Brevet FR2685460A1 — publié le 19930625

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bars environ par distillation d'air dans une installation à double colonne comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur avec de l'air porté à une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression. Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions absolues. Les procédés de ce type, dits procédés "à pompe", permettent de supprimer tout compresseur d'oxygène gazeux. Pour obtenir une dépense d'énergie acceptable, il est nécessaire de comprimer un débit d'air important, de l'ordre de 1,5 fois le débit d'oxygène à vaporiser, jusqu'à une pression suffisante permettant de le liquéfier à contre-courant de l'oxygène. Pour ceci, 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 sensiblement l'investissement de l'installation. Pour réduire l'investissement en permettant l'utilisation d'un unique compresseur d'air, et pour réduire la dépense d'énergie spécifique, la demande de brevet FR 91 02 917 propose de comprimer à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller et, à une température intermédiaire de refroidissement, de détendre dans une turbine, à la pression de la colonne moyenne pression (ci-après appelée "moyenne pression"), la fraction de cet air qui est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique. Une étude approfondie des phénomènes mis en jeu dans un tel procédé montre que, dans certains cas, la turbine de détente risque de voir du liquide se former à l'entrée de sa roue si l'on veut maintenir des écarts de température réduits à l'emplacement du palier de vaporisation de l'oxygène et au bout chaud de la ligne d'échange. C'est le cas lorsque la pression d'oxygène est supérieure à 13 bars environ, lorsque l'installation comprend une seule turbine de détente (c'est-à-dire ne comporte pas de turbine détente d'air en basse pression) et lorsque la presque totalité de l'oxygène liquide soutiré de la double colonne est vaporisé sous pression. L'invention a pour but de permettre d'obtenir les faibles écarts de température précités, et donc de conduire à une faible dépense d'énergie spécifique, en évitant l'apparition de liquide à l'entrée de la roue de la turbine de détente. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que - on comprime la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression; - on refroidit une première fraction de cet air sous la première haute pression et, à une température intermédiaire de refroidissement, on en détend au moins une partie à la moyenne pression dans une turbine avant de l'introduire dans la double colonne; - on surpresse à une seconde haute pression le reste de l'air sous la première haute pression, une partie au moins de l'air surpressé, dont le débit est inférieur au débit d'oxygène liquide à vaporiser, étant refroidi et liquéfié puis, après détente, introduit dans la double colonne;; - la seconde haute pression étant d'une part inférieure à la pression de condensation ou de pseudo 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, d'autre part, choisie de façon que la condensation ou la pseudo-condensation de l'air sous cette seconde haute pression ait lieu au voisinage de la température d'admission de la turbine. Suivant d'autres caractéristiques - ladite surpression est effectuée par une soufflante ayant un taux de compression inférieur à 2; - la soufflante est entraînée par une source d'énergie extérieure; - ladite surpression est effectuée par deux soufflantes en série couplées chacune à une turbine de détente, la première soufflante étant couplée à la turbine de détente de l'air sous la première haute pression et la seconde soufflante étant couplée à une seconde turbine de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine étant supérieure à celle de la première turbine; - un débit d'air est prélevé entre les deux soufflantes et, au moins en partie, refroidi et liquéfié puis, après détente, introduit dans la double colonne;; - ladite surpression est effectuée par une soufflante couplée à la turbine de détente d'air sous la première haute pression, une première partie de l'air surpressé étant détendue dans une seconde turbine couplée à une deuxième soufflante alimentée par le reste de l'air surpressé, l'air issu de la seconde soufflante étant refroidi et liquéfié puis, après détente, introduit dans la double colonne; - l'air issu de la seconde soufflante est de nouveau surpressé par une troisième soufflante entraînée par une source d'énergie extérieure; - une partie de la phase gazeuse de l'air issu de la ou de chaque turbine est détendue à la basse pression dans une turbine additionnelle, puis insufflée dans la colonne basse pression. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation d'air comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, une pompe de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, des moyens de compression pour amener de l'air à distiller à une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression, et une ligne d'échange thermique pour mettre en relation d'échange thermique l'air à la haute pression et l'oxygène liquide comprimé, est caractérisée en ce que les moyens de compression comprennent un compresseur pour amener la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, et des moyens de surpression d'une fraction de l'air sous cette première haute pression, ces moyens de surpression comprenant deux soufflantes en série couplées chacune à une turbine de détente, la première soufflante étant couplée à une turbine de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante étant couplée à une seconde turbine de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine étant supérieure à celle de la première turbine. