COMPRESSED OXYGEN AND/OR NITROGEN PRODUCTION PROCESS AND PLANT

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

Abrégé français

ABREGE DESCRIPTIF
Dans ce procédé de distillation d'air, du
type à pompe d'oxygène liquide et à vaporisation
d'oxygène liquide sous pression, on utilise au moins
trois surpresseurs, dont deux sont montés en série
et alimentent la ligne d'échange thermique en air à
une haute pression de vaporisation d'oxygène. De
l'air est soutiré entre ces deux surpresseurs,
détendu à la moyenne pression et introduit en cuve
de la colonne moyenne pression, et l'un au moins des
trois surpresseurs consomme l'énergie mécanique
développée par la turbine. Ce procédé a des
performances énergétiques particulièrement élevées.

Revendications

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles
un droit exclusif de propriété ou de privilège est
revendiqué sont définies comme suit:
1. Procédé de production d'oxygène et/ou
d'azote gazeux sous pression par distillation d'air
dans une installation comprenant un compresseur
d'air principal, un appareil d'épuration d'air par
adsorption, une ligne d'échange thermique et une
double colonne de distillation d'air comportant une
colonne moyenne pression et une colonne basse
pression, du type dans lequel on soutire de
l'oxygène et/ou de l'azote liquide(s) de la double
colonne, on le(s) comprime par pompage, et on le(s)
vaporise sous pression par échange de chaleur avec
de l'air comprimé par le compresseur principal puis
surpressé, caractérisé en ce que:
- ladite surpression est réalisée au moyen
d'au moins deux surpresseurs en série;
- de l'air est soutiré entre ces deux
surpresseurs, détendu dans une turbine Claude à la
moyenne pression et introduit en cuve de la colonne
moyenne pression; et
- un flux d'air sous une pression au moins
égale à la pression de refoulement du compresseur
principal est surpressé par un troisième
surpresseur.
2. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que le troisième surpresseur est
monté entre le compresseur principal et la colonne
moyenne pression.
3. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que le troisième surpresseur est

monté entre le compresseur principal et le premier
des deux surpresseurs en série.
4. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que le troisième surpresseur est
monté entre le premier des deux surpresseurs en
série et la turbine.
5. Procédé suivant la revendication 1,
caractérisé en ce qu'on détend dans une seconde
turbine de l'azote soutiré en tête de la colonne
moyenne pression.
6. Procédé suivant la revendication 5,
caractérisé en ce que l'un au moins des trois
surpresseurs consomme l'énergie mécanique développée
par la turbine Claude et/ou par la turbine de
détente d'azote.
7. Procédé suivant la revendication 6,
caractérisé en ce que l'énergie mécanique développée
par la turbine Claude et/ou la turbine de débit
d'azote est consommée par ledit troisième
surpresseur.
8. Installation de production d'oxygène
et/ou d'azote gazeux sous pression par distillation
d'air, du type comprenant un compresseur d'air
principal, un appareil d'épuration d'air par
adsorption, une ligne d'échange thermique, une
double colonne de distillation comprenant une
colonne moyenne pression et une colonne basse
pression, une pompe reliée en amont à la double
colonne et en aval à des passages de vaporisation
d'oxygène et/ou d'azote de la ligne d'échange
thermique, et des moyens de surpression d'air

alimentés par le compresseur principal et débouchant
dans des passages de refroidissement d'air de la
ligne d'échange thermique, caractérisée en ce que:
- les moyens de surpression comprennent au
moins deux surpresseurs en série;
- une conduite piquée entre ses deux
surpresseurs alimente une turbine Claude de détente
d'air à la moyenne pression dont l'échappement est
relié à la cuve de la colonne moyenne pression; et
- l'installation comprend un troisième
surpresseur alimenté par de l'air sous une pression
au moins égale à la pression de refoulement du
compresseur principal.
9. Installation suivant la revendication 8,
caractérisée en ce que le troisième surpresseur est
monté entre le compresseur principal et la colonne
moyenne pression.
10. Installation suivant la revendication 8,
caractérisée en ce que le troisième surpresseur est
monté entre le compresseur principal et le premier
des deux surpresseurs en série.
11. Installation suivant la revendication 8,
caractérisée en ce que le troisième surpresseur est
monté entre le premier des deux surpresseurs en
série et la turbine.
12. Installation suivant la revendication 7,
caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde
turbine de détente d'azote reliée en amont à la tête
de la colonne moyenne pression.
13. Installation suivant la revendication
12, caractérisée en ce que l'un au moins des trois

surpresseurs est entraîné par l'énergie mécanique
développée par la turbine Claude et/ou la turbine de
détente d'azote.
14. Installation suivant la revendication
13, caractérisée en ce que ledit troisième
surpresseur est entraîné par l'énergie mécanique
développée par la turbine Claude et/ou la turbine de
détente d'azote.

