Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
215-9984
. ,
Procédé de production d'un ~az sous pression à débit variable
La présente invention est relative à un procédé de production
d'un gaz sous pression à débit variable, du type dans lequel on distille de
l'air dans une installation de distillation d'air comprenant un appareil de
distillation et une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air par échange
de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation; on
soutire un liquide de cet appareil, on l'amène à une pression de
vaporisation, on le vaporise et on le réchauffe sous cette pression dans la
ligne d'échange thermique pour former le gaz sous pression, cette
vaporisation et ce réchauffement s'accompagnant d'une liquéfaction d'air
dans ses passages de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique; et
dans lequel:
- lors d'une réduction de la demande du gaz sous pression par
rapport au débit nominal, on soutire de l'appareil de distillation, sous forme
liquide, I'excédent produit par cet appareil, on envoie ce liquide dans un
récipient de stockage de liquide, et on introduit dans l'appareil de distillation
une quantité additionnelle correspondante d'air liquide préalablement
stocké; et
- lors d'une augmentation de la demande d'oxygène gazeux sous
pression par rapport au débit nominal, on soutire l'excès demandé, sous
forme liquide, du récipient de stockage de liquide, on l'amène à la pression
de vaporisation, et on le vaporise sous cette pression dans la ligne
d'échange thermique, et on stocke une quantité correspondante d'air liquéfié
par ladite liquéfaction dans le récipient de stockage d'air liquide.
Dans le présent mémoire, les pressions indiquées 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 sont
sub-critiques ou super-critiques.
Les procédés de ce type (voir par exemple le brevet français
FR-A-1.158.639) sont parfois appelés "procédés à pompe et à bascule air-
oxygène ou air-azote". L'invention s'applique particulièrement aux procédés
dits "à paliers décalés", dont les exemples sont décrits dans les demandes
de brevet français FR-A-2.674.011; FR-A-2.688.052 et FR-A-2.692.664 et
93.04274. Ces procédés, dans lesquels la liquéfaction de l'air s'effectue à
22154984
-
une température inférieure à la température de vaporisation de l'oxygène
sous sa pression de vaporisation, présentent des avantages intéressants
tant du point de vue de la consommation en énergie spécifique, c'est-à-dire
de l'énergie nécessaire pour produire une quantité donnée d'oxygène
gazeux sous pression.
L'invention a pour but de fournir des moyens permettant de
satisfaire à une demande variable en oxygène sous pression de façon
particulièrement simple et sans dégradation sensible des performances, ni
sur le plan thermique, c'est-à-dire de l'équilibre de la ligne d'échange
thermique, ni sur celui de la distillation de l'air.
A cet effet, I'invention a pour objet un procédé du type précité,
caractérisé en ce que l'on stocke le liquide soutiré sous une pression voisine
de la pression atmosphérique tandis que l'on stocke l'air liquide sous une
pression de stockage au moins égale, et de préférence nettement
supérieure, à la plus forte pression de fonctionnement de l'appareil de
distillation.
Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques
suivantes:
- le palier de stockage d'air liquide est à une pression voisine de
la pression à laquelle s'effectue ladite liquéfaction d'air;
- le récipient de stockage d'air liquide est à une pression comprise
entre 30x105 Pa et 35x105 Pa environ;
- la totalité du liquide vaporisé est soutirée du récipient de
stockage de liquide;
- on effectue ladite liquéfaction d'air à une température inférieure
à la température de vaporisation du liquide sous ladite pression de
vaporisation, et on évacue au moins un produit liquide de l'installation; et
- on comprime l'air destiné au récipient de stockage d'air liquide à
ladite pression de stockage et le reste de l'air à une haute pression
supérieure à cette pression de stockage.
L'invention a également pour objet une installation de production
d'un gaz sous pression à débit variable, destinée à la mise en oeuvre du
procédé défini ci-dessus. Cette installation du type comprenant un appareil
de distillation d'air, une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air par
échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation,
3 2154984
`
des moyens de compression adaptés pour amener au moins une fraction de
l'air à distiller à une haute pression, et l'envoyer dans des passages de
liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique, un récipient de stockage
de liquide relié à l'appareil de distillation et muni de moyens pour soutirer duliquide à débit réglable, I'amener à la pression de vaporisation et l'envoyer
dans des passages de vaporisation de la ligne d'échange thermique, et un
récipient de stockage d'air liquide relié en amont aux passages de
liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique et, en aval, et via des
moyens de détente à débit réglable, à l'appareil de distillation, est
caractérisée en ce que le récipient du liquide soutiré se trouve sous une
pression voisine de la pression atmosphérique, tandis que le récipient de
stockage d'air liquide se trouve sous une pression nettement supérieure à la
plus forte pression de fonctionnement de l'appareil de distillation.
