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2 ~
La présente invention est relative à un
procédé de production d'oxygène gazeux sous pression au
moyen d'une double colonne de distillation.
Les pressions dont il est question dans le
présent mémoire sont des pressions absolues.
La production d'oxygène gazeu~ sous pression
s7effec-tue généralement soit par compression d'oxygène
gazeux soutiré de la colonne basse pression sous une
pression voisine de la pression atmosphéri~ue, soit par
vaporisation d'oxygène liquide amené par pompe à la
pression de production. Les installations correspondantes
sont complexes, car elles nécessitent des machines
tournantes spéciales tel qu'un compresseur d'oxygène ou
une ou plusieurs turbines de détente.
L'invention a pour but de fournir un procédé
permettant de produire de façon particulièrement économi-
que de l'oxygène gazeux sous une pression modérée.
A cet effet, le procédé suivant l'invention
est caractérisé en ce que :
- on fait fonctionner la colonne basse pres-
sion sous une pression nettement superieure à la pression
atmosphérique et légèrement supérieure à la pression de
production d'oxygène, cet-te basse pression étant notam-
ment de l'ordre de 2 à 5 bars, et on fait fonctionner la
colonne moyenne pression sous une pression correspondan-
te, notamment de l'ordre de 8 à 16 bars;
- on récupère directement l'oxygène gazeux de
production en cuve de la colonne basse pression, et
- on maintient en froid l'installation, au
moins en partie, par détente libre d'au moins un produit
gazeux sortant de la colonne basse pression.
Suivant d'autres caractéris-tiques :
- on détend par détente libre un gaz rési-
~. ., ................. :, ,::. .:. : .:. , ::: , - , . :
2 ~ ?, ~ ~ 9 ~
duaire soutiré de la tête de la colonne basse pression;
- on injecte dans la colonne basse pression
un débit d'azote liquide provenant d'une source exté- ~
rieure à la double colonne; .~ :
5- on injecte dans la colonne basse pression
un débit d'oxygène liquide provenant d'une source exté-
rieure à la double colonne;
- on injecte dans l'oxygène gazeux, en un
point intermédiaire de la ligne d'échange thermique
10associée à la double colonne, un debit d'oxygène liquide -~
provenant d'une source extérieure à la double colonne,
et on envoie dans ladite source de l'oxygène liquide de
purge soutiré de la cuve de la colonne basse pression;
- on prérefroidit l'air à traiter, avant son :~
15épuration par adsorption, au moyen d'un groupe frigorifi-
que.
L'invention a également pour objet une
installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. Cette installation, du type comprenant : un com-
20presseur d'air; un appareil d'épuration de l'air compri- :
mé; une double colonne de distillation de l'air épuré,
comprenant elle-meme une colonne moyenne pression et une ~
colonne basse pression couplées par un vaporiseur- ~ :
condenseur; une ligne d'échange thermique pour refroidir
25l'air épuré par échange de chaleur indirect avec les pro- ; :
duits provenant de la double colonne; et des moyens de ~
maintie.n en froid de l'installation, est caractérisée en :
ce que la colonne basse pression fonctionne sous une
pression nettement supérieure à la pression atmosphérique
30et légèrement supérieure à la pression de production
d'oxygène, cette basse pression étant notamrnent de
l'ordre de 2 à 5 bars, en ce qu'une conduite de produc-
tion d'oxygene est directement reliee à la cuve de la
colonne basse pression pour en soutirer de l'oxygène
35gazeux, et en ce ~ue les moyens de rnaintien en froid
.... , ,,, . ,, . :...... ~ ,,, - , ~ ; . .
3 7~ 9 9
comprennent une vanne de détente libre d'au moins un
produit gazeux sortant de la colonne basse pression.
Dans une telle installation, la double
colonne peut en particulier être isolée sous vide, notam-
ment par une enveloppe sous vide ~ui ne contien-t que la
double colonne et des troncons de conduite, le reste des
parties froides de l'installation, à l'e~ception éven-
tuellement des sources d'azote liquide et/ou d'oxygène
liquide et des conduites qui en partent, é-tant isolées
par une boite froide à la pression atmosphéri~ue conte-
nant un isolant solide, notamment par~iculaire.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention
vont maintenant e-tre décrits en regard des dessins
annexés, sur les~uels :
- la Figure 1 représente schématiquement une
ins-tallation de production d'oxygène conforme à l'in-
vention; et
- la Figure 2 représente schématiquement une
variante.
