PROCESS AND EQUIPMENT FOR PRODUCING COMPRESSED GAZEOUS NITROGEN AND/OR OXYGEN

PROCEDE ET INSTALLATION DE PRODUCTION D'OXYGENE ET/OU D'AZOTE GAZEUX SOUS PRESSION

Abrégé français

ABRÉGÉ DESCRIPTIF
Dans ce procédé de production d'oxygène et/ou
d'azote gazeux sous pression par distillation d'air
dans une double colonne, pompage d'au moins un produit
liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression,
et vaporisation du produit liquide comprimé par échange
de chaleur avec de l'air porté à une haute pression
d'air, on comprime à la haute pression d'air la
totalité de l'air à distiller, et on détend dans deux
turbines en série, à la pression de la colonne moyenne
pression, la fraction excédentaire de cet air, l'air
étant partiellement réchauffé entre les deux turbines.
Il est ainsi possible de réduire la production de
liquide pour une capacité de production donnée
d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression, ce sans
augmentation de l'énergie spécifique de chaque
production.

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 d'oxygène gazeux et/ou
d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel:
-on distille de l'air dans une double
colonne de distillation comprenant une colonne basse
pression fonctionnant sous une pression dite basse
pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant
sous une pression dite moyenne pression;
-on comprime la totalité de l'air à
distiller jusqu'à au moins une haute pression d'air
nettement supérieure à la moyenne pression;
-on refroidit l'air comprimé jusqu'à une
température intermédiaire, et on en détend une partie
dans une turbine avant de l'introduire dans la colonne
moyenne pression;
-on liquéfie l'air non turbiné, puis on
l'introduit, après détente, dans la double colonne; et
-on amène au moins un produit liquide
soutiré de la double colonne à la pression de
production, et on vaporise ce produit liquide par
échange de chaleur avec l'air, la température de
liquéfaction de l'air étant inférieure à la
température de vaporisation du produit liquide,
caractérisé en ce qu'on ne détend ladite partie de
l'air que jusqu'à une pression intermédiaire, on
réchauffe partiellement l'air turbiné, puis on le
détend dans une seconde turbine jusqu'à la moyenne
pression et on l'introduit dans la colonne moyenne
pression.
2. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que ladite température intermédiaire

est inférieure, notamment d'environ 10 °C, à la
température de vaporisation dudit produit liquide.
3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que la température d'admission de la
seconde turbine est voisine du genou de liquéfaction
de l'air.
4. Installation de production d'oxygène gazeux
et/ou d'azote gazeux sous pression, du type comprenant
une double colonne de distillation comprenant une
colonne basse pression fonctionnant sous une pression
dite basse pression, et une colonne moyenne pression
fonctionnant sous une pression dite moyenne pression,
ces moyens comprenant un compresseur principal d'air;
des moyens de compression pour amener la totalité de
l'air à distiller à au moins une haute pression
nettement supérieure à la moyenne pression; des moyens
de soutirage de la double colonne et de pompage d'au
moins un produit liquide résultant de la distillation;
une ligne d'échange thermique mettant en relation
d'échange thermique l'air et ledit produit liquide; et
une turbine de détente d'une partie de cet air,
l'admission de cette turbine étant reliée à un point
intermédiaire de la ligne d'échange thermique,
caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique
comprend des passages de réchauffement partiel dont
l'entrée est reliée à l'échappement de ladite turbine,
et en ce que l'installation comprend une seconde
turbine de détente dont l'admission est reliée à la
sortie de ces passages de réchauffement et dont
l'échappement est relié à la colonne moyenne pression.
5. Installation suivant la revendication 4,
caractérisée en ce que les deux turbines sont calées
sur le même arbre.

6. Installation suivant la revendication 5,
caractérisée en ce que l'arbre des deux turbines est
solidaire de la roue d'une soufflante de surpression
de l'air issu du compresseur principal d'air.

