Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention est relative à un
procédé de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous
pression et d'au moins un produit li~uide au moyen d'une
installation comprenant une simple colonne de distilla~
tion d'air munie d'un cycle frigorifique à a~ote.
Les pressions dont il est question dans le
présent mémoire sont des pressions absolues.
L'invention a pour but de mettre à profit les
propriétés avantageuses des simples colonnes de distilla-
tion à cycle frigorifique à azote (investissement réduit,
consommation d'énergie modérée, decouplage entre la
pureté des produits et les rendements d'extraction) pour
produire de manière particulièrement souple et économique
de l'oxygène et/ou de l'azote sous pression, sous forme
gazeuse, ainsi qu'au moins un produit liquide.
A cet effet, le procédé suivant l'invention
est caractérisé en ce ~ue :
- on comprime l'air à traiter jusqu'à une
première pression au moins éyale à la pression de la
simple colonne;
- on surpresse une partie au moins de l'air
jusqu'à une haute pression nettement supérieure à la
pression de la simple colonne;
- on condense une fraction de cet air par
vaporisa-tion d'oxygène et/ou d'azote liquide soutires en
cuve de colonne et portés par pompage à la pression de
vaporisation correspondante, et on récupère l'oxygène
et/ou l'azote gazeux sous pression résultants, en tant
que produits;
- on sous~refroidit l'air ainsi condensé, on
le détend au voisinage de la pression de la colonne, et
on en introduit au moins une partie à un niveau intermé-
diaire de la colonne;
~ ~ i 1 r i; ) 3 ~
- on détend à la pression de la colonne, avec
production de travail extérieur, l'air non utilisé pour
vaporiser l'oxygène et/ou l'azote liquide; et ~ :
- on soutire de l'installation au moins un
produit liquide, que l'on récupère en tant que produit.
Suivant d'autres caractéristiques :
- on soutire en cuve de la simple colonne de
l'azote liquide à la haute pression du cycle, sortant du
vaporiseur de cuve de la colonne; ~ :
10- on utilise une partie de l'air condensé et
détendu pour refroidir le condenseur de tete d'une :.
colonne de production d'argon impur couplee à la simple
colonne, et on renvoie dans cette dernière l'air gazeux
issu de ce condenseur; :~
15- ladite détente avec production de travail
extérieur comprend la détente dans une première turbine ~. .
de l'air non surpressé, et la détente dans une seconde ~ ~ -
turbine d'une fraction de l'air surpressé;
- la seconde turbine a une température
20d'aspiration inférieure à celle de la première turbine;
" .: . ,; .
- on détend en outre au voisinage de la
pression de la simple colonne, avec production de travail
extérieur, une partie de l'azote à la haute pression du
cycle;
25- la pression de la simple colonne est
nettement supérieure à la pression atmosphérique. -
L'invention a également pour objet un
installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. Cette installation est caractérisée en ce
30qu'elle comprend ~
- un compresseur principal compressant l'air
à traiter jusqu'à une première pression au moins égale
à la pression de la simple colonne;
- des moyens pour surpresser une partie au
35moins de l'air jusqu'à une haute pression nettement
.
" ;
1i'JJ~
3 ~:
.
supérieure à la pression de la simple colonne;
- au moins une pompe soutiran-t de l'oxygène
liquide et/ou de l'azote liquide de la cuve de la colonne
et refoulant dans un échangeur de chaleur adapté pour
vaporiser ces liquides en condensant de l'air surpresse;
- des moyens (30, 28) pour récupérer l'oxy-
gène et/ou l'azote gazeux sous pression résultants, en
tant que produits;
- des moyens pour sous-refroidir l'air
surpressé condensé et pour en introduire au moins une
partie à un niveau intermédiaire de la colonne; et
- au moins une turbine pour détendre au
voisinage de la pression de la colonne l'air non utilisé ~
pour vaporiser l'oxygène et/ou l'azo-te liquide; et~ ~:
15- des moyens pour soutirer au moins un
produit liquide de l'installation et le récupérer en tant
que produit. .~ ~
Le compresseur principal et le compresseur du ~ :
cycle azote de cette installation peuvent notamment être `:: ``
20constitués par une machine unique. ~`
Des exemples de réalisation de l'invention ~:
vont maintenant être décrits en regard des dessins
annexés, sur lesquels les Figures 1 et 2 représentent
schématiguement, respecti~ement, un premier et un second
25modes de réalisation de l'installation conforme à ~:
l'invention. i :
L'installation représentée à la Figure 1 est :
destinee à produire de l'oxygène gazeux sous pression,
de l'azote gazeux sous pression, de l'o~ygène liquide,
30de l'azote liquide et de l'argon. Elle comprend essen- .
