Brevet FR2077442A1 — publié le 19711029

La présente invention se rapporte aux procédés et installations de production d'azote et d'oxygène à partir de l'air, et elle a plus précisément pour objet un perfectionnement aux procé- dés et installations de production d'azote e et d'oxygène dans les- quels sont utilises des frigories dfun courant de gaz naturel liquide, de préférence d'un courant de méthane liquide, disponible dans une autre installation ou provenant d'une installation auxiliaire. On sait qu'il est possible, pour la production d'azote et d'oxygène A partir de l'air, dtutiliser des frigories dlun courant disponible de méthane liquide. Les procédés et dispositifs connus de production d'oxygène et d'azote, dans lesquels sont utilises les frigories d'un courant de méthane liquide, ont toutefois pu être perfectionnés tant en ce qui concerne leur consommation d'énergie quten ce qui concerne la sécurité de leur emploi, et ce perfectionnement fait l'objet de la présente invention. Le-perfectionnement suivant la présente invention engendre un abaissement substantiel de la dépense d'énergie spécifique pour la production d'oxygène et d'azote liquides. I1 entrasse une intégration élevée du procédé auquel il est appliqué car il permet une récupération harmonieuse de l'énergie disponible, et il entrasse, en outre, une réduction importante des frais d'installation. De plus, ce.-perfectionnement permet d'éviter qu'en cas de fuites le méthane ne pénètre dans la colonne de rectification de l'air et d'exclure ainsi les risques d'explosion que le mélange d'oxygène et de méthane implique.Ce perfectionnement rend également possible ltobtention d'oxygène gazeux comprimé sans nécessiter d'échanges de chaleur entre les courants de méthane et d'oxygène-et dans des conditions de consommation d'énergie minima. La présente invention a pour objet un procédé de production d'azote et deoxygène gazeux sous pression à partir d'air dans lequel le reflux de la colonne de rectification est assuré par une fraction liquéfiée du courant d'azote gazeux recueilli en tête de la dite colonne, ce procédé étant caractérisé en ce qu'une première partie de la fraction liquéfiée est obtenue à partir d'une première partie du courant d'azote gazeux qui, après compression et préalablement 9 sa liquéfaction, est refroidie par échange de cha-leur avec un courant de méthane liquide à une pression inférieure à la pression de la dite partie du courant d'azote gazeux. Suivant un mode de réalisation de la présente invention, la compression est effectuée par passage de cette première partie du courant d'azote gazeux dans plusieurs étages de compression séparés les uns des autres par-des réfrigérants. Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention un ou plusieurs de ces-réfrigérants sont refroidis par un ou plusieurs passages de la première partie du courant d'azote gazeux comprimé, chacun de ces passages étant précédé et/ou-suivi d'un échange de chaleur du courant d'azote gazeux comprimé avec le courant de méthane à pression inférieure. Suivant un autre mode encore-de réalis-ation de la présente invention, la dite première parties du courant d'azote gazeux après compression, échanges de-chaleur avec le courant de méthane et passages dans les réfrigérants subit un refroidissement supplémentaire, en dessous de sa température critique,- par échange de chaleur avec un courant de- méthane liquide à la même- pression que precédemment mais à température plus basse. Suivant un mode de réalisation-de la présente invention, la dite première partie du coursant d'azote comprimé et refroidi au dessous de sa température critique subit un refroidissement encore plus poussé-par échange de chaleur avec une ou plusieurs parties du courant d'azote gazeux provenant de la colonne, avec la fraction liquide obtenue en cuve de la dite c-olonne et/ou avec ltensemble du courant d'azote provenant do sommet de 1a dite colonne de rectification. Suivant un autre mode de réalisati-on de la présente invention, la première partie du courant d'azote ayant subi un tel refroidissement plus poussé au-dessous de sa température critique est détendue et introduite à l'état liquide dans la colonne de rectification. Suivant une forme d'exécution de la présente invention, le courant d'azote amené à la compression est obtenu par la réunion de deux courants secôndaires azote provenant du sommet de la dite colonne7 l'un d'eux ayant partiellement servi a assurer le refroidissement durcourantw d'air d'introduction, l'autre ayant partiellement assuré le refroidissement plus poussé de la première partie du courant d'azote gazeux. De préférence la deuxième partie de la fraction liquéfiée est obtenue à partir d'une deuxième partie du courant d'azote gazeux comprimée à une pression intermédiaire par passage dans une partie des dits étages de compression puis condensée par échange de chaleur avec la fraction liquide en fond de cuve. Suivant un mode de réalisation de la présente invention, la deuxième partie de la fraction liquéfiée ainsi obtenue est détendue avant son introduction dans la colonne de rectification. Suivant un autre mode de réalisation, cette deuxième partie de la fraction liquéfiée, préalablement à la détente précitée est sous refroidie. Suivant un autre mode encore de réalisation, la partie du courant d'azote gazeux à pression intermédiaire, préalablement