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21$20lo
La présente invention est relative à un
procédé de proauction d'oxygene gazeux sous pression du
type dans lequel : on distille de l'air dans une instal-
lation à double colonne~de distillation qui comprend une
colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression
dite moyenne pression, une colonne basse pression
fonctionnant sous une pression dite basse pression, e-
une ligne d'échange thermiqùe pour mettre l'air à
distiller en relation d'échange thermique avec les
produits souti-és de la double colonne; on soutire de
l'oxygène liquide de la colonne basse pression; on amène
cet oxygène liquide à une pression de vaporisation
d'oxygène d'au moins 13 bars environ, et on le vaporise
et on le réchauffe sous cette pression de vaporisation,
par échange de chaleur avec de l'air à distiller en cour~
de refroidissement.
Dans le présent mémoire, les pressions
indiquées sont des pressions absolues. De plus, on entenc
par "condensation" et "vaporisation" soit une condensa-
tion ou une vaporisation proprement dite, soit unepseudo-condens~tion ou une pseudo-vaporisation, selon que
les pressions sont subcritiques ou supercritiques.
Les procédés du type ci-dessus, dits procédés
-- "à pompe", pr~sentent l'avantage de supprimer ou de
réduire la nécessité de compresseurs d'oxygène gazeux,
qui sont des machines coûteuses, posant de sérieu~
problèmes de f_abilité et dont le rendement est générale-
ment médiocre.
L'invention a pour but de fournir un procéde
"à pompe" offrant une grande liberté de régulation des
paramètres de fonctio~nement et particulièrement bien
adapté, du point de vue de la consommation énergétique
spécifique ainsi que de la production de liquide, auY
.
- - 21S2olo
installations ce grande taille, c'est-à-dire produisant
au moins 700 tcnnes d'oxygene par jour.
A ~et effet, l'invention a'pour objet un
procede de production d'oxygène gazeux du type precite,
caractérisé en ce que :
- cn comprimé une première fraction de 1'2ir
a distiller à une première pression voisine de la moyenne
pression, on refroidit cet air jusqu'au voisinage de son
point de rosée dans la ligne d'échange thermique, et on
l'envoie dans la double colonne;
- cn comprime une deuxième fraction de l'air
à distiller à une haute pression d'air, notamment au
moins égale à ~5 bars environ, inférieure à la pression
de condensation de l'air par échange de chaleur avec
l'oxygène en ccurs de vaporisation sous ladite pression
de vaporisaticr. d'oxygène, on refroidit cet air, et on
en liquéfie une partie, que l'on détend ensuite avant de
l'introduire dans la double colonne, tandis qu'une autre
partie de l'air sous la haute pression d`air est sorti
de la ligne d'échange thermique à une température
intermédiaire ~e refroidissement et est détendu à 1
moyenne pression dans une turbine de détente, puis est
envoyé dans la colonne moyenne pression; et
- cn soutire au moins un produit liquide de
l'installation~
~~ Le procédé suivant l'invention peut comporter
une ou plusieurs des caracteristiques suivantes :
- cn comprime une troisième fraction de l'air
à distiller à une pression intermédiaire entre lesdites
première et haute pressions d'air, on la refroidit, on
la liquéfie, cn la detend et on l'introduit dans la
double colonne,
- ladite deuxième fraction d'air est portée
à une pression d'air intermédiaire, n'est refroidie cue
partiellement, puis est surpressée par une soufflante
2ls2olo
froide, réintrcduite dans ]a ligne d'echange thermique,
et refroidie j~squ'à ladite temperature intermédiaire,
à laquelle cet air est de nouveau sorti de la lisne
d'échange thermique, détendu à la moyenne pression dans
ladite turbine de détente, laquelle est couplée à 12
soufflante froide, et envoyé dans la double colonne;
- une partie de la troisième fraction d'air
est détendue à la moyenne pression, après refroidissement
partiel, dans une seconde turbine couplée à une souf-
flante de surpression de ladite deuxième fraction d'air,
puis est envoyée à la colonne moyenne pression;
- une partie de l'air à la première pression
est sorti de 12 ligne d'échange thermique à une troisième
température in.ermédiaire de refroidissement, et détendu
à la basse pression dans une turbine d'insufflation avan.
d'être introduit en un point intermédiaire de la colonne
basse pression;
- ladite pression de vaporisation d'oxygène
est sensiblement la pression de production.
