Brevet FR2690982A1 — publié le 19931112

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux à pureté inférieure à 97% environ par distillation d'air dans une installation comprenant un compresseur d'air principal, un appareil d'épuration d'air par adsorption, une ligne d'échange thermique et une double colonne de distillation comportant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression. Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues. La production de très grandes quantités d'oxygène, typiquement de l'ordre de 3000 à 5000 tonnes par jour, présente un problème particulier dû au diamètre de la colonne basse pression, qui rend sa fabrication et son transport très difficiles. Pour résoudre ce problème, on a proposé d'adjoindre à la double colonne une colonne de remélange alimentée en tête par de l'oxygène liquide et en cuve par de l'air, cette colonne produisant en tête l'oxygène gazeux impur désiré et en cuve un liquide de composition voisine de celle de l'air, qui est renvoyé dans la colonne basse pression. L'inconvénient de ce procédé réside essentiellement dans l'investissement élevé résultant de la présence de trois colonnes. Une autre solution consiste à augmenter jusqu'à 10 ou 12 bars la pression de marche de l'installation, puisque, pour un diamètre de colonne donné, le débit traité augmente avec la pression. Cependant, on accroît en même temps l'énergie de compression de l'air, et, en outre, l'augmentation de pression est défavorable au processus de distillation. L'invention a pour but de permettre de produire de très grandes quantités d'oxygène gazeux avec une installation ne comportant que deux colonnes d'encombrement modéré et avec une énergie spécifique relativement faible. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on détend dans une turbine un débit d'un gaz prélevé dans la colonne moyenne pression on utilise une partie au moins de l'énergie mécanique développée par cette turbine pour surpresser une partie au moins de l'air issu du compresseur d'air principal, et on utilise ledit gaz détendu pour régénérer l'adsorbant de l'appareil d'épuration. Suivant d'autres caractéristiques : - on alimente la turbine au voisinage de la température ambiante ou à une température nettement inférieure à la température ambiante, et on utilise une partie du froid produit par cette turbine pour refroidir l'air alimentant un surpresseur et/ou l'appareil d'épuration; - on réchauffe ledit gaz au bout chaud de la ligne d'échange thermique avant de l'introduire dans la turbine, et on assure le maintien en froid de l'installation par détente dans une seconde turbine d'un fluide circulant dans l'installation; - ladite surpression amène l'air à la pression de la colonne moyenne pression; - l'oxygène à produire est soutiré sous forme liquide de la colonne basse pression, amené par une pompe à une haute pression, et vaporisé dans la ligne d'échange thermique sous cette haute pression par échange de chaleur avec de l'air surpressé;; - ledit gaz est de l'azote de tête de la colonne moyenne pression ou un gaz soutiré à un niveau intermédiaire de cette colonne. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant un compresseur d'air principal, un appareil d'épuration d'air par adsorption, une ligne d'échange thermique et une double colonne de distillation comportant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, est caractérisée en ce qu'elle comprend d'une part une turbine de détente d'un gaz dont l'admission est reliée à la colonne moyenne pression et dont l'échappement est relié à l'appareil d'épuration, et d'autre part un surpresseur d'air entraîné à partir de l'énergie mécanique développée par la turbine de détente. 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 conforme à l'invention; et - les Figures 2 à 4 représentent schématiquement trois variantes. L'installation de production d'oxygène représentée à la Figure 1 est destinée à produire sous pression et en très grandes quantités, typiquement de l'ordre de 3000 à 5000 tonnes par jour, de l'oxygène à pureté relativement faible, typiquement comprise entre 95 et 97% environ. La pression de l'oxygène produit est de l'ordre de 12 bars. L'installation comprend essentiellement: un compresseur d'air principal 1; un appareil 2 d'épuration d'air en eau et en anydhride carbonique par adsorption sur tamis moléculaire ou sur alumine; une ligne d'échange thermique 3 destinée à refroidir l'air à traiter par échange de chaleur indirect à contre-courant avec des produits froids; un appareil de distillation d'air 4 du type à double colonne, constitué essentiellement d'une colonne moyenne pression 5 surmontée d'une colonne basse pression 6, avec un vaporiseur-condenseur 7 mettant en relation d'échange thermique indirect la vapeur de tête (azote) de la colonne 5 et le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 6; un