Description

:
La présente invention est relative-à un
procédé de production d'o~ygène gazeux et/ou d'azote
gazeux sous pression, du type dans lequel : ~
- on distille de l'air dans une double
colonne de distillation comprenant une colonne basse
pression fonctionnant sous une pression dite basse
pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant
sous une pression dite moyenne pression;
- on comprime la totalité de l'air à dis-
tiller jusqu'à au moins une haute pression d'air net-
tement supérieure à la moyenne pression;
- on refroidit l'air comprimé jusqu'à une
température intermédiaire, et on en détend une partie ~i
dans une turbine avant de l'introduire dans la colonne
moyenne pression; `
- on liquéfie l'air non turbiné, puis on
l'introduit, après détente, dans la double colonne; et
- on amène au moins un produit liquide
soutiré de la double colonne à la pression de production, -~
et on vaporise ce produit liquide par echange de chaleur
avec l'air, la température de liquefaction de l'air etant
inférieure à la température de vaporisation du produit ~~
liquide. - ~-
Les pressions dont il est question dans le
- 25 présent mémoire sont des pressions absolues. De plus,
l'expression "liquéfaction" doit être entendu au sens
large, c'est-à-dire incluant la pseudo-liquéfaction dans -
le cas de pressions supercritiques. ~ `
Un procédé du type ci-dessus est décrit dans `
le FR-A-2 674 011. Dans ce procéde, la production gazeuse ~ ;
sous pression s'accompagne inévitablement d'une produc~
tion de li~uide, laquelle n'est pas souhaitable dans
- toutes les applications industrielles.
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V
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L'invention a pour but de permettre une
réduction de la production de liquide pour une capacité
de production donnée d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous
pression, ce sans augmenta-tion de l'énergie spécifique
de chaque production.
A cet effet, l'invention a pour objet un
procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on ne
détend ladite partie de l'air que jusqu'à une pression
intermédiaire, on réchauffe partiellement l'air turbiné,
puis on le détend dans une seconde turbine jusqu'à la
moyenne pression et on l'introduit dans la colonne
moyenne pression.
Dans des modes de mise en oeuvre de ce
procédé : ` ~
- ladite température in-termédiaire est ; ~ ~;
inférieure, notamment d'environ 10C, à la température ;~
de vaporisation dudit produit liquide; ~ 5.
- la température d'admission de la seconde
turbine est voisine du genou de liquéfaction de l'air. ~ ~
20L'invention a également pour objet une `
installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procédé. Ce-tte ins-tallation, du type comprenant une
double colonne de distillation comprenant une colonne
basse pression fonctionnant sous une pression dite basse
25pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant
sous une pression dite moyenne pression; des moyens de
compression pour amener la totalité de l'air à distiller
à au moins une haute pression nettement supérieure à la
moyenne pression, ces moyens comprenant un compresseur ~;
30principal d'air; des moyens de soutirage de la double
colonne et de pompage d'au moins un produit liquide
résultant de la distillation; une ligne d'échange
thermique mettant en relation d'échange thermique l'air
et ledit produit liquide; et une turbine de détente d'une
35partie de cet ais,~ l'admission de cette turbine étant
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reliée à un point intermédiaire de la ligne d'echange
thermique, est caractérisée en ce que la ligne d'échange
thermique comprend des passages de réchauffement partiel
dont l'entrée est reliée à l'échappement`--de ladite
turbine, et en ce que l'installation comprend une seconde
turbine de détente dont l'admission est reliée à la sor-
tie de ces passages de rechauffement et dont l'échap-
pement est relié à la colonne moyenne pression.
Suivant d'autres caractéristiques de cette
installation :
- les deux turbines sont calées sur le même
arbre;
- l'arbre des deux turbines est solidaire de
la roue d'une soufflante de surpression de l'air issu du
compresseur principal d'air.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention
va maintenant être décrit en regard du dessin annexé,
dont la figure unique represente schématiquement une
installation de production d'oxygène gazeux sous pression
conforme à l'invention.
L'installation représentée au dessin est
destinee à produire de l'oxygène gazeux sous une haute
pression de 10 à 100 bars environ, de l'oxygène liquide
et de l'azote liquide.
Cette installation comprend essentiellement:
un compresseur principal d'air l; un pré-refroidisseur
2; un appareil 3 d'épuration par adsorption; un ensemble
soufflante-turbines comprenant une soufflante 4 et deux
turbines 5, 6 dont les roues sont calees sur le même
arbre; un réfrigérant atmosphérique ou à eau 7 pour la
soufflante; une ligne d'échange thermique 8; une double
colonne de distillation 9 comprenant une colonne moyenne
pression 10 et une colonne basse pression 11 couplées par
un vaporiseur condenseur 12 qui met en relation d'é-
change ther~ique l'azote de tete de la colonne 10 et
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l'oxyg`ne liquide de cuve de la colonne 11; une pompe
d'oxygène liquide 13; un stockage 14 d'oxygène liquide
à la pression atmosphérique; un stockage 15 d'azote
liquide à la pression atmosphérique; un pot separateur
16; et un sous-refroidisseur 17.
En fonctionnement, la colonne 11 est sous une
pression légèrement supérieure à la pression atmosphéri-
que et la colonne 10 sous la pression correspondante de
5 à 6 bars environ.
-La totalité de l'air à distiller est comprimé
en 1, pré-refroidi en 2 vers + 5 à + 20C, épuré en eau
et en C02 en 3 et surpressé en 4 à la haute pression.
Après pré-refroidissement en 7 puis refroidissement
partiel dans des passages 18 de la ligne d'échange
thermique jusqu'à une température intermédiaire T1, une
partie de l'air sous la haute pression poursuit son
refroidissement dans des passages 19 de la ligne d'é-
change thermique, est liquéfiée puis divisée en deux
fractions. Chaque fraction est détendue dans une vanne
de détente respective 20, 21, puis introduite dans la
colonne 10, 11 respective.
A la température T1, le reste de l'air sous
la haute pression est sorti de la ligne d'échange
thermique, turbiné en 5 à une pression intermédiaire,
réintroduit dans la ligne d'échange thermique, réchauffé
partiellement dans des passages 22 de celle-ci, jusqu'à
une température intermédiaire T2 qui peut être ou non
égale à Tl, sorti de nouveau de la ligne d'echange
thermique, turbiné en 6 à la moyenne pression et intro~
duit en cuve de la colonne 10.
On peut notamment choisir Tl inférieure
d'environ 10C à la température de vaporisation de
l'oxygène, et T2 voisine du genou de liquefaction de
l'air sous la haute pression, ce genou étant au-dessous
¦ 35 de la température de vaporisation de l'oxygène ~et
3`'~ 7 ~ '3~ 33~