Suivant d'autres caractéristiques de l'installation:
- le récipient de stockage d'air liquide est relié auxdits passages
de liquéfaction d'air par l'intermédiaire d'une vanne de détente;
- les moyens de compression comprennent un compresseur d'air
principal suivi d'une soufflante adaptée pour surpresser une fraction de l'air
non destinée au récipient de stockage d'air liquide.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant
être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 représente schématiquement une installation de
production d'oxygène gazeux sous pression à débit variable conforme à
l'invention; et
- la figure 2 est une vue analogue d'une variante.
L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1
comprend essentiellement: un compresseur d'air 1, un 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 régénération, un ensemble
turbine soufflante 3 comprenant une turbine de détente 4 et une soufflante
ou surpresseur 5 dont les arbres sont couplés, la soufflante étant
éventuellement équipée d'un réfrigérant (non représenté), un échangeur de
chaleur 6 constituant la ligne d'échange thermique de l'installation, une
double colonne de distillation 7 comprenant une colonne moyenne
4 2154984
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, et
un réservoir d'oxygène liquide 11 dont le fond est relié à une pompe
5 d'oxygène liquide 12 et un réservoir d'air liquide 13.
Cette installation est principalement destinée à fournir, via une
conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression prédéterminée,
qui peut être comprise entre environ 13 x 105 Pa et quelques mégaPascal.
Pour cela, de l'oxygène liquide, soutiré de la cuve de la colonne 9
10 via une conduite 16 équipée d'une vanne 17 de régulation du niveau de
liquide dans la cuve de la colonne 9, est stocké dans le réservoir 11. De
l'oxygène liquide soutiré de ce réservoir est amené à la haute pression de
vaporisation par la pompe 12 à l'état liquide, puis vaporisé et réchauffé sous
cette haute pression dans des passages 18 de la ligne d'échange 6.
La chaleur nécessaire à cette vaporisation et à ce réchauffage,
ainsi qu'au réchauffage et éventuellement à la vaporisation d'autres fluides
soutirés de la double colonne, est fournie par l'air à distiller, dans les
conditions suivantes:
La totalité de l'air à distiller est comprimée par le compresseur 1 à
20 une pression supérieure à la moyenne pression de la colonne 8 mais
inférieure à la haute pression. Puis l'air, prérefroidi au voisinage de la
température ambiante en 19 et refroidi à une température comprise entre
+5C et +25C en 20, est épuré dans l'une, 2A par exemple, des bouteilles
d'adsorption, et surpressé en totalité à la haute pression par le
25 surpresseur 5, lequel est entraîné par la turbine 4.
L'air est alors introduit au bout chaud de l'échangeur 6 et refroidi
en totalité jusqu'à une température intermédiaire. A cette température, une
fraction de l'air poursuit son refroidissement et est liquéfiée dans des
passages 21 de l'échangeur, puis est sortie de la ligne d'échange et
30 envoyée dans le réservoir 13 via une conduite 22.
De l'air liquide soutiré de ce réservoir 13 via une conduite 24 est
sous-refroidi dans la partie froide de la ligne d'échange 6, puis est détendu à
la basse pression dans une vanne de détente 25 à ouverture réglable et
introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 9. En variante, une partie
5 215498~
de l'air liquide peut être détendue à la moyenne pression et introduite dans
la colonne 8.
Le reste de l'air surpressé en 5 est détendu à la moyenne
pression dans la turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 26, à
la base de la colonne 8.
On reconnaît par ailleurs sur la figure 1 les conduites habituelles
des installations à double colonne, celle représentée étant du type dit "à
minaret", c'est-à-dire avec production d'azote sous la basse pression: les
conduites 27 à 29 d'injection dans la colonne 9, à des niveaux croissants de
"liquide riche" (air enrichi en oxygène) détendu, de "liquide pauvre inférieur"
(azote impur) détendu et de "liquide pauvre supérieur" (azote pratiquement
pur) 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 30 de soutirage d'azote gazeux partant du sommet de la
colonne9 et 31 d'évacuation du gaz résiduaire (azote impur) partant du
niveau d'injection du liquide pauvre inférieur. L'azote basse pression est
réchauffé dans des passages 32 de l'échangeur 6 puis évacué via une
conduite 33, tandis que le gaz résiduaire W, après réchauffement dans des
passages 34 de l'échangeur, est utilisé pour régénérer une bouteille
d'adsorption, la bouteille 2B dans l'exemple considéré, avant d'être évacué
via une conduite 35.
On a encore représenté sur la figure 1 une conduite 36
d'évacuation d'oxygène liquide de l'installation piquée sur la conduite de
refoulement de la pompe 12.
La haute pression d'air, au refoulement de la soufflante, est
comprise entre 25 x 105 Pa environ et la pression de condensation de l'air
par vaporisation de l'oxygène sous la haute pression d'oxygène. Comme
expliqué dans d'autres demandes de brevet qui décrivent des procédés "à
pompe" et "à paliers décalés", c'est-à-dire dans lesquels, comme dans la
présente invention, l'air qui apporte la chaleur de vaporisation de l'oxygène
se condense au-dessous de la température de vaporisation de cet oxygène,
le bilan frigorifique de l'installation est équilibré, avec un écart de
température au bout chaud de la ligne d'échange thermique de l'ordre de
3C, en soutirant de l'installation au moins un produit, ici de l'oxygène, sous
forme liquide, via la conduite 36.
