Brevet FR2640032A1 — publié le 19900608

DESCRIPTION La présente invention est relative a une méthode de production d'oxygène ultra-pur par purification d'oxygene contenant des impuretés a l'étant de traces. En général, l'oxygène très pur.est obtenu par une methode selon laquelle oxygène obtenu dans un appareil a séparer de l'air ordinaire, est traité dans un appareil de purification, notamment une tour dtadsorption permettant d'enlever une quantité drimpuretés a l'état de traces, notamment des hydrocarbures, de la vapeur d'eau et du gaz carbonique. Récemment, on a fait face a une demande croissante dans- l'industrie des semi-conducteurs et autres pour de l'oxygène ultra-pur, plus précisément, de l'oxygène a environ 99,9999%. La méthode de purification de l'oxygène décrite ci-dessus est largement utilisée pour produire de l'oxygène alune pureté d'environ 99,9%, mais ne peut être utilisée pour donner l'oxygène ultra-pur désiré. En effet, la méthode de purification de l'oxygène généralement utilisée n' enleve qu'une partie des impuretés que l'on retrouve à l'état de traces dans l'oxygène, et en conséquence ne donne pas de l'oxygène suffisamment pur. En conséquence, lorsqu'on a besoin d'oxygène ultra-pur, on doit recourir a des méthodes peu économiques utilisant l'électrolyse, nonobstant le coût elevé. La présente invention fut réalisée en tenant compte de l'état de la technique mentionné ci-dessus, et son objet consiste en la mise au point d'une méthode efficace de production d'oxygène ultra-pur, a bas prix. Une méthode de production d'oxygène ultra-pur selon la présente invention comporte les étapes suivantes: on amène de l'oxygène liquide renfermant des impuretés à l'état de traces vers une première tour de fractionnement, on le fractionne dans la première tour de fractionnement, on produit de l'oxygène très pur a l'état liquide en un endroit plus rapproché d'un dispositif a rebouillir que d'une section de fractionnement prévue dans la première tour de fractionnement, on amene oxygène très pur vers une section de fractionnement d'une seconde tour de fractionnement, on le fractionne dans la seconde tour de fractionnement, et l'on produit de l'oxygène ultra-pur en une partie supérieure d'une section de fractionnement ou en position contiguë d'un condenseur prévu dans la seconde tour de fractionnement. De préférence, l'oxygène très pur obtenu à l'état liquide est amené depuis le dispositif à rebouillir de la première tour de fractionnement vers la seconde tour de fractionnement à travers une tour d'adsorption à basse température. Selon la méthode de la présente invention, l'oxygène liquide renfermant des impuretés a l'état de traces est d'abord fracticnné dans la première tour de fractionnement, produisant ainsi de l'oxygène très pur à l'état liquide en un endroit plus rapproché d'un dispositif a rebouilir que de la section de fractionnement prévue dans la première tour de fractionnement. En conséquence, les impuretés a l'état de traces notamment l'azote, le monoxide de carbone et l'argon, qui sont plus susceptibles de s'évaporer que 1'oxygène, peuvent être enlevées du condenseur.L'oxygène très pur est fractionné dans la seconde tour de fractionnement, produisant ainsi de l'oxygène ultra-pur a la partie supérieure de la section de fractionnement ou en position contiguë de son condenseur. Ainsi, les impuretés telles que le Krypton et le xénon, qui se condensent plus facilement que l'oxygène peuvent être enlevées du rebouilleur de la seconde tour de fractionnement. Lorsque l'oxygène très pur obtenu à l'état liquide à partir du dispositif a rebouillir de la première tour de fractionnement est amené vers la seconde tour de fractionnement à travers une tour d'adsorption a basse temperature, les hydrocarbures, la vapeur d'eau et le gaz carbonique sont enlevés par adsorption dans la tour d'adsorption à basse température. Ceci a pour résultat. d'empêcher que ces impuretés se mélangent avec l'oxygène ultra-pur obtenu dans le condenseur de la seconde tour de fractionnement. Ainsi, la ' méthode selon la présente invention donne en réalité de l'oxygène ultra-pur qui peut être utilisé dans l'industrie nouvelle des semi-conducteurs et autres, sans avoir recours à des methodes onéreuses utilisant ltelectrolyse. Une réalisation selon la présente invention sera décrite en référence aux dessins annexés dans lesquels, la figure unique est-un schéma illustrant un appareil utilise pour la mise en oeuvre de la méthode selon la présente