Brevet FR2681415A1 — publié le 19930319

La présente invention est relative à la production d'oxygène gazeux sous haute pression par distillation d'air Elle concerne plus spécifiquement un procédé de production d'oxygène gazeux haute pression par distillation d'air du type dans lequel on produit du froid au moyen d'un cycle frigorifique à azote comprenant une étape de compression d'azote par un compresseur de cycle. L'invention a pour but de fournir un procédé permettant de produire de l'oxygène gazeux sous haute pression avec un investissement et une dépense d'énergie relativement faibles et un rendement en oxygène élevé. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on soutire l'oxygène sous forme liquide de l'appareil de distilla- tion, on l'amène par pompage à ladite haute pression de production, et on réchauffe cet oxygène haute pression par échange de chaleur avec de l'azote comprimé par le compresseur de cycle à une pression de réchauffement de l'oxygène. Suivant d'autres caractéristiques: on comprime l'azote, au moyen du com- presseur de cycle, d'une part à une haute pression de cycle, d'autre part à une haute pression de réchauffement de l'oxygène différente de la précédente; on utilise également le compresseur de cycle pour fournir de l'azote de production sous une haute pression au plus égale à ladite pression de réchauffement de l'oxygène; lorsque la distillation d'air est réalisée dans une double colonne de distillation comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, après avoir échangé de la chaleur avec l'oxygène haute pression, l'azote, éventuellement détendu à une pression intermédiaire, est refroidi par échange de chaleur avec de 1 'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression, puis détendu jusqu'à la moyenne pression, l'azote liquide résultant étant renvoyé à la colonne moyenne pression. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cette installation, du type comprenant un appareil de distillation d'air muni d'une ligne d'échange thermique du type à plaques brasées et d'un cycle frigorifique à azote comportant un compresseur de cycle, est caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe adaptée pour porter à ladite haute pression de production de l'oxygène liquide soutiré de l'appareil de distillation, et des moyens d' échange pour mettre cet oxygène haute pression en relation d'échange thermique avec de l'azote comprimé par le compresseur de cycle à une pression de réchauffement de l'oxygène. Suivant d'autres caractéristiques de cette installation: le compresseur de cycle comporte un étage spécifique de compression d'azote à une haute pression de réchauffement de 1 ' oxygène différente de la haute pression du cycle frigorifique; le compresseur de cycle comporte un étage spécifique de compression d'azote à une haute pression de réchauffement de l'oxygène différente de la haute pression du cycle frigorifique; le compresseur de cycle comprend une sortie reliée à une conduite de production d'azote sous une haute pression au plus égale à ladite pression de ré- chauffement de l'oxygène; lesdits moyens d'échange comprennent un é- changeur de chaleur auxiliaire distinct de la ligne d'échange thermique; lorsque l'appareil de distillation d'air est du type à double colonne de distillation comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, l'installation comprend un échangeur de chaleur de cycle à contre-courant du type à plaques brasées qui comporte des passages de réchauffement d'azote gazeux moyenne pression en relation d'échange thermique avec des passages de refroidissement d'azote à la haute pression du cycle et avec des passages de refroidissement d'azote sous une pression intermédiaire situés dans le prolonge- ment des précédents, l'entrée de ces passages de refroi- dissement étant reliée, via une conduite éventuellement équipée d'une vanne de détente, à la sortie des passages d'azote desdits moyens d'échange et leur sortie étant reliée à la colonne moyenne pression via une conduite équipée d'une vanne de détente; l'échangeur de chaleur de cycle est distinct de la ligne d'échange thermique et desdits moyens d'échange. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la Figure unique représente schématiquement une installation de production d'oxygène gazeux sous haute pression conforme à l'invention. Les pressions dont il sera question ci- dessous sont des pressions absolues. L'installation représentée au dessin est destinée à produire notamment de l'oxygène gazeux sous une haute pression supercritique de l'ordre de 85 bars. Cette haute pression est supérieure à la pression que peuvent normalement supporter les échangeurs de chaleur du type à plaques brasées, c'est-à-dire supérieure à 50 bars environ. L'installation comprend essentiellement un appareil de distillation d'air 1, une ligne d'échange thermique à contre-courant 2, une pompe à oxygène liquide 3, un échangeur de chaleur auxiliaire 4, et un cycle frigorifique à azote 5 comportant lui-même un compresseur de cycle 6, un surpresseur 7 couplé à une turbine de détente 8, un échangeur de chaleur de cycle 9 et un séparateur de phases 10. L'appareil de distillation 1 est du type à double colonne et à "minaret", c'est-à-dire qu'il comprend une colonne de distillation moyenne pression 11, fonctionnant sous environ 6,8 bars, une colonne de distillation basse pression 12, fonctionnant sous environ 1,8 bar et dont le tronçon supérieur 13, de diamètre réduit, forme un "minaret" de production d'azote gazeux basse pression, et un vaporiseur-condenseur 14 mettant en relation d'échange thermique l'azote gazeux de tête de la colonne 11 et l'oxygène liquide de cuve de la colonne 12. L'échangeur auxiliaire 4 est un échangeur à contre-courant qui peut être de tout type supportant le passage de fluides sous les pressions élevées nécessaires pour le réchauffement de l'oxygène haute pression, par exemple du type à faisceau tubulaire, tandis que l'échan- geur de cycle 9 est du type à plaques brasées adapté pour supporter des pressions moins élevées mais nettement supérieures à la moyenne pression de la double colonne. L'air à distiller, comprimé sous 6,8 bars par le compresseur d'air (non représenté) de l'installation et convenablement épuré, est refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée dans la ligne d'échange 2 et introduit à la base de la colonne 11 Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) soutiré en cuve de cette colonne est, après détente dans une vanne de détente 15, intro- duit à un niveau intermédiaire de la colonne 12 Du "liquide pauvre inférieur" (azote impur) soutiré en un point intermédiaire de la colonne 11 est, après détente dans une vanne de détente 16, introduit à la base du minaret 16 Du "liquide pauvre supérieur" (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 11 est, après détente dans une vanne de détente 17, introduit au sommet du minaret 13. L'appareil 1 produit quatre fluides (a) En cuve de la colonne 12, de l'oxygène liquide qui, porté par la pompe 3 à la haute pression désirée, soit 85 bars, est envoyé à l'entrée, ou bout froid, de passages de réchauffage 18 de l'échangeur 4. Si cet échangeur est du type à faisceau tubulaire, l'oxygène est introduit dans les tubes A la sortie de l'échangeur 4, l'oxygène haute pression, réchauffé, est délivré à une conduite d'utilisation 19. (b) En tête du minaret 13, de l'azote gazeux basse pression qui, après réchauffage dans la ligne d'échange 2, est envoyé à l'aspiration basse pression 20 du compresseur de cycle 6. (c) En tête de la colonne 11, de l'azote gazeux moyenne pression dont une première partie est réchauffée dans la ligne d'échange 2 puis envoyée via une conduite 21 à l'aspiration moyenne pression 22 du compresseur 6 Le reste de l'azote gazeux moyenne pression est réchauffé dans des passages 23 de l'échan- geur de cycle 9 puis envoyé dans la conduite 21. (d) A la base du minaret 13, un gaz rési- duaire W (azote impur) qui, après réchauffement dans la ligne d'échange 2, est évacué de l'installation via une conduite 24. Le compresseur 6 fournit deux courants d'azote gazeux: (a) Par une sortie intermédiaire 25, un courant d'azote à la haute pression du cycle frigori- fique, de l'ordre de 26 bars Cet azote est surpressé vers 35 bars par le surpresseur 7, refroidi dans des passages 26 de l'échangeur 9, sorti de cet échangeur en un point intermédiaire de sa longueur, détendu à la moyenne pression dans la turbine 8 et envoyé dans le séparateur de phases 10. (b) Par une sortie finale 27, un courant d'azote à une haute pression supercritique de réchauf- fement d'oxygène de l'ordre de 70 bars Cet azote est refroidi dans l'échangeur auxiliaire 4 (en passant par la calandre de cet échangeur s'il s'agit d'un échangeur à faisceau tubulaire), éventuellement détendu à une pression intermédiaire, également supercritique, de l'ordre de 50 bars dans une vanne de détente 28, refroidi dans le prolongement 29 des passages de refroidissement 26, détendu à la moyenne pression dans une vanne de dé- tente 30 et introduit sous forme diphasique dans le séparateur 10. La vapeur issue du séparateur 10 est ré- chauffée dans les passages 23 de l'échangeur 9 en même temps que la seconde partie précitée de l'azote moyenne pression provenant de la colonne 11, puis rejoint, avec cet azote, la conduite 21 Le liquide recueilli dans le séparateur est envoyé via une conduite 31 en tête de la colonne 11. Si désiré, l'installation peut produire plusieurs autres fluides: De l'azote gazeux moyenne pression via une conduite 32 piquée sur la conduite 21; De l'azote gazeux sous la haute pression de réchauffement d'oxygène ( 70 bars) via une conduite 33 piquée sur la conduite de refoulement