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits 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 échange thermique correspondant à cette installation, avec en abscisses la température en degrés Celsius et en ordonnées les enthalpies échangées dans la ligne d'échange thermique; - les Figures 3 et 4 sont des vues analogues respectivement aux Figures 1 et 2 mais relatives à un autre mode de réalisation de l'installation suivant l'invention; et - les Figures 5 et 6 représentent schématiquement plusieurs variantes de l'installation. L'installation représentée à la Figure 1 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression au moins égale à 13 bars environ et, dans cet exemple, de 35 bars. Elle comprend essentiellement une double colonne de distillation 1, une ligne d'échange thermique principale 2, un sous-refroidisseur 3, un compresseur d'air unique 4, une soufflante 5 de surpression d'air, une turbine de détente 6 dont la roue est montée sur le même arbre que celle du surpresseur 5, une soufflante additionnelle 7 entraînée par un moteur électrique 8, et une pompe d'oxygène liquide 9.La double colonne est constituée, de manière classique, d'une colonne moyenne pression 10 fonctionnant sous environ 6 bars et surmontée d'une colonne basse pression 11 fonctionnant légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, avec, en cuve de cette dernière, un vaporiseur-condenseur 12 qui met en relation d'échange thermique l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression avec l'azote de tête de la colonne moyenne pression. En fonctionnement, l'air à distiller, comprimé en totalité par le compresseur 4 à une pression de l'ordre de 23 bars et épuré dans un adsorbeur 4A, est surpressé en totalité par le surpresseur 5 à une première haute pression de l'ordre de 28 bars, puis divisé en deux courants. Le premier courant est refroidi sous cette première haute pression dans des passages 13 de la ligne d'échange 2. Une partie de ce premier courant poursuit son refroidissement, et est liquéfié, jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis est détendu à la moyenne pression et à la basse pression dans des vannes de détente 14 et 15 respectivement et réparti entre les colonnes 10 et 11. Le reste du premier courant est sorti de la ligne d'échange à une température intermédiaire T1, détendu dans la turbine 6 à la moyenne pression et introduit à la base de la colonne 10. Le second courant d'air surpressé est à nouveau surpressé, jusqu'à une seconde haute pression de l'ordre de 35 à 40 bars, par la soufflante 7, puis refroidi et liquéfié dans des passages 16 de la ligne d'échange, jusqu'au bout froid de celle-ci. Le liquide ainsi obtenu est détendu dans une vanne de détente 17 et envoyé à la base de la colonne 10. On entend ici par "surpresseur" ou "soufflante te" un compresseur à une seule roue dont la dépense d'énergie, de par le débit de gaz traité et le taux de compression, est considérablement inférieure à celle du compresseur principal 4 de l'installation, et par exemple de l'ordre de 2 à 3% de cette dernière. Le taux de compression d'une telle soufflante est généralement inférieur à 2. Chacune des soufflantes dont il est question ici comporte à sa sortie un réfrigérant à eau ou à air atmosphérique non représenté. L'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne 11 est amené par la pompe 9 à la pression de production désirée, puis vaporisé et réchauffé dans des passages 18 de la ligne d'échange avant d'être évacué de l'installation via une conduite de production 19. On retrouve par ailleurs dans l'installation de la Figure 1 les conduites et accessoires habituels des installations à double colonne : une conduite 20 de remontée dans la colonne 11 du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 10, avec sa vanne de détente 21, une conduite 22 de remontée en tête de la colonne 11 du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 10, avec sa vanne de détente 23, ainsi qu'une conduite 24 de production d'oxygène liquide, piquée en cuve de la colonne 11, qu'une conduite 25 de production d'azote liquide, piquée sur la conduite 22, et qu'une conduite 26 de soutirage d'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation, piquée en tête de la colonne 11, cet azote impur étant réchauffé dans le sous-refroidisseur 3 puis dans des passages 27 de la ligne d'échange avant d'être évacué via une conduite 28. Comme on le voit sur la Figure 2, la température T1 d'admission de la turbine 6 est inférieure à la température du palier 29 de vaporisation de l'oxygène sous la pression de production, et l'on équilibre le bilan frigorifique de l'installation, afin de maintenir un faible écart de température au bout chaud de la ligne d'échange, en soutirant via les conduites 24 et/ou 25 certaines quantités d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide, suivant l'enseignement de la