invention. Dans les dessins, le numéro 1 indique une première tour de fractionnement incluant. un dispositif a rebouillir la à la base et un condenseur b en partie supérieure de cette derniere. La première tour de fractionnement définit une section de fractionnement dans laquelle l'oxygène liquide est introduit a travers une conduite P1 à l'état comprimé par une pompe 2 a une pression d'environ 0,5X 105 Pa L'oxygène liquide (pureté: 99,6-39,9%) a été séparé de l'air et renferme des impuretés l'état de traces.Lorsque l'oxygène liquide est a une pression égale ou supérieure à 0,5 X 105 Pa au départ, l'oxygène liquide es amene directement vers la première tour de fractionnement 1 sans le faire passer par la po:re 2. Dans la premere tour de fractionnement 1, on produit cu gaz rebouilli à partir de l'oxygène liquide renfermant des impuretés à l'état de traces, lequel oxygène liquide est alimenté tel que mentionné ci-dessus et emmagaziné dans le dispositif a rebouillir la. Le fractionnement s'effectue par contact a contre-courant entre le gaz rebouilli et le liquide de reflux obtenu dans le condenseur lb en partie supérieure. Les impuretés telles que l'azote, le monoxide de carbon. et l'argon, qui sont moins faciles a condenser que l'oxygène, sont enlevées en présence d'une petite quantité d'oxygène, évacué comme gaz d'échappement sous forme de vapeur, du sommet de la tour a travers une conduite P2, un échangeur de chaleur 3 et une conduite P3. Une grande quantité d'oxygène est condensée et produite a la base de la cour sous forme d'oxygène liquide très pur. Dans les dessins le numéro 4 indique un compresseur à recyclage d'azote gazeux. L'azote gazeux comprimé par le compresseur a recyclage 4 a une pression d'environ 6,5 X 105 Pa est amené a travers une conduite P4 vers l'échangeur de chaleur 3. Après échange de chaleur, l'azote gazeux est amené a travers une conduite P5 au dispositif a rebouillir la prévu a la base de la tour. Dans le dispositif a rebouilleur la, l'azote gazeux se liquéfie en fournissant sa chaleur a une partie de l'oxygène liquide qui se vaporise.L'azote liquide s'évapore dans le condenseur lb a une pression d'environ 2,5 X 105 Pa et donne le liquide de reflux qui descend dans la première tour de fractionnement . ' Tel que mentionné ci-dessus l'azote évaporé est évacué à partir du condenseur lb vers l'extérieur de la première tour de fractionnement 1. L'azote gazeux est retourné au compresseur à recyclage 4 à travers une conduite P7, l'échangeur de chaleur 3 et la conduite P8. L'oxygène liquide très pur obtenu a la base de la première tour ce fractionnement 1 est amené à travers une conduite F9 vers une -tour d'adsorption a basse température 5. Dans la tour d'adsorption 5, on enlève les impuretés notamment les hydrocarbures, la vapeur d'eau et le gaz carbonique par adsorption. Ensuite, l'oxygène liquide est amené a travers une conduite P10 vers une section de fractionnement d'une seconde tour de fractionnement 6. Comme c ' est le cas pour la première tour de fractionnement 1, la seconde tour de fractionnement 6 comporte un condenseur 6b en partie supérieure et un dispositif a rebouillir 6a en partie inférieure. Dans la seconde. tour de fractionnement 6, le gaz rebouilli est obtenu a partir de l'oxygène liquide alimenté tel que 'ci-dessus et emmagaziné dans le dispositif a rebouillir 6a, en partie inférieure de la tour. Le fractionnement prend place par contact a contre-courant entre le gaz rebouilli et le liquide de reflux du condenseur 6b, en partie supérieure. Une petite quantité d'oxygène liquide renfermant des impuretés notamment le Krypton et le xenon, qui sont plus faciles à condenser que l'oxygene, est évacué a la base a travers une conduite Pull, un évaporateur 7 et une conduite P12. De l'oxygene liquide ultra-pur est obtenu du condenseur 6b au sommet de la tour. L'oxygène liquide ultra-pur est récupéré tel quel a travers une conduite-P13, ou est récupéré sous forme évaporé par passage à travers une pompe 9 et un évaporateur 8. t'azote gazeux comprimépar le compresseur à recyclage 4 à environ 6,5 X 105 Pa est amené à travers une conduite P14 vers l'évaporateur 7. Après y avoir subi un échange de chaleur, l'azote gazeux est amené a travers une conduite PIS vers le dispositif a rebouillir 6a, a la base de la tour. Dans le dispositif à rebouilleur 6a, l'azote gazeux se liquéfie en fournissant sa ehaleur à une partie ae l'oxygène liquide qui se vaporise. L'azote liquide est amende à travers une