Brevet FR2709537A1 — publié le 19950310

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel: - on distille de l'air dans une double colonne de distillation comprenant une colonne basse pression fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression dite moyenne pression; - on comprime la totalité de l'air à dis- tiller jusqu'à au moins une haute pression d'air net- tement supérieure à la moyenne pression; - on refroidit l'air comprimé jusqu'à une température intermédiaire, et on en détend une partie dans une turbine avant de l'introduire dans la colonne moyenne pression; - on liquéfie l'air non turbiné, puis on l'introduit, après détente, dans la double colonne; et - on amène au moins un produit liquide soutiré de la double colonne à la pression de production, et on vaporise ce produit liquide par échange de chaleur avec l'air, la température de liquéfaction de l'air étant inférieure à la température de vaporisation du produit liquide. Les pressions dont il est question dans le présent mémoire sont des pressions absolues. De plus, l'expression "liquéfaction" doit être entendu au sens large, c'est-à-dire incluant la pseudo-liquéfaction dans le cas de pressions supercritiques. Un procédé du type ci-dessus est décrit dans le FR-A-2 674 011. Dans ce procédé, la production gazeuse sous pression s'accompagne inévitablement d'une produc- tion de liquide, laquelle n'est pas souhaitable dans toutes les applications industrielles. L'invention a pour but de permettre une réduction de la production de liquide pour une capacité de production donnée d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression, ce sans augmentation de l'énergie spécifique de chaque production. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on ne détend ladite partie de l'air que jusqu'à une pression intermédiaire, on réchauffe partiellement l'air turbiné, puis on le détend dans une seconde turbine jusqu'à la moyenne pression et on l'introduit dans la colonne moyenne pression. Dans des modes de mise en oeuvre de ce procédé: - ladite température intermédiaire est inférieure, notamment d'environ 10 C, à la température de vaporisation dudit produit liquide; - la température d'admission de la seconde turbine est voisine du genou de liquéfaction de l'air. 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 comprenant une colonne basse pression fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression dite moyenne pression; des moyens de compression pour amener la totalité de l'air à distiller à au moins une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, ces moyens comprenant un compresseur principal d'air; des moyens de soutirage de la double colonne et de pompage d'au moins un produit liquide résultant de la distillation; une ligne d'échange thermique mettant en relation d'échange thermique l'air et ledit produit liquide; et une turbine de détente d'une partie de cet air, l'admission de cette turbine étant reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, est caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique comprend des passages de réchauffement partiel dont l'entrée est reliée à l'échappement de ladite turbine, et en ce que l'installation comprend une seconde turbine de détente dont l'admission est reliée à la sor- tie de ces passages de réchauffement et dont l'échap- pement est relié à la colonne moyenne pression. Suivant d'autres caractéristiques de cette installation: - les deux turbines sont calées sur le même arbre; - l'arbre des deux turbines est solidaire de la roue d'une soufflante de surpression de l'air issu du compresseur principal d'air. 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 pression conforme à l'invention. L'installation représentée au dessin est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une haute pression de 10 à 100 bars environ, de l'oxygène liquide et de l'azote liquide. Cette installation comprend essentiellement: un compresseur principal d'air 1; un pré-refroidisseur 2; un appareil 3 d'épuration par adsorption; un ensemble soufflante-turbines comprenant une soufflante 4 et deux turbines 5, 6 dont les roues sont calées sur le même arbre; un réfrigérant atmosphérique ou à eau 7 pour la soufflante; une ligne d'échange thermique 8; une double colonne de distillation 9 comprenant une colonne moyenne pression 10 et une colonne basse pression 11 couplées par un vaporiseur- condenseur 12 qui met en relation d'é- change thermique l'azote de tête de la colonne 10 et l'oxygène liquide de cuve de la colonne 11; une pompe d'oxygène liquide 13; un stockage 14 d'oxygène liquide à la pression atmosphérique; un stockage 15 d'azote liquide à la pression atmosphérique; un pot séparateur 16; et un sous-refroidisseur 17. En fonctionnement, la colonne 11 est sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphéri- que et la colonne 10 sous la pression correspondante de à 6 bars environ. La totalité de l'air à distiller est comprimé en 1, pré-refroidi en 2 vers + 5 à + 20 C, épuré en eau et en C02 en 3 et surpressé en 4 à la haute pression. Après pré-refroidissement en 7 puis refroidissement partiel dans des passages 18 de la ligne d'échange thermique jusqu'à une température intermédiaire T1, une partie de l'air sous la haute pression poursuit son refroidissement dans des passages 19 de la ligne d'é- change thermique, est liquéfiée puis divisée en deux fractions. Chaque fraction est détendue dans une vanne de détente respective 20, 21, puis introduite dans la colonne 10, 11 respective. A la température T1, le reste de l'air sous la haute pression est sorti de la ligne d'échange thermique, turbiné en 5 à une pression intermédiaire, réintroduit dans la ligne d'échange thermique, réchauffé