Brevet FR2085610A1 — publié le 19711224

la présente invention concerne la production de l'oxygène, notamment d'un oxygène de faible pureté. Il existe un certain nombre de procédés 5 industriels "bien établis, utilisant de grandes quantités d'air, qui peuvent devenir plus rentables lorsque l'air est enrichi d'oxygène. Par exemple, dans l'industrie de l'acier, il est intéressant d'utiliser de l'air d'alimentation des hauts fourneaux, enrichi d'oxygène. L'enrichissement en oxy-10 gène peut également être économiquement avantageux dans les fours de fusion du verre, le raffinage par chauffage du cuivre, et de nombreux procédés associés aux industries pétrochimiques et de craquage du pétrole. L'oxygène provenant de l'appareil de sé-15 paration d'air est souvent mélangé avec des quantités variables d'air pour produire un courant d'air enrichi pouvant renfermer de 25 % à 35 % d'oxygène. La pureté de l'oxygène produit à partir de l'installation de séparation d'air détermine la quantité d'air que l'on doit ajouter pour produire un cou-20 rant d'air final enrichi. Le prix de revient total de la production du courant d'air enrichi est ainsi fonction du prix de revient de l'oxygène provenant de l'appareil de séparation d'air, du coût de la compression de l'oxygène à la pression de distribution de l'air enrichi et du coût de la compression 25 de l'air qui est mélangé avec l'oxygène à la pression de distribution de l'air enrichie La pression sous laquelle on utilise en 2 général l'air enrichi est inférieure à 3»5 kg/cm , par exemple, lorsqu'on insuffle de l'oxygène enrichi dans un haut four-30 ne au produisant du fer, ou dans le raffinage par chauffage du cuivre.■ L'invention se propose d'offrir des moyens de production d'un courant d'oxygène renfermant jusqu'à 70 % d'oxygène, sous une pression suffisamment élevée pour qu'on puisse l'utiliser directement, sans avoir à comprimer le gaz oxygène dans 35 un. compresseur d'oxygène. Selon l'invention, on obtient de 1'oxygèœ de faible pureté à partir du fractionnement de l'air dans une installation fonctionnant selon un cycle à pression fractionnée, de l'air introduit sous faible pression passant, après refroi-40 dissement, dans une colonne de fractionnement haute pression, 71 08893 2 2085610 et de l'air introduit sous haute pression passant, après refroidissement dans un vaporiseur de produits dans lequel il se condense partiellement au contact du produit d'oxygène en ébullition, la fraction liquide étant alors refJb.id.ie ebrapide-5 ment détendue à la pression d'une colonne "basse pression,pour être admise dans ladite colonne de fractionnement "basse pression. Une portion prépondérante de la fraction de vapeur de l'alimentation haute pression peut être réchauffée 10 et détendue pour assurer la réfrigération de l'installation, et une faible portion peut se condenser au contact d'azote résiduel, et se combiner avec la fraction liquide surrefroidie. Une caractéristique importante préférée du cycle consiste en ce qu'un premier rebouilleur/condenseur ex-15 térieur assure l'alimentation en vapeur montante de la colonne sous faible pression lorsque du liquide brut provenant du pied de la colonne sous haute pression se vaporise à 1'encontre de la condensation d'azote, et en ce qu'un second rebouilleur/con-denseur condense l'azote restant provenant de la colonne sous 20 haute pression à 1*encontre d'un courant d'air liquide bouillant. On peut prélever un courant d'oxygène liquide du pied de la colonne de distillation faible pression, et le faire passer par une pompe où sa pression s'élève à la pression requise de distribution du produit d'oxygène et l'on 25 peut vaporiser le produit d'oxygène dans un rebouilleur/condenseur, de la chaleur se dégageant du courant d'air sous haute pression qui se condense. Une telle installation peut fournir un produit à base d'oxygène présentant une teneur en oxygène pou- 30 vant atteindre 70 %. La pression d'oxygène est déterminée par la pression du courant d'air sous haute pression, par exemple * 2 de l'oxygène à 3,5 kg/cm peut être produit avec une pression p d'air sous haute