GAS SEPARATOR WITH HIGH NITROGEN AND OXYGEN YIELD

APPAREIL DE SEPARATION D'AIR A PRODUCTION IMPORTANTE D'AZOTE ET HAUT RENDEMENT EN OXYGENE

Abrégé français

Suivant ce procédé, après réchauffement de
l'azote issu de la colonne basse pression, on le
comprime à la haute pression au moyen d'un unique
compresseur d'azote, et l'on fait fonctionner la
colonne basse pression sous une pression de l'ordre
de PN/PN, OU PN désigne la haute pression d'azote et
PN le taux de compression dudit compresseur d'azote.
Application à la production simultanée d'une part
d'azote à haute pureté sous une pression comprise
entre 50 et 60 bars, et d'autre part d'oxygène sous
bars, pour alimenter une unité de production
d'ammoniac.

Abrégé anglais

In this process, after heating the nitrogen produced from the low-pressure column, it is compressed at high pressure using a stand-alone nitrogen compressor. The low-pressure column is operated at a pressure of the order of PN/PN, where PN represents the high pressure of nitrogen, and PN the compression ratio of the nitrogen compressor in question. This process can be applied in the simultaneous production of one part high-purity nitrogen under a pressure of between 50 and 60 bars, and one part oxygen, under 65 bars, to feed an ammonia production unit.

Revendications

Les réalisations de l'invention, au sujet
desquelles un droit exclusif de propriété ou de
privilège est revendiqué, sont définies comme il
suit:
1. Procédé de production simultanée
d'une part d'azote pur sous une haute pression
d'azote supérieure à 25 bars absolus environ, et
d'autre part d'oxygène, par distillation d'air dans
une double colonne de distillation comprenant une
colonne moyenne pression et une colonne basse
pression du type "à minaret" produisant l'azote pur
en tête, caractérisé en ce que, après réchauffement
de l'azote issu de la colonne basse pression, on le
comprime à la haute pression au moyen d'un unique
compresseur d'azote de type centrifuge ayant au plus
six roues de compression, et l'on fait fonctionner
la colonne basse pression sous une pression de
l'ordre de PN/PN OU PN désigne la haute pression
d'azote et PN le taux de compression dudit
compresseur d'azote.
2. Procédé suivant la revendication 1,
dans lequel on produit l'oxygène sous une haute
pression d'oxygène supérieure à 10 bars absolus
environ, caractérisé en ce qu'on amène par pompe de
l'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne
basse pression à une pression intermédiaire
d'oxygène et, après vaporisation et réchauffement de
l'oxygène, on le comprime à la haute pression
d'oxygène au moyen d'un unique compresseur d'oxygène
de type centrifuge ayant au plus six roues de
compression, la pression intermédiaire d'oxygène
étant de l'ordre de Po/Po, ou Po désigne la haute
pression d'oxygène et Po le taux de compression dudit
compresseur d'oxygène.

3. Procédé suivant la revendication 2,
caractérisé en ce qu'on utilise un compresseur
d'azote à trois étages ayant chacun au plus deux
roues, et on utilise en outre le deuxième étage pour
comprimer à une pression intermédiaire entre la
moyenne pression et la haute pression un débit
d'azote de cycle soutiré de la colonne moyenne
pression et réchauffé, l'azote de cycle comprimé
étant refroidi, liquéfié, détendu à la moyenne
pression et introduit en tête de la colonne moyenne
pression.
4. Procédé suivant la revendication 3,
caractérisé en ce que l'azote de cycle est comprimé
à une pression subcritique que laquelle la
température de condensation de l'azote est
légèrement supérieure à la température de
vaporisation de l'oxygène sous ladite pression
intermédiaire d'oxygène.
5. Procédé suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on
utilise un compresseur d'azote à trois étages ayant
chacun au plus deux roues, et on utilise en outre
les deux premiers étages pour comprimer de la basse
pression à une pression intermédiaire entre la
moyenne pression et la haute pression un débit
d'azote, dit de soutien de rectification soutiré en
tête de la colonne basse pression et réchauffé, cet
azote comprimé étant refroidi, liquéfié, détendu à
la moyenne pression et introduit en tête de la
colonne moyenne pression.
6. Procédé suivant l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on assure