L'invention a également pour objet une
installation ~P production d'oxygène gazeux destinée c
la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette
installation, cu type comprenant : une double colonne de
distillation d'air qui comprend une colonne moyenne
pression fonctlonnant sous une pression dite moyenne
pression, et une colonne basse pression fonctionnant sous
une pression cite basse pression; une ligne d'échange
thermique pour mettre l'air à distiller en relation
d'échange ther~ique avec des produits issu~ de la double
colonne; des moyens pour soutirer de l'oxygène liquide
de la colonne basse pression; et des moyens pour amene-
cet oxygène liquide à une pression de vaporisatior.
d'oxygène d'au moins 13 bars environ, la ligne d'échange
thermique comprenant des moyens pour mettre l'oxygène
liquide sous ledite pression de vaporisation en relatior.
- ~ 21~20lo
d'échange thermique avec de l'air à distiller en cours
de refroidissement, est caractérisée en ce qu'elle
comprend:
- des premiers moyens de compression pour
comprimer une première fraction de l'air à distiller a
une première pression vo~sine de la moyenne pression, et
des passages de la ligne d'échange thermique reliés d'une
part à ces premiers moyens de compression et d'autre p2rt
à la double co~onne;
- des deuxièmes moyens de compression pour
comprimer une deuxième fraction de l'air à distiller à
une haute pression d'air, notamment au moins égale à 25
bars environ, inférieure à la pression de condensation
de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours
de vaporisation sous ladite pression de vaporisation;
- 1~ ligne d'échange thermique comprenant ces
passages d'air haute pression pour refroidir ladite
deuxième fraction d'air jusqu'a une température interm.é-
diaire et pour refroidir plus avant et liquéfier une
partie de cette deuxieme fraction, et l'installation
comprenant des moyens de détente de cette partie liqué-
fiée, reliés a la double colonne;
- une turbine de détente dont l'aspiration
est reliée aux passages d'air haute pression et dont
l'échappement est reliée a la double colonne; et
- des moyens pour soutirer au moins un
produit liquide de l'installation.
L'installation peut notamment comprendre un
compresseur d'~ir unique a n étages, lesdits premiers
moyens de compression étant constitués par un certain
nombre ~ d'ét~es, avec ~ < n, et lesdits deuxiemes
moyens de comFr-ssion étant constitués par l'ensemble du
compresseur
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention
vont maintenan. être décrits en regard des dessins
~, 2ls2ol o
-
annexés, sur lesquels les Figures 1 à 3 représentent
respectivement .rois installations de production d'oxy-
gène conformes à l'invention.
L'installation de distillation d'air repré-
sentée à la Figure 1 comprend essentiellement : un
compresseur d'air l; u~ appareil 2 d'épuration de l'air
comprimé en eau et en C02 par adsorption, cet appareil
comprenant deux bouteilles d'adsorption 2A, 2B dont l'une
fonctionne en adsorption pendant que l'autre est en cours
de régénératian; un ensemble turbine-soufflante 3
comprenant une ~urbine de détente 4 et une soufflante ou
surpresseur 5 d3nt les arbres sont couplés, la soufflante
étant éventuel~eme~t équi.pée d'un réfrigérant (non
représenté); un échangeur de chaleur 6 constituant 12
ligne d'échange thermique de l'installation; une double
colonne de distillation 7 comprenant une colonne moyenne
pression 8 surmontée d'une colonne basse pression 9, avec
un vaporiseur-condenseur 10 mettant la vapeur de tête
(azote) de la colonne 8 en relation d'échange thermique
avec le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 9; un
réservoir d'oxygène liquide 11 dont le fond est relié c
une pompe d'oxy~ène liquide 12; et un réservoir d'azote
liquide 13 dont le fond est relié à une pompe d'azote
liquide 14.
