Brevet FR2674011A1 — publié le 19920918

La présente invention est relative à un procédé et une installation de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène par distillation d'air dans une installation à double colonne, pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur, dans la ligne d'échange thermique de l'installation, avec de l'air porté à une haute pression d'air. Les procédés de ce type, dits procédés "à pompe", permettent de supprimer tout compresseur d'oxygène gazeux. Pour obtenir une dépense d'énergie compétitive, il est nécessaire de comprimer un débit d'air important, de l'ordre de 1,5 fois le débit d'oxygène à vaporiser, jusqu'a une pression suffisante permettant de le liquéfier à contre-courant de l'oxygène. I1 est connu que la dépense d'énergie des installations correspondantes n'est inférieure ou égale à celle des installations munies d'un compresseur d'oxygène que pour des pressions de vaporisation d'oxygène inférieures à 10 bars environ, et que cette dépense d'énergie augmente progressivement avec cette pression. De plus, dans le domaine où la dépense d'énergie est acceptable, la technique habituelle utilise deux compresseurs en série, le second ne traitant que la fraction de l'air destiné à la vaporisation de l'oxygène liquide, ce qui accroit considérablement l'investissement de l'installation. L'invention a pour but de fournir un procédé "à pompe" ne nécessitant qu'un investissement réduit. A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller, et, à une température intermédiaire de- refroidissement, on détend dans une turbine, à la pression de la colonne moyenne pression, la fraction de cet air qui est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique. Suivant d'autres caractéristiques - pour une haute pression d'oxygène inférieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène; - pour une haute pression d'oxygène supérieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air, quelle que soit la haute pression d'oxygène, une pression inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ, et on évacue au moins un produit liquide de l'installation; - ladite haute pression d'air est voisine de 30 bars, le débit de produit liquide évacué étant de l'ordre de 25% de la production d'oxygène gazeux sous la haute pression d'oxygène;; - pour la production d'oxygène gazeux sous deux hautes pressions d'oxygène différentes, respectivement inférieure et supérieure à 13 bars environ, on vaporise les deux courants d'oxygène liquide comprimés par échange de chaleur avec de l'air comprimé à une haute pression d'air unique qui est inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation à la plus haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ, notamment à une haute pression d'air voisine de 30 bars, et on évacue un. produit liquide de l'installation; - on comprime l'air en deux stades, le stade final étant réalisé au moyen d'un surpresseur entrainé par la turbine; - on comprime directement l'air à la haute pression d'air au moyen du compresseur d'air principal de l'installation; - on vaporise également, dans la ligne d'échange thermique, par échange de chaleur avec l'air à la haute pression d'air, de l'azote liquide sous pression soutiré de la double colonne et éventuellement comprimé par une pompe; - une partie de l'air moyenne pression est détendu à la basse pression dans une seconde turbine et insufflé dans la colonne basse pression. L'invention a également pour objet une installation de production d'oxygène gazeux sous pression destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation d'air, une pompe de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, des moyens pour amener une fraction de l'air à distiller comprimé à une haute pression d'air, et un échangeur de chaleur pour mettre en relation d'échange thermique ladite fraction de l'air à la haute pression d'air et l'oxygène liquide comprimé, est caractérisée en ce que lesdits moyens sont montés de façon à traiter la totalité de l'air à distiller, et en ce que l'installation comprend une turbine de détente dont l'aspiration est reliée aux passages de refroidissement d'air, en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, et dont l'échappement est directement relié à la colonne moyenne pression. Suivant d'autres caractéristiques de cette installation - lesdits moyens sont constitués par le compresseur d'air principal de l'installation et par un surpresseur couplé à la turbine; - lesdits moyens sont constitués par le compresseur d'air principal de l'installation; - la ligne d' 'échange thermique comporte des passages de vaporisation d'azote liquide soutiré de la double colonne, par échange thermique avec l'air à la haute pression d'air, et éventuellement une pompe de compression de cet azote liquide disposée en amont de la ligne d'échange thermique; - l'installation comporte une seconde turbine de détente à la basse pression d'une partie de l'air moyenne pression, et des moyens d'insufflation dans la colonne basse pression de l'air ainsi détendu. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène gazeux conforme à l'invention; - la Figure 2 est un diagramme montrant l'évolution de la pression de vaporisation d'oxygène, suivant l'invention, en fonction de la haute pression de l'oxygène; et - les Figures 3 à 5 sont des diagrammes d'échange thermique correspondant à trois utilisations différentes de l'installation suivant l'invention. L'installation de distillation d'air repre- sentée à la Figure 1 comprend essentiellement : un compresseur d'air 1; un appareil 2 d'épuration de l'air comprimé en eau et en C02 par adsorption, cet appareil comprenant deux bouteilles d'adsorption 2A, 2B dont l'une fonctionne en adsorption pendant que l'autre est en cours de régénération; un ensemble turbine-surpresseur 3 comprenant une turbine de détente 4 et un surpresseur 5 dont les arbres sont couplés; un échangeur de chaleur 6 constituant la ligne d'échange thermique de l'installation; une double colonne de distillation 7 comprenant une colonne moyenne pression 8 surmontée d'une colonne basse pression 9, avec un vaporiseur-condenseur 10 mettant la vapeur de tête (azote) de la colonne 8 en relation d'échange thermique avec le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 9; un réservoir d'oxygène liquide 11 dont le fond est relié à une pompe d'oxygène liquide 12; et un réservoir d'azote liquide 13 dont le fond est relié à une pompe d'azote liquide 14. Cette installation est destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression prédéterminée, qui peut être comprise entre quelques bars et quelques dizaines de bars (dans le présent mémoire, les pressions considérées sont des pressions absolues). Pour cela, de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 9 via une conduite 16 et stocké dans le réservoir 11, est amené à la haute pression par la pompe 12 à l'état liquide, puis vaporisé et réchauffé sous cette haute pression dans des passages 17 de l'échangeur 6. La chaleur nécessaire à cette vaporisation et à ce réchauffage, ainsi qu'au réchauffage et éventuellement à la vaporisation d'autres fluides soutirés de la double colonne, est fournie par l'air à distiller, dans les conditions suivantes. La totalité de l'air à distiller est compri mée par le compresseur 1 à une pression supérieure à la moyenne pression de la colonne 8 mais inférieure à la haute pression. Puis l'air, prérefroidi en 18 et refroidi au voisinage de la température ambiante en 19, est épuré dans l'une, 2A par exemple, des bouteilles d'adsorption, et surpressé en totalité à la haute pression par le surpresseur 5, lequel est entrainé par la turbine 4. L'air est alors introduit au bout chaud de l'échangeur 6 et refroidi en totalité jusqu'à une température intermédiaire. A cette température, une fraction de l'air poursuit son refroidissement et est liquéfié dans des passages 20 de l'échangeur, puis est détendu à la basse pression dans une vanne de détente 21 et introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 9. Le reste de l'air, ou air excédentaire, est détendu à la moyenne pression dans la turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 22, à la base de la colonne 8. On reconnait par ailleurs sur la Figure 1 les conduites habituelles des installations à double colonne, celle représentée étant du type dit "à minaret", c'est-à-dire avec production d'azote sous la basse pression : les conduites 23 à 25 d'injection dans la colonne 9, à des niveaux croissants, de "liquide riche" (air enrichi en oxygène) détendu, de "liquide pauvre inférieur" (azote impur) détendu et de "liquide pauvre supérieur" (azote pratiquement pur) détendu, respectivement, ces trois fluides étant respectivement soutirés à la base, en un point intermédiaire et au sommet de la colonne 8; et les conduites 26 de soutirage d'azote gazeux partant du sommet de la colonne 9 et 27 d'évacuation du gaz résiduaire (azote impur) partant du niveau d'injection du liquide pauvre inférieur.L'azote basse pression est réchauffé dans des passages 28 de l'échangeur 6 puis évacué Via une conduite 29, tandis que le gaz résiduaire, après réchauffement dans des passages 30 de l'échangeur, est utilisé pour régénérer une bouteille d'adsorption, la bouteille 2B dans l'exemple considéré, avant d'être évacué via une conduite 31. On voit encore sur la Figure 1 qu'une partie de l'azote liquide moyenne pression est, après détente dans une vanne de détente 32, stockée dans le réservoir 13, et une production d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide est fournie via une conduite 33 (pour l'azote) et/ou 34 (pour l'oxygène). Pour le choix de la pression de l'air surpressé, on distingue deux cas. Lorsque la haute pression d'oxygène est inférieure à 13 bars environ, cette pression d'air est la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression, c'est-à-dire la pression pour laquelle le genou G de