Description

~ 2 1 3 4 1 7 Z
:, ` .,
.. .. . .
0 La présente invention est relative à un
procédé de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous
pression par distillation d'air dans une installation
comprenant un compresseur d'air principal, un appareil
d'épuration d'air par adsorption, une ligne d'échange
thermique et une double colonne de distillation d'air
comportant une colonne moyenne pression et une colonne
basse pression, du type dans lequel on soutire de
l'oxygène et/ou de l'azote liquide(s~ de la colonne basse
pression, on le(s) comprime par pompage, et on le(s)
vaporise sous pression par échange de chaleur avec de
l'air comprimé par le compresseur principal puis sur~
pressé.
L'invention a pour but de fournir un procédé
de ce type ayant des performances energétiques particu-
lièrement élevées.
A cet effet, l'invention a pour objet un
procédé du type pxécité, caractérisé en ce que : .
- ladite surpression est réalisée au moyen
d'au moins deux surpresseurs en s~rie;
- de l'air est soutire entre ces deux
surpresseurs, détendu dans une turbine Claude à la
moyenne pression et introduit en cuve de la colonne
moyenne pression; et
- un flux d'air sous une pression au moins
égale à la pression de refoulement du compresseur
principal est surpressé par un troisième surpresseur.
Ce procédé peut comporter une ou plusieurs
I des caractéristiques suivantes ~
- le troisième surpresseur est monte entre le
compresseur principal et la colonne moyenne pression;
- le troisième surpresseur est monté entre le
compresseur principal et le premier des deux surpresseurs
~,
, ~:

213~172
~` ~. .
, ~ . .
en série;
- le troisième surprssseur est monté entre le
` premier des deux surpresseurs en série et la turbine;
- on détend dans une seconde turbine de
l'azote soutiré en tête de la colonne moyenne pression:
- l'un au moins des trois surpresseurs
consomme l'énergie mécanique developpée par la turbine
Claude et/ou par la turbine de détente d'azote.
,; L'invention a également pour objet une
10installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel
procedé. Cette installation, du type comprenant un
compresseur d'air principal, un appareil d'épuration
d'air par adsorption, une ligne d'échange thermique, une
double colonne de distilIation comprenant une colonne
15moyenne pression et une colonne basse pression, une pompe
reliée en amont à la double colonne et en aval à des
passages de vaporisation d'oxygène et/ou d'azote de la
ligne d'échange thermigue, et des moyens de surpression
d'air alimentés par le compresseur principal et débou-
20chant dans des passages de refroidissement d'air de la
ligne d'échange thermigue, est caractérisée en ce gue :
- les moyens de surpression comprennent au
moins deux surpresseurs en série;
- une conduite piquée entre ces deux sur-
25presseurs alimente une turbine Claude de détente d'air
à la moyenne pression dont l'échappement est relié à la
cuve de la colonne moyenne pression; et
- l'installation comprend un troisième
surpresseur alimenté par de l'air sous une pression au
, 30moins égale à la pression de refoulement du compresseur
principal.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention
vont maintenant être décrits en regard des dessins
annexés, sur lesquels :
¦ 35- les Figures 1 à 3 représentent respective-
.
.,~

` - 213~11 72 :
'
,j ; .
ment, de fa~con schématique, trois modes de réalisa~ion
de l'installation suivant ]l'invention.
L'installation de production d'oxygène gazeux
sous pression représentée sur la Figure 1 comprend
essentiellement: un compresseur d'air principal 1; un
appareil 2 d'épuration d'air en eau et en anhydride
carbonique par adsorption; une ligne d'échange thermique
3 destinée à refroidir l'air à traiter par échange de
chaleur indirect à contre courant avec des produits
froids; un appareil de distillation d'air 4 du type à
double colonne, constitué essentiellement d'une colonne
moyenne pression 5 surmontée d'une colonne basse pression
6, avec un vaporiseur-condenseur 7 mettant en relation
d'échange thermique indirect la vapeur de tête (azote)
~,l 15 de la colonne 5 et le liquide de cuve (oxygène) de la
~J colonne 6; un sous-refroidisseur 8; deux surpresseurs
d'air 9 et lO en série, entraînés par une source d'éner-
gie extérieure (non représentée); un troisième surpres-
seur 11; une turbine 12 de détente dlair; une turbine 13
de détente d'azote; et une pompe dloxygène liquide 14.
Llair à traiter, comprimé dans le compresseur
1, est séché et décarbonaté dans llappareil 2. Une partie
de cet air, après surpression en 11, entre dans la ligne
d'échange 3 et est refroidie jucqulà environ sa tempéra-
~ 25 ture de rosée. Cet air entre alors dans la colonne
;] moyenne pression 5, où il est séparé en un "liquide
riche" (air enrichi en oxygène) et en azote. Le liquide
riche et de l'azote liquide soutiré en tête de la colonne
5 sont sous-refroidis dans le sous-refroidisseur 8 par
. 30 l'azote impur basse pression produit en tête de la
j colonne 6, puis, après détente dans des vannes de détente
,~ respectives 15 et 16, alimentent cette colonne basse
pression 6. Après réchauffement en 8 puis en 3, l'azote
¦ impur basse pression, à la température ambiante, est
1 35 utilisé pour régénérer l'adsorbant de l'appareil 2.