Cet~e installation est principalement
destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène
gazeux sous une haute pression prédéterminée, qui peut
être comprise e~tre environ 13 bars et quelques dizaines
de bars. Il s'~git de quantités importantes d'oxygène
gazeux, au moins égales à 700 t/jour envi~on et pouvan.
atteindre plusieurs milliers de tonnes par jour.
Pou cela, de l'oxygène liquide soutiré de 12
cuve de la colonne 9 via une conduite 16 est stocké dans
le réservoir ll Un débit d'oxygène, soutiré de ce
réservoir, est amené à la haute pression par la pompe 12
~, 21~2-olo
à l'état liqui~e, puis vaporisé et réchauffé sous cette
haute pression dans des passages 17 de l'échangeur 6.
La chaleur nécessaire à cette vaporisation et
à ce réchauffase, ainsi qu'au réchauffage et éventuelle-
ment à la vapo-isation d'autres fluides soutirés de la
double colonne, est fourhie par l'air à distiller, d2ns
les conditions suivantes.
Le compresseur 1 est un compresseur multi-
étages, à n étages. La totalité de l'air atmosphérique
entrant est comprimé par les ~ premiers étages à la
moyenne pression, qui est ]a pression de onctionnement
de la colonne Z, puis est prérefroidi en 18 et refroidi
au voisinage de la température ambiante en 19, est épuré
dans l'une, 2A ~ar exemple, des bouteilles d'adsorption,
et divisé en deux fractions.
La première fraction, sous la moyenne
pression, repr~sentant par exemple 40% environ du débit
d'air traité, est refroidie, du bout chaud au bout frcid
de la ligne d'echange thermique 6, dans des passages 20
de celle-ci, jusqu'au voisinage de son point de rosée,
puis est direc~ement introduite en cuve de la colonne 8.
Le reste de l'cir épuré en 2A est renvoyé à l'entrée du
(p + 1) ème étage du compresseur 1 et est comprimé par
les étages sui~ants jusqu'à une première haute pression
d'air, nettemer~ supérieure à la moyenne pression de la
colonne 8, en ~ratique supérieure à 9 bars.
L'~ir ainsi comprimé, prérefroidi en l9A, est
de nouveau divisé en deux flux.
Le Qremier flux, représentant au moins 45% du
débit d'air tr~ité, est surpressé à une aeuxième haute
pression par le surpresseur 5, lequel est entrainé par
la turbine 4. ~ette deuxieme haute pression d'air est
comprise entre 25 bars environ et la pression de conden-
sation de l'ai~ par vaporisation de l'oxygène sous la
haute pression d'oxygène~
21 S2-01 0
.
Le Fremier flux d'air est alors introduit au
bout chaud de l'échangeur 6 et refroidi en totalité
jusqu'à une température intermédiaire. A cette températu-
re, une fraction de l'air poùrsuit son refroidissement
et est liquéfiée dans des passages 20A de l'échangeur,
puis est détendue pour^partie à la basse pression dans
une vanne de détente 21 et pour partie à la moyenne
pression dans une vanne de détente 21A et introduite
respectivement a un niveau intermédiaire dans la colonne
9 et dans la partie inférieure de la colonne 8. Le reste
de l'air est nétendu à la moyenne pression dans la
turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 22,
à la base de la colonne 8.
Le deuxieme flux est introduit sous la
première haute pression dans la ligne d'échange 6,
refroidi et liquéfié jusqu'au bout froid de celle-ci dans
des passages 20~, détendu dans une vanne de détente 2~B
et réuni au cou-ant issu de la vanne de détente 21A.
On ~econnait par ailleurs sur la Figure 1 les
conduites habituelles des installations à double colonne,
celle représent6e étant du type dit "a minaret", c'est-
à-dire avec prcduction d'azote sous la basse pression :
les conduites 23 à 25 d'injection dans la colonne 9, à
des niveaux crcissants, de "liquide riche" (air enrichi
en oxygène) détendu, de "liquide pauvre inférieur" (azote
impur) détendu et de "liquide pauvre supérieur" (azote
pratiquement Furj détendu, respectivement, ces trois
fluides étant respectivement soutirés à la base, en un
point intermédiaire et au sommet de la colonne 8; et les
conduites 26 de soutirage d'azote gazeux partant du
sommet de la c~lonne 9 et 27 d'évacuation du gaz rési-
duaire (azote impur) partant du niveau d'injection du
liquide pauvre inférieur. L'azote basse pression est
réchauffé dans des passages 28 de l'échangeur 6 puis
récupéré via un~ conduite 2~, tandis que le gaz résiduai-
- ~, 2l~2olo
re, après rechzuffement dans des passages 30 de l'échan-
geur, est utilisé pour régénérer une bouteille d'adsorp-
tion, la bouteille 2B dans l'exemple considéré, avant
d'être évacué via une conduite 31.
