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La présente invention est relative à un
procéde de production d'oxygène gazeux sous pression par
distillation d'air dans une installation comprenant une
ligne d'échange thermique et une double colonne de
distillation qui comporte elle-meme une première colonne,
dite colonne moyenne pression, onctionnant sous une
moyenne pression, et une seconde colonne, dite colonne
ba~se pression, fonctionnant sous une basse pression,
pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne
; 10 basse pression, et vaporisation de l'oxygène comprimé par
échange de chaleur avec de l'air comprimé à une haute
pression d'air.
Les pressions dont il est question ci-dessous
sont des pressions absolues. De plus, on entend par
"condensation" et "vaporisation" soit une condensation
ou une vaporisation proprement dite, soit une pseudo-
condensation ou une pseudo-vaporisation, selon que les
pressions en question sont subcritiques ou supercriti-
ques.
; 20 Les procedés de ce type, dits procédés "à
pompe", permettent de supprimer tout compresseur d'oxy-
gène gazeux. Pour obtenir une dépense d'énergie accepta-
ble, il est nécessaire de comprimer un débit d'air
important, de l'ordre de 1,5 fois le débit d'oxygène à
vaporiser, jusqu'à une pression suf-fisante permettant de
le liquéfier à contre-courant de l'oxygène. Pour ceci,
la technique habituelle utilise deux compresseurs en
- série, le second ne traitant que la fraction de l'air
destinée à la vaporisation de l'oxygène ]iquide~ ce gui
accrolt sensiblement l'investissement de l'installation.
L'invention a pour but de fournir un procédé
utilisant un compresseur dlair unique et ayant une grande
efficacité thermodynamique globale.
. .. ,~ . ~ . , .
:;, ~ . '
~ J~J~
A cet effet, l'invention a pour objet un
procédé du t~pe précite, caractérisé en ce que :
- la to-talité de l'air à traiter est comprimé
à une première haute pression P1 nettement supérieure à
la moyenne pression;
- une première partie de cet air est re-
froidie jusqu'à une première température intermédiaire
Tl, où une première fraction est détendue dans une
première turbine, tandis que le reste est refroidi et
liqué~ié, détendu et introduit dans la colonne moyenne
pression;
- le reste de l'air à la première haute
pression P1 est surpressé à une seconde haute pression
P2 et refroidi jusqu'à une seconde température intermé-
diaire T2, où un premier débit est détendu dans une se-
conde turbine, tandis que le reste de cet air est
refroidi et liquéfié, détendu et introduit dans la
colonne moyenne pression;
- éventuellement, la pression d'échappement
de l'une des turbines est réglée à une pression P3
comprise entre ladite première haute pression P1 et la
moyenne pression;
- la majeure partie au moins de l'oxygène
separé est soutiré à l'etat liquide de la colonne basse
pression, comprimé par pompe à au moins une première
pression de vaporisation à laquelle il se vaporise par
condensation d'air à l'une desdi-tes hautes pressions Pl,
P2 et P3, et est vaporisé par condensation d'air à cette
ou à ces pressions.
Suivant d'autres caractéristiques :
- les.températures intermediaires T1 et T2
sont choisies l'une entre 0C et -60C environ et l'autre
entre -80C et -130C environ;
- le débit d'air alimentant la turbine chaude
est de l'ordre de 20 à 30% du debit d'air traité,
: ' . "
,
- de l'o~ygène liquide additionnel soutiré de
la colonne basse prPssion est comprimé par pompe à au
moins une seconde pression de vaporisation et vaporisé
à cette ou à ces pressions dans la ligne d'échange
thermique;
- de l'azote liquide est soutiré de la
double colonne, comprimé par pompe à au moins une
pression de vaporisation d'azote, et vaporisé ~ cette ou
à ces pressions dans la ligne d'échange thermique;
- on détend à la basse pression dans une ~ -
troisième turbine une partie au moins de l'air issu de
la première ou de la seconde turbine, l'air issu de la
troisième turbine étant introduit dans la colonne basse
pression ou dans le gaz résiduaire évacué de la partie
supérieure de cette colonne;
- on détend dans la troisième turbine la
totalité dudit air issu de la première ou de la deuxième
turbine, cet air se trouvant sensiblement à la moyenne
pression, ainsi qu'un débit complémentaire d'air soutiré
en cuve de la colonne moyenne pression;
- la surpression de l'air est réalisé au
moyen d'au moins deux soufflantes en série couplées
chacune à l'une des turbines.