à sa condensation, est refroidie par une partie au moins du courant d'azote recueilli en tête de la colonne et/ou par la fraction liquide comprimée retirée de la cuve de la colonne. De préférence, le refroidissement du courant d'air dtintroduction et le refroidissement de la partie du courant d'azote à pression intermédiaire sont effectués simultanément par réchauffement de la partie du courant d'azote précitée et de la fraction liquide comprimée retirée de la cuve de la colonne. Suivant une autre forme d'exécution de la présente invention, dans le cas où il est nécessaire de faire un appoint d'azote dans le méthane pour abaisser son pouvoir calorifique, l'azote sera pris a la sortie du premier étage de compression, refroidi en contre courant d'une partie du méthane se vaporisant, et injecté dans le méthane liquide. L'invention a également pour objet toute installation pour la conduite du procédé décrit ci-dessus. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description et des figures jointes, non limitatives, suivantes. Les figures jointes représentent deux modes difçérents de réalisation d'une installation pour la conduite du procédé suivant la présente invention. Sur la figure 1, de ltair amené par une conduite 1 est comprimé dans un compresseur 2 à 1,8 ata puis est débarrassé de ses impuretés en eau et C02 dans un dispositif dtépuration 3. Cet air épuré est refroidi dans un échangeur 4 à - 120 C par échange de chaleur avec les produits sortants et est porté dans un échangeur 5 à - 1770C par échange de chaleur avec d'une part une fraction liquide à - 175 C, retirée-d'une colonne de rectification 7 par une conduite 6 et comprimée à 0 ata par une pompe 8, et autre part avec une partie du courant d'azote gazeux retiré à - 194 C environ du sommet de la colonne 7 par une conduite 9, réchauffée à - 1820C dans un échangeur 10 et amenée à l'é- changeur 5 par une conduite 11. Une partie du courant d'azote gazeux de la conduite 11, après passage dans l'échangeur 5, ainsi que la fraction liquide de la conduite 6 sont conduites dans l'échangeur 4 par des conduites 11' et 6' puis vers l'atmosphère ou vers l'utilisation par des conduites 11" et 6". Une autre partie du courant d'azote de la conduite Il est réunie par la conduite 12 à une partie du courant d'azote de la conduite 13 provenant du sommet de la colonne 7 par la conduite 9, réchauffée à - 1820C dans l'échangeur 10 puis portée à - 139 C environ par passage dans l'échangeur 28. Le courant ainsi obtenu, à - 1390C, est amené par une conduite 14 dans un réfrigérant 15 situé entre deux étages de compression 18 et 19 puis est conduit à - 100 C successivement aux étages de compression 16 et 17. Ce courant d'azote quitte le compresseur 17 à une température de - 250C et à une pression de 6 ata, puis est refroidi à - 1000C par passage dans un réfrigérant 21. Ce courant est alors divisé en deux parties. Une première partie de ce courant passe dans un compresseur 18, dont elle sort à 15 ata, et à - 200C, elle est refroidie dans le réfrigérant 15 puis passe dans un compresseur 19, dont elle sort a 40 ata avant d'être introduite dans un échangeur 25 à contre courant de méthane liquide à 30 ata et - 149 C environ. Cette première partie de courant, à - 144 C environ, est alors amenée par la conduite 101 a un réfrigérant 20 dans lequel elle se réchauffe i - 300C par échange de chaleur avec le courant d'azote gazeux sortant du compresseur 16., puis est ramenée à l'é- changeur 25 par la conduite 102-et en ressort a - 144 C pour être conduite par 103 à un réfrigérant 21, et à nouveau ramenée dans l'échangeur 25 par la conduite îofr. Elle quitte alors l'échangeur 25 pour entrer à - 144 C dans un échangeur 26 dans lequel elle est refroidie en dessous de sa température critique par échange avec un courant de méthane à 30 ata et à - 1580C environ. Le courant d'azote refroidi en dessous de sa température critique, qui quitte l'echangeur 26 par la conduite 27 subit un ou plusieurs refroidissements plus poussés successivement dans un échangeur 28, dans un serpentin 29 et dans un échangeur 10 avant d'être détendu à 1,8 ata et introduit liquide dans la colonne en tant que reflux. La deuxième partie du courant quittant le réfrigérant 21 est amenée par une conduite 23 à l'échangeur 5 dont elle sort à - 1770C, puis est condensée en fond de cuve dans un serpentin 24 et introduite à - 1770C dans l'échangeur 10 dont elle sort à - 1860c avant d'être détendue à 1, 8 - ata et introduite dans la colonne, par la conduite 30, en tant que reflux. Le courant de méthane utilisé dans les échangeurs 25 et 26, amené à - 1610C environ par une conduite 31, est comprimé dans la pompe 32 å une pression de 30 ata. Ce courant est alors divisé deux parties. L'une d'elles par la conduite 33 est introduite dans l'échangeur 26, qui assure le refroidissement en dessous de la température critique du courant d'azote comprimé, et quitte cet échangeur par la conduite 34. L'autre partie réunie au courant de méthane amené par la conduite 34 est amenée par la conduite 35 dans l'échangeur 25 qu'elle quitte par la conduite 36. La pompe 37 remonte le courant de méthane à sa pression d'utilisation. La figure 2 correspond un autre mode de réalisation de l'installation décrite ci-dessus suivant lequel il est nécessaire de faire un appoint d'azote dans le méthane pour abaisser son pouvoir