11
le maintien en froid de l'installation de
distillation d'air en détendant dans une turbine de
l'azote impur soutiré de la colonne basse pression,
cet azote impur, après détente et réchauffement,
étant de préférence utilisé pour régénérer des
bouteilles d'adsorbant servant à l'épuration de
l'air traité.
7. Installation de production simultanée
d'une part d'azote pur sous une haute pression
d'azote supérieure à 25 bars absolus environ, et
d'autre part d'oxygène, par distillation d'air dans
une double colonne de distillation comprenant une
colonne moyenne pression et une colonne basse
pression du type "à minaret" produisant l'azote pur
en tête, caractérisée en ce qu'elle comprend un
compresseur d'air adapté pour amener à l'air à
traiter à une moyenne pression supérieure à 6 bars
absolus, et un compresseur d'azote unique de type
centrifuge ayant au plus six roues de compression et
dont l'aspiration de la première roue est reliée à
la tête du minaret de la colonne basse pression,
cette colonne fonctionnant sous une basse pression
de l'ordre de PN/PN/, ou PN désigne la haute pression
d'azote et PN le taux de compression dudit
compresseur d'azote.
8. Installation suivant la revendication
7, pour la production de l'oxygène sous une haute
pression d'oxygène supérieure à 10 bars absolus
environ, caractérisée en ce qu'elle comprend une
pompe d'oxygène liquide dont l'aspiration est reliée
à la cuve de la colonne basse pression et dont le
refoulement est relié à l'aspiration d'un unique
compresseur d'oxygène de type centrifuge ayant au
plus six roues de compression.

12
3. Installation suivant la revendication
8, caractérisée en ce que le compresseur d'azote
comporte trois étages ayant chacun au plus deux
roues, l'aspiration et le refoulement du second
étage étant reliés en outre à la tête de la colonne
moyenne pression pour définir un cycle d'azote.
10. Installation suivant la revendication
9, caractérisée en ce que le compresseur d'azote et
le compresseur d'air sont reliés à une source
motrice commune.
11. Installation suivant l'une quelconque
des revendications 7 à 10, caractérisée en ce
qu'elle comprend une turbine de détente d'azote
impur dont l'admission est reliée à la base du
minaret, l'échappement de cette turbine étant de
préférence relié à des bouteilles d'adsorbant
servant à l'épuration de l'air traité.

Description

'' 2~2~
La présente invention est relative à la
production d'azote et d'oxygène par distillation d'air.
Elle concerne en premier lieu un procédé de production
simultanée d'une part d'azote pur sous une haute pression
d'azote supérieure ~ 25 bars absolus environ, et d'autre
part d'oxygène, par distillation d'air dans une double
colonne de distillation comprenant une colonne moyenne
pression et une colonne basse pression du type "à
minaret" produisant l'azote pur en tete.
Une application particulière de l'invention
est la production simultanée d'une part d'azote à haute
pureté, contenant moins de 10 ppm d'oxygène, en grande
quantite (c'est-à dire représentant au moins 20~ et
typiquement plus de 30~ du déb.it d'air traite), sous 50
15 à 60 bars, pour une unité de fabrication d'ammoniac, et
d'autre part d'oxygène de pureté moyenne à haute, soit
95 à 99,5~ en moles, à une pression de l'ordre de 65 bars
et avec un rendement d'extraction élevé, pour la produc-
tion d'hydrogène par réaction de l'oxygène sur des
20 hydrocarbures lourds, l'hydrogène étant destiné à
alimenter la même unité de fabrication d'~mon; ac.
On entend par "colonn basse pression du type
à minaret" une colonne basse pression, faisant partie
d'une double coIonne de distillation d'air, dont la
25 partie d'e~trémité supérieure est alimentée en tete par
du "liquide pauvre supérieur" (azote pratiquement pur)
soutire en tête de la colonne moyenne pression et
détendu, et produit en ~ete de l'azote pur sous la basse
pression.
Les pressions dont il est question ici sont
des pressions absolues. De plus, on entend par "basse
pression" et "moyenne pression" les pressions de fonc-
tinnn~ ont de la colonne basse pression et de la colonne
. ~, .
. '

