Brevet FR2060184A1 — publié le 19710618

. La présente invention a pour objet un procédé et une installation pour l'obtention d'oxygène et d'une forte proportion d'azote, d'une part sous forme liquide, d'autre part sous forme gazeuse à un ou plusieurs niveaux de pressions, à partir de l'air et d'une 5 source de frigories disponibles, par exemple celles d'un gaz naturel liquéfié en revaporisation. La production simultanée d'oxygène et-d.'une foyte proportion d'azote, purs, sous forme liquide ou gazeuse sous pression peut être obtenue à l'aide de différents procédés et installations 10 connus. Ainsi, il est possible d'opérer en deux étapes par compression de l'air à une pression de 6 bars par exemple, épuration de l'air, refroidissement, condensation partielle et distillation dans une double colonne dont la basse pression est peu supérieure à la pression 15 atmosphérique. Cependant, les gaz ainsi obtenus sont, pour la plupart, produits à basse pression; en outre, la quantité de gaz produite directement sous pression ou sous forme liquide est dans tous les cas extrêmement limitée. Les gaz en basse pression doivent être recomprimés, en fait, à unejoression élevée- et ceux destinés à être 20 obtenus sous forme liquide doivent être traités dans un appareil de liquéfaction. Il est également possible d'opérer directement à pression élevée ou moyenne. La puissance frigorifique nécessaire est alors assurée soit par la détente avec travail extérieur d'une partie de l'air 25 traité au préalable/comprimé à très haute pression (100 à 200 bars), soit à partir d'un cycle frigorifique avec travail extérieur traitant de l'air épuré,que l'on recycle, ou de l'azote. Les procédés connus ne s'avèrent pas complètement satisfaisants dans le cas où l'on veut produire de l'oxygène et une forte 30 proportion d'azote sous forme gazeuse et sous pression et/ou sous forme liquide. Ils nécessitent en" fait uœ consommation d'énergie spécifique relativement élevée et des investissements importants. La présente invention permet de pallier ces inconvénients et, en outre conduit à certains avantages supplémentaires tels que sim-35 plicité de marche et souplesse à condition de disposer d'une source de frigories extérieures. Cette invention, en effet, permet de limiter au minimum les compressions de gaz, de conduire ces compressions à basse température aussi 69 30785 2 20 6 ai 8 4 souvent que possible, de diminuer le nombre et la puissance totale installée des machines, de limiter de façon importante la" taille des échangeurs (grâce au traitement des gaz sous'pression ou en "liquéfaction-vaporisation" dans la ligne d'échange principale')'. 5 Cette invention'permet également de simplifier la marche d'unë installation de production d'oxygène et d'une forte proportion d'azote, sous forme gazeuse et sous pression et/ou sous formé "liquide, car une telle installation ne nécessite plus qu'un nombre faible de compresseurs et une seule turbine, ces machines étant en général du 10 type centrifuge. En outre, la souplesse d'une telle installation est telle que les divers produits peuvent être obtenus avec des quantités de frigories' extérieures très variables, pouvant même s'annuler le cas échéant. De plus, les proportions entre les diverses productions 15 peuvent varier dans de très larges limites. La présente invention a pour objet un procédé pour l'obtention d'oxygène et d'une forte proportion d'azote, éventuellement d'une part sous forme liquide et, d'autre part sous forme gazeuse à un ou plusieurs niveaux de pression, dans lequel une partie de l'azote 20 gazeux pur rechauffé provenant du stade de séparation, éventuellement réunie à une partie dé cet azote gazeux prélevée avant rechauffage total, est comprimée, refroidie et condensée par échange avec un gaz naturel liquide en revaporisation, sous refroidie et détendue, une partie de la fraction liquide détendue ainsi obtenue étant 25 au moins utilisée pour assurer le reflux dudit stade de séparation et la fraction vaporisée éventuellement obtenue au oours de ladite détente 'étant éventuellement