5On voit encore sur la Figure 1 qu'une partie
de l'azote liquide moy,e'nne pression est, après détente
dans une vanne de détente 32, stockée dans le réservoir
13, et qu'une production d'azote liquide et/ou d'oxygene
liquide est fournie via une conduite 33 (pour l'azote)
10et/ou 34 (pour l'oxygène). De plus, l'installation
produit, outre l'azote gazeux basse pression provenant
directement de la tête de la colonne 9 et l'oxygène
gazeux haute pression, de l'azote gazeux sous pression,
obtenu par vapcrisation dans la ligne d'échange thermique
15d'un débit d'azote liquide prélevé dans la conduite 33
via une conduite 35. Cette vaporisation d'azote peut
notamment s'effectuer par condensation de l'air contenu
dans les passaaes 20A ou 20B.
Comme expliqué dans d'autres demandes de
20brevet qui décrivent des procédés "à pompe" et "à paliers
décalés", c'est-à-dire dans lesquels comme dans lz
présente invention, l'air qui apporte l'essentiel de la
chaleur de vap~risation de l'oxygène se condense 2U-
dessous de la ~-mpérature de vaporisation de cet oxygène
25(voir par exemple les demandes de brevet français n 91-
~~ 02 917, 91-lS ~35, 92-02 462, 92-07 662 et 93-04 274),
le bilan frigorifique de l'installation est équilibré,
avec un écart de temperature au bout chaud de la lisne
d'échange ther~ique de l'ordre de 3C, en soutirant de
30l'installation au moins un produit (oxygène et/ou azote)
sous forme liquide, via le~ conduites 33 et/ou 34.
Dans le procédé ci-dessus, le fait de ne
comprimer une partie de l'air entrant qu'à la moyenne
pression réduit la quantite de liquide qu'il est néces-
35saire de soutLrer de l'installation. Ceci est très
2l52olo
avanta~eux dans le cas des ~rosses installations, où les
quantités de licuide soutirees avec les procédés de l'art
antérieur sont importantes. De plus, le fait de devoir
soutirer une quantité réduite de liquide est parfaitement
compatible avec les conditions d'exploitation de ces
grosses installations, ~ui doivent généralement produire
également une c~rtaine quantité de liquide.
Par ailleurs, les calculs montrent que le
procédé décrit ci-dessus conduit à une énergie spécifique
de production d'oxygène tres avantageuse.
L'installation représentée à la Figure 2 est
destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression
élevée, par exe~ple de l'ordre de 40 bars. Elle comprend
essentiellement deux compresseurs d'air 41 et 42, un
appareil 43 d épuration par adsorption, une double
colonne de distillation 44 constituée d'une colonne
moyenne pression 45, fonctionnant sous environ 6 bars,
surmontée d'une colonne basse pression 46, fonctionnant
sous une pression légèrem~nt supérieure à 1 bar, une
ligne d'échange thermique 47, un sous-refroidisseur 48,
une pompe à oxygene liquide 49, une soufflante froide 50,
une première turbine 51 dont la roue est montée sur le
meme arbre que celle de la soufflante f-oide, et une
deuxième turbin- 52 freinée par un frein approprié 53 tel
qu'un alternateur.
~ On reconnait sur le dessin les conduites
classiques de ~ double colonne, à savoir : une condulte
54 de remontée en un point intermédiaire de la colonne
46, après sous-refroidissement en 48 et détente à 12
basse pression ~ans une vanne de détente 55, du "liquide
riche" (air en~ichi en oxycJène) recueilli en cuve de lz
colonne 45; une conduite 56 de remontée en tête de 1~
colonne 46, apres sous-refroidissement en 48 et détente
à la basse pression dans une vanne de détente 57, de
"liquide pauvrf" (azote à E)eU près pur) soutiré en tete
_ . . .