L'invention a également pour objet une ..
installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. : - -
Suivant un premier aspect, cette installa- :-
tion, du type comprenant une double colonne de distil-
lation d'air comprenant une colonne, dite colonne basse
pression, fonctionnant sous une basse pression, et une
colonne, dite colonne moyenne pression, fonctionnant sous
une moyenne pression, une pompe de compression d'oxygène
liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, des
moyens de compression pour amener de l'air à distiller
à une haute pression dlair nettement supérieure à la
moyenne press:Lon, e-t une ligne d1échange thermique pour
mettre en relation d~échange thermique l'air à la haute
pression et l'o~yg~ne ll~uide comprimé, est caractérisée
en ce que les moyens de compression comprennent un com-
S presse.ur pour amerl~r la totalit~ de l'air ~ di.s-tiller à
une prem:L~re haute pression Pl nettement supérieure à la
moyenne presslon, et des moyens de surpression d'une
fract:Lon de :L'alr sous cette premibre hauto pression
jusqu'à une seconde haute pression P2, ces moyens de
surpression comprenant au moins deux soufflantes en série
couplées chacune à une turbine de détente, une soufflante
etant coupl~e a une turbine de détente d'air sous la
premiè:re haute pression P1 et une autre soufflante étant
couplée à une seconde turbine de détente d'une partie de
l'air surpressé, la ligne d'échange thermique comprenant
des passages de refroidissement de l'air issu de la
turbine ayant la plus haute température d'admission.
Suivan-t un deuxième aspect, l'installation
suivant l'invention, du type comprenant une double
colonne de disti.llation d'air comprenant une colonne,
dite colonne basse pression, fonctionnant sous une basse
pression, e-t une colonne, dite colonne moyenne pression,
fonctionnant sous une moyenne pression, une pompe de com-
pression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne
basse pression, des moyens de compression pour amener dP
l'air à distiller à une haute pression d'air nettement
supérieure à la moyenne pression, et une ligne d'échange
thermique pour mettre en relation d'échange thermique
l'air ~ ].a haute pression et l'oxygène liquide comprimé,
est caractérisée en ce que les moyens de compression
comprennent un compresseur pour amener la totalité de
l'air à distiller à une première haute pression nettement
supérieure à la moyenne pression, et des moyens de
surpression d'une fraction d l'air sous cette première
haute pression jusqu'à une seconde hau-te pression, ces
~ ~ ç~
moyens de surpression comprenant au moins deux soufflan-
tes en série couplées chacune à une turbine de détente,
une soufflante étant couplée à une turbine de détente
d'air sous la première ~aute pression Pl et une autre
soufflante étant couplée à une seconde turbine de détente
d'une partie de l'air surpressé, et en ce que la tempéra-
ture d'admission Tl de l'une des deux turbines est
comprise entre ~C et - 60C environ, tandis que celle
T2 de l'autre turbine est comprise entre - ~0C et -130C
environ.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention
von-t maintenant être décrits en regard des dessins
annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 représente schématiquement une
installation de production d'oxygène gazeux conforme à
l'invention;
- la Figure 2 est un diagramme d'échange
thermique, obtenu par calcul, correspondant à cette
installation; et
- les Figures 3 et 4 représentent schémati-
quement deux autres modes de réalisation de l'instal-
lation suivant l'invention.
L'installation représentée sur la Figure 1
est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous deux
pressions différentes, de l'azote gazeux sous deux
pressions différentes, de l'oxygène liquide et de l'azote
liquide.
L'installation comprend essentiellement une
double colonne de distillation 1, une ligne d'échange
thermique 2, un compresseur d'air principal 3, deux
soufflantes en série 4, 5 munies en sortie d'un réfri-
gérant 6, une turbine "chaude" 7, une turbine "froide"
8, deux pompes d'oxygène liquide 9, 10 et une pompe
d'azote liquide 11.
La double colonne 1 comprend une colonne
~ . -
~ '
:.
