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Procédé et installation de production d'oxygène par distillation d'air
La présente invention est relative à un procédé et à une installation de
production
d'oxygène par distillation d'air. L'invention s'applique par exemple à la
production de très
grandes quantités d'oxygène où la pression d'oxygène requise est dans une
plage comprise,
par exemple, entre 5 et 20 bars. L'oxygène est produit dans une ou plusieurs
unités de
distillation d'air de grande taille, où il est avantageux d'amener à ces
pressions l'oxygène
liquide produit dans la ou les unité(s) de distillation au moyen de pompes et
de vaporiser
l'oxygène liquide par échange de chaleur avec un fluide calorigène comprimé à
une
pression suffisante pour permettre la vaporisation de l'oxygène, ce fluide
calorigène étant
typiquement de l'air surpressé. On évite ainsi l'utilisation de compresseurs
d'oxygène,
toujours délicate.
Il est classique dans de telles unités de séparation d'air (ASU) de comprimer
de
l'air à la pression atmosphérique dans un ou plusieurs compresseur(s) d'air
principal(aux)
installé(s) en parallèle. L'air ainsi comprimé est refroidi par des moyens de
réfrigération,
typiquement dans une plage comprise, par exemple entre 5 et 40 C. L'air ainsi
réfrigéré est
traité dans une ou plusieurs unité(s) de purification où les impuretés comme
l'eau, le C02
et les hydrocarbures sont pour la plupart éliminées.
Une partie de cet air ainsi épuré est envoyée dans un surpresseur où elle
subit une
étape supplémentaire de compression, typiquement au-delà de 10 bars, et
constitue, par
exemple, le fluide calorigène permettant la vaporisation du ou des produits
comme
l'oxygène.
La production de grandes quantités d'oxygène par des ASU nécessite d'épurer de
grandes quantités d'air dans les unités de purification et pour cela de
minimiser la taille des
ces unités de purification pouvant traiter un volume d'air donné.
L'utilisation d'unités de purification à lits concentriques permet de réduire
la taille
de ces unités, ce qui peut être obtenu également en augmentant la pression de
l'air purifié
dans ces unités, ou en abaissant sa température.
US-A-5337570 décrit un procédé dans lequel deux débits d'air sont épurés à des
pressions différentes, mais un de ces débits est ensuite surpressé à une
pression plus élevée
afin de pouvoir vaporiser un débit d'oxygène liquide pressurisé.
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La présente invention vise à pallier les défauts de l'art antérieur et peut
permettre de réduire l'investissement en évitant l'ajout de tout surpresseur
d'air après la ou
les unité(s) de purification, et d'avoir en lieu et place une compression
équivalente avant
l'étape de purification de l'air dans la ou les unité(s) d'épuration.
Les unités d'épuration traiteront deux débits d'air à deux pressions
différentes, le
premier débit d'air à une première pression comprise entre 5 et 9 bars voire
entre 2 et
4 bars, et le second débit d'air à une seconde pression comprise entre 11 et
50 bars, voire
entre 4,5 et 8 bars.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'oxygène
par
distillation d'air dans un appareil comprenant au moins un système de
colonnes, au moins
une ligne d'échange, au moins un moyen de compression entraîné par un moteur
électrique
et/ou une turbine à vapeur et alimenté par de l'air à la pression
atmosphérique pour
produire un premier et un second débits d'air pressurisés, une première unité
d'épuration,
une deuxième unité d'épuration, les premier et second débits d'air pressurisés
sortant du
moyen de compression à une première et deuxième pression, la seconde pression
étant plus
élevée que la première d'au moins 0,5 bar, éventuellement d'au moins 5 bars,
voire d'au
moins 10 bars, même d'au moins 25 bars et la seconde pression étant la
pression la plus
élevée de tout débit d'air destiné à alimenter le système de colonnes ; dans
lequel on
envoie le premier débit d'air pressurisé d'une première sortie du moyen de
compression à
la première unité d'épuration substantiellement à la première pression pour
produire un
premier débit d'air épuré en eau et en dioxyde de carbone, on envoie le
deuxième débit
d'air pressurisé d'une deuxième sortie du moyen de compression à la deuxième
unité
d'épuration substantiellement à la deuxième pression pour produire un deuxième
débit
d'air épuré en eau et en dioxyde de carbone, on refroidit le premier débit
épuré dans la
ligne d'échange éventuellement à la première pression, on refroidit le
deuxième débit
épuré dans la ligne d'échange éventuellement à la deuxième pression, on envoie
le premier
débit d'air épuré de la première unité d'épuration à une colonne du système de
colonnes,
on envoie le deuxième débit d'air épuré provenant de la deuxième unité
d'épuration à une
colonne du système de colonnes au moins sous forme partiellement condensée, on
soutire
un liquide riche en oxygène du système de colonnes, on le vaporise,
éventuellement dans
la ligne d'échange ou dans un vaporiseur auxiliaire, par échange de chaleur au
moins avec
le deuxième débit épuré à la deuxième pression et on le fournit comme produit.