partiellement dans des passages 22 de celle-ci, jusqu'à une température intermédiaire T2 qui peut être ou non égale à T1, sorti de nouveau de la ligne d'échange thermique, turbiné en 6 à la moyenne pression et intro- duit en cuve de la colonne 10. On peut notamment choisir T1 inférieure d'environ 10 C à la température de vaporisation de l'oxygène, et T2 voisine du genou de liquéfaction de l'air sous la haute pression, ce genou étant au-dessous de la température de vaporisation de l'oxygène et également au-dessous de T1. De façon habituelle, du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) soutiré en cuve de la colonne 10 et du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré dans la région supérieure de cette colonne sont, après sousrefroidissement en 17 et détente dans des vannes de détente respectives 22 et 23, introduits à un niveau intermédiaire et en tête, respectivement, de la colonne 11. De l'oxygène liquide est soutiré en cuve de la colonne 11. Une fraction va directement dans le stockage 15, via une conduite 24, tandis que le reste est amené par la pompe 13 à la haute pression de production désirée, puis vaporisé et réchauffé à la température ambiante dans des passages 25 de la ligne d'échange thermique avant d'être récupéré via une conduite 26. Par ailleurs, de l'azote liquide sous la moyenne pression, soutiré en tête de la colonne 10, est sous-refroidi en 17, détendu à la pression atmosphérique dans une vanne de détente 27, et introduit dans le pot séparateur 16. La phase liquide est envoyée dans le stockage 15, tandis que la phase vapeur est réunie à l'azote impur de tête de la colonne 11, puis le mélange est réchauffé en 17 puis dans des passages 28 de la ligne d'échange thermique et évacué de l'installation en tant que gaz résiduaire WN2 via une conduite 29. Des calculs effectués sur la base d'une production de 248 tonnes par jour d'oxygène à 99,5% de pureté sous 40 bars, ont montré qu'on pouvait abaisser la haute pression d'air à 25,5 bars, contre 30 bars pour la configuration à une seule turbine du FR-A-2 674 011 précité. Dans les mêmes conditions, le ratio liquide/ca- pacité de séparation en oxygène passe de 30% à 22%, et l'énergie spécifique de chaque production reste inchan- gée. L'invention s'applique également à la production d'azote gazeux sous haute pression, porté par une pompe (non représentée) à la haute pression désirée puis vaporisé dans la ligne d'échange thermique, et/ou à la production d'oxygène et/ou d'azote sous plusieurs pressions, en utilisant plusieurs hautes pressions d'air. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel: - on distille de l'air dans une double colonne de distillation (9) comprenant une colonne basse pression (11) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression (10) fonc- tionnant sous une pression dite moyenne pression; - on comprime (en 1, 4) la totalité de l'air à distiller jusqu'à au moins une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression; - on refroidit l'air comprimé jusqu'à une température intermédiaire (T1), et on en détend une partie dans une turbine (5) avant de l'introduire dans la colonne moyenne pression (10); - on liquéfie l'air non turbiné, puis on l'introduit, après détente (en 20, 21), dans la double colonne; et - on amène (en 13) au moins un produit liquide soutiré de la double colonne à la pression de production, et on vaporise (en 8) ce produit liquide par échange de chaleur avec l'air, la température de liqué- faction de l'air étant inférieure à la température de vaporisation du produit liquide, caractérisé en ce qu'on ne détend ladite partie de l'air que jusqu'à une pression intermédiaire, on réchauffe partiellement (en 22) l'air turbiné, puis on le détend dans une seconde turbine (6) jusqu'à la moyenne pression et on l'introduit dans la colonne moyenne pression (10). 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite température intermédiaire (T1) est inférieure, notamment d'environ 10 C, à la température de vaporisation dudit produit liquide. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température (T2) d'admission de la seconde turbine (6) est voisine du genou de liquéfac- tion de l'air. 4 - Installation de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type comprenant une double colonne de distillation (9) comprenant une colonne basse pression (11) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression (10) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression, ces moyens comprenant un compresseur principal d'air (1); des moyens de compression (1, 4) pour amener la totalité de l'air à distiller à au moins une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression; des moyens (13) de soutirage de la double colonne et de pompage d'au moins un produit liquide résultant de la distillation; une ligne d'échange thermique (8) mettant en relation d'échange thermique l'air et ledit produit liquide; et une turbine (5) de détente d'une partie de cet air, l'admission de cette turbine étant reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique (8) comprend des passages de réchauf- fement partiel (22) dont l'entrée est reliée à l'échappe- ment de ladite turbine (5), et en ce que l'installation comprend une seconde turbine de détente (6) dont l'admis- sion est reliée à la sortie de ces passages de réchauffe- ment et dont l'échappement est relié à la colonne moyenne pression (10). - Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les deux turbines (5, 6) sont calées sur le même arbre. 6 - Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'arbre des deux turbines (5, 6) est solidaire de la roue d'une soufflante (4) de surpres- sion de l'air issu du compresseur principal d'air (1).