également au-dessous de Tl.
De facon habituelle, du "liquide riche" (air
enrichi en oxygène) soutiré en cuve de la colonne 10 et
du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré dans
la région supérieure de cette colonne sont, après sous~
refroidissement en 17 et détente dans des vannes de
détente respectives 22 et 23, introduits à un niveau
intermédiaire et en tête, respectivement, de la colonne
11 .
De l'oxygène liquide est soutiré en cuve de
la colonne 11. Une fraction va directement dans le
stockage 15, via une conduite 24, tandis que le reste est
amené par la pompe 13 à la haute pression de production
désirée, puis vaporisé et réchauffé à la température
lS ambiante dans des passages 25 de la ligne d'échange
thermique avant d'être récupéré via une conduite 26.
Par ailleurs, de l'azote liquide sous la
moyenne pression, soutiré en tête de la colonne 10, est
sous-refroidi en 17, détendu à la pression atmosphérique
dans une vanne de détente 27, et introduit dans le pot
séparateur 16. La phase liquide est envoyée dans le
stockage 15, tandis que la phase vapeur est réunie à
l'azote impur de tête de la colonne 11, puis le mélange
est réchauffé en 17 puis dans des passages 28 de la ligne
d'échange thermique et évacué de l'installation en tant
que gaz résiduaire WN2 via une conduite 29.
Des calculs effectués sur la base d'une
production de 248 tonnes par jour d'oxygène à 99,5% de
pureté sous 40 bars, ont montre qu'on pouvait abaisser
la haute pression d'air à 25,5 bars, contre 30 bars pour
la configuration à une seule turbine du F~-A~2 674 011
précité. Dans les mêmes conditions, le ratio liquide/ca~
pacité de séparation en oxygène passe de 30% à 22%, et
l'énergie spécifique de chaque production reste inchan-
gée. -
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L ' invention s'applique également à la
production d'azote gazeux sous haute pression, porté par
une pompe (non représentée) à la haute pression désirée
puis vaporisé dans la ligne d'échange thermique, et/ou
à la production d'oxygène et/ou d'azote sous plusieurs
pressions, en utilisant plusieurs hautes pressions d'air.
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Dessin représentatif