final du compres- seur 6 En variante, cet azote gazeux pourrait être produit à une pression intermédiaire entre cette haute pression et la haute pression du cycle, comme indiqué en trait mixte en 33 A sur le dessin; De l'oxygène liquide basse pression via une conduite 34 piquée sur la conduite d'alimentation de la pompe 3; De l'azote liquide basse pression via une conduite 35 piquée sur la conduite 31 et équipée d'une vanne de détente 36. L'installation peut être modifiée pour fournir de l'oxygène à des hautes pressions très variées, 1 ' azote de réchauffement de 1 ' oxygène étant comprimé par le compresseur de cycle 6 à une haute pression adaptée à la haute pression d'oxygène. REVENDICATIONS 1 Procédé de production d'oxygène gazeux haute pression par distillation d'air, du type dans lequel on produit du froid au moyen d'un cycle frigo- rifique à azote ( 5) comprenant une étape de compression d'azote par un compresseur de cycle ( 6), caractérisé en ce qu'on soutire l'oxygène sous forme liquide de l'appa- reil de distillation ( 1), on l'amène par pompage (en 3) à ladite haute pression de production, et on réchauffe cet oxygène haute pression par échange de chaleur avec de l'azote comprimé par le compresseur de cycle ( 6) à une pression de réchauffement de l'oxygène. 2 Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on comprime l'azote, au moyen du com- presseur de cycle ( 6), d'une part à une haute pression de cycle, d'autre part à une haute pression de ré- chauffement de l'oxygène différente de la précédente. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise également le compresseur de cycle ( 6) pour fournir de l'azote de production sous une autre pression au plus égale à ladite pression de réchauffement de l'oxygène. 4 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la distillation d'air est réalisée dans une double colonne de distillation ( 11, 12) compre- nant une colonne moyenne pression ( 11) et une colonne basse pression ( 12), caractérisé en ce que, après avoir échangé de la chaleur avec l'oxygène haute pression, l'azote, éventuellement détendu (en 28) à une pression intermédiaire, est refroidi par échange de chaleur avec de l'azote gazeux soutiré de la colonne moyenne pression ( 11), puis détendu (en 30) jusqu'à la moyenne pression, l'azote liquide résultant étant renvoyé à la colonne moyenne pression. Installation de production d'oxygène gazeux haute pression par distillation d'air, du type comprenant un appareil de distillation d'air ( 1) muni d'une ligne d'échange thermique ( 2) du type à plaques brasées et d'un cycle frigorifique à azote ( 5) comportant un compresseur de cycle ( 6), caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe ( 3) adaptée pour porter à ladite haute pression de production de l'oxygène liquide soutiré de l'appareil de distillation ( 1), et des moyens d'échange ( 4) pour mettre cet oxygène haute pression en relation d'échange thermique avec de l'azote comprimé par le compresseur de cycle ( 6) à une pression de réchauffement de l'oxygène. 6 Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le compresseur de cycle ( 6) com- porte un étage spécifique de compression d'azote à une haute pression de réchauffement de l'oxygène différente de la haute pression du cycle frigorifique ( 5). 7 Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le compresseur de cycle ( 6) comprend une sortie reliée à une conduite ( 33, 33 A) de production d'azote sous une haute pression au plus égale à ladite pression de réchauffement de l'oxygène. 8 Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens d'échange ( 4) comprennent un échangeur de chaleur auxiliaire distinct de la ligne d'échange thermique ( 2). 9 Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans laquelle l'appareil de distillation d'air ( 1) est du type à double colonne de distillation comprenant une colonne moyenne pression ( 11) et une colonne basse pression ( 12), caractérisée en ce que l'installation comprend un échangeur de chaleur de cycle à contre-courant ( 9) du type à plaques brasées qui comporte des passages ( 23) de réchauffement d'azote gazeux moyenne pression en relation d'échange thermique avec des passages ( 26) de refroidissement d'azote à la haute pression du cycle et avec des passages ( 29) de refroidissement d'azote sous une pression intermédiaire situés dans le prolongement des précédents, l'entrée de ces passages de refroidissement ( 29) étant reliée, via une conduite éventuellement équipée d'une vanne de détente ( 28), à la sortie des passages d'azote desdits moyens d'échange ( 4) et leur sortie étant reliée à la colonne moyenne pression ( 11) via une conduite équipée d'une vanne de détente ( 30). Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur de cycle ( 9) est distinct de la ligne d'échange thermique ( 2) et desdits moyens d'échange ( 4).