réunie à l'azote à comprimer préalablement à ladite compression. Suivant une forme d'exécution de la présente invention, ledit 30 sous refroidissement préalable à la détente est obtenu par passage à contre-courant de la fraction vaporisée au cours de ladite détente ou par échange avec la fraction d'oxygène pur liquide obtenue dans ladite séparation. Suivant un mode de réalisation de la présente invention, une 35 partie au moins de la fraction liquéfiée ainsi détendue est au moins en partie utilisée pour obtenir une fraction d'azote pur liquide détendue, cette fraction liquide étant au préalable sous refroidie à contre-courant' d'une fraction vaporisée au cours de ladite détente ultérieure„ 69 30785 3 2060184 Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, une partie de l'oxygène liquide pur provenant de ladite séparation est comprimée, rechauffée et vaporisée, l'autre partie étant sous refroidie à contre-courant d'une fraction vaporisée au.cours de la 5 détente ultérieure et partiellement obtenue détendue à l'état liquide . Suivant une forme d'exécution de l'invention, la compression de l'azote gazeux rechauffé est effectuée en une seule étape ou en plusieurs étapes distinctes et, de préférence, en deux étapes, par 10 passage à une pression intermédiaire. Suivant une autre forme d'exécution de l'invention, l'azote gazeux, comprimé, refroidi et condensé par échange avec un gaz naturel liquide en revaporisation,est sous refroidi en au moins deux étapes avant deux détentes successives; la fraction vaporisée au 15 cours de la première détente et ayant effectué le premier sous refroidissement, est réunie à une partie de l'azote comprimé à-pression intermédiaire, puis liquéfiée, de préférence par échange avec l'oxygène liquide pur provenant de la séparation,ensuite sous refroidi^ de préférence par échange au moins avec l'azote gazeux pur 20 provenant de la séparation, et enfin réunie à la fraction liquide, obtenue après la première détente, avant que celle-ci ne subisse ladite deuxième détente. Suivant un mode de réalisation de l'invention, ladite séparation est effectuée par distillation cous une seule pression ou par 25 distillation sous deux pressions différentes. Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, préalablement à la séparation par distillation, "l'air est comprimé à un premier niveau de pression, épuré, puis refroidi par échange avec une fraction de gaz naturel et, enfin comprimé à un niveau 30 de pression supérieur. Suivant un mode de réalisation de l'invention, on obtient un ou plusieurs des composants suivants : azote et oxygène purs liquides à pression relativement basse ( ression atmosphérique par exemple), azote et oxygène purs gazeux à pression moyenne (de l'ordre 35 d.e 5 bars par exemple), azote et oxygène gazeux purs à pressions élevées éventuellement différentes (telles que à des pressions respectivement de 15 et 40 bars):par détente d'une partie de l'oxygène pur liquide provenant de la séparation, après sous refroidissement par lés fractions gazeuses dues à la détente; par détente d'une 69 30785 4 2060184 partie de l'azote liquide pur provenant, sous la forme gazeuse, de la séparation et ayant été comprimée en une ou plusieurs étapes à ladite pression élevée, puis refroidie et liquéfiée par échange avec du gaz naturel liquide en revaporisation et détendue en une 5 ou plusieurs étapes après un ou plusieurs sous refroidissements avec les fractions gazeuses obtenues au cours desdites détentes-; par vaporisation et réchauffement d'une partie de l'oxygène pur liquide provenant de la séparation; par réchauffement d'une partie de l'azote gazeux pur provenant de la séparation; par compression d' .10 une partie de l'oxygène pur liquide provenant de la séparation puis vaporisation et réchauffement; par compression d'une partie de 1' azote pur gazeux provenant de la séparation au préalable au moins en partie complètement rechauffé. La présente invention a également pour objet toute installa-15 tion pour la conduite du"procédé suivant la présente invention. D'autres