demande FR 91 02 917 précitée. Lorsque la pression de l'air au refoulement du compresseur 4 est de l'ordre de 23 bars, cet équilibre s'obtient pour un soutirage de liquide de l'ordre de 5% du débit d'air traité. De plus, la seconde haute pression précitée est d'une part inférieure à la pression de condensation de l'air par échange thermique avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la pression de production, et d'autre part choisie de façon que l'air porté à cette seconde haute pression commence à se condenser à une température voisine de T1. Ceci assure un important apport de calories au voisinage de cette température T1 et permet à la turbine 6 de fonctionner dans de bonnes conditions, c'est-à-dire sans production de liquide à l'entrée de sa roue, tout en maintenant des écarts de température optimaux, de l'ordre de 2 à 3"C, au deux bouts de la ligne d'échange ainsi qu'à l'emplacement du palier de vaporisation 29. Il est à noter que le débit d'air surpressé qui est liquéfié dans les passages 16 est très inférieur à celui nécessaire pour vaporiser l'oxygène. Ce débit d'air liquéfié est en effet inférieur au débit d'oxygène à vaporiser et est juste suffisant pour éviter l'apparition de liquide à l'entrée de la roue de la turbine 6. Si les paramètres de l'installation sont tels que la seconde haute pression de l'air est super-critique, c'est la pseudo-condensation de l'air qui doit intervenir au voisinage de la température T1. Dans le mode de réalisation de la Figure 3, le compresseur d'air 4 de l'installation comprime directement la totalité de l'air à la première haute pression de l'ordre de 23 bars, et un premier courant de cet air est traité comme précédemment dans les passages 13, la turbine 6 et la vanne de détente 14 puis envoyé à la base de la colonne 10. En revanche, le reste de cet air est surpressé en deux étapes, par deux soufflantes montées en série : une première soufflante 30 qui, comme la soufflante 5 de la Figure 1, est couplée directement à la turbine 6, et une deuxième soufflante 31 directement couplée à une deuxième turbine de détente 32. L'air surpressé en 30 passe en totalité dans la soufflante 31 puis dans les passages 16 de la ligne d'échange 2, et une partie de cet air est sorti de la ligne d'échange à une température T2 supérieure à la température T1 pour être détendu dans la turbine 32. L'échappement de cette dernière, à la moyenne pression, est relié à la base de la colonne 10 comme celui de la turbine 6. L'air à la plus haute pression non détendu dans la turbine 32 poursuit son refroidissement et est liquéfié dans les passages 16 jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis est détendu dans des vannes de détente 17 et 17A et réparti entre les deux colonnes 10 et 11. La vanne 17A remplace la vanne 15 de la Figure 1. Comme on le voit sur la Figure 4, on peut choisir la température T2 légèrement au-dessus du palier 29 de vaporisation de l'oxygène. Compte-tenu du débit relativement faible de l'air détendu dans la turbine 32, on obtient une courbe de refroidissement d'air à peu près parallèle à la courbe de réchauffement de l'oxygène liquide et de l'azote gazeux de la température T2 au genou 33 de condensation ou de pseudo-condensation de l'air sous la plus haute pression. L'installation de la Figure 5 diffère de la précédente par les points suivants. D'une part, la totalité de l'air refroidi sous la première haute pression est détendu dans la turbine 6, c'est-à-dire que les passages 13 sont interrompus au niveau de température T1 et que la vanne de détente 14 est supprimée. D'autre part, un débit d'air, prélevé entre les deux soufflantes 30 et 31, est refroidi et liquéfié dans des passages supplémentaires 34 de la ligne d'échange, jusqu'au bout froid de celle-ci, puis détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 35 et envoyé à la base de la colonne 10. En variante, comme indiqué en trait mixte, la turbine 32 peut être alimenté par l'air circulant dans les passages 34, lesquels sont alors interrompus à la température T2. La vanne de détente 35 est alors supprimé, et c'est l'air circulant dans les passages 16 qui est en totalité liquéfié dans les passages 16 puis détendu à la moyenne pression dans la vanne de détente 17. Bien entendu, on peut envisager une combinaison des deux variantes ci-dessus. En variante encore, comme indiqué en trait interrompu sur la Figure 5, la pression d'air la plus haute peut être accrue en faisant passer l'air issu de la soufflante 31 dans une soufflante additionnelle 36 entraînée par un moteur électrique 37. L'installation représentée à la Figure 6 est une variante de celle de la Figure 3. Elle n'en diffère que par le fait que l'échappement des deux turbines 6 et 32 débouche dans un séparateur de phases 38 dont le liquide et une partie de la phase vapeur sont envoyés en cuve de la colonne 10 tandis que le reste de la phase vapeur, après réchauffement partiel dans des passages 39 de la ligne d'échange, est détendu à la basse pression dans une turbine additionnelle 40 freinée par un frein approprié 41. L'air basse pression sortant de la turbine 40 est insufflé dans la colonne 11 via une conduite 42. Cette solution est applicable lorsque l'oxygène produit gazeux sous pression est à faible pureté (moins de 99,5%). REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bars