L'installation représentée à la Figure 1 com-
prend essentiellement un compresseur d'air 1, un appareil
2 d'épuration par adsorption, une ligne d'échange
thermigue 3, un sous-refroidisseur 4 et une double
colonne de dis-tillation 5. Cette dernière est essentiel-
lement constituée d'une colonne moyenne pression 6
surmontee d'une colonne basse pression 7, et d'un
vaporiseur-condenseur 8 qui met en relation d'échange
t~ermique indirect la vapeur de tête (azote pratiquement
pur) de la colonne 6 et le liquide de cuve (oxygène à la
pureté désirée) de la colonne 7.
En fonctionnemen-t, l'air à distiller est
comprimé en 1 a une pxession, dite moyenne pression, de
l'ordre de 8 à 16 bars, epuré en eau et en anhydride
carbonique en 2, refroidi au voisinage de son point de
rosée en 3 et introduit en cuve de la colonne 6. Le
,, ~ , ~ . :
,, , : ~ . . . ,,, ., .:
,:
,
., , ~, ; , ; ~
4 ~1~ 2~9
"liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en
cuve de cette colonne est sous-refroidi en 4, détendu
dans une vanne de détente 9 à une pression, dite basse
pression, qui est sensiblement la pression de production,
de l'ordre de 2 à 5 bars, et introdui-t à un niveau
intermédiaire de la colonne 7 via une conduite 10. Du
"liquide pauvre" (azote pratiquement pur) recueilli en
tête de la colonne 6 est sous-refroidi en 4, détendu dans
une vanne de détente 11 à la basse pression, et introduit
en tête de la colonne 7 via une conduite 12. L'oxygène
de production est soutiré sous forme gazeuse de la cuve
de la colonne 7, réchauffé dans la ligne d'echange 3 et
récupéré directement en tant que produit via une conduite
de produc~ion 13.
Pour assurer le maintien en froid de l'ins-
tallation, le gaz résiduaire W (azote impur), soutiré au
sommet de la colonne 7 via une conduite 14, est détendu
en détente libre à une pression légèrement supérieure à
la pression atmosphérique dans une vanne de détente 15,
réchauffé dans le sous-refroidisseur 4 puis dans la ligne
d'échange 3, et évacué via une conduite 16. Ce gaz peut
servir à régénérer les adsorbeurs de l'appareil 2.
Si le froid produit par cette détente libre
est insuffisant, on peut le compléter par l'un au moins
des moyens suivants, représentés en trait mixte sur le
dessin.
- Une source 17 d'azote liquide sous la basse
pression, reliée à la tête de la colonne 7 via une
conduite 18 et munie de moyens de régulation de débit.
Comme représenté, il peut s'agir notamment d'un stockagP
. .
17A d'azote liquide sous la pression a-tmosphérique muni
à sa sortie d'une pompe 17B.
- Une source 19 d'oxygène liquide sous la
hasse pression, reliée à la cuve de la colonne 7 via une
conduite 20 et munie de moyens de régulation de débit.
~ 2~9
Comme représenté, il peut s'agir de nouveau d'un stockage
l9A d'oxygène liquide sous la pression atmosphérique muni
à sa sortie d'une pompe l9B.
- Un groupe frigorifique 21, par exemple à
l'ammoniac, monté entre le compresseur 1 et l'appareil
d'épuration 2 et prérefroidissant l'air comprimé jusqu'à
une température de l'ordre de 0 à + 5~C par exemple.
L'installation représentée est isolée
thermiquement de la manière suivante.
10D'une part, la double colonne 5 est disposée
dans une enveloppe sous vide 22, qui en assure une
isolation à haute performance. Cette enveloppe ne
contient, outre la double colonne, que les tronçons de
conduite qui y aboutissent ou en partent, ces conduites
traversant l'enveloppe au moyen de raccords appropriés
23. En pratique, il est avantageux de rassembler tous les
raccords 23 dans une meme région de l'enveloppe.