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Selon d'autres objets de l'invention ;
- la différence de pression entre les deux débits d'air pressurisés est au
plus 4 bars
ou éventuellement au moins de 1 bar et au plus de 3 bars.
- la différence de pression entre les deux débits d'air pressurisés est au
moins 5 bars
et au plus 30 bars, ou éventuellement au moins de 15 bars et au plus de 25
bars.
-au moins une partie du premier débit d'air épuré est envoyée dans la même
colonne du système de colonnes que le second débit d'air épuré.
-aucune partie du deuxième débit n'est envoyée dans un rebouilleur du système
de
colonnes.
- la seconde pression est plus élevée que la première d'au moins 5 bars.
- la seconde pression est élevée que la première d'au moins 10 bars.
- la seconde pression est plus élevée que la première d'au plus 25 bars.
-le débit à la seconde pression rentre dans une colonne du système de colonnes
et
ne sert pas à chauffer un rebouilleur du système de colonnes.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de
production
d'oxygène par distillation d'air comprenant au moins un système de colonnes,
au moins
une ligne d'échange, au moins un moyen de compression entraîné par une turbine
à vapeur
et/ou par un moteur électrique, le moyen de compression ayant une première et
une
deuxième sortie, une première unité d'épuration, une deuxième unité
d'épuration, le
moyen de compression étant adapté pour être alimenté par de l'air à la
pression
atmosphérique et pour produire à partir de la première sortie un premier débit
d'air
pressurisé à une première pression et à partir de la deuxième sortie un
deuxième débit d'air
pressurisé à une deuxième pression, le second débit d'air pressurisé étant à
une pression
supérieure d'au moins 0,5 bar, éventuellement d'au moins 5 bars, voire d'au
moins 10 bars,
même d'au moins 25 bars à la pression du premier débit d'air pressurisé, une
première
conduite pour relier la première sortie à la première unité d'épuration, une
deuxième
conduite pour relier la deuxième sortie à la deuxième unité d'épuration, une
troisième
conduite pour relier la première unité d'épuration avec la ligne d'échange,
une quatrième
conduite pour relier la deuxième unité d'épuration avec la ligne d'échange,
aucun moyen
de surpression d'air n' étant reliée en aval de la deuxième unité d'épuration,
une cinquième
conduite reliant la ligne d'échange avec une colonne du système de colonnes,
une sixième
conduite pour relier la ligne d'échange avec une colonne du système de
colonnes, une
conduite pour soutirer un liquide riche en oxygène liquide du système de
colonnes et pour
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envoyer à un vaporiseur (25), éventuellement constitué par la ligne
d'échange, des moyens pour envoyer au moins une partie du deuxième débit épuré
au
vaporiseur pour s'y condenser et dans laquelle il n'y a aucun moyen de
compression d'air
entre la première sortie et la première unité d'épuration et il n'y a aucun
moyen de
compression d'air entre la deuxième sortie et la ligne d'échange, voire le
système de
colonnes.
Selon d'autres aspects de l'invention :
- le moyen de compression comprend un premier compresseur et un deuxième
compresseur, des moyens pour alimenter le premier compresseur et le second
compresseur
avec de l'air à la pression atmosphérique, le premier et le deuxième
compresseur étant
éventuellement entraînés par une turbine à vapeur commune.
- seul l'un des premier et deuxième compresseurs d'air comprend des
réfrigérants
intermédiaires (compression isotherme).