pression de 8,35 kg/cm pénétrant dans la boîte réfrigérante. La limite de pureté de 1'oxygène à 70 % 35 est déterminée par l'équilibre entre le liquide et la vapeur sur le plateau inférieur de la colonne de distillation à faible pression et l'équilibre des masses au voisinage du pied de la la colonne basse pression. L'utilisation du courant d'oxygène brut vaporisé pour l'alimentation en vapeur du pied de la co-4-0 lonne basse pression établit une limite supérieure d'environ 71 08893 3 2085610 70 % d'oxygène pour 1s liquide recueilli au pied de la colonne "basse pression. La description détaillée qui va suivre, et les dessins annexés donnés uniquement à j?itre d'exemples non 5 limitatifs, feront "bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins annexés : la figure 1 est un diagramme de circulation de l'ensemble de 11 installation ; et la figure 2 représente une variante de 10 l'installation de la figure 1. En se référant à la figure 1, de l'air pénètre dans l'installation à deux niveaux de pression, en provenance d'un compresseur basse pression E101 et d'un compresseur haute pression K102. Juste un peu plus de la moitié de la tota- 15 lité de l'air de l'installation, l'air basse pression, est dé- 2 livré sous 3,8 kg/cm . Il est refroidi dans des échangeurs de chaleur basse pression réversibles ELOl et E102, et envoyé directement dans une colonne de fractionnement haute pression C101. 20 Les échangeurs de chaleur réversibles sont des moyens bien connus pour refroidir le courant d'alimentation d'une installation à basse température rencontrant des courants fthauffants en provoquant en même temps le retrait d'impuretés à point d'ébullition élevé du courant de refroidissement, et leur 25 sublimation dans l'un des courants de chauffage basse pression par commutation des passages du courant de refroidissement et du courant de chauffage particulier à intervalles réguliers® Cette commutation des deux courants entre des ensembles de passages identiques dans l'échangeur de chaleur a lieu grâce à 50 des soupapes de commutation à l'extrémité chaude de l'échangeur de chaleur et des soupapes de retenue automatiques à l'extrémité froide de l'échangeur de chaleur. Dans la présente installation, les courants d'air et d'azote résiduel sont commutés à intervalles réguliers pour éliminer l'eau et le gaz carboni-55 que des courants d'air. Le reste de l'air de l'installation,l'air sous haute pression, est délivré sous une pression de 7»65 kg/ 2 cm . Il est refroidi dans des échangeurs de chaleur réversibles E103 et E104, et il pénètre dans un vaporiseur de produit E109 40 où. il se condense partiellement au contact du produit d'oxygène 71 08893 4 2085610 liquide 'bouillant. Le mélange d'air à deux phases ofctenu passe dans un séparateur de phase C110. La fraction d'air liquide, environ 75 % de la totalité du courant d'air haute pression, est envoyée à travers un surrefroidisseur E108, où il se re-5 froidit au contact du courant d'oxygène liquide produit, puis il se détend brusquement à la pression de la colonne basse pression, et passe dans un séparateur C107. La portion liquide du courant qui provient du séparateur C107 traverse un refconilleur/ condenseur extérieur E106, dans lequel enviïon 88 % du courant 10 se vaporise en rencontrant de l'azote, qui se condense, provenant de la tête de la colonne haute pression C101. Les fractions d'air liquide et d'air sous forme de vapeur provenant du séparateur C107 pénètrent alors dans une colonne de fractionnement basse pression C102. La pression de fonctionnement de la 15 colonne basse pression est de 1,50 kg/cm en son pied. De l'oxygène liquide brut renfermant 44 % d'oxygène, prélevé au pied de la cplonne haute pression 0101 se refroidit en rencontrant l'azote résiduaire provenant de la tête de la colonne basse pression dans le surrefroidisseur prin-20 cipal E105. Des hydrocarbures sont alors extraits dans des -- ad— sorbeurs C105» et le liquide brut est détendu brusquement à la pression de la colonne basse pression, et envoyé dans un séparateur C108. Le courant liquide provenant du séparateur C108 