2~21~
moyenne pression de la double colonne, respectivement.
L'invention a pour but de fournlr un procédP
permettant la production, outre d'oxygène, d'azote sous
haute pression en grande quantité, c'est-~-dire représen-
tant au moins 20% du débit d'air traité, avec un inves-
tissement réduit.
A cet effet, le procédé suivant l'invention
est caractérisé en ce qu'après réchauffement de l'azote
issu de la colonne hasse pression, on le comprime à la
haute pression au moyen d'un unique compresseur d'azote
de type centrifuge ayant au plus six roues de compres-
sion, et l'on fait fonctionner la colonne basse pression
sous une pression de l'ordre de PN/ PN OU PN désigne la
haute pression d'azota et PN le taux de compression
dudit compresseur d'azote.
Suivant d'autres caractéristiques :
- lorsque l'on produit l'oxygène sous une
haute pression d'oxygène supérieure à 10 bars absolus
environ, de façon avantageuse, on amène par pompe de
l'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse
pression à une pression in~ermédiaire d'oxygène et, après
vaporisation et rechauffement de l'oxygène, on le
comprime à la haute pression d'oxygène au moyen d'un
unique compresseur d'oxygène de type centrifuge ayant au
; 25 plus six roues de compression, la pression intermédiaire
d'oxygène étant de l'ordre de Po/pO, ou PO désigne la
haute pression d'oxygène et pO le taux de compression
dudit compresseur d'oxygène;
- dans ce cas, de préférence :
* on utilise un compresseur d'azote à trois
étages ayant chacun au plus deu~ roues, et on utilise en
outre le deuxième étage pour comprimer à une pression
intermédiaire entre la moyenne pression et la haute
pression un débit d'azote:de cycle soutiré de la colonne
moyenne pression et rechauffé, l'azote de cycle comprimé
. ,
' . '
- ~

~0~2~0
é~ant refroidi, liquéfié~ détendu à la moyenne pression
et introduit en tête de la colonne moyenne pression;
* l'azote de cycle est comprim~ ~ une
pression subcritique pour laquelle la température de
condensation de l'azote est légèrement supérieure à la
température de vaporisation de l'oxygène sous ladite
pression intermédiaire d'oxygène.
Suivant encore d'autres caracteristiques :
- on utilise un compresseur d'azote à trois
étages ayant chacun au plus deux roues, et on utilise en
outre les deux premiers etages pour comprimer de la basse
pression à une pression intermédiaire entre la moyenne
pression et la haute pression un débit d'azote, dit de
soutien de rectification, soutiré en tete de la colonna
basse pression et réchauffé, cet azote comprimé étant
refroidi, liquéfié, détendu à la moyenne pression et
introduit en tete de la colonne moyenne pression;
- on assure le maintien en froid de l'instal-
lation de distillation cl'air en détendant dans une
turbine de l'azote impur soutiré de la colonne basse
pression, cet azote impur, après détente et réchauffe-
men~, étant de préférence utilisé pour régénérer des
bouteilles d'adsorbant servant à l'épuration de l'air
traité.
L'invention a également pour objet une
installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. Cette installation comprend un compresseur d'air
adapté pour , sner à 1 ' air à traiter à une moyenne
pression supérieure à 6 bars absolus, et un corps de
compresseur d'azote unique de type centrifuge ayant au
plus six roues de compression et dont l'aspiration de la
première roue est reliée à la tête du minaret de la
colonne basse pression, cette colonne fonctionnant sous
une basse pression de l'ordre de PN/PN~ GU PN désigne la
haute pression d'a~ote et PN le taux de compression dudit
.
; . ; , ~ .
,