buts et avantages suivant la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre non limitatif. La figure 1 représente un mode de réalisation d'une installa-20 tion suivant la présente invention, .comportant une double colonne de distillation et un seul stade de compression de l'azote pur gazeux. La figure 2 représente un autre mode de réalisation d'une installation suivant la présente invention, comportant une colonne de 25 distillation sous une simple pression et deux stades de compression de l'azote pur gazeux. La figure 1 représente une application du " procédé "dans le cas où l'on désire produire simultanément de l'oxygène gazeux sous 5 et 40 bars, de l'azote gazeux sous 5 et 15 bars, de l'oxygène et de 1' 30 azote liquides, en utilisant les frigpries d'un gaz naturel liquéfié en revaporisation. L'air à traiter entre dans l'unité en (l) après filtrage. Il est comprimé à 6 bars dans les premiers étages du compresseur isotherme (2) puis épuré de l'eau et du gaz carbonique par adsorption 35 de ces impuretés dans le stade d'épuration (3). Il est ensuite refroidi à -100°C environ dans l'échangeur (4) traversé par une fraction du gaz naturel, puis réintroduit par la ligne (5) dans les étages supérieurs du compresseur (2) d'où il sort 9. la pression de 15 bars environ. Il est ensuite introduit par 69 30785 5 2060184 la ligne (6) dans les échangeurs (7) dans lesquels il est refroidi et partiellement liquéfié. Il pénètre par la ligne (8) dans la colonne moyenne pression (9) où il subit une première rectification. - 5 On extrait de cette colonne trois fractions liquides : une fraction riche en oxygène (ligne 10), une fraction azote pur (ligne 11) et une fraction de composition intermédiaire (ligne 12). Ces trois fractions sont refroidies dans les échangeurs (13) à contre-courant des produits sortants, avant introduction dans la 10 colonne (14). A la base de celle-ci on extrait : - de l'oxygène pur gazeux sous 5 bars (ligne 15) réchauffé ensuite dans la ligne d1 échange 7; - de l'oxygène liquide (ligne 16): 15 - une fraction de celui-ci est comprimée "à-40 bars dans les pompes 17 puis vaporisée et réchauffée dans les échangeurs 7. - une deuxième fraction est dirigée vers le sous refroidisseur 19 dans lequel elle se refroidit en contre-courant de la fraction vaporisée dans la détente qui suit cet échangeur. 20 La fraction vaporisée est ramenée dans le faisceau d'azote "impur" (ligne 20). A la partie intermédiaire de la colonne 14 on extrait l'azote "impur" qui est réchauffé dans les échangeurs 13 et une partie des échangeurs 7 avant d'être détendu dans la turbine 21 puis réchauffé 25 dans la ligne 20. Au sommet, on extrait la fraction azote pur par la ligne 22; elle est réchauffée dans les échangeurs 13 puis sort sous une pression de 5 bars (ligne 23). Une partie de cette fraction est prélevée (ligne 24) sur les échangeurs 7 avant réchauffage total, puis 30 mélangée à une partie de l'azote obtenu au bout chaud des échangeurs 7. Après mélange avec l'azote froid à 5 bars de la ligne 25 (Cf. plus loin), cette fraction est comprimée dans le compresseur26 fonctionnant à basse température. 35 Au cours de la compression dans le compresseur 26, on prélève une fraction d'azote à 15 bars livrée directement à l'utilisation (ligne 27). Le reste de l'azote est comprime à 40 bars puis refroidi et condensé dans 1'échangeur (28) à contre-courant du gaz naturel à 69 30785 6 206Q184 70 bars en vaporisation. Cet azote liquéfié est sous-refroidi. dans 1'échangeur (29) à contre-courant de la fraction vaporisée au cours de la détente à 5 bars qui suit cet échangeur. La fraction vaporisée est ramenée 5 à l'aspiration du compresseur (26) par la ligne (25). L'azote liquide à 5 bars obtenu dans le séparateur (30) a deux destinations : - une partie est dirigée par la ligne (31) vers le sous refroi-disseur (32) puis détendue. La fraction liquide ainsi recueillie -10 dans le séparateur (33) est livrée à l'utilisation.. La fraction vaporisée au cours de la détente rejoint l'azote "impur" par la ligne (20). - l'autre partie