,
?~ ~3 3 ~J
moyenne pression fonctionnant sous 5 à 6 bars, unecolonne basse pression 13 du type "à minaret" fonc-
tionnant un peu au-dessus de la pression atmosphérique,
un vaporiseur-condenseur 14 qui met la vapeur de tête
(azote) de la colonne 12 en relation d'échange thermique
avec le li~uide de cuve (oxygène) de la colonne 13, et
une colonne auxiliaire 15 de production d'argon impur
couplée à la colonne 13.
On retrouve les conduites classiques 16 de
remontée de "li~uide riche" (air enrichi en oxygène) de
la cuve de la colonne 12 à un point intermediaire de la
colonne 15 et/ou au condenseur de tête de la colonne 15,
17 de remontée de "li~uide pauvre inférieur" (azote
impur) d'un point intermédiaire de la colonne 12 à un
point intermédiaire de la colonne 13, 18 de remontée de
"liquide pauvre superieur" (azote pur) du sommet de la
colonne 12 au sommet de la colonne 13, les conduites 16,
17 et 18 étant chacune équipé~s d'une vanne de détente.
Les liquides véhiculés par ces trois conduites sont sous-
refroidis dans la partie froide de la ligne d'échange 2.Un embranchement 19 de la conduite 18, équipé d'une vanne
de detente, conduit à un stockage d'azote liquide 20.
La roue de la soufflante 4 es-t rigidement
accouplée à celle de 1~ turbine 8, et, de même, la roue
de la soufflante 5 est rigidement accouplée à celle de
la turbine 7.
En fonctionnement, l'air à distiller est
comprimé en totalité par le compresseur 3 à une pression
Pl de l'ordre de 25 à 35 bars et epuré en eau et en
anhydride carbonique dans un adsorbeur 21, puis divisé
en deux courants.
Le premier courant, à la pression Pl, est
refroidi jusqu'à une température intermediaire Tl
comprise entre 0C et - 60C. Une partie de ce premier
courant poursuit son refroidissement, est liquéfiée, puis
:
~" ' .
~ J~
est détendue à la moyenne pression dans une vanne de
détente et envoyée dans la colonne 12 via une conduite
22. Le raste du premier courant est sorti de la ligne
d'échange à la température T1, détendu à la moyenne
pression dans la turbine 7, réintroduit dans la ligne
d'échange, refroidi et liquéfié, puis envoyé dans la
colonne 12 via une conduite 23.
Le reste de l'air sortant de l'adsorbeur 21
est surpressé en deux stades par les soufflantes ~ et 5,
10jusqu'à une pression P2 de l'ordre de 35 à 50 bars,
prérefroidi en 6 puis refroidi dans la ligne d'échange
jusqu'à une seconde température intermédiaire T2 nette-
ment inférieure à Tl et comprise entre -80C et -130C.
Une partie de cet air poursuit son refroidissement, est
15liquéfiée, puis est détendue à la moyenne pression dans
une vanne de détente et introduite dans la colonne 12 via
la conduite 22 précitée. Le reste de l'air à la pression
P2 est sorti de l.a ligne d'échange à la température T2,
détendu a la moyenne pression dans la turbine 8 et
20introduit dans la colonne 12 via la conduite 23 précitée.
Le refroidissement de l'air est assuré par
circulation à contre-courant, dans la ligne d'échange 2,
de plusieurs fluides :
- l'azote gazeux basse pression issu du
25sommet de la colonne 13, et l'a~ote impur ou "waste"
produit par cette même colonne, ces deux gaz parcourant
la ligne d'échange de son bout froid à son bout chaud,
puis étant évacués via des condultes~respectlves 24 et
25.
30- la majeure partie de l'oxygène séparé est
soutirée en cuve de la colonne 13 sous forme liquide,
amenée à une première~pression POl, relativement basse,
par la pompe 9, vaporisée en condensant de l'air soit à
la pression Pl, ce qui correspond à P01 = 11 à 17 bars,
35soit à la pression P2, ce qui correspond à P01 = 17 à 22
~J....... .