calorifique. En ce cas l'azote d'appoint est pris en 22 à la sortie du premier étage de compression 16 après passage dans le réfrigérant 20. Cet azote est refroidi dans l'échangeur 38 à contre courant d'une partie du méthane se vaporisant et injecté par la conduite 39 dans le courant de méthane liquide comprimé par une pompe 40 à une pression intermédiaire. Les parties corrsspondantes des figures 1 et 2 portent les mêmes chiffres de référence. I1 a été possible de constater par comparaison avec les pro cedés connus que le procédé suivant la présente invention permet tit d'abaisser la dépense d'énergie spécifique nécessaire pour obtenir de l'oxygène gazeux comprimé à 40 ata. On a pu vérifier que la dépense d'énergie spécifique d'une installation suivant la présente invention est de 0,50 kWh environ par Nm3 d'oxygène gazeux comprimé alors qu'elle est de o,65 klEh par Nm3 d'oxygène comprimé pour les installations et procédés connus. Bien entendu, l'invention n'est -pas limitée aux modes de réa- lisation représentés, elle est susceptible de nombreuses autres variantes accessibles à l'homme de l'art suivant les applications envisagées, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS L'invention a pour objet 1) Un procédé de production d'azote et ltoxygène gazeux sous pression à partir d'air dans lequel le reflux de la colonne de rectification est assuré par une fraction liquéfiée du courant d'azote gazeux recueilli en tête de la dite colonne, ce procédé étant caractérisé en ce qu'unie première partie de la fraction liquéfiée est obtenue à partir d'une première partie du courant d'azote gazeux qui, après compression et préalablement à sa liquéfaction, est refroidie par échange de chaleur avec un courant de méthane liquide à une pression inférieure a la pression de la dite partie du courant d'azote gazeux. 2) Un mode de réalisation du procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la compression est effectuée par passage de cette première partie du courant d'azote gazeux dans plusieurs étages de compression séparés les uns des autres par des réfrigérants. 3) Un autre mode de réalisation du procédé suivant les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que un ou plusieurs de ces réfrigérants sont refroidis par un ou plusieurs passages de la première partie du courant d'azote gazeux comprimé, chacun de ces passages étant précédé et/ou suivi d'un échange de chaleur du courant d'azote gazeux comprimé avec le courant de méthane à pression inférieure. 4) Un autre mode encore de réalisation du procédé suivant les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que la dite première partie du courant d'azote gazeux après compression, échanges de chaleur avec le courant de méthane et passages dans les réfrigérants subit un refroidissement supplémentaire, en dessous de sa température critique, par échange de chaleur avec un courant de méthane liquide à la même pression que précédemment mais a température plus basse. 5) Un procédé suivant une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la dite première partie du courant d'azote comprimé et refroidi au dessous de sa température critique subit un refroidi dissement encore plus poussé par échange de chaleur avec une ou plusieurs parties du courant d'azote gazeux provenant de la colonne avec la fraction liquide obtenue en cuve de la dite colonne et/ou avec l'ensemble du courant d'azote provenant du sommet de la dite colonne de rectification. 6) Un mode de réalisation du procédé suivant une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la première partie du courant d'azote, ayant subi un tel refroidissement plus poussé au dessous de sa température critique, est détendue et introduite à l'état liquide dans la colonne de rectification. 7) Un procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la deuxième partie de la fraction liquéfiée est obtenue à partir d'une deuxième partie du courant d'azote gazeux comprimée à une pression intermédiaire par passage dans une partie des dits étages de compression puis condensée par échange de chaleur avec la fraction liquide en fond de cuve. 8) Un mode de réalisation du procédé suivant la revendication 7 caractérisé en ce que la deuxième partie de la fraction liquéfiée ainsi obtenue est détendue puis introduite dans la colonne de rectification. 9) Un autre mode de réalisation du procédé suivant les revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que cette deuxième partie de la fraction liquéfiée, préalablement à la détente précitée est sous refroidie. 10) Un autre mode encore de réalisation suivant les revendications 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que la partie du courant d'azote gazeux à pression intermédiaire, préalablement a sa condensation, est refroidie par une partie au moins du courant d'azote recueilli en tête de la colonne et par la fraction liquide comprimée retirée de la cuve de la colonne. 11) Un mode de réalisation suivant une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que dans les cas où il est nécessaire de faire un appoint d'azote dans le méthane pour abaisser son pouvoir calorifique, l'azote sera pris a la sortie du premier étage de compression, refroidi en contre courant d'une partie du méthane se vaporisant, et injecté dans le méthane liquide. 12) Une installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 11.