liquéfaction de l'air, sur le diagramme d'échange thermique (températures en abscisses, quantités de chaleur échangées en ordonnées) est situé légèrement à droite du palier vertical P de vaporisation de l'oxygène sous la haute pression (Figure 3). L'écart de température au bout chaud de la ligne d'échange est ajusté au moyen de la turbine, dont la température d'aspiration est indiquée en A. L'irréversibilité de l'échange thermique est ainsi minimale. Une telle pression d'air est portée en fonction de la haute pression, sur la portion gauche C1 de la courbe de la Figure 2. Comme on le voit sur la Figure 2, une haute pression de l'ordre de 13 bars correspond de cette manière à une pression d'air de l'ordre de 30 bars (plus précisément, environ 28,5 bars). Lorsque la haute pression est supérieure à 13 bars, on choisit une pression d'air de l'ordre de 30 bars, quelle que soit cette haute pression, comme indiqué sur la portion droite C2 de la courbe de la Figure 2. Dans le premier cas (haute pression inférieure à 13 bars environ), la production d'oxygène et/ou d'azote sous forme liquide a pour conséquence un déficit de produits gazeux froids dans l'échangeur 6, d'où une température d'aspiration relativement élevée de la turbine 4. Ce phénomène a pour conséquence une production frigorifique importante par cette turbine, ce qui permet à l'installation de produire une quantité importante d'oxygène et/ou d'azote sous forme liquide, ceci dans des conditions d'investissement particulièrement avantageuses. Dans le second cas (haute pression supérieure à 13 bars environ), en considérant la Figure 2, la pression d'air ne se trouve plus sur le prolongement C3 de la courbe Cl; par suite, le genou G de liquéfaction de l'air (Figure 4) se décale vers la gauche par rapport au palier P de vaporisation de l'oxygène, et la température d'aspiration de la turbine devient inférieure à celle du palier P. Par suite, une fraction importante de l'air turbiné se trouve en moyenne pression sous forme liquide, et le bilan frigorifique de l'installation est équilibré, avec un écart de température au bout chaud de l'ordre de 3"C, en soutirant de l'installation au moins un produit (oxygène et/ou azote) sous forme liquide via les conduites 33 et/ou 34.Lorsque la pression de l'air est de l'ordre de 30 bars, cet équilibre s'obtient pour un soutirage de liquide de l'ordre de 25% de la production d'oxygène gazeux sous haute pression. En variante, on peut choisir une pression d'air comprise entre 30 bars environ et la courbe C3, c'est-à-dire dans la région B de la Figure 2. Il faut alors évacuer une plus grande quantité de liquide pour atteindre l'équilibre précité. Ainsi, sur toute la gamme de pressions d'oxygène, on utilise une installation à un seul compresseur, ce qui constitue un investissement réduit, et le surcout d'énergie résultant de la compression de la totalité de l'air à la pression de vaporisation d'oxygène sert à produire du liquide. Dans une variante non représentée, dans des gammes de pression et de débit aisément déterminables par le calcul, de l'azote gazeux sous pression peut, en supplément, être produit de manière analogue, en portant de l'azote liquide à la pression désirée, par soutirage au sommet de la colonne 8 ou au moyen d'une pompe telle que 14 aspirant l'azote liquide à cet endroit ou dans le réservoir 13, et en faisant passer cet azote liquide dans des passages appropriés de vaporisation-réchauffement de l'échangeur 6. Dans une autre variante, illustrée uniquement par le diagramme d'échange thermique de la Figure 5, une partie de l'oxygène gazeux produit peut l'être sous une haute pression différente, en la vaporisant sous cette pression dans d'autres passages appropriés de l'échangeur 6. Si les deux hautes pressions sont l'une inférieure à 13 bars environ et l'autre supérieure à 13 bars environ, la totalité de l'air est de préférence comprimée à 30 bars environ (ou au-dessus comme expliqué plus haut). Le genou de liquéfaction G se trouve alors en regard du palier de vaporisation P1 de l'oxygène sous la haute pression la plus faible, et la température d'aspiration de la turbine (point A) est supérieure à celle du palier P2 de vaporisation de l'oxygène sous la haute pression la plus élevée.On obtient dans ce cas un diagramme d'échange thermique bien resserré, très favorable du point de vue énergétique. En variante encore, si l'oxygène produit est à faible pureté (de l'ordre de 90 à 98%), on peut prévoir une deuxième turbine (non représentée) détendant de la moyenne pression à la basse pression une fraction, de l'ordre de 10 à 25%, du débit d'air traité, l'air basse pression ainsi obtenu étant insufflé dans la colonne 9. Si la haute pression d'oxygène est inférieure à 13 bars environ, cette fraction peut être prise à l'échappement de la turbine 4, dont la température est suffisamment élevée. Dans le cas inverse, ladite fraction est prélevée en en cuve de la colonne 8 et réchauffée avant la détente. Cette variante permet d'augmenter la production de liquide tout en diminuant légèrement la production de liquide en moyenne pression, et par suite la pression de marche de l'installation, c'est-à-dire la haute pression d'air. On comprend par ailleurs que la turbine 4 peut également être freinée par un appareil autre qu'un surpresseur. Dans ce cas, le. surpresseur 5 est supprimé, et le compresseur 1 comprime directement la totalité de l'air à la haute pression d'air définie plus haut. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène par distillation d'air dans une installation à double colonne (7), pompage (en 12) d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (9), et vaporisation (en 6) de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur, dans la ligne d'échange thermique (6) de l'installation, avec de l'air porté à une haute pression d'air, caractérisé en ce qu'on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller, et, à une température intermédiaire de refroidissement, on détend dans une turbine (4), à la pression de la colonne moyenne pression (8), la fraction de cet air qui est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une haute pression d'oxygène inférieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une haute pression d'oxygène supérieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air, quelle que soit la haute pression d'oxygène, une pression inférieure à la pression de condensation de l'air par echange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ, et on évacue au moins un produit liquide de l'installation. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite haute pression d'air est voisine de 30 bars, le débit de produit liquide évacué étant de l'ordre de 25% de la-production d'oxygène gazeux sous la haute pression d'oxygène. 5 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la production d'oxygène gazeux sous deux hautes pressions d'oxygène différentes, respectivement inférieure et supérieure à 13 bars environ, on vaporise les deux courants d'oxygène liquide cqmprimés par échange de chaleur avec de l'air comprimé à une haute pression d'air unique qui est inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation à la plus haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ, notamment à une haute pression d'air voisine de 30 bars, et on évacue un produit liquide de l'installation. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on comprime l'air en deux stades, le stade final étant réalisé au moyen d'un surpresseur (5) entraîné par la turbine (4). 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on comprime directement l'air à la haute pression d'air au moyen du compresseur d'air principal (1) de l'installation. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on vaporise également, dans la ligne d'échange thermique (6), par échange de chaleur avec l'air à la haute pression d'air, de l'azote liquide sous pression soutiré de la double colonne (7) et éventuellement comprimé par une pompe (14). 9 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une partie de l'air moyenne pression est détendu à la basse pression dans une seconde turbine et insufflé dans la colonne basse pression (9). 10 - Installation de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène , du type comprenant une double colonne de distillation d'air (7), une pompe (14) de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (9), des moyens (1, 5) pour amener une fraction de l'air à distiller comprimé à une haute pression d'air, et une ligne d'échange thermique (6) pour mettre en relation d'échange thermique ladite fraction de l'air à la haute pression d'air et l'oxygène liquide comprimé, caractérisée en ce que lesdits moyens (1, 5) sont montés de façon à traiter la totalité de l'air à distiller, et en ce que l'installation comprend une turbine (4) de détente dont l'aspiration est reliée aux passages de refroidissement d'air (20), en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique (6), et dont l'échappement est directement relié à la colonne moyenne pression (8). 11 - Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits moyens (1, 5) sont constitués par le compresseur d'air principal (1) de l'installation et par un surpresseur (5) couplé à la turbine (4). 12 - Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par le compresseur d'air principal (1) de l'installation. 13 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique (6) comporte des passages de vaporisation d'azote liquide soutiré de la double colonne (7), par échange thermique avec l'air à la haute pression d'air, et éventuellement une pompe (14) de compression de cet azote liquide disposée en amont de la ligne d'échange thermique. 14 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde turbine de détente à la basse pression d'une partie de l'air moyenne pression, et des moyens d'insufflation dans la colonne basse pression (9) de l'air ainsi détendu.