Brevet FR2718518A1 — publié le 19951013

La présente invention est relative à un procédé et une installation pour la production de l'oxygène par distillation d'air et plus particulièrement à un procédé et une installation pour la production de l'oxygène sous pression. EP-A-422.974 décrit un procédé de production d'oxygène sous pression par distillation cryogénique d'air dans une double colonne. L'oxygène liquide est soutiré de la cuve de la colonne basse pression 7, comme illustré à la figure 1, et se vaporise dans l'échangeur auxiliaire 9 par échange de chaleur avec une fraction de l'air d'alimentation. La partie restante de l'air d'alimentation est divisée en deux débits, dont l'un va directement à la colonne moyenne pression 6, via la conduite 14, et dont l'autre est détendu dans une turbine 4 avant d'être envoyé à la colonne basse pression 7. Un premier objet de cette invention est de réduire les coûts de I'énergie utilisée par un procédé de production d'oxygène sous pression par rapport à ceux des procédés connus. Un deuxième objet de cette invention est d'améliorer les rendements d'argon dans le cas o l'installation comprend également une colonne argon alimentée par la colonne basse pression. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de production d'oxygène gazeux sous pression par distillation cryogénique d'air dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, I'oxygène soutiré de la colonne basse pression sous forme liquide étant vaporisé sous pression par échange de chaleur avec de l'air d'alimentation comprimé qui se condense dans l'échangeur auxiliaire, caractérisé en ce que l'air d'alimentation envoyé dans l'échangeur auxiliaire s'y condense partiellement avant d'être envoyé dans la colonne moyenne pression. Quand l'air ne se condense que partiellement dans l'échangeur auxiliaire, l'échange de chaleur avec l'oxygène sous pression s'effectue à une température moyenne plus chaude que s'il se condensait totalement. Pour un même écart de température dans l'échangeur auxiliaire, on peut donc réduire la pression de l'air. En utilisant un vaporiseur à film comme échangeur auxiliaire, tel que décrit en EP-A-130.122, l'écart de température peut être réduit à une valeur moyenne de 0,6 C. 2 2718518 Afin d'améliorer le reflux de la colonne basse pression, on divise le liquide riche de la colonne moyenne pression en une première et une deuxième fractions et on envoie les première et deuxième fractions à des niveaux différents dans la colonne basse pression après sous- refroidissement préalable. Ceci permet notamment d'améliorer sensiblement l'extraction d'argon dans le cas o l'installation comprend également une colonne argon. Les deux fractions peuvent être envoyées dans la colonne basse pression à des températures différentes, ce afin d'améliorer encore les reflux dans la colonne basse pression et l'extraction d'argon dans le cas o l'installation comprend également une colonne argon. De préférence, une partie de l'air d'alimentation est détendue avant d'être envoyée à la double colonne, la partie restante de l'air d'alimentation étant partiellement condensée dans l'échangeur auxiliaire. L'invention a également pour objet une installation de production d'oxygène gazeux sous pression par distillation cryogénique d'air comprenant une double colonne, constituée par au moins une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, des moyens pour soutirer de l'oxygène liquide de la colonne basse pression, un échangeur auxiliaire et des moyens pour augmenter la pression de l'oxygène liquide et l'envoyer à l'échangeur auxiliaire, une turbine d'air, des moyens pour envoyer une partie de l'air d'alimentation à la turbine d'air et des moyens pour envoyer la partie restante de l'air d'alimentation à l'échangeur auxiliaire pour vaporiser l'oxygène liquide. L'inconvénient principal de cette invention résulte de la surpression de l'air à sa pression de condensation. Si l'oxygène doit être pompé à des pressions conséquentes telles qu'il soit nécessaire de supresser l'air à une pression supérieure à celle de la colonne moyenne pression, cette invention ne présente pas d'intérêt puisque l'on dépense globalement plus d'énergie de compression avec cette situation, étant donné que le débit d'air surpressé est approximativement trois fois supérieur à celui du système selon EP-A-422.974, si tout l'air non turbiné passe à l'échangeur auxiliaire. Par contre, cette solution présente un intérêt majeur dans le cas o l'oxygène liquide est pressurisé à une pression dite concomittante 3 2718518 (supérieure à 1,5 bar et de préférence voisine de 2 bar), c'est-à-dire telle que sa température de vaporisation coïncide avec celle de l'air à la pression de la colonne moyenne pression. Dans ce cas, on peut supprimer la pompe à oxygène, I'oxygène liquide étant pressurisé par hauteur hydrostatique. En sortie de la boîte froide, I'oxygène gazeux qui est à une pression supérieure à la pression atmosphérique peut être comprimé à sa pression d'utilisation par une seule machine de compression. Cette invention présente un deuxième inconvénient lié au faible reflux de tête de la colonne basse pression