-- ~ 10 2ls2ol~
de la colonne 45; et une conduite S8 de soutirage d'azote
impur, constituant le gaz résiduaire W de l'installation,
cette conduite partant de la tête de la colonne 46,
traversant le sous-refroidisseur 48 puis se raccordant
à des passages 59 de réchauffement d'azote de la ligne
d'échange 47. L'azote i,mpur ainsi réchauffé jusqu'a la
température ambiante est évacué de l'installation via une
conduite 60.
La pompe 49 aspire l'oxygène liquide sous
environ 1 bar en cuve de la colonne 46, le porte à la
pression de production désirée et l'introduit dans des
passages 61 de vaporisation-réchauffement d'oxygène de
la ligne d'échange.
L'air à distiller, comprimé à la moyenne
pression par le compresseur 41 et épuré en eau et en C02
en 43, est divisé en deux flux.
Le ~remier flux est directement refroidi dans
des passages 62 de la ligne d'échange 47. A une tempér2-
ture Tl relativement froide mais supérieure à la tempéra-
ture du bout frcid de cette ligne d'échange, une fraction
de cet air est ~orti de la Ligne d'échange, détendu à 12
basse pression dans la turbine 52, et insufflé en un
point intermédiaire de la colonne 46 via une conduite 63.
Le reste de l'air moyenne pression poursuit son refroi-
dissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, où
il se trouve au voisinage dQ son point de rosée, puis est
envoyé en cuve de-la colonne 45.
Le reste de l'air issu de l'appareil 43 est
comprimé à une première haute pression, par exemple àe
16,5 bars, par le compresseur 42, puis pénètre dans des
passages 64 de refroidissement d'air de la ligne d'échan-
ge
A une température intermédiaire T2 inférieure
à la température ambiante, nettement supérieure à Tl et
voisine de la température de vaporisation de l'oxygène,
- ~ 11 2ls2ol 0
une partie de cet air est sortie de la ligne d'echange
via une condu~te 65 et amenée à l'aspiration de la
souffl~nte froLde 50. Celle-ci porte cet air à la haute
pression de 23 ~ars et, via une conduite 66, l'air ainsi
surpresse est renvoye dans la ligne d'échange, à une
temperature T3 superieu~e à T2, et poursuit son refroi-
dissement dans des passages d'air surpresse 67 de cette
derniere. Une ~artie de l'air vehiculé par les passages
67 est de nou~eau sorti de la ligne d'échange à une
deuxième température intermédiaire T4 inférieure à T2 et
supérieure à T1, et détendu à la moyenne pression (6
bars) dans la turbine 51. L'air qui s'échappe de cette
turbine est envoyé en cuve de la colonne 45. Le reste de
l'air véhiculé par les passages 67 poursuit son refroi-
dissement jusq~'au bout froid de la ligne d'échange, en
étant liquéfié puis sous-refroidi. Il est ensuite détendu
à la moyenne pression dans une vanne de detente 68 et
envoye quelques plateaux au-dessus de la cuve de 12
colonne 45. De même, l'air vehicule par les passages 64
et non sortie 7ia la conduite 65 est refroidi jusqu'au
bout froid de la ligne d'echange, puis détendu à 12
moyenne pressian dans une vanne de détente 69 et envoyé
quelques plate~ux au-dessus de la cuve de la colonne 45~
Co~me expliqué dans la demande FR 92 02 462
precitee, la compression d'une partie au moins de l'air
sous la première haute pression de la temperature
intermediaire ~2, qui est voisine du palier de vaporisa-
tion de l'oxyg~ne, à la température T3 introduit dans la
ligne d'echan~e, entre ces deux températures, une
quantité de ch~leur qui compense sensiblement l'excedent
de froid produit par cette vaporisation. On remarcue
qu'entre T3 et T2, l'oxygène échange de la chaleur avec
la totalite de l'air à 16,5 bars et avec l'air surpressé
à 23 bars. On Feut ainsi obtenir un diagramme d'échange
thermique (e~thalpie en ordonnees, temperature en
21-~20lo
i2
abscisses) tres favorable, avec un faible écart de
temperature, de l'ordre de 2 à 3C, au bout chaud de la
ligne d'echange.