environ par distillation d'air dans une installation à double colonne comprenant une colonne basse pression (11) et une colonne moyenne pression (10), pompage (en 9) d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (11), et vaporisation (en 2) de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur avec de l'air porté à une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, caractérisé en ce que - on comprime la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression;; - on refroidit (en 13) une première fraction de cet air sous la première haute pression et, à une température intermédiaire de refroidissement, on en détend au moins une partie à la moyenne pression dans une turbine (6) avant de l'introduire dans la double colonne (1); - on surpresse à une seconde haute pression le reste de l'air sous la première haute pression, une partie au moins de l'air surpressé, dont le débit est inférieur au débit d'oxygène liquide à vaporiser, étant refroidi et liquéfié (en 16) puis, après détente (en 17; 17, 17A), introduit dans la double colonne (1); - la seconde haute pression étant d'une part inférieure à la pression de condensation ou de pseudocondensation 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, d'autre part, choisie de façon que la condensation ou la pseudo-condensation de l'air sous cette seconde haute pression ait lieu au voisinage de la température d'admission de la turbine (6). 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par une soufflante (7) ayant un taux de compression inférieur à 2. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la soufflante (7) est entraînée par une source d'énergie extérieure (8) (Figure 1). 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par deux soufflantes (30, 31) en série couplées chacune à une turbine de détente (6, 32), la première soufflante (30) étant couplée à la turbine (6) de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante (31) étant couplée à une seconde turbine (32) de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine (32) étant supérieure à celle de la première turbine (6) (Figures 3, 5 et 6). 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'un débit d'air est prélevé entre les deux soufflantes (30, 31) et, au moins en partie, refroidi et liquéfié (en 34) puis, après détente (en 35), introduit dans la double colonne (1) (Figure 5). 6 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par une soufflante (30) couplée à la turbine (6) de détente de l'air sous la première haute pression, une première partie de l'air surpressé étant détendue dans une seconde turbine (32) couplée à une deuxième soufflante (31) alimentée par le reste de l'air surpressé, l'air issu de la seconde soufflante (31) étant refroidi et liquéfié puis, après détente (en 17), introduit dans la double colonne (1) (Figure 5). 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'air issu de la seconde soufflante (31) est de nouveau surpressé par une troisième soufflante (36) entraînée par une source d'énergie extérieure (37) (Figure 5). 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une partie de la phase gazeuse de l'air issu de la ou de chaque turbine (6, 32) est détendue à la basse pression dans une turbine additionnelle (40), puis insufflée dans la colonne basse pression (11). 9 - Installation de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bars environ, du type comprenant une double colonne de distillation d'air (1) comprenant une colonne basse pression (11) et une colonne moyenne pression (10), une pompe (9) de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (11), des moyens de compression (14, 30, 31) pour amener de l'air à distiller à une haute pression d' air nettement supérieure à la moyenne pression, et une ligne d'échange thermique (2) pour mettre en relation d'échange thermique l'air à la haute pression et l'oxygène liquide comprimé, caractérisée en ce que les moyens de compression (4, 30, 31) comprennent un compresseur (4) pour amener la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, et des moyens (30, 31) de surpression d'une fraction de l'air sous cette première haute pression, ces moyens de surpression comprenant deux soufflantes (30, 31) en série couplées chacune à une turbine de détente (6, 32), la première soufflante (30) étant couplée à une turbine (6) de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante (31) étant couplée à une seconde turbine (32) de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine (32) étant supérieure à celle de la première turbine (6). 10 - Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour prélever un débit d'air entre les deux soufflantes (30, 31) et des moyens (34, 35) pour refroidir, liquéfier, détendre et introduire dans la double colonne (1) au moins une partie de ce débit d'air. 11 - Installation suivant la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une troisième soufflante (37) montée en série derrière la seconde soufflante (31) et entraînée par une source d'énergie extérieure (37). 12 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine additionnelle (40) de détente à la basse pression d'une partie de la phase vapeur de l'air issu desdites turbines (6, 32), et des moyens (42) pour insuffler cette partie de la phase vapeur dans la colonne basse pression (10).