conduite P16 vers le condenseur 6D, au sommet de la tour. L'azote liquide s'évapore dans le condenseur 6b a une pression d'environ 2,5 X 10 Pa et donne le liquide de reflux qui descend dans la seconde tour de fractionnement 6. L'azote évaporé tel que mentionné ci-dessus est évacué du sommet de la tour. L'azote gazeux est retourné au compresseur de recyclage 4 a travers la conduite P7, l'échangeur de chaleur 3 et la conduite P8. Dans les dessins le numéro 11 indique une enceinte froide. L'enceinte froide 11. renferme toutes les composantes essentielles de l'appareil décrit incluant la première tour de fractionnement 1, la seconde tour de fractionnement 6, l'échangeur de chaleur 3 et la tour d'adsorption a basse température 5. En réalisant la méthode selon la présente invention au moyen de cet appareil, l'oxygène liquide renfermant des impuretés a l'état de traces est d'abord fractionné dans la première tour de fractionnement 1 et de l'oxygène très pur est obtenu à la base de la tour. L'oxygène très pur est ensuite fractionné dans la seconde tour de fractionnement 6 pour enlever les impuretes, produisant ainsi de l'oxygène ultra-pur à la partie supérieure de la tour. L'oxygène très pur obtenu à la base de la première tour de fractionnement 1 est envoyé a la. tour d'adsorption a basse température 5 avant de l'amener a la seconde tour de fractionnement 6. Dans la tour d'adsorption, des impuretés a l'état de traces notamment des hydrocarbures, de la vapeur d'eau et du gaz carbonique sont effectivement enlevés par adsorption. En conséquence, ces impuretés ne peuvent être mélangées avec l'oxygène ultra-pur obtenu à l'état liquide a la partie supérieure de la seconde tour de fractionnement. Les dessins montrent une conduite P17 pour évacuer la vapeur du condenseur 6b de la seconde tour de fractionnement 6. Ceci assure l'enlèvement de très petites quantités d'impuretés qui sont moins faciles a condenser - que l'oxygène et qui peuvent vraisemblablement restées a l'état de vapeur. Dans la réalisation mentionnée ci-dessus, l'oxygène ultra-pur est obtenu au niveau du condenseur 6b situé au dessus de la section de fractionnement de la seconde tour de fractionnement 6. Cependant, l'oxygène ultra-pur peut tout aussi bien être obtenu a la partie supérieure de la section de fractionnement. De plu.s, dans la realisation qui précède, l'oxygène ultra-pur est obtenu a l'état liquide au niveau du condenseur 6b. Cependant, l'oxygène ultra-pur peut aussi être obtenu à l'état gazeux. Plus précisément, l'oxygène ultra-pur peut être amené a travers une conduite P18 au condenseur 6b situé au dessus de la conduite P13. On peut faire passer l'oxygène a travers l'échangeur de chaleur 3 afin de le recueillir a l'état refroidi et obtenir un produit gazeux. Une partie de la conduite P18 en aval de l'échangeur de chaleur 3 n'est pas illustrée sur les dessins. Lorsque la matière brute a fractionner dans l'appareil décrit ci-dessus ne renferme pratiquement pas d'hydrocarbure, de la vapeur d'eau et d'oxyde de carbone, on peut omettre la tour d'adsorption a basse température 5 de l'appareil. I1 va sans dire que la présente invention n'est pas limitée a la construction illustrée dans les dessins annexés. REVENDICATIONS 1. Méthode de production d'oxygène ultra-pur, comportant les étapes suivantes : on amene de l'oxygène liquide contenant des impuretés à l'état de traces vers une première tour de fractionnement (1), on le fractionne dans ladite première tour de fractionnement (1), on produit de l'oxygène très pur à l'étant liquide au niveau d'un rebouilleur situé en cuve de ladite première tour de fractionnement (1), ou en un point intermédiaire entre ledit rebouilleur et une section de fractionnement de ladite tour de fractionnement (1), on amene l'oxygane très pur vers une section de fractionnement d'une seconde tour de fractionnement (6), on le fractionne dans ladite seconde tour de fractionnement (6), et l'on produit de l'oxygène ultra-pur à la partie supérieure de la section de fractionnement ou en position contiguë d'un condenseur (6b) prévu dans la seconde tour de fractionnement (6). 2. Méthode de production d'oxygène à très heute pureté telle que définie dans la revendication 1, selon laquelle l'oxygène très pur produit à l'6tat liquide dans le dispositif à rebouillir (la) de ladite première tour de fractionnement est amené à la section de fractionnement de la seconde tour de fractionnement (6) à travers une tour d'adsorption à basse température (5).