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Procedë et installation de production d'un gaz de l~air
à debit variable".
La présente invention est relative à un procédé
de production d'un gaz de l'air, notamment d'oxygène, à
débit variable par distillation d'air, du type décrit dans
le préambule de la revendication l.
~ L'invention s'applique en particulier à la
production d'oxygène sous pression à débit variable.
Les pressions dont il est question icl sont des
pressions absolues, et les débits sont des débits
molaires.
lo Le EP-A-0 422 974 au nom de la Demanderesse
décrit un procédé de ce type, dit "procédé à bascule",
destiné à la production d'oxygène gazeux à déblt variable.
Le second fluide en question est de l'air à distiller, qui
est condensé suivant un débit variable.
l~ Dans ce procédé connu, il est facile de montrer
que pour maintenir constants les débits d'alimentation et
de soutirage de l'appareil de distillation, il est
nécessaire de faire varier le débit d'air entrant dans le
même sens que les variations de la consommation d'oxygène.
Dans le cas où l'oxygène est produit sous pression, l'air
que l'on condense pour vaporiser l'oxygène liquide est
surpressé par un surpresseur additionnel, et, lorsque la
demande en oxygène varie, il faut faire varier de façon
importante à la fois le débit surpressé et le débit
2j comprimé par le compresseur principal.
Par conséquent, dans ce procédé connu, le
compresseur, et éventuellement le surpresseur, sont
surdimensionnés de façon importante par rapport au débit
nominal d'oxygène à produire. De plus, ils travaillent
pendant la majorité du temps à des débits fortement
réduits par rapport à leurs capacités, et donc avec un
rendement dégradé.
Il a également été proposé de stocker du gaz à
produire, sous forme gazeuse, dans une capacité auxiliaire
3~ ou "buffer", à une pression supérieure à la pression de
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production. Cependant, cette solutlon n'est pas
satisfaisante, car elle nécessite la mise en place de
buffers de très grande dimension pour fa1re face à des
pointes de consommation de longue durée. De plus, la
S production de la totalité du gaz à la presslon du buffer
est coûteuse en énergie.
L'invention a pour but de permettre la
production de gaz de l'air à débit variable dans des
conditions particulièrement efficaces et économiques.
A cet effet, elle a pour objet un procédé du
type précité, caractérisé par la partie caractérisante de
la revendication 1.
Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des
caractéristiques des revendications 2 à 11.
lS L'invention a également pour objet une
installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. Cette installation est décrite dans la
revendication 12.
Cette installation peut comporter une ou
plusieurs des caractéristiques des revendications 13 à 16.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va
maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur
lesquels :
- la Figure 1 représente schématiquement une
2s installation de production d'oxygène sous pression à débit
variable conforme à l'invention ;
- la Figure 2 est un diagramme d'échange
thermique illustrant la vaporisation de l'oxygène liquide
sous la pression de production ; et
- les Figures 3 et 4 représentent
schématiquement deux variantes de l'installation.
L'installation représentée à la Figure
comprend essentiellement un compresseur d'air principal 1
à débit variable, par exemple du type centrifuge à aubages
3s mobiles, un appareil d'épuration par adsorption 2, une
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ligne d'échange thermique 3, une turbine 4 de malntien en
froid, un appareil 5 de distlllation d'air constltué par
une double colonne comprenant elle-même une colonne
moyenne pression 6 surmontée d'une colonne basse pression
7 ainsi qu'un vaporiseur-condenseur 8, un réservoir
d'oxygène liquide 10, un réservoir d'air liquéfié 11, deux
pompes 12 et 13, un surpresseur d'air 14 et une capacité
auxiliaire ou "buffer" 15. Cette installation est destinée
à produire un débit variable d'oxygène gazeux via une
conduite de production 16, sous une pression d'environ 15
bars.
Pour décrire le fonctionnement de cette
lnstallation, on supposera tout d'abord que la demand~
d'oxygène gazeux dans la conduite 16 est constante et
égale à la production nominale, soit environ 20 % du débit
d'air nominal comprimé par le compresseur 1.
Le débit nominal d'air à traiter, comprimé à 6
bars par le compresseur 1 et refroidi à la température
ambiante par un réfrigérant 17 à air ou à eau, est épuré
dans l'appareil 2, puis divisé en deux flux ayant chacun
un débit constant.