tiellement : un compresseur principal d'air 1 muni d'un :
réfrigérant 2 à air atmosphérique ou à eau; un appareil
3 d'épuration par adsorption; un ensemble soufflante 4- -
turbine 5 ayant les deux roues calées sur le meme arbre,
35la soufflante étant également munie d'un réfrigérant 6
:
à air ou à eau; une ligne d'échange thermique 7; une
simple colonne de distillation d'air 9; une colonne 10
de production d'argon impur couplée à la précédente; un
sous-refroidisseur 11; des stockages 1~ d'azote li~uide
et 13 d'oxygène liquide sous la pression atmosphérique;
des pompes 14 d'oxygène liquide et 15 d'azote liquide;
et un co~presseur 16 d'azote de cycl~ frigorifique muni
d'un réfrigérant 17 à air ou à eau. La simple colonne 9
comporte un vaporiseur de cuve 18, tandis que la colonne
10 comporte un condenseur de tête 19. L'installation
comprend également des vannes de détente 20 à 24.
Pour réduire l'investissement, les compres-
seurs 1 d'air et 16 d'azote de cycle sont combinés en une
machine tournante unique.
En fonctionnement, l'air entrant est comprimé
entre 5 et 10 bars en 1, refroidi au voisinage de la
température de la température ambiante en 2, épuré en eau
et en anhydrique carbonique en 3, et surpressé en
totalité en 4 jusqu'à une haute pression de l'ordre de
6,5 à 13 bars.
Après pré-refroidissement au voislnage de la
température ambiante en 6, l'air surpressé pénètre au
bout chaud de la ligne d'échange thermique 7 et est
refroidi jusqu'à une température intermédiaire, où 60 à
80~ de son débit sont sortis de la ligne d'échange,
turbinés en 5, ce ~ui les détend sensiblement à la
pression de la colonne 9, dite basse pression, comprise
entre 1,3 et 2 bars, puis réintroduits dans la ligne
d'échange, refroidis jusqu'au bout froid de celle-ci,
refroidis de nouveau en 11, et introduits à un niveau
intermédiaire dans la colonne 9 via une condu~ite 25~
La fraction non turbinée de l'air surpressé
poursuit son refroidissement et est liquéfiée dans la
partie froide de la ligne d'échange. Elle est ensuite
sous-refroidie en 11. Une partie de cet air est détendue
~ ,.".,.
~ i~ 3 1
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:
à la pression de la colonne 9 en 20 et introduite à un
niveau intermédiaire de celle-ci, tandis que le reste de
cet air est détendu en 21 et alimente le condenseur de
tête l9 de la colonn~ 10, pour y etre vaporisé, puis est : s~ 4i;
renvoyé dans la colonne 9 à l'état gazeux.
Le cycle frigorifique à azote de l'installa-
tion est alimenté par de l'azote pratiquement pur produit
en tete de la colonne 9, partiellement réchauffé en 11
et réchauffé à la température ambiante en 7~ Une fraction
de cet azote basse pression peut etre récupérée en tant
que produit via une conduite 26, et le reste est comprimé
à une moyenne pression, qui est la haute pression du
cycle, par le compresseur 16, puis ramené au voisinage
de la température ambiante en 17. Une partie de l'azote
moyenne pression peut etre récupérée en tant ~ue produit
via une conduite 27, et le reste est refroidi jusqu'au
bout froid de la ligne d'échange jusqu'au voisinage de
son point de rosée, puis est condensé dans le vaporiseur
18 de la colonne 9.