2~2~0
compresseur d'azote.
Le compresseur d'azote 0t le compresseur
d'air peuvent en particulier être reli~s à une source
motrice commune.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention
va maintenant etre décrit en regard du dessin ~nn~x~,
dont la Figure unique représente schématiquement une
installation de production simultanée d'azote et d'oxy-
gène sous haute pression conforme à l'invention.
L'installation représentée aux dessins est
destinée à produire d'une part, sous 55 bars, de l'azote
gazeux à haute pureté (contenant typiquement moins de 10
ppm d'oxygène), en un debit au moins égal à 20% du débit
d'air traité, et d'autre part, sous 65 bars, de l'oxygène
ayant une pureté de 95 à 99,5~, avec un rRn~m~nt
d'extraction élevé. Ces deux gaz sous haute pression
seront utilisés sur un même site : on produira de
l'hydrogène par réaction de l'oxygène sur des hydrocarbu-
res lourds, et l'on fera réagir cet hydrogène et l'azote
pour produire de l'ammoniac.
L'installation comprend essentiellement un
compresseur d'air 1, un appareil 2 d'épuration de l'air
par adsorption, une ligne d'échange thermique 3 du type
à contre-courant, une double colonne de distillation 4,
une turbine de détente 5, une pompe d'oxygène liquide 6,
un compresseur d'azote 7, un compresseur d'oxygène 8 et
une source d'énergie 9 constituée par exemple par une
turbine à vapeur.
La double colonne 4 comprend une colonne
moyenne pression 10 surmontée d'~une colonne basse
pression 11 dont la partie d'extrémité supérieure forme
un minaret llA de production d'azote pur sous la basse
pression. Un condenseur-vaporiseur 12 met en relation
d'échange thermique la vapeur de tete ~azote pratiquement
pur) de la colonne 10;et le liqui~e de cuve (oxygène de
,:
:'
'

2~921~
pureté determlnee) de la colonne 11~
Comme il est classique, une conduite équipée
d'une vanne de detente 13 permet de remonter du "liquide
riche" (air enrichi en oxygène) de la cuve de la colonne
10 à u~ point intermédiaire de la colonne 11; une
conduite équipée d'une vanne de détente 14 permet de
remonter du "liquide pauvre inférieur" (azote impur) d'un
point intermédiaire de la colonne 10 à la base du minaret
llA; et une conduite ~quipée d'une vanne de détente 15
permet de remonter du "liquide pauvre supérieur" (azote
pratiquement pur) de la tête de la colonne 10 au sommet
du minaret.
Le compresseur d'a~ote 7 est constitué d'un
compresseur unique à trois étages. Les deux premiers
étages comprennent chacun deux roues de compression et
ont des taux de comprassion moyens par roue de 2 et 1,73
respectivement, tandis que le troisième étage comprend
une roue de compression unique ayant un taux de compres-
sion de 1,83. Le taux de compression global du compres-
seur est donc 22. Chaque roue comporte à sa sortie un
réfrigérant.
Le compresseur d'oxygène 8 est également
constitué d'un compresseur unique. Ce compresseur possède
six roues ayant un taux de compression moyen par roue de
1,37. Le taux de compression global est donc 6,5.
L'arbre 16 du compresseur 7 est couplé ~
l'arbre 17 du compresseur 1 par un accouplement 18, et
l'ensemble est entraîné par la source d'énergie l_ lne
9. Eventuellement, l'arbre 16 peut entraîner les;diffé-
rents étages du c ,-esseur 7 par l~'intermédiaire de
multiplicateurs de vitesse appropriés à chaque étage. Le
compresseur 8 est entraîné par une source d'énergie
séparée 19.
La basse pression est choisie~de manière que,
multipliée par le taux de cc ,.asslon du compresseur 7,
.
: - - ',: .: , :,.,, ~ :
: ~ ,::
:~ : :
.
.