- des moyens pour envoyer de l'air provenant de la sortie de celui des deux
compresseurs d'air ne comprenant pas de réfrigérant intermédiaire à un
échangeur de
chaleur et des moyens pour envoyer au moins un fluide provenant du système de
colonnes
et/ou de l'eau à l'échangeur pour s'y réchauffer.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de production
d'oxygène par distillation d'air dans un appareil comprenant n systèmes de
colonnes, où
n>2, n lignes d'échange, au moins un premier compresseur comprimant de l'air
atmosphérique pour produire un débit d'air à une première pression, au moins
un deuxième
compresseur comprimant de l'air atmosphérique pour produire un débit d'air à
une
deuxième pression, la première pression inférieure d'au moins 0,5 bar,
éventuellement
d'au moins 5 bars, voire d'au moins 10 bars, même d'au moins 25 bars à la
deuxième
pression et la deuxième pression étant la pression la plus élevée de toute
pression d'air
destiné à la distillation dans lequel de l'air à la première pression est
envoyé d'au moins un
premier compresseur à au moins une première unité d'épuration, de l'air à la
deuxième
pression est envoyé d'au moins un deuxième compresseur à au moins une deuxième
unité
d'épuration, de l'air à la première pression est envoyé de la première unité
d'épuration à au
moins deux systèmes de colonnes, de l'air à la deuxième pression est envoyé de
la
deuxième unité d'épuration à au moins deux systèmes de colonnes et on produit
de
l'oxygène à partir d'au moins un des systèmes de colonnes.
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Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de
production
d'oxygène par distillation d'air dans un appareil comprenant n systèmes de
colonnes, où
n>2, n lignes d'échange, au moins un premier compresseur comprimant de l'air
atmosphérique pour produire un débit d'air à une première pression, au moins
un deuxième
5 compresseur comprimant de l'air atmosphérique pour produire un débit d'air à
une
deuxième pression, la première pression inférieure d'au moins 0,5 bar,
éventuellement
d'au moins 5 bars, voire d'au moins 10 bars, même d'au moins 25 bars à la
deuxième
pression, au moins une première unité d'épuration, au moins une deuxième unité
d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air à la première pression provenant
du ou des
premier(s) compresseur(s) à la ou les première(s) unité(s) d'épuration, des
moyens pour
envoyer de l'air à la deuxième pression provenant du ou des deuxième(s)
compresseur(s) à
la ou les deuxième(s) unité(s) d'épuration, des moyens pour envoyer de l'air à
au moins
deux systèmes de colonnes à partir de la ou les première(s) unité(s)
d'épuration et des
moyens pour envoyer de l'air aux deux systèmes de colonnes à partir de la ou
les
deuxième(s) unité(s) d'épuration, dans laquelle il n'y a aucun moyen de
compression entre
le ou les premier(s) compresseur(s) et la ou les première(s) unité(s)
d'épuration et il n'y a
aucun moyen de compression entre le ou les deuxième(s) compresseur(s) et les
lignes
d'échange, voire les systèmes de colonnes.
De préférence, il n'y a aucun moyen pour relier la sortie du premier
compresseur
(d'un des premiers compresseurs) avec la sortie du deuxième compresseur (d'un
des
deuxième compresseurs) et/ou aucun moyen pour relier la sortie de la première
unité
d'épuration (d'une des premières unités d'épuration) avec la sortie de la
deuxième unité
d'épuration (d'une des deuxième unités d'épuration).
De cette façon, il y a un circuit indépendant alimenté par au moins deux
compresseurs produisant de l'air à la première pression et un circuit
indépendant alimenté
par au moins deux compresseur produisant de l'air à la deuxième pression,
chacun des
deux circuits alimentant au moins deux systèmes de colonnes indépendants.
Des exemples de réalisation vont maintenant être décrits en regard des dessins
annexés qui représentent des installations de séparation d'air selon
l'invention.
L'installation représentée à la figure 1 est destinée à alimenter en oxygène
une ou
plusieurs unité(s) de fusion réduction de fer (Corex /Finex ), ou une ou
plusieurs unité(s)
d'oxycombustion, par exemple. Dans le premier cas, la pression de l'oxygène
fourni est
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comprise dans une plage allant de 5 à 15 bars. Dans le second cas, la pression
de
l'oxygène fourni est comprise dans une plage allant de 1 à 5 bars
(préférentiellement 1 à 2
bars abs).