est envoyée par la ligne (34) en reflux de la colonne (14)« 15 La figure 2 représente une variante de l'installation de la figure 1 ne différant de l'installation de la figure 1 que par les points principaux suivants : - l'air n'est comprimé que vers 5 bars dans un compresseur à un seul corps puis épuré, 20 - après refroidissement dans les échangeurs 7 l'air en partie liquéfié est directement introduit dans la colonne (14), - la partie de production frigorifique qui était assurée par la compression de l'air traité de 5 à 15 bars est remplacée par un cycle d'azote entre 5 et 15 bars. L'azote à 15 bars est prélevé 25 d'une part au refoulement du premier corps du compresseur 26, d'autre part dans le pot séparateur (30) à 15 bars. Après refroidissement dans les échangeurs (7) il est liquéfié dans le bain d'oxygène, en cuve de la colonne (14) et sous-refroidi dans (13). Il est alors repris, après vaporisation dans la colonne (14), 30 par les faisceaux (23) et (24) ainsi que par la faisceau (25). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans s'écarter pour cela de l'esprit de 1' invention. Ainsi, le cycle azote suivant la figure 2 peut être uti-35 lisé dans le cas de la figure 1. Dans ce cas, l'azote à 15 bars est introduit dans la colonne 9 et liquéfié au sommet au contact de l1 * oxygène liquide. Après un sous-refroidissement dans (13), il peut également être introduit après détente à 5 bars dans la colonne (14) et participer ainsi à la rectification. 69 30785 7 2060184 Notamment, l'énergie nécessaire à la compression de l'azote gazeux pur peut être au moins en partie produite par détente d'un fluide parcourant un cycle auxiliaire, subissant au préalable refroidissement et condensation par échange thermique arec ladite 5 source de frigories disponibles, compression par pompe et vaporisation. Ce fluide parcourant le cycle auxiliaire peut être un constituant unique tel que éthylène, étnane, propane; il peut être également composé d'au .noins deux constituants, tel qu'un mélange éthane-propane-butane. La détente dans la turbine peut s'accompa-10 gner d'une liquéfaction partielle. Ladite vaporisation succédant à la compression du fluide parcourant le cycle auxiliaire est obtenue par échange thermique avec un courant à une température supérieure et notamment à l'aide de vapeurs résiduelles de soutirage du cycle de vapeur générateur d'énergie pour la compression de 1' 15 air préalablement au traitement de séparation de l'air» 69 30785 8 2060184 REVENDICATIONS 1) Procédé pour l'obtention d'oxygène et d'une forte proportion d'azote, éventuellement d'une part sous forme liquide et, d'autre part sous forme gazeuse à un ou plusieurs niveaux de pression, dans 5 lequel une partie de l'azote gazeux pur réchauffé provenant du stade de séparation, éventuellement réunie à une partie de cet azote gazeux prélevée avant rechauffage total, est comprimée, refroidie et condensée par échange avec un gaz naturel liquide en revaporisation, sous-refroidie et détendue, une partie de la fraction liquide -10 détendue ainsi obtenue étant au moins utilisée pour assurer le reflux dudit stade de séparation et la fraction vaporisée éventuellement obtenue au cours de ladite détente étant éventuellement réunie à l'azote à comprimer préalablement à ladite compression. 2) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que 15 ledit sous-refroidissement préalable à la détente est obtenu par passage à contre-courant de la fraction vaporisée au cours de la dite détente ou par échange avec la fraction d'oxygène pur liquide obtenue dans ladite séparation. 3) Procédé suivant les revendications 1 ou 2 caractérisé en 20 ce qu'une partie au moins de 1a. fraction liquéfiée ainsi détendue est au moins en partie utilisée pour obtenir une fraction d'azote pur liquide détendue, cette fraction liquide étant au préalable sous-refroidie à contre-courant d'une fraction vaporisée au cours de ladite détente ultérieure. 