20921~
elle fournisse la haute pression de production désirée
pour l'a~ote. Ainsi, en négligeant les pertes de charge,
pour une haute pression d'azote de 55 bars, on choisit
comme basse pression 55~22 = 2,5 bars. Pour un écart de
température de 2~C dans le vaporiseur-condenseur 12, ceci
correspond à une moyenne pression de l'ordre de 11 bars.
Ainsi, l'air entrant est comprimé à 11 bars
dans le compresseur 1, épuré en 2, refroidi du bout chaud
au bout froid de la ligne d'~change 3, et introduit au
voisinage de son point de rosée en cuve de la colonne 10.
L'azote basse pression pur sortant gazeux du sommet du
minaret llA et réchauffé à la température ambiante du
bout ~roid au bout chaud de la ligne d'~ch~n~e est
introduit à l'aspiration du premier étage du compresseur
7, à l'exception éventuellement d'un débit d'azote
produit en basse pression via une conduite 20. L'azote
haute pression est produit au refoulement du troisième
étage du compresseur et évacué via une conduite 21.
Le compresseur 7 est également utilisé comme
compresseur de cycle à azote. En effet, de l'azote
moyenne pression est soutiré en tete de la colonne 10,
via une conduite 22, réchauffé à la température ambiante
dans la ligne d'échange et introduit via une conduite 23
à l'aspiration du deuxième étage du compresseur 7. De
l'azote à la haute pression de cycle est sorti au
refoulement de ce deuxieme etage via une conduite 24,
refroidi, liquéfié et sous-refroidi dans la ligne
d'échange, détendu à la moyenne pression dans une vanne
de détente 25 et introduit en tête de la colonne 10.
Grâce à des moyens de réglage de dsbit non
représentés, le débit d'azote circulant dans la conduite
24 est supérieur d'une quantité prédéterminée au débit
d'azote oirculant dans la conduite 23. La di~férence
constitue un débit d'azot~ liquide additionnel, dit de
soutien de rectification, introduit en reflux en tête de
,
'' '
.. . .

7 2 ~ 2 1 ~~
la colonne 10. Ce débit est prélevé sur le courant
d'azote basse pression aspiré par le premier étage du
compresseur 7.
De l'a~o-te impur, constituant le gaz rési-
dualre de l'installa-tion, est soutiré à la base du
minaret llA via une conduite 25, réchauffé à une tempéra-
ture intermédiaire dans la ligne d'échange, sorti de
cette dernière, détendu à la pression atmosphérique dans
une turbine 5 qui assure le maintien en froid de l'ins-
tallation, puis réintroduit dans la ligne d'érh~nge,réchauffe jusqu'à la température ambiante, et enfin
utilisé pour régénerer les bouteilles d'adsorption de
l'appareil 2 et évacué de l'installation via une conduite
26.
L'oxygène sous 65 bars est produit de la
manière suivante.
Le débit d'oxygène liquide désiré est soutiré
en cuve de la colonne ll, amené par la pompe 6 à une
pression intermédiaire d'oxygène, vaporise et rechauffé
à la température ambiante dans la ligne d'échange 3, puis
comprimé à la pression de production par le compresseur
.
Pour limiter au maximum les irréversibilités
thermodynamiques dans la ligne d'échange, on fait en
sorte que la vaporisation de l'oxygène liquide sous la
pression intermédiaire d'oxygène s'effectue par condensa-
tion de l'azote sous la haute pr~ssion de cycle, avec une
valeur subcritique pour cette haute pression, soit par
exemple 30 bars. Cette valeur correspond à une vaporisa-
tion d'oxygène liquide sous environ 11 bars, qui est doncla pression fournie par la pompe 6.
Les considérations ci-dessus donnent les
pressions pour les différents étages du compresseur 7 :
2,5 bars à l'entrée du premier étage, 11 bars à l'entrée
du deuxième étage, 30 bars à l'entrée du troisième étage
'
' '
: -
,. .

20~2~ ~
et 55 bar~ ~ la sortie de ce troisième étage.
On peut montrer que le procédé décrit ci-
dessus apporte un gain en investissement, par rapport au
procédé classique où la basse pression est choisie
légèrement supérieure à 1 bar, dès que le débit d'azote
produit est au moins égal ~ 20% du d~bit d'air traité.
horsque la production d'a7ote est sup~rieure à environ
30% du debit d'air, il apporte en outre un gain en
énergie. Par ailleurs, le fait d'épurer l'air entrant
sous 11 bars est très avantageux du point de vue écon~ i-
que.
,
,
. : , . '. ., :
. .
! , . . .

Dessin représentatif