qui, lorsqu'on veut séparer l'argon selon une méthode classique de distillation dans une colonne en parallèle avec la colonne basse pression, conduit à un mauvais rendement en argon. Cette réduction du reflux de tête est due à plusieurs facteurs: L'air condensé dans le vaporiseur d'oxygène selon cette invention ne participe pas à la distillation dans la colonne moyenne pression et donc ne participe pas au chauffage dans le vaporiseur principal en cuve de la colonne basse pression. Ainsi, la quantité d'azote liquide pour le reflux de tête de la colonne basse pression est réduite. Il en est de même pour l'air turbiné s'il est envoyé uniquement dans la colonne basse pression, réduisant encore plus le reflux de tête de la colonne basse pression. Pour pallier ces défauts, on proposait dans EP-A-422.974 d'envoyer une partie de l'air condensé dans la colonne moyenne pression, quelques plateaux au-dessus de la cuve pour qu'elle puisse participer, au moins faiblement, à la distillation dans cette colonne. Or, dans la présente invention, pour compenser cette perte de reflux due au fait que la phase liquide de l'air condensé dans le vaporiseur extérieur se retrouve dans le liquide riche en cuve de la colonne moyenne pression, ce liquide riche est divisé en deux fractions: - une première fraction est envoyée dans la colonne basse pression à un premier niveau, habituellement au niveau de l'insufflation d'air; - une deuxième fraction est envoyée dans la colonne basse pression à un niveau intermédiaire entre le premier niveau et le niveau de soutirage d'azote impur. 4 2718518 Il est clair que cette disposition des niveaux d'injection peut présenter un intérêt pour des procédés de distribution cryogénique autres que celui décrit dans la présente demande. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention et de l'art antérieur vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de l'installation selon l'art antérieur; et - les figures 2 et 3 représentent schématiquement deux modes de réalisation de l'installation conforme à l'invention. L'installation représentée à la figure 1 comprend essentiellement un compresseur d'air principal 1 à débit variable, par exemple du type centrifuge à aubages mobiles, un surpresseur d'air à aubages mobiles 2, une ligne d'échange thermique 3, une turbine 4 de maintien en froid, un appareil 5 de distillation d'air constitué par une double colonne comprenant elle-même une colonne moyenne pression 6 surmontée d'une colonne basse pression 7 et un minaret 7A, un vaporiseur-condenseur 8, un échangeur de chaleur auxiliaire 9 et une pompe 10. Cette installation est destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux via une conduite 12, sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le débit nominal d'air à traiter, comprimé à 6 bar par le compresseur 1, refroidi à la température ambiante et épuré, est divisé en deux fractions. La première fraction est surpressée par le surpresseur 2 et la deuxième fraction passe directement à la ligne d'échange 3 o elle est divisée en deux flux ayant chacun un débit constant: -un premier flux est refroidi dans des passages de la ligne d'échange; une partie est sortie de cette ligne d'échange après un refroidissement partiel, détendue vers 1 bar dans la turbine 4 et insufflée dans la colonne basse pression 7 au voisinage de son point de rosée; un second flux poursuit son refroidissement jusqu'au voisinage de son point de rosée sous 6 bar, puis est injecté au bas de la colonne moyenne pression 6 via une conduite 14. La première fraction surpressée est refroidie jusqu'au voisinage de son point de rosée dans des passages de la ligne d'échange puis condensée dans l'échangeur auxiliaire 9 et est divisée en un premier débit 2718518 constant détendu sous 6 bar envoyé dans la colonne moyenne pression via une conduite 16. et un second débit constant détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 13 puis injecté dans la colonne basse pression 7. Le vaporiseur-condenseur 8 vaporise un débit constant d'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression par condensation d'un débit à peu près égal d'azote de tête de la colonne moyenne pression. Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) prélevé en cuve de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 18 est injecté à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression, et du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) prélevé en tête de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 19 est injecté au sommet de la colonne basse pression. De l'azote liquide est injecté au sommet du minaret 7A à travers la vanne de détente 21. De l'azote pur est soutiré du sommet du minaret 7A et envoyé à la ligne d'échange 3 pour y être réchauffé avant de ressortir par la conduite 20. L'azote impur sort par la conduite 25 du sommet de la colonne basse pression 7 et est envoyé à l'extérieur par la conduite 18. L'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne basse pression 7 est pompé à la pression de production avant d'être vaporisé dans I'échangeur auxiliaire 9 (constitué par un vaporiseur du type "à film") par échange de chaleur