Une partie de l'azote condensé est pompée en
15 à une haute pression de production de l'ordre de 7 à :
40 bars, et l'azote liquide sous cette haute pression est
vaporisé dans la ligne d'échange thermique par condensa-
tion de l'air surpressé, réchauffé à la température
ambiante, puis récupére en tant que produit via une
conduite 28. Le reste de l'azote condensé est sous~
refroidi en 11, puis, pour partie, détendu en 22 et
introduit en reflux au sommet de la colonne 9, et, pour
le reste, détandu à la pression atmosphérique en 23 et
introduit dans le stockage d'azote liquide 12. En
variante, pour limiter le flash dans le stockage 12, ce
dernier peut être alimenté à partir d'azote liquide
prélevé en tête de la colonne.
Un débit d'azote gazeux impur, constituant le
gaz résiduaire de l'installation, est soutiré de la
'.
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i.
o 3 1
colonne à un niveau compris entre les injections d'azote
liquide et d'air liquide, réchauffé en 11 puis en 7
jusqu'à la température ambiante, et évacué via une
conduite 29.
De l'oxygène liquide est par ailleurs soutiré
de la cuve de la colonne 9, pompé en 14 à la haute
pression de production désirée, de l'ordre de 2 à 40
bars, vaporisé dans la partie froide de la ligne
d'échange thermique par condensation d'air surpressé,
réchauffé à la température ambiante, et récupéré en tant
que produit via une conduite 30.
De l'oxygène li~uide est en outre soutiré de
la cuve de la colonne 9 et, après sous-refroidissement
en 11 et détente à la pression atmosphérique en 24,
envoyé dans le stockage d'oxygène liquide 13.
La cuve de la colonne 10 est couplée à un
niveau intermédiaire de la colonne 9 par deux conduites
d'alimentation 31 et de retour 32, et cette colonne 10
produit de l'argon impur via une conduite 33.
L'installation de la Figure 2 ne diffère de
celle de la Figure 1 que par les points suivants.
D'une part, l'installation ne comporte pas de
colonne auxiliaire 10, de sorte que la totalité de l'air
liquéfié dans la ligne d'échange thermique est, après
sous-refroidissement en 11 puis detente en 20, injecté
dans la simple colonne 9.
D'autre part, le circuit d'air entrant
comporte deux soufflantes 4 e-t 4A en série, avec leurs
réfrigéran-ts à air ou à eau respectifs 6 et 6A, et deux
turbines de détente d'air 5 et 5A, couplées respective~
ment aux deux soufflantes.
Dans cette variante, 30 à 40~ du débit d'air
entran-t sont introduits au bout chaud de la ligne
d'échange thermique 7 sans surpression, refroidis jusqu'à
une première température intermédiaire T1, sortis de la
,
~;`''''`'~''''~';''''"''''~`~ ''~: ~' '
~ ~ r ~
~ 4s~
ligne d'échange, turbinés en 5 sensiblement jusqu'à la
pression de la colonne 9, réintroduits dans la ligne
d'échange, et refroidis jusqu'au bout froid de celle-ci,
d'où ils sortent via une conduite 31.
Les 60 à 70~ restant de l'air entrant sont
surpressés en 4 puis en 4A, jusqu'à une pression de
l'ordre de 6,5 à 13 bars, puis introduits au bout chaud
de la ligne d'échange. Ils sont refroidis jusqu'à une
seconde température intermédiaire T2 inférieure à T~
température à laquelle 60 à 70% de ce débit sont sortis
de la ligne d'échange et turbinés en 5A, d'où ils sortent
sensiblement à la pression de la colonne 9 via une
conduite 32.
Les conduites 31, 32 se rejoignent en une
conduite 33. L'air véhiculé par cette dernière est de
nouveau refroidi en 11 puis injecté dans la colonne,
comme précédemment, via la conduite 25. .
L'air surpressé non turbiné en 5A poursuit
son refroidissement dans la partie froide de la ligne
d'échange, où il est liquéfié par vaporisation d'oxygène .
liquide et d'azote liquide haute pression comme précédem-
ment.
Enfin, un débit d'azote gazeux haute pression
du cycle à azote est sorti de la ligne d'échange à une
température intermédiaire, détendu à la basse pression
du cycle, qui est sensiblement la pression de la colonne :
9, dans une turbine 34 munie d'un frein 35, et réinJecté
dans la conduite d'azote basse pression du cycle au bout
froid de la ligne d'échange. :
La présence des deux turbines d'air 5 et 5A
améliore les performances de l'installation, tandis que
la turbine d'azote 34 permet d'augmenter sa produc-tion
de liquide (oxygène liquide et/ou azote liquide).
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