sous-refroidisseur 8; deux surpresseurs d'air 9 et 10; une turbine de détente 11 dont la roue est accouplée rigidement à celle du second surpresseur 10; et une pompe d'oxygène liquide 12. L'air à traiter est comprimé dans le compresseur 1 jusqu'à une pression comprise entre 4 et 7 bars environ. Il est ensuite séché et décarboné sur tamis moléculaire ou alumine dans l'appareil 2. La majeure partie de l'air entre dans la ligne d'échange 3 et est refroidie jusqu a environ sa température de rosée. Cet air entre alors dans la colonne moyenne pression 5, où il est séparé en un "liquide riche" (air enrichi en oxygène) et en azote. Le liquide riche et de l'azote liquide soutiré en tête de la colonne 5 sont sousrefroidis dans le sous-refroidisseur 8 par l'azote impur basse pression produit en tête de la colonne 6, puis, après détente dans des vannes de détente 13 et 14, alimentent cette colonne basse pression 6. Le reste de l'air épuré est surpressé par le surpresseur 9, refroidi jusqu'à une température modérée de l'ordre de -20 à -30 C dans la ligne d'échange 3, surpressé à nouveau par le surpresseur 10, jusqu'à la pression de l'ordre de 25 à 30 bars nécessaire pour vaporiser l'oxygène, puis refroidi et liquéfié dans la ligne d'échange et divisé en deux courants qui sont envoyés respectivement, après détente dans des vannes de détente 15 et 16, dans les colonnes 5 et 6. De l'azote gazeux soutiré en tête de la colonne moyenne pression, avec un débit au plus égal, dans cet exemple, à 23% environ du débit d'air entrant, est réchauffé à la température ambiante dans la ligne d'échange, détendu à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique dans la turbine 11, réchauffé jusqu'à la température ambiante dans la ligne d'échange puis envoyé via une conduite 17 à l'appareil 2, où il est utilisé pour régénérer l'adsorbant de cet appareil avant d'être évacué de l'installation. L'oxygène à produire est soutiré sous forme liquide en cuve de la colonne 6 via une conduite 18, pompé à la pression désirée de 12 bars environ par la pompe 12, vaporisé et réchauffé à la température ambiante dans la ligne d'échange, et évacué de l'installation vers l'utilisation via une conduite 19. Du fait du soutirage d'azote gazeux de la colonne 5, le débit gazeux qui monte dans la colonne 6 est réduit, ce qui permet, pour un débit d'air entrant donné, de réduire le diamètre de cette colonne. De plus, la détente d'azote moyenne pression fournit en quantité suffisante le gaz nécessaire à la régénération de l'adsorbant de l'appareil 2. Par suite, il n'est pas nécessaire d'utiliser pour cette régénération l'azote impur issu du sommet de la colonne 6, et cet azote impur peut donc être directement évacué, après réchauffement à la température ambiante, via une conduite 20, c'est-à-dire suivant un trajet ayant une perte de charge minimale. La colonne 6 peut donc fonctionner sous une pression minimale, légèrement supérieure à la pression atmosphérique, et par conséquent la colonne 5 peut elle aussi fonctionner sous la pression minimale correspondante, typiquement de l'ordre de 5 bars avec des colonnes à garnissage et un vaporiseur-condenseur 7 à hautes performances, par exemple tel que décrit dans le EP-A-0 130 122 au nom de la Demanderesse. Par ailleurs, l'énergie mécanique fournie par la turbine 11 permet d'entraîner le surpresseur 10, et le froid fourni par cette turbine non seulement permet d'assurer le maintien en froid de l'installation, mais encore présente un excédent que l'on peut mettre à profit pour réduire l'énergie de compression restant à développer : comme représenté à la Figure 1, ce froid excédentaire peut servir à refroidir l'air issu du surpresseur 9, pour diminuer la puissance de compression du surpresseur 10, ou bien, en variante, il peut servir à refroidir l'air aspiré par le surpresseur 9, ou encore l'air refoulé par le compresseur 1, en amont de l'appareil d'épuration 2, afin de réduire d'une part la puissance de compression du surpresseur 9, d'autre part les dimensions de l'appareil d'épuration. Au total, on peut de cette manière produire de très grandes quantités d'oxygène à pureté moyenne avec un investissement réduit, des colonnes de distillation relativement peu encombrantes et une dépense d'énergie modérée. Ainsi, dans l'exemple qui suit, on se propose de produire 84000 Nm3/h (environ 3000 t/j) d'oxygène à 95% de pureté, sous 12 bars, avec une installation telle que représentée à la Figure 1. L'air est comprimé dans le compresseur 1 et épuré dans l'appareil 2, d'où il sort à la pression de 5,1 bars. Il est alors séparé en deux parties : 32% est surpressé dans les surpresseurs 9 et 10 jusqu'à la pression de 26,5 bars, et le reste entre dans la ligne d'échange 3 puis, après refroidissement, entre dans la colonne moyenne pression 5 sous une pression d'environ 4,9 bars. L'azote liquide soutiré de cette colonne