'~
''. ' '
'.
bars, réchauffée a la temperature ambiante puis évacuée
en tant que produit via une conduite 26;
- une autre partie de l'oxygène séparé, que
l'on désire, dans cet exemple, produire sous forme
gazeuse à une seconde pression P02, relativement élevée,
typiquement comprise entre 11 et 60 bars, soutirée en
cuve de la colonne 13 sous forme liquide, amenée à cette
seconde pression P02, vaporisée dans la ligne d'échange
par prélèvement de chaleur sur l'air, sans que cette
vaporisation soit nécessairement concomitante à la
condensation de cet air, puis réchauffée à la température
ambiante et évacuée en tant que produit via une conduite
27; et
- de l'azote, que l'on désire, dans cet
exemple, produire sous forme gazeuse sous une pression
de l'ordre de 5 à 60 bars et de préférence de 25 à 35
bars, soutiré sous ~orme liquide en tête de la colonne
12, amené par la pompe 11 à ce-tte pression de production,
vaporisé dans la ligne d'échange par prélèvement de
chaleur sur l'air sans que cette vaporisation soit
nécessairement concomitante à la condensation de cet air,
réchauffé à la température ambiante, et évacué en tant
que produit via une conduite 28.
Simultanément à la production d'o~ygène et
d'azote gazeu~, l'installation produit des quantités
notables de liquide (oxygène et/ou azotej. Pour de l'air
à 25 bars à la sortie du compresseur 3, la quantité de
liquide peut atteindre 40% du débit d'oxygène séparé. On
a indiqué sur la Figure 1, outre la conduite 19 d'azote
liquide, une conduite 29 de production d'oxygène liquide.
Le diagramme d'échange thermique de la Figure
2 correspond au schéma de la Figure 1 décrit ci-dessus,
avec les donnees numériques suivantes :
- débit d'air traité : 26.000 Nm2/h
- Pl = 27,5 bars, P2 = 39,5 bars
- .
,~ ~
' - ' '~
, . ~
J,; ~
- Tl = - 35C, T2 = - 1~2C
- la production d'oxygène gazeux es-t répartie
en deux tiers à 12 bars (conduite 26) et un tiers à 42
bars (conduite 27)
- l'installation produit également 1.600
Nm2/h d'azote gazeuss pur sous 42 bars (conduite 28), et
1.900 Nm2~h de liquide.
Le diagramme d'echan~e comporte une courbe Cl
correspondant à l'ensemble des fluides réchauffés, et une
courbe C2 correspondant à l'air traité en cours de
refroidis~ement.
Sur la courbe Cl, on voit en A le palier de
vaporisation de l'oxygène sous 12 bars, en B une in-
flexion correspondant au pseudo-palier de vaporisation
de l'azote sous 42 bars, et en C le palier de vaporisa-
tion de l'oxygène sous 42 bars (plus court que le palier
A puisque le débit est plus faible).
Sur la courbe C2, le point D correspond à
l'entrée d'air à la pression P2, à = 32C, E à l'entrée
d'air à la pression Pl, à = 12C, où l'écart de tempéra-
ture entre les courbes C2 et Cl est minimal (2qC), ce qui
est très favorable, F à l'admission de la turbine 7, qui
réduit la pente de la courbe, G à l'admission de la
turbine 8, au voisinage du palier C, qui provoque un
effet analogue, H au pseudo-palier de condensation de
l'air sous la pression P2, au voisinage du pseudo-palier
B, et I au genou de condansation de l'air sous la
pression Pl, en regard du palier A, avec un écart de
température minimal et à peu près de même longueur que
ce palier A.
On voit sur la Figure 2 que, sur toute la
gamme des températures couverte par la ligne d'échange,
les deux courbes sont remarquablement proches l'une de
l'autre, ce qui correspond à une grande efficacité
thermodynamique globale du pro_édé.
.
. .
: .
~ '' , ' ' ~ , '
En variante, comme représenté en trait
interrompu sur la Figure 1, l'installation peut comporter
une troisième turbine 30, par exemple freinée par une
alterna-teur 31, adaptée pour détendre à la basse pression
une partie de l'air moyenne pression issu de la turbine
7. Comme représenté, l'échappement de la turbine 30 est
relié à un point intermédiaire de la colonne 13 ou à la
conduite véhiculant l'azote impur résiduaire. L'admission
de la-turbine 30 est à une température de -100C à -150C
environ.
