenseur supérieur 9. Ceci
présente l'avantage de permettre un réglage de la
température de cuve de la colonne BP, et donc de la -
pression de cette colonne, par réglage de la pression de
l'azote alimentant le vaporiseur-condenseur 8. Cette
pression d'azote peut etre choisie entre la moyenne
pre~sion et la pression pour laquelle l'azote se condense
au bout froid de la ligne d'échange.
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