L'installation comprend un premier compresseur 1 et un deuxième compresseur 3
installés sur le même site, des moyens pour alimenter le premier compresseur
et le second
compresseur avec de l'air à la pression atmosphérique, le premier et le
deuxième
compresseur étant entraînés par des moteurs électriques, et amenant
respectivement l'air à
une première pression comprise entre 2.5 et 8 bars et à une seconde pression
comprise
entre 4 et 30 bars.
Les deux débits d'air comprimés distincts sortant des deux compresseurs d'air
sont
refroidis par exemple au moyen d'un réfrigérant final, avant d'être envoyés
dans une
première et une deuxième unités d'épuration 5 et 7, les débits d'air étant
l'un
substantiellement à la première pression et le second substantiellement à la
seconde
pression.
Le premier débit d'air épuré est envoyé dans la ligne d'échange principale 13
au
moyen de la conduite 11 et le second débit d'air épuré est envoyé dans la
ligne d'échange
principale 13 au moyen de la conduite 9.
Le premier débit d'air une fois refroidi dans l'échangeur 13 est introduit
dans le
système de colonnes 15, le second débit d'air est introduit dans le système de
colonnes 15
au moins sous forme partiellement condensée après un passage dans un
vaporiseur
auxiliaire 25 utilisant un liquide riche en oxygène soutiré du système de
colonnes 15 au
moyen d'une conduite 17 et d'une pompe 23. Le premier débit d'air introduit
dans le
système de colonne 15 l'est au moins en partie dans la même colonne que le
second débit
d'air introduit dans le système de colonnes 15 au moins partiellement condensé
(par exemple la colonne haute pression d'une double colonne comprenant une
colonne
haute pression et une colonne basse pression).
La figure 2 illustre une première variante de cette installation où seul l'un
des
premier et deuxième compresseurs d'air comprend des réfrigérants
intermédiaires
(compression isotherme), à savoir le compresseur 1, des moyens pour envoyer de
l'air
provenant de la sortie de celui des deux compresseurs d'air ne comprenant pas
de
réfrigérant intermédiaire à un échangeur de chaleur 31 et des moyens pour
envoyer au
moins un fluide provenant du système de colonnes et/ou de l'eau à l'échangeur
pour s'y
réchauffer.
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Les deux débits d'air comprimé sortant des deux compresseurs d'air sont
envoyés dans deux unités d'épuration 5 et 7, l'un substantiellement à la
première pression
et le second substantiellement à la seconde pression.
Le premier débit d'air épuré est envoyé dans la ligne d'échange principale 13
au
moyen de la conduites 11 et le second débit d'air épuré est envoyé dans la
ligne d'échange
principale 13 au moyen de la conduite 9.
Le premier débit d'air une fois refroidi dans l'échangeur 13 est introduit
dans le
système de colonnes 15, le second débit d'air est introduit dans le système de
colonnes 15
au moins sous forme partiellement condensée après un passage dans un
vaporiseur
auxiliaire 25 utilisant un liquide riche en oxygène soutiré du système de
colonnes 15 au
moyen d'une conduite 17 et d'une pompe 23. Le premier débit d'air introduit
dans le
système de colonne 15 l'est au moins en partie dans la même colonne que le
second débit
d'air 15 au moins partiellement condensé. Le liquide riche en oxygène soutiré
du système
de colonne 15 au moyen de la conduite 17 et qui s'est vaporisé dans le
vaporiseur
auxiliaire 25 contre le second débit d'air épuré, est introduit dans
l'échangeur de chaleur
31, permet de refroidir l'air comprimé dans le compresseur 1 ne comportant pas
de
réfrigérants intermédiaires.
L'installation représentée à la figure 3 représente une seconde variante,
destinée à
alimenter en oxygène une unité de fusion réduction de fer (Corex /Finex ). La
pression
de l'oxygène fourni est comprise dans une plage allant de 5 à 15 bars
(préférentiellement
de 8 à 12 bars abs).
L'installation comprend un premier compresseur 1 et un deuxième compresseur 3,
des moyens pour alimenter le premier compresseur et le second compresseur avec
de l'air
à la pression atmosphérique, le premier et le deuxième compresseur étant
entraînés par une
turbine à vapeur commune 39, et amenant respectivement l'air à une première
pression
comprise entre 4 et 7 bars et à une seconde pression comprise entre 10 et 30
bars.