est sous-refroidi jusqu'à -191"C, et le liquide riche jusqu'à - 178"C, avant détente et introduction dans la colonne basse pression 6. L'azote impur résiduaire en sort à 1,2 bar, et l'oxygène liquide soutiré de la cuve est pompé jusqu'à 12,2 bars et se vaporise dans la ligne d'échange. Un débit d'azote moyenne pression égal à environ 20% du débit d'air est détendu dans la turbine 11 jusqu a 1,3 bar et échappe à une température de -60 C environ. L'azote détendu est réintroduit dans la ligne d'échange pour la tenue en froid de l'appareil. Comme le froid est excédentaire, l'aspiration du surpresseur attelé 10 est refroidi dans la ligne d'échange jusqu'à environ -25 C afin de diminuer la puissance de compression. La pression entre les surpresseurs 9 et 10 est d'environ 16,5 bars. Il est possible d'utiliser l'installation pour produire directement de l'oxygène sous une pression nettement supérieure à 12 bars, en pompant l'oxygène à cette pression. Dans ce cas, comme représenté en trait mixte sur la Figure 1, il peut être nécessaire d'adjoindre une turbine Claude 21 qui détend de la haute pression à la moyenne pression de la colonne 5 une fraction de l'air issu du surpresseur 10 et partiellement refroidi. Dans la description ci-dessus, l'admission de la turbine 11 est à la température ambiante, au bout chaud de la ligne d'échange. En variante, la position de cette turbine peut être différente, suivant l'optimisation du procédé que l'on recherche. Ainsi, comme représenté sur la Figure 2, si l'on veut obtenir davantage de travail extérieur, on peut chauffer l'azote en amont de la turbine au moyen d'un échangeur de chaleur 22 disposé entre le bout chaud de la ligne d'échange et l'entrée de la turbine. Cet échangeur peut être alimenté par un fluide externe (vapeur d'eau par exemple) ou interne au procédé (air chaud issu d'un compresseur de l'installation par exemple). Dans ce cas, l'échappement de la turbine 11 s'effectue à une température trop élevée pour assurer le maintien en froid de l'installation, et un autre moyen de production frigorifique est nécessaire, par exemple, comme représenté, un ensemble attelé surpresseur 23turbine 24 alimenté par de l'air prélevé entre les surpresseurs 9 et 10 et échappant à la pression de la colonne 5. Le refoulement du premier surpresseur (qui, dans l'exemple représenté, est le surpresseur 10) est alors directement relié à l'aspiration du second surpresseur, sans refroidissement intermédiaire comme à la Figure 1. Dans la variante de la Figure 3, au contraire, la turbine 11 est alimentée à une température froide, à laquelle l'azote à détendre est sorti de la ligne d'échange. Dans ce cas, l'azote turbiné est réintroduit au bout froid de la ligne d'échange, et on peut de nouveau, comme représenté, refroidir l'air issu du premier surpresseur avant son entrée dans le second surpresseur. Cette variante peut être intéressante pour modifier le diagramme d'échange thermique ou pour produire de l'azote et/ou de l'oxygène sous forme liquide. C'est ainsi qu'on a illustré à la Figure 3 un réservoir 25 de stockage d'oxygène liquide relié à la cuve de la colonne 6. Sur cette même figure, on a également indiqué une conduite 26 de production d'azote gazeux sous la moyenne pression, qui peut également être utilisée dans les installations des Figures 1 et 2. On retrouve sur la Figure 4 l'agencement de la turbine 11 décrit ci-dessus en regard de la Figure 3. Toutefois, cette turbine n'est pas couplée directement au surpresseur 10 mais est freinée par un alternateur 27. De plus, l'air épuré est divisé en deux fractions dont l'une est surpressée à la pression nécessaire pour vaporiser l'oxygène liquide par le seul surpresseur 9, lequel est entraîné par une source d'énergie extérieure comme précédemment, puis est envoyée dans la ligne d'échange. A une température intermédiaire de refroidissement, une partie de cet air est sortie de la ligne d'échange et détendue à la moyenne pression dans une turbine Claude 28 freinée par un alternateur 29 avant d'être envoyée dans la colonne 5, le reste étant refroidi et liquéfié jusqu'au bout froid de la ligne d'échange puis réparti entre les colonnes 5 et 6 via les vannes de détente 15 et 16. L'air non envoyé vers le surpresseur 9 est surpressé par le surpresseur 10, puis refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange et envoyé dans la colonne 5. Le surpresseur 10 est entraîné par un moteur électrique 30 alimenté par le courant produit par les deux alternateurs 27 et 29, via des lignes électriques 31. Ainsi, c'est l'air surpressé en 10 qui est à la moyenne pression de l'ordre de 5 bars, de sorte que le compresseur 1 doit amener l'air atmosphérique à une pression nettement inférieure à 5 bars, par exemple de l'ordre de 3 bars, et peut donc être constitué par un appareil très simple tel qu'une soufflante de hautfourneau. Une importante