25 4) Procédé suivant une des revendications 1, 2 ou 3> caracté risé en ce qu'une partie de l'oxygène liquide pur provenant de la dite séparation est comprimée, rechauffée et vaporisée, l'autre partie étant sous-refroidie à contre-courant d'une fraction vaporisée au cours d'une détente ultérieure et partiellement obtenue détendue 30 à l'état liquide. 5) Procédé suivant une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la compression de l'azote gazeux rechauffé est effectuée en une seule étape ou en plusieurs étapes distinctes et, de préférence, en deux étapes, par passage à une pression intermédiaire. 35 6) Procédé suivant une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'azote gazeux, comprimé, refroidi et condensé par échange avec un gaz naturel liquide en revaporisation,est sous-refroidi en au moins deux étapes avant deux détentes successives; la fraction vaporisée au cours de la première détente et ayant effectué le 69 30785 2060184 premier sous-refroidissement, est réunie à une partie de l'azote comprimé à pression intermédiaire, puis liquéfiée, de préférence par échange avec l'oxygène liquide pur provenant de la séparation,, ensuite sous-refroidie, de préférence par échange au moins avec 1' 5 azote gazeux pur provenant de la séparation, et enfin réunie à la fraction liquide, obtenue après la première détente, avant que celle-ci ne subisse ladite deuxième détente. 7) Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite séparation est effectuée par distilla- 10 tion sous une seule pression ou par distillation sous deux pressions différentes. 8) Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, préalablement à la séparation par distillation, l'air est comprimé à un premier niveau de pression, épuré, 15 puis refroidi par échange avec une fraction de gaz naturel et, enfin comprimé à un niveau de pression supérieur. 9) Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on obtient un ou plusieurs des composants suivants : azote et oxygène purs liquides à pression relativement 20 basse (pression atmosphérique par exemple), azote et oxygène purs gazeux à pression moyenne (de l'ordre de 5 bars par exemple), azote et oxygène gazeux purs à pressions élevées éventuellement différentes (telles que à des pressions respectivement de 15 et 40 bars): par détente d'une partie de l'oxygène pur liquide provenant de la 25 séparation, après sous-refroidissement par les fractions gazeuses dues à la détente; par détente d'une partie de l'azote liquide pur provenant, sous la forme gazeuse, de la séparation et ayant été comprimée en une ou plusieurs étapes à ladite pression élevée, puis refroidie et liquéfiée par échange avec du gaz naturel liquide en 30 revaporisation et détendueen une ou plusieurs étapes après un ou plusieurs sous-refroidissements avec les fractions gazeuses obtenues au cours desdites détentes; par vaporisation et réchauffement d'une partie de l'oxygène pur liquide provenant de la séparation; par réchauffement d'une partie de l'azote gazeux pur provenant de 35 la séparation; par compression d'une partie de l'oxygène pur liauide provenant de la séparation puis vaporisation et réchauffement; par compression d'une partie de l'azote pur gazeux' provenant de la séparation au préalable au moins en partie complètement rechauffé . 69 30785 10 2060184 10) Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que 1'énergie nécessaire à la compression de l1 azote gazeux pur est au moins en partie produite ..par détente d'un fluide d'un cycle auxiliaire,subissant au préalable refroidisse- 5 ment et condensation par échange thermique avec .ladite source de frigories disponibles, compression par pompe et vaporisation. 11) Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite vaporisation succédant à la compression du fluide parccmant le cycle auxiliaire est obtenue par échan- 10 ge thermique avec un courant à une température supérieure et notamment à l'aide de vapeurs résiduelles de soutirage du cycle de vapeur générateur d'énergie pour la compression de l'air préalablement au traitement de séparation de l'air» 12) Toute installation pour la conduite du procédé suivant une 15 quelconque des revendications 1 à 11.