Les deux débits d'air comprimé sortant des deux compresseurs d'air sont
envoyés
dans deux unités d'épuration 5 et 7 l'une substantiellement à la première
pression et la
seconde substantiellement à la seconde pression.
Une première portion du premier débit d'air épuré est envoyée dans la ligne
d'échange principale 13 au moyen de la conduites 11 et le second débit d'air
épuré est
envoyé dans la ligne d'échange principale 13 au moyen de la conduite 9.
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La seconde portion du premier débit d'air épuré est envoyée dans le
compresseur
33 d'une turbine-booster au moyen de la conduite 29, avant d'être refroidie
dans la ligne
d'échange principale 13 puis détendue dans la partie turbine 35 de la turbine-
booster. L'air
détendu dans la turbine 35 est envoyé dans le système de colonne au moyen de
la
conduite 41.
Le second débit d'air épuré une fois refroidi dans la ligne d'échange est
introduit
dans le système de colonnes 15 au moyen de la conduite 43.
Comme dans les autres cas, le premier débit d'air introduit dans le système de
colonne 15 l'est au moins en partie dans la même colonne que le second débit
d'air
introduit dans le système de colonnes 15 au moins partiellement condensé.
La figure 4 illustre une troisième variante dérivée de la figure 3 où seul
l'un des
premier et deuxième compresseurs d'air (le compresseur 3) comprend des
réfrigérants
intermédiaires (compression isotherme), comprenant des moyens pour envoyer de
l'air
provenant de la sortie de celui des deux compresseurs d'air ne comprenant pas
de
réfrigérant intermédiaire à un échangeur de chaleur et des moyens pour envoyer
au de
l'eau à l'échangeur pour s'y réchauffer.
La figure 5 décrit une quatrième variante de l'installation décrite à la
figure 1 où les
deux compresseurs sont combinés dans la même machine 3, par exemple un
compresseur
axial-radial.
La figure 6 décrit une variante supplémentaire où n installations décrites à
la figure
1 sont interconnectées. Cette figure présente pour des raisons de clarté le
cas n=2 : elle
présente ainsi deux installations telles que décrites à la figure 1,
interconnectées au moyen
des conduites 45 et 47 d'une part, et 49 et 51 d'autre part. Ainsi la conduite
45 relie la
sortie du compresseur 1 et celle du compresseur l', et la conduite 47 relie la
sortie du
compresseur 3 et celle du compresseur 3' ; la conduite 49 relie la sortie de
l'épuration 7
avec celle de l'épuration 7', et enfin la conduite 51 relie la sortie de
l'épuration 5 avec
celle de l'épuration 5'.
La première des deux installations interconnectées comprend un premier et un
deuxième compresseur 1 et 3, la seconde installation comprend un premier et un
deuxième
compresseur l' et 3'. Les premiers compresseurs let l' et les seconds
compresseurs 3 et 3'
sont alimentés par de l'air à la pression atmosphérique, les premiers et
seconds
compresseurs étant entraînés par des moteurs électriques, amènent
respectivement l'air à
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une première pression comprise entre 2,5 et 8 bars et à une seconde pression
comprise
entre 4 et 30 bars.
Les débits d'air pressurisés par les compresseurs 1 et l' d'une part, et 3 et
3'
d'autre part sont refroidis par exemple au moyen d'un réfrigérant final avant
d'être
envoyés dans les premières unités d'épuration 7 et 7' d'une part et dans les
deuxièmes
unités d'épuration 5 et 5' d'autre part, les débits d'air étant
substantiellement à la première
pression d'une part pour ceux provenant des compresseurs 1 et l', et
substantiellement à la
seconde pression d'autre part pour ceux provenant des compresseurs 3 et 3'.
L'installation comprend une conduite 45 reliant les premiers débits d'airs
comprimés par les premiers compresseurs 1 et l', et une conduite 47 reliant
les seconds
débits d'air comprimés par les seconds compresseurs 3 et 3'. L'installation
comprend en
outre une conduite 49 reliant les premiers débits d'air épurés par les
épurations 7 et 7', et
une conduite 51 reliant les seconds débits d'air épurés par les épurations 5
et 5'.
Le système de colonnes 15 de toutes les figures peut comprendre une seule
colonne,
une double colonne classique ou une triple colonne avec colonne haute
pression, colonne à
pression intermédiaire et colonne basse pression, entre autres.