vaporisé dans l'essentiel dans un rebouilleur/condenseur ex-25 térieur E107, en rencontrant de l'azote qui se condense, provenant de la tête de la colonne haute pression, et l'ensemble du flux provenant du séparateur C108 pénètre dans le pied de la colonne basse pression C102. Un faible courant de purge liquide est prélevé du séparateur C108 pour atteindre le pied de la co-30 lonne, en contournant le rebouilleur/condenseur E107, pour empêcher la formation éventuelle d'hydrocarbures. La pression de fonctionnement de la colonne p haute pression C101 est de 3,4 kg/cm à sa tête. Du gaz azote quittant la tête de la colonne haute pression C101 se condense 55 totalement dans les rebouilleurs/condenseurs extérieurs E106 et E107, et une partie de celui-ci forme le reflux pour la colonne haute pression 0101. La partie restante est surrefroidie au contact de l'azote résiduaire provenant de la tête de la colonne basse pression 0102 dans le refroidisseur principal E105, et il 40 se détend à la pression de la colonne basse pression, pour former 71 08893 5 2085610 le reflux de la colonne "basse pression 0102. Si l'on revient à la condensation partielle du courant d'air haute pression dans le vaporiseur de produit E109, environ 25 % de la totalité du courant ^air haute pression ^ quitte le séparateur C110 à l'état de vapeur. 90 % de cette fraction à l'état de vapeur est utilisée comme courant de réchauffage pour les échangeurs de chaleur haute et "basse pression E102 et E104. Ce procédé de réglage de la différence de température aux extrémités froides des échangeurs de chaleur 10 E102 et E104 garantit que le dioxyde de carbone solide, qui se dépose à partir du courant d'air à la surface des échangeurs de chaleur, se sublime dans le courant d'azote résiduaire lorsque l'on commute les échangeurs. Les 10 % de vapeur restants se condensent dans le surchauffeur EllO au contact de la frac-tion d'azote résiduaire provenant du refroidisseur E105, qui quitte l'installation par les échangeurs de chaleur haute pression réversibles E103 et E104. Le courant d'air liquide quittant le surchauffeur EllO rejoint le courant d'air liquide principal provenant du surrefroidisseur E108. Le rôle du surchauf-20 feur EllO est de chauffer l'azote sortant, suffisamment pour garantir que l'air sous haute pression introduit ne se liquéfie pas dans les noyaux froids 3014 de l'échangeur de chaleur réversible haute pression. Cela est nécessaire pour extraire correctement CO2 dans ]es échangeurs E103 et E104. 25 La fraction de l'air haute pression qui a été réchauffée dans les échangeurs de chaleur réversibles se détend dans un turbo-détendeur K103, et il assure la réfrigération nécessaire de l'installation. Une dérivation est prévue pour faire passer davantage d'air sous haute pression par la 30 turbine, s'il faut une réfrigération supplémentaire. Les produits d'échappement du détendeur sont refroidis dans un surrefroidisseur principal E105, et pénètrent dans la colonne basse pression C012 légèrement surchauffée. L'azote résiduaire sortant de la colonne 35 basse pression C102 se chauffe au contact de l'azote liquide provenant de la colonne haute pression, de l'oxygène liquide brut provenant de la colonne haute pression et du courant sortant du turbo-détendeur, dans le surrefroidisseur principal E105. Il quitte l'installation par les échangeurs de chaleur 40 haute pression et basse pression réversibles E101 et E102. 71 08893 2085610 Du liquide renfermant 68 % d'oxygène est prélevé au pied de la colonne "basse pression et comprimé, par p une pompe GlOl , à 3,87 kg/cm . Tout le courant passe a travers un adsorbeur d'hydrocarbures C106, il est chauffé à son 5 point d'ébullition au contact de l'air liquide dans le surrefroidisseur E108, et envoyé dans un séparateur C109. Un faible dégagement liquide provenant de ce séparateur est détendu à la pression de la colonne basse pression, et œnvoyé dans la colonne basse pression pour eiàpêcher une formation éventuelle 10 d'hydrocarbures. L'oxygène liquide restant se vaporise totalement au contact de l'air haute pression se condensant dans le vaporiseur de produit E109. Le courant de produit traverse les échangeurs de chaleur réversibles E101 et E104, et il quitte 1'installation sous 3,5 kg/cm . 