6 - 2ls 498g
En fonctionnement nominal, le niveau de liquide dans le
réservoir 13 est constant, ainsi que celui du réservoir 11.
Lorsque la demande en oxygène gazeux sous pression, sur la
conduite de production 15, varie, on maintient constant le débit d'air
comprimé par le compresseur 1, ainsi que la pression de refoulement de ce
compresseur, et on procède de la manière suivante.
Lorsque la demande en oxygène diminue, on augmente
l'ouverture de la vanne 25 afin d'accroître la quantité de liquide dans la
colonne 9. Pour maintenir le niveau de liquide en cuve de cette colonne, la
vanne 17 s'ouvre, de sorte qu'un débit accru d'oxygène liquide est envoyé
dans le réservoir 11.
L'air liquide contenu dans le réservoir 13 étant à la haute
pression, sa chaleur latente de liquéfaction est faible, de sorte que le débit
supplémentaire d'air liquide envoyé dans la colonne 9 est sensiblement plus
grand que le débit supplémentaire d'oxygène que l'on soutire de celle-ci. Il
est d'autant plus grand que la pression de l'air liquide est plus élevée. Par
suite, la quantité de gaz froids produite par la double colonne et envoyée
dans la ligne d'échange thermique augmente, compensant d'autant la
réduction de la quantité de froid envoyée dans cette dernière du fait de la
baisse de la demande en oxygène gazeux et, par conséquent, du débit
d'oxygène vaporisé dans les passages 18, cette baisse étant obtenue en
réduisant la vitesse de la pompe 12.
Par conséquent, le niveau de liquide monte dans le réservoir 11
et il baisse dans ce réservoir 13.
ll est à noter que l'ajout d'air liquide supplémentaire nécessite une
augmentation de la puissance de distillation dans la double colonne 7, ce
qui est obtenu grâce au fait que la diminution du débit d'oxygène liquide
vaporisé en 6 provoque une augmentation du débit gazeux introduit dans la
colonne 8.
Inversement, lors d'une augmentation de la demande en oxygène
gazeux, on réduit l'ouverture de la vanne 25, ce qui réduit le débit d'air
liquide envoyé dans la colonne 9, la vanne 17 se ferme, et on augmente la
vitesse de la pompe 12. Ainsi, le niveau de liquide baisse dans le
réservoir11 et augmente dans le réservoir 13.
7 215498~
_
Pour des raisons analogues à ce qui a été expliqué plus haut,
ceci a pour conséquence une baisse de la quantité de gaz froids envoyée
dans la ligne d'échange thermique, cette baisse compensant dans une large
mesure l'augmentation de la quantité de froid introduite dans cette dernière
du fait du débit supplémentaire d'oxygène liquide à vaporiser.
On comprend qu'il est avantageux de stocker l'air liquide en 13 à
la pression la plus élevée possible, pour amplifier les phénomènes expliqués
ci-dessus. Toutefois, pour des raisons technologiques ou parce que la haute
pression d'air est super-critique, on peut, en variante, détendre l'air liquide
dans une vanne de détente 37 prévue dans la conduite 22, avant de
l'introduire dans le réservoir 13, jusqu'à une pression intermédiaire entre la
haute pression d'air et la moyenne pression de la colonne 8.
Dans le cas où l'air liquide est stocké à une pression
intermédiaire, il est intéressant, du point de vue énergétique, de ne pas
comprimer à la haute pression l'air destiné au récipient de stockage 13.
Ainsi, dans la variante de la figure 2, cet air est prélevé à la sortie de
l'appareil 2 via une conduite 38, refroidi et liquéfié dans des passages
supplémentaires 21A de la ligne d'échange, et envoyé comme
précédemment au récipient 13 via la conduite 22.
Les passages de liquéfaction 21 de l'air sous la haute pression
sont équipés, au bout froid de la ligne d'échange, d'une vanne de
détente 25A, et les passages de sous-refroidissement de l'air liquide soutiré
du récipient 13 sont équipés, au même bout froid, de la vanne de
détente 25.
Dans cette variante, c'est la commande des vannes 25 et 25A qui
assure le fonctionnement de la bascule air/oxygène, analogue par ailleurs à
ce qui a été décrit plus haut en regard de la figure 1.
La gamme de pressions optimales, du point de vue de l'équilibre
thermique de la ligne d'échange 6 et de celui des conditions de distillation,
est comprise entre 30 x 105 Pa et 35 x 105 Pa environ.
L'invention s'applique également au cas où le liquide soutiré est
de l'azote, de l'argon ou un autre liquide.