Un premier flux est refroidi dans des passages
19 de la ligne d'échange 3 ; une partie est sortie de
cette ligne d'échange après un refroidissement partiel,
détendue vers 1 bar dans la turbine 4 et lnsufflée dans la
colonne basse pression 7 au voisinage de son point de
rosée via une conduite 20 ; le reste poursuit son
refroidissement jusqu'au voisinage de son point de rosée
sous 6 bars, puis est injecté au bas de la colonne moyenne
- 30 pression 6 via une conduite 21.
Un second flux est surpressé en 14 jusqu'à une
haute pression de condensation définie plus loin, puis est
refroidi et liquéfié dans des passages 22 de la ligne
d'échange, puis stocké sous forme liquide dans le
3~ réservoir 11 après détente à 6 bars dans une vanne de
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détente 23. Un débit constant d'air llquéfié est soutiré
du fond de ce réservoir et est divisé en un premier débit
constant sous 6 bars envoyé dans la colonne moyenne
pression via une conduite 24, et en un second débit
constant détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 25-
puis injecté dans la colonne basse pression 7.
Le vaporisateur-condenseur 8 vaporise un débit
constant d'oxygène liquide en cuve de la colonne basse
pression 7 par condensation d'un débit à peu près égal
1() d'azote de tete de la colonne moyenne pression 6. Du
"liquide riche" (air enrichi en oxygène) prélevé en cuve
de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans
une vanne de détente 26 est injecté à un nivea~
intermédiaire de la colonne basse pression, et du "liquide
l~ pauvre "(azote à peu près pur), prélevé en tête de la
colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une
vanne de détente 27, est injecté au sommet de la colonne
basse pression.
Un débit constant d'oxygène liquide,
correspondant à environ 20 % du débit d'air entrant,
passe, via une conduite 28, dans le réservoir 10. Un débit
constant identique d'oxygène liquide est soutiré du fond
de ce réservoir et divisé en deux flux à débits constants:
- Un premier flux majoritaire, représentant par
2~ exemple 80 % du débit total, est comprimé à 15 bars par la
pompe 12, puis vaporisé dans des passages 29 de la ligne
d'échange et fourni à la conduite 16 de production.
- Un second flux est comprimé par la pompe 13 à
une pression très supérieure, par exemple 30 bars,
3() vaporisé dans des passages 30 de la ligne d'échange et
fourni à la capacité 15.
La capacité 15 est reliée à la conduite de
production 16 via une conduite 33 équipée d'une vanne de
détente et de réglage de débit 34, et un débit constant
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égal à celui du second flux précité est détendu dans cette
vanne 34 et envoyé de la capacité 1~ à la conduite 16.
En outre, un débit constant d'azote impur,
soutiré du sommet de la colonne basse pression, est
réchauffé dans des passages 31 de la ligne d'échange et
évacué en tant que résiduaire via une conduite 32.
Comme on le voit, l'installation comporte un
surpresseur unique 14, de sorte que la condensation de
l'air surpressé est utilisée, dans les passages 22 de la
ligne d'échange, pour vaporiser à la fois l'oxygène sous
15 bars et l'oxygène sous 30 bars.
Pour cela, on choisit la pression de l'air
surpressé comme étant la pression dite "concomitante" à la
vaporisation d'oxygène sous 15 bars. Cette pression est
1~ celle pour laquelle le genou G de liquéfaction de l'air
est voisin du palier P de vaporisation de l'oxygène sous
15 bars, comme représenté sur la Figure 2, sur laquelle
les quantités de chaleur échangées Q sont portées en
ordonnées et les températures t en abscisses.
2~ Sous cette pression, le genou G précité se
trouve à une température inférieure au palier P' de
vaporisation de l'oxygène sous 30 bars, comme illustré
également sur le diagramme de la Figure 2, mais ceci est
tout à fait possible à condition d'évacuer simultanément
2~ un produit liquide de l'installation (oxygène ou azote
liquide dans cet exemple), suivant l'enseignement du FR-A-
2 674 011.
Sur la Flgure 2, le point A représente la
température d'admission de la turbine 4, et cette
température d'admission est choisie de manière à obtenir
un écart de température minimal, de l'ordre de quelques
degrés, au bout chaud de la ligne d'échange.
A titre d'exemple numérique, on peut choisir une
pression d'air surpressé d'environ 4Q bars.
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Toutes les conduites qul aboutissent à la double
colonne 5 et toutes celles qui en partent sont équipées de
moyens (non représentés) assurant un débit constant.