La soufflante 50 qui assure cet~e compression
est entraînee par la turbine 51, de sorte qu'aucune
énergie exterieure n'est nécessaire. Compte-tenu des
pertes mécaniques, la quantite de froid produite par
cette turbine est legèrement superieure à la chaleur de
compression, et l'excedent contribue au maintien en froid
de l'installation. Le solde des frigories nécessaires
pour ce maintien en froid est fourni par la turbine 52,
ou, en variante, si l'oxygene à produire doit avoir une
pureté elevée, par détente d'air ou d'azote à la moyenne
pression dans une turbine, de fa,con classique.
Le ~rès bon rendement energetique assure par
l'utilisation de la soufflante froide 50 est conservé
ici, avec en outre l'avantage, comme précédemment, d'une
production de liquide moindre, voire nulle dans ce cas,
et egalement avec l'avantage d'une alimentation simpli-
fiee de la turbine d'insufflation 52.
L'installation peut également produire de
l'oxygène sous une pression suffisamment basse pour
permettre la vaporisation d'oxygène par condensation
d'air à la plus haute pression d'air du procédé. Cette
pression d'oxygène serait par exemple inférieure à 8
bars. Ainsi, o~ a indiqué en traits mixtes à la Figure
2 une seconde ~ompe 70 comprimant de l'oxygène liquide
à pureté reduite à une pression intermédiaire inférieure
à 8 bars. Cet oxygène est vaporisé par condensation d'une
partie correspendante dé l'air surpressé par la souf-
flante 50, laquelle n'a à fournir que la chaleur de
compensation de l'excédent de froid dû à la vaporisation
de l'oxygène haute pression.
De ~ême, on a indiqué en traits mixtes à la
Figure 2 une pQmpe 71 d'azote liquide moyenne pression
21~20lo
13
amenant cet azote, soutiré de la colonne 45, à une
pression inter~édiaire suffisamment basse pour permettre
sa vaporisatio~ par condensation d'air à la plus haute
pression du procédé, soit 23 bars.
On ~ également représenté sur la Figure 2 une
conduite 72 de producti~n d'oxygène liquide soutiré de
la cuve de la colonne 46, ainsi qu'une conduite 72A de
production d'azote liquide provenant de la tête de la
colonne 45.
L'installation de la Figure 3 est une
variante de celle de la Figure 2. Dans cette variante,
une fraction de l'air issu du compresseur 42 est surpres-
sée par une soufflante chau~e 73, refroidie en 47 jusqu' 2
la température T2, surpressée de nouveau par la souf-
flante froide 50, réintroduite dans la ligne d'échange
à une température T3 supérieure à T2, puis traitée en
deux flux difr~rents à partir de la température T4, comme
précédemment. Le reste de l'air issu du compresseur 42
est refroidi dans des passages additionr.els 74 de l~
ligne d'échan~ 47 jusqu'à une température T5 comprise
entre les températures T4 et T1, et, à cette température,
une partie de cet air est sorti de la liyne d'échange,
détendu à la m~venne pression dans une turbine addition-
nelle 75 coupl~e à la souff]ante 73, puis envoyée en cuve
de la colonne 45. Le reste de l'air véhiculé par les
~ passages 74 paursuit son refroidissement jusqu'au bout
froid de la ligne d'échange, où il est liquéfié et sous-
refroidi, puis ~st détendu à la moyenne pression dans une
vanne de déten~e 76 et env~yé dans la partie inférieure
de la colonne 45.
On comprend qu~ l'invention est compatible
avec de nombre~ses variante~ d'installation de production
d'oxygène gazeux sous pres,ion du type "a pompe" et "2
paliers décalés", notamment telles que décrites dans les
3S demandes de brevet précitées.
.
2l52olo
14
L'~nvention est particulierement avantageuce,
du point de we énergétique, lorsque la pression de
vaporisation d'oxygène est supérieure à 2~ bars environ.