15 La concentration en CC>2 de l'air haute pression qui quitte l'échangeur haute pression E104 est d'environ 0,3 millionièmes et, en outre, du CO2 solide peut être entraîné de l'échangeur de chaleur E104-. Ce COg aurait tendance à se déposer dans les canaux à air à l'extrémité supérieure du vaporiseur 20 E109 où. aucune liquéfaction n'a lieu, à moins que l'on utilise des procédés spéciaux pour empêcher ce phénomène. On dispose de plusieurs procédés différents pour empêcher ce dépôt. 1) L'air haute pression peut être introduit dans le vaporiseur E109 en tin point bas de sa longueur 25 comme indiqué sur la figure 1. Cet agencement laisse uœ certaine zone libre au-dessus du point d'introduction où aura lieu la condensation, formant une pellicule liquide descendante éliminant par lavage le COg éventuellement déposé sur la zone superficielle située au-dlessous ou au voisinage du point d'in- 30 troduction. 2) Un autre procédé consiste à refouler une faible quantité de liquide provenant du bas du séparateur C110 dans la partie supérieure du vaporiseur E109, au moyen d'une pompe représentée sur la figure 2. Cet agencement garantit 35 également que l'air entrant rencontre une pellicule liquide descendante pour dissoudre et éliminer par lavage tout dépôt de co2. 3) Un autre procédé consiste à faire passer le courant d'air haute pression quittant les échangeurs de 40 chaleui? réversibles haute pression par les adsorbeurs 71 08893 v 2085610 d'anhydride carbonique. Ils élimineront également les hydrocarbures éventuellement présents dans le courant. La concentration en OOg dans la fraction de vapeur quittant le séparateur 0110 est si faible qu'il n'y a 5 pas de risque de dépôt de OOg dans le détendeur E1Q3 ou dans le surrefroidisseur principal E1Q5» De plus, la vapeur qui 'quitte le séparateur est à son point de rosse, et se condensera immédiatement dans le surchauffeur EllO, sans poser de problème de dépôt dans cet appareil. 10 On voit qu'il y a deux paires d * adsorbeurs d'hydrocarbures, l'un C105 pour retirer les hydrocarbures du courant d'oxygène liquide brut de la colonne haute pression, et l'autre C106 pour retirer les hydrocarbures du produit liquide avant qu'il pénètre dans le vaporiseur. le rebouilleur/conden-15 seur extérieur E107, dans lequel l'oxygène brut se vaporise totalement, est protégé contre la constitution d'hydrocarbures résiduels grâce à la légère fuite de liquide vers la colonne basse pression à partir du séparateur C108. L'autre rebouilleur/condenseur extérieur E106 ne vaporise que partiellement le 20 courant d'air liquide, et l'extraction constante de liquide empêche la formation d'hydrocarbures dans cet appareil. La faible quantité de liquide qui s1 échappe du séparateur C109 pour retourner dans la colonne basse pression empêche la formation d'hydrocarbures résiduels dans le vaporiseur de produits E109-25 L'installation décrite ci-dessus a été con çue pour éliminer les problèmes du dépôt de COg et de formation d'hydrocarbures qui sont souvent décisifs dans les installations d'oxygène de faible pureté. On peut apporter à la conception décrite 30 ci-dessus des modifications , en utilisant d'autres moyens que les échangeurs de chaleur réversibles, tels que des échangeurs de chaleur à ailettes planes, pour refroidir l'air, et éliminer l'eau et les impuretés d'anhydride carbonique. Ces modifications comprendraient des régénérateurs remplis de pierres ou 35 d'autres types de remplissage, et comportant des courants d'air latéraux, au lieu des courants de réchauffage, pour commanàer la différence de température. 71 08893 8 2085610 REVENDICATIONS 1°) Installation de production d'oxygène de faible pureté par fractionnement d'air selon un cycle à pressions fractionnés, caractérisée en ce que de l'air introduit sous basse pression passe, après refroidissement, dans une colonne de 5 fractionnement haute pression, et en ce que de l'air introduit sous haute pression passe, après refroidissement, dans un vaporisateur de produits dans lequel il se condense partiellement au contact du produit d'oxygène en ébullition, la fraction liquide étant alors surrefroidie et détendue à la pression d'une colonne 10 basse pression pour être admise dans ladite colonne de fractionnement basse pression. 