213~172
:- ~.~
Le reste de l'air épuré est surpressé en 9,
puis divisé en deux courants : un premier courant est
surpressé de nouveau en 10, jusqu'à une haute pression
d'air, introduit dans la ligne d'échange thermique 3,
refroidi puis liquéfié dans cette dernière, puis divisé
en deux flux qui, après détente dans des vannes de
détente respectives 17 et 18, alimentent respectivement
les colonnes 5 et 6.
Le second courant d'air issu du surpresseur
9 est refroidi en 3 jusqu'~ une température intermédiai-
re, puis détendu à la moyenne pression dans la turbine
12 avant d'être envoyé en cuve de la colonne 5.
`Par ailleurs, de l'azote gazeux soutiré de la
tête de la colonne 5 est, après réchauffement partiel en
3, divisé en un premier courant d'azote dè production,
qui est réchauffé jusqu'à la température ambiante puis
récupéré via une conduite 19, et en un second courant
. qui, après détente en 13 au voisinage de la pression
atmosphérique, est réchauffé jusqu'à la température
ambiante en 3, puis récupéré via une conduite 20.
L'oxygène de production est soutiré sous
forme liqulde de la cuve de la colonne basse pression 6,
amené en 14 à la pression de production, vaporisé par
échange de chaleur avec l'air haute pression en 3,
réchauffé jusqu'à la température ambiante et récupéré
sous forme d'oxygène gazeux de production via une
conduite 21.
:1On a également indiqué sur la Figure 1 une
conduite 22 de production d'azote liquide, piquée entre
le sous-refroidisseur 8 et la vanne de détente 16 et
elle-même équipée d'une vanne de détente 23.
La turbine 12 est freinée par un alternateur
24 et, de même, la turbine 13 est freinée par un alterna-
teur 25. Des lignes électriques 26 relient ces deux
alternateurs à un moteur 27 d'entraînement du surpresseur
~;
.,., ..:'".,.,'.
:'

~ 21~ 2 ~ ~
.~.3
11. L'installation ainsi décrite permet d'optimi-
ser le diagramme d'échange thermique de la ligne
d'échange thermique 3, notamment en obtenant des écarts
de température particulièrement réduits dans la partie
froide de celle-ci.
De plus, on remarque que c'est l'air
surpressé en 11 qui ast à la moyenne pression de l'ordre
de 5 bars, de sorte que le compresseur 1 doit amener
l'air atmosphérique à une pression nettement inférieure
à 5 bars, par exemple de l'ordre de 3 bars, et peut donc
être constitué par un appareil très simple tel qu'une
` soufflante de haut-fourneau. Une importante économie
d'investissement est obtenue de cette manière.
L'installation représentée sur la Figure 2 ne
diffère de celle de la Figure 1 que par le fait que le
surpresseur 11 est monté entre l'appareil d'épuration 2
et le surpresseur 9, tandis que la sortie de cet appareil
est directement reliée ~ la ligne d'échange thermique et,
de là, à la cuve de la colonne moyenne pression. Bien
entendu, dans ce cas, le compresseur 1 doit refouler
l'air sous la moyenne pression, et l'économie de taux de
compression est reportée sur le surpresseur 9.
L'installation de la Figure 3 ne diffère de
la précédente que par le fait que le surpresseur 11 est
I monté entre le refoulement du surpresseur 9 et la ligne
¦ d'échange thermique 3, de sorte que le surpresseur 9 est
alimente par de l'air sous la moyenne pression sortant
3 de l'appareil d'épuration 2.
~ L'avantage de cette disposition réside dans
le gain de puissance frigorifique qu'il permet d'obtenir
grâce à la détente d'air dans la turbine 12.
En variante, dans chacune des configurations
decrites ci~dessus, les roues des turbines peuvent etre
calées sur le meme arbre que celle du surpresseur 11,
,.~ ,.,. ~ ,...
`~v",':":

21341 72
auquel cas les alternateurs 24, 25 et le moteur 27 sont
supprimés. I1 peut alors être préférable de remplacer le
surpresseur 11 par deux surpresseurs en serie dont les
roues sont couplées l'une à celle de la turbine 12,
l'autre à celle de la turbine 13.
Dans ce qui précède, il faut comprendre
l'expression "deux surpresseurs en série" comme pouvant
inclure le cas d'un surpresseur unique à deux étages de
compression. Dans le cas des surpresseurs 9 et 10, la
conduite de soutirage intermédiaire est alors une
conduite de soutirage inter-étages.
:
L'invention peut egalement s'appliquer à la
production d'azote gazeux sous une pression supérieure
à la moyenne pression.
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Dessin représentatif