Une telle turbine basse pression est intéres- -
sante dans deux cas : d'une part, pour valoriser la
faible énergie de sépara-tion lorsque l'oxygène est
produit à une pureté comprise entre 85% et 98%, en
augmentant la production de liquide sans diminution
notable du randement d'extraction en oxygène; d'autre
part, pour augmenter la production de liquide au détri-
ment de celle d'oxygène. Si, comme représenté, l'instal-
lation produit de l'argon, il est préférable d'envoyer
l'air basse pression dans l'azote impur pour maintenir
un bon rendement d'extraction en argon. Dans le cas
inverse, cet air basse pression peut être insufflé dans
la colonne 13.
L'installation de la Figure 3 diffère de la
précédente par les points suivants :
- la turbine basse pression 30 est freinée
par une troisième soufflante 32, dont la roue est
rigidement accouplée à celle de cette turbine et qui est
montée en série avec les soufflantes 4 et 5, en amont de
celles-ci;
- le débit à détendre dans la turbine 30 est
supérieur à celui détendu dans la turbine 7. Par suite,
la turbine 30 est alimentée d'une part par la totalité
de l'air moyenne pression issu de la -turbine 7, d'autre
part par un complément d'air moyenne pression provenant
, , ~ ~: .
de la colonne 12 via une conduite 33 et réchauffé dans
la ligne d'échange jusqu'à la température convenable;
- seule la pompe 9 est affectée a l'oxygène,
qui est donc produit sous une seule pression et vaporisé
en totalité par condensation d'air à l'une des trois
pressions disponibles (P1, P2 et la moyenne pression),
tandis que les pompes 10 et 11 sont affectées à l'azote,
qui est ainsi produit sous deux pressions différentes et,
également, vaporisé par condensation d'air.
Le schéma de la Figure 4 ne diffère de celui
de la Figure 1 que par le montage des turbines 7 et 8.
En effe-t, c'est la turbine "chaude" 7 qui est alimentée
par de l'air à la plus haute pression P2, tandis que la
turbine "froide" 8 est alimentée par de l'air à la
pression P1. De plus, la turbine 7 échappe à une pression
P3 supérieure à la moyenne pression et, en pratique,
comprise entre cette moyenne pression et la pression P1.
L'air à la pression P3 est refroidi et liquéfié dans la
ligne d'echange, par vaporisation d'oxygène, puis détendu
à la moyenne pression dans une vanne de détente 34 avant
d'être envoyé dans la colonne 12. Cette disposition est
particulièrement intéressante pour une pression d'oxygène
comprise entre 3 bars et ~ bars.
Dans chacun des exemples décrits ci-dessus, -
la ligne d'echange 2 de l'installation com~orte des
passages de refroidissement d'air à trois pressions
différentes. Une ou plusieurs de ces pressions peuvent
être utilisées pour condenser l'air par vaporisation à
contre-courant, avec un faible écart de températures de
l'ordre de 2C, d'au moins la majeure partie de l'oxygène
séparé, comprimé à l'état liquide à une pression corres-
pondante et vaporisé sous cette pression, de l'oxygène
additionnel à une autre pression et/ou de l'azote pouvant
éventuellement être, en outre, comprimés à l'état liquide
et vapori.ses dans la ligne d'échange 2.
., . I ~ .
~' - .' .
~ J~
12
Comme on peut choisir à volonté les pressions
P1 et P3, et régler la pression P2 en jouant sur les
débits d'air turbiné et sur la pression P1, il en résulte
une très grande souplesse de choix des pressions de
vaporisation de l'oxyyène et éventuellement de l'azote.
Lorsque la vaporisation majoritaira d'oxygène condense
l'air à la pression P3, on peut ajuster le débit de cet
air au débit d'oxygène à vaporiser, c'est-à-dire que ce
débit d'air est régle entre 20~ à 30% du débit d'air
traité; un tel débit à travers la turbine "chaude" 7
permet en effet de rester au voisinage de l'optimum
thermodynamique.
Il est à noter que, en ce qui concerne la
partie minoritaire de l'oxygène et l'azote, leurs
pressions de vaporisation peuvent n'être liées en aucune
façon aux pressions P1, P2 et P3.
Par ailleurs, l'installation produit une
fraction de l'oxygène et de l'azote sous forme liquide
avec une excellente énergie spécifique du fait de l'uti-
lisation de deux turbines de détente à températuresd'admission très différentes.
~,. . .
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