2°) Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une portion prépondérante de la fraction de vapeur de l'alimentation haute pression est réchauffée et détendue pour 15 assurer la réfrigération de l'installation. 3°) Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce qu'une faible portion de la fraction de vapeur de l'alimentation haute pression se condense au contact de l'azote résiduaire et se combine avec la fraction liquide sur^refroidie. 20 4°) Installation selon l'une des revendications précé dentes caractérisé en ce qu'un premier rebouilleur/condenseur extérieur fait monter la vapeur dans la colonne basse pression, du liquide brut provenant du pied de la colonne haute pression s'y vaporisant au contact de l'azote haute pression, se condensant, 25 et étant admis dans le pied de la colonne basse pression. 5°) Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce qu'un second rebouilleur/condenseur condense l'azote restant provenant de la colonne haute pression au contact d'un courant d'air liquide en ébullition. 30 6°) Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que ladite fraction liquide surrefroidie de l'alimentation d'air haute pression constitue le courant d'air liquide en ébullition dans le second rebouilleur/condenseur, et en ce que l'azote condensé provenant des deux rebrouillemrs/condenseurs 35 constitue le reflux pour les deux colonnes. 7°) Installation selon la revendication 6 71 08893 9 2085610 caractérisée en ce que le courant de reflux d'azote pour la colonne basse pression est surrefroidie au contact de l'azote résiduaire provenant de la tête de cette colonne. 8. Installation selon l'une quelconque 5 des revendications précédentes, caractérisée en ce que le courant d'air d'échappement provenant du détendeur se refroidit au contact de l'azote résiduaire provenant de la tête de la colonne basse pression, puis est admis dans la colonne basse cession* 10 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 4, ou 5» ou 6, ou 7 caractérisée en ce que le liquide brut provenant du pied de la colonne haute pression se refroidit au contact de 1'azote résiduaire provenant de la tête de la colonne haute pression avant de parvenir dans le 15 premier rebouilleur/condenseur. 10. Installation' selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le produit d'oxygène provenant du pied de la colonne basse pression est refoulé à une pression supérieure,puis vaporisé dans le va- 20 poriseur de produits. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes à partir de la revendication 4 à 10,caractérisée en ce que le courant de produit à base d'oxygène et le courant d'oxygène liquide brut provenant du pied 25 de la colonne haute pression sont envoyés tous les deux à travers des adsorbeurs d'hydrocarbures respectifs. 12. Installation selon l'une des revendications précédentes à partir de la revendication 5 » caractérisée en ce que des séparateurs de phase respectifs four- 30 nissent et reçoivent le courant de produit oxygène provenant du vaporiseur, le courant d'oxygène brut provenant du premier rebouilleur/condenseur extérieur et le courant d'air entrant du second rebouilleur/condenseur ; et en ce que chaque séparateur présente une évacuation prise directement sur sa sortie 35 de ]3aase liquide, vers la colonne basse pression 13. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la direction du ïourant d'air haute pression à travers le 71 08893 10 2085610 vaporiseur de produits est descendante, et en ce que l'air entre en un point bas, par rapport au sommet. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une faille quantité de liquide est envoyée au sommet du vaporiseur de produit, venant d'un séparateur qui reçoit le courant d'air partiellement condensé en provenance du vaporiseur de produits©