Ainsi, lorsque la demande d'oxygène gazeux varie, le
réglage de cette double colonne n'est pas modi~ié. De
plus, le débit d'oxygène vaporisé en 30 sous la haute
pression reste constant.
Lorsque la demande en oxygène augmente,
plusieurs cas sont à distinguer :
lo (1) Si la pointe de consommation est limitée en
amplitude à une valeur prédéterminée, par exemple à une
valeur égale à 120 % du débit nominal, on prélève un débit
supplémentaire correspondant d'oxygène liquide du
réservoir 10 au moyen de la pompe 12, en augmentant le
débit de pompage de celle-ci, et on le vaporise en 29 sous
la pression de production par condensation, en 22, d'alr
surpressé par le surpresseur 14.
Ceci correspond au fonctionnement classique de
la bascule oxygène liquide/air liquide : le niveau
d'oxygène liquide baisse dans le réservoir 10, tandis que
le niveau monte dans le réservoir 11.
(2) Si la pointe de consommation est supérieure
en amplitude à ladite valeur prédéterminée, deux cas sont
à distinguer :
(a) Si la durée de la pointe de consommation est
brève, le débit d'oxygène complémentaire nécessaire, au-
delà de la valeur précitée, est prélevé dans la capacité
15, par ouverture plus grande de la vanne 34, et envoyé
après détente dans cette vanne dans la conduite de
production 16.
Par exemple, pour une pointe de consommation
égale à 160 ~ du débit nominal, 20 % de débit
supplémentaire sont ~ournis par la pompe 12, et les 40 %
restants par la capacité 15.
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(b) Cependant, on comprend que, lorsqu'on
prélève un débit supplémentaire de la capacité 15, la
pression de celle-ci chute Par suite, si la pointe de
consommation a une durée excessive, le débit d'oxygène
supplémentaire, par rapport au débit nominal, doit
nécessairement être fourni par des moyens extérieurs, par
exemple par un stockage auxiliaire d'oxygène.
Il est à noter que l'invention s'applique
également au cas suivant : l'oxygène est produit sous 1
lobar environ, et la demande d'oxygène est toujours
supérieure à une valeur minimale donnée. Un débit
d'oxygène gazeux constant égal à cette valeur minimale
peut alors être soutiré directement du bas de la colonn;e
basse pression 7 via une conduite 35, comme indiqué en
15trait mixte sur la Figure 1, puis réchauffé dans la ligne
d'échange. Cette variante permet de réduire la capacité
des réservoirs 10 et 11. De même, des productions
constantes d'oxygène liquide et/ou d'azote gazeux et/ou
d'azote liquide peuvent être assurées simultanément par la
20double colonne, via des condultes 36 et/ou 37 et/ou 38,
également comme indiqué en trait mixte sur la Flgure 1.
D'autres variantes de l'invention peuvent être
envisagées.
Ainsi, dans la variante de la Figure 3, la pompe
2~13 est supprimée. Le débit auxiliaire d'oxygène est
soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, via
une conduite 39, est réchauffé en 30 sous la basse
pression, puis est comprimé à la haute pression par un
compresseur auxiliaire 40 avant d'être introduit dans la
30capacité lS.
En variante également, le fluide de vaporisation
d'au moins l'un des deux débits d'oxygène est de l'azote.
En particulier, dans la variante de la Figure 4, où la
production d'oxygène est au voisinage de 1 bar, la
3~vaporisation du débit principal s'effectue au moyen du
,
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vaporiseur 8 de la double colonne. Ce débit principal est
alors soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne
7, via une conduite 41, et réchauffé en 29. Le refoulement
de la pompe 12 est alors relié à la cuve de la colonne,
laquelle alimente le réservoir 10 par gravité.
Dans ce cas, la vaporisation du débit varlable
d'oxygène produit un débit variable d'azote liquide dans
la colonne 6. Pour cette raison, la conduite 38 est reliée
à un réservoir 42 d'azote, et le fond de ce réservoir est
relié à une pompe 43 de retour d'un débit constant d'azote
liquide en tête de la colonne 6.
La bascule est, dans cette variante, une bascule
oxygène/azote, et le réservoir 11, à niveau constant, peu~
être supprimé.
I~ Si l'on combine les variantes des Figures 3 et
4, il n'y a plus d'oxygène à vaporiser dans la ligne
d'échange 3. Par suite, les éléments 14, 22, 23, 11, 24 et
25 sont supprimés, et tout l'air entrant est comprimé à 6
bars en 1 et envoyé dans les passages 19.
,