économie d'investissement est obtenue de cette manière. On a également représenté sur la Figure 4 une conduite 32 de production d'azote liquide reliée au sommet de la colonne moyenne pression 5. Il est à noter que le principe de la Figure 4 est utilisable sans pompage d'oxygène liquide, c'est-àdire avec l'oxygène soutiré sous forme gazeuse en cuve de la colonne 6, réchauffé à la température ambiante dans la ligne d'échange puis amené à la pression désirée par un compresseur d'oxygène. Dans ce cas, le circuit de surpression d'air (organes 9, 15, 16, 28, 29) est supprimé, et le surpresseur 10 est de préférence disposé entre le compresseur 1 et l'appareil d'épuration 2. En variante, en fonction de l'optimisation du procédé, le gaz turbiné en 11 peut être soutiré en un point intermédiaire de la colonne 5 et, par conséquent, contenir une certaine proportion d'oxygène. En effet, la composition de ce gaz n'est pas critique, puisqu'il est utilisé seulement pour entraîner la turbine et pour régénérer l'adsorbant. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'oxygène gazeux à pureté inférieure à 97% environ par distillation d'air dans une installation comprenant un compresseur d'air principal (1), un appareil (2) d'épuration d'air par adsorption, une ligne d'échange thermique (3) et une double colonne de distillation (4) comportant une colonne moyenne pression (5) et une colonne basse pression (6), caractérisé en ce qu'on détend dans une turbine (11) un débit d'un gaz prélevé dans la colonne moyenne pression (5), on utilise une partie au moins de l'énergie mécanique développée par cette turbine pour surpresser (en 10) une partie au moins de l'air issu du compresseur d'air principal (1), et on utilise ledit gaz détendu pour régénérer l'adsorbant de l'appareil d'épuration (2). 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'on alimente la turbine (11) au voisinage de la température ambiante ou à une température nettement inférieure à la température ambiante, et on utilise une partie du froid produit par cette turbine pour refroidir l'air alimentant un surpresseur (9, 10) et/ou l'appareil d'épuration (2). 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réchauffe ledit gaz (en 22) au bout chaud de la ligne d'échange thermique (3) avant de l'introduire dans la turbine (11), et on assure le maintien en froid de l'installation par détente dans une seconde turbine (24) d'un fluide circulant dans l'installation. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite surpression (en 10, Figure 4) amène l'air à la pression de la colonne moyenne pression (5). 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'oxygène à produire est soutiré sous forme liquide de la colonne basse pression (6), amené par une pompe (12) à une haute pression, et vaporisé dans la ligne d'échange thermique (3) sous cette haute pression par échange de chaleur avec de l'air surpressé. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit gaz est de l'azote de tête de la colonne moyenne pression (5) ou un gaz soutiré à un niveau intermédiaire de cette colonne. 7 - Installation de production d'oxygène à pureté inférieure à 97% environ, du type comprenant un compresseur d'air principal (1), un appareil (2) d'épuration d' air par adsorption, une ligne d'échange thermique (3) et une double colonne de distillation (4) comportant une colonne moyenne pression (5) et une colonne basse pression (6), caractérisée en ce qu'elle comprend d'une part une turbine (11) de détente d'un gaz dont l'admission est reliée à la colonne moyenne pression (5) et dont l'échappement est relié à l'appareil d'épuration (2), et d'autre part un surpresseur d'air (10) entraîné à partir de l'énergie mécanique développée par la turbine de détente. 8 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que l'admission de la turbine est au voisinage de la température ambiante ou à une température nettement inférieure à la température ambiante, et en ce que la ligne d'échange thermique (3) comporte des passages de refroidissement de l'air alimentant un surpresseur d'air (9, 10) et/ou l'appareil d'épuration (2), ces passages étant en relation d'échange thermique avec des passages de réchauffement du gaz issu de la turbine (11). 9 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend au bout chaud de la ligne d'échange (3) un dispositif (22) de chauffage dudit gaz avant son entrée dans la turbine (11). 10 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le refoulement du surpresseur (10) est relié à la colonne moyenne pression (5). 11 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe d'oxygène liquide (12) reliée à la cuve de la colonne basse pression (6) et à des passages de vaporisation d'oxygène de la ligne d'échange thermique (3), ainsi qu'un circuit de surpression d'une partie de l'air traité avant son entrée dans la ligne d'échange thermique.