D'autre part, à l'exception des sources de
liquides cryogéniques 17 et 19 et des conduites qui en
partent, qui possèdent leur propre isolation, géné-
ralement sous vide, toutes les autras parties froides de
l'installation son~ isolées au moyen d'une boite froide
24 sous la pression atmosphérique contenant un matériau
isolant _olide particulaire, qui est de préférence de la
~5 perlite.
Ce mode d'isolation est très avantageux :
d'une part, l'enveloppe SOU5 vide peut avoir un diamètre
étroiternent adapté au diamètre extérieur de la clouble
colonne, laquelle peut etre de diamètre constant sur
30 ! toute sa hauteur, ce qui permet de réaliser un ensemble
double colonne 5-enveloppe 22 commodément transportable.
De plus, tous les accessoires froids tels que
9, 11, 15 sont facilement accessibles puisqu'ils sont
constamment à la pression atmosphérique~
35Du point de vue éneryétique, cette solution
- . - ., .; : :: : ~ ~ ::: :
. ,: :: " ~ : :.. .. :: ~ :
2.1 1 24~9
est également très avantageuse, bien qu'elle soit
beaucoup moins coûteuse qulune isolation sous vide
renf~rmant l'ensemble de l'installation. En ef~et, dans
une installation de distillation d'air, 75 à 85~ des
pertes thermiques sont supportées par la double colonne
et, dans la ligne d'échange thermique, les pertes sont
concentrees dans la partie la plus froide. Au to-tal~ les
performances d'isolation de l'ensemble 22-24 son-t de
l'ordre de 90~ de celles qui seraient obtenues avec une
isolation sous vide de l'ensemble de l'installation.
En variante, la double colonne peut comporter
un "minaret", c'est-à-dire un tronçon supérieur de la
colonne basse pression 7 permettant de produire à son
sommet de l'azote gazeux sous la basse pression. Dans ce
cas, cet azote gazeux peut également être de-tendu dans
une vanne de détente jusqu'au voisinage de la pression
atmosphérique pour produire du froid, avant d'être
réchauffé en 4 puis en 3 puis d'être récupéré en tant que
second produit de l'installation.
La simplicité de l'installation suivant
l'invention rend celle-ci particulièrement intéressante
pour la production de quantités modérées, par exemple de
l'ordre de quelques dizaines de tonnes par iour, d'oxy-
gè~e gazeux sous une pression de quelques bars.
Dans la variante représe.ntée à la Figure 2
sans son isolation thermique, la tenue en froid de
l'installation s'effectue par détente libre du gaz
résiduaire W en 15, completée par un apport d'oxygène
liquide provenant d'une source 19 constituée comme
30 I précédemment d'un stockage l9A à la pression a-tmosphéri-
~ue et d'une pompe l9Bo
Toutefois, dans cette variante, l'oxygène
liquide d'appoint, pompé en l9B à une pression quelque
peu supérieure à la basse pression, est injecté, en un
point intermédiaire 25 de la ligne d'échange thermique
.2~
3, dans l'oxygène gazeux en cours de réchauffemen-t.
De plus, une conduite 26 de purge d'oxygène
liquide, munie d'une vanne 27, part de la cuve de la
colonne 7 et débouche dans le stockage l9A pour l'ali-
menter en partie, le complément d'oxygène liquide étantapporté par des camions-citernes 28.
La purge, destinée à évacuer les hydrocarbu-
res de la colonne 7, correspond à environ 0,2~ du débit .-
d'air traité et s'effectue de préférence en discontinu, :
généralement automatiquement; elle est indépendante du
"biberonnage" de l'installation par l'oxygène liquide.
Le point d'injection 25 est choisi de manière
que l'oxygène liquide se vaporise à une température
suffisamment élevée pour que les hydrocarbures ne présen-
tent plus de danger d'explosion ou d'inflammabilite lorsde la vaporisation de l'oxygène. Cette température peut
ainsi être de l'ordre de -100C.