avec l'air qui s'y condense partiellement. L'oxygène vaporisé sort, après réchauffement dans la ligne d"échange 3, par la conduite 12. Pour produire de l'argon, une fraction riche en argon est soutirée de la partie inférieure de la colonne basse pression 7 et est envoyée à la colonne d'argon 16 pour y être distillée. Cette fraction comprend essentiellement de l'argon et de l'oxygène. Le liquide de cuve résultant de la distillation dans la colonne 16 est renvoyée en partie inférieure de la colonne basse pression 7. Le condenseur de tête 29 de la colonne argon 16 est refroidi par du liquide riche provenant de la cuve de la colonne moyenne pression 6, détendu par la vanne 23, vaporisé et envoyé à la colonne basse pression. La partie restante du liquide riche de la cuve de la colonne moyenne pression 6 est détendu par la vanne 18 à une pression légèrement au-dessus de la pression atmosphérique et envoyée dans la colonne basse 6 2718518 pression 7 par la vanne 18, sensiblement au même niveau que le niveau d'injection de l'air détendu par la turbine 4 (l'air d'insufflation). L'installation représentée à la figure 2 diffère de l'art antérieur par le fait que tout l'air qui n'est pas surpressé par le surpresseur 2 est envoyé à la turbine 4 pour être détendu et envoyé à la colonne basse pression 7. L'air surpressé et partiellement condensé dans l'échangeur 9 auxiliaire est entièrement injecté en cuve de la colonne moyenne pression 6. Pour améliorer le rendement en argon, la partie restante de liquide riche non vaporisée en 29 est divisée en deux fractions: une première fraction est injectée, comme représenté sur la figure 1, après détente par la vanne 18 dans la colonne basse pression 7 au niveau de l'insufflation d'air et la deuxième fraction de liquide riche est envoyée à la colonne basse pression 7, après détente à la pression de celle-ci par la vanne 17, à un niveau intermédiaire entre le niveau d'injection de la première fraction de liquide riche à travers la vanne 18 et le niveau de soutirage d'azote à travers la conduite 25. Dans le cas o l'oxygène liquide est pressurisé à une pression dite concomitante à la pression de la colonne moyenne pression (c'est-à- dire à environ 2 bar), le système de la figure 2 peut être simplifié. La variante de la figure 3 ne comporte qu'un seul compresseur d'air 1, tout l'air comprimé étant envoyé soit à la turbine 4, soit à l'échangeur 9. L'air partiellement condensé dans l'échangeur 9 passe entièrement à la cuve de la colonne moyenne pression 6. La dénivellation entre le niveau d'oxygène liquide de la cuve de la colonne BP et son entrée dans le vaporiseur 9 fixe, dans ce cas, la pression de vaporisation de l'oxygène; la pompe 10 de la figure 2 est donc supprimée. Si besoin est, on peut sous-refroidir les fractions de liquide riche pour que la température de la fraction injectée au niveau de l'insufflation d'air soit moins élevée que celle de la fraction injectée au niveau intermédiaire. Cette disposition de l'échangeur 9 permet un gain d'environ 6 % sur la compression de l'air et donc sur l'énergie spécifique de l'oxygène produit. 7 2718518 Cette disposition des niveaux d'injection du liquide riche permet d'obtenir un gain de production d'argon d'environ 5 %, en comparaison avec celle de EP-A-422.974. Le rendement obtenu avec le procédé de la présente invention est d'environ 80 %. 8 2718518 REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression par distillation cryogénique d'air dans une double colonne (5) comprenant une colonne moyenne pression (6) et une colonne basse pression (7), I'oxygène soutiré de la colonne basse pression (7) sous forme liquide étant vaporisé sous pression dans un échangeur auxiliaire (9) par échange de chaleur avec de l'air d'alimentation comprimé qui se condense dans l'échangeur auxiliaire (9), caractérisé en ce que l'air d'alimentation envoyé dans l'échangeur (9) s'y condense partiellement avant d'être envoyé dans la colonne moyenne pression (6). 2. Procédé de production selon la revendication 1, dans lequel l'oxygène gazeux est produit sous une pression supérieure à 1,5 bar. 3. Procédé de production selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on divise du liquide riche de la colonne moyenne pression en une première et une deuxième fractions que l'on envoie à des niveaux différents dans la colonne basse pression (7) après sous- refroidissement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les deux fractions sont refroidies à des températures différentes avant d'être envoyées dans la colonne basse pression (7). 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel la première fraction de liquide riche est injectée à un premier niveau de la colonne basse pression (7) voisin de l'alimentation en air d'insufflation et la deuxième fraction est injectée à un niveau entre le premier niveau et un niveau de soutirage d'azote impur de la colonne basse pression (7). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel tout l'air traité est envoyé à la double colonne (5), une partie de l'air d'alimentation est turbinée avant d'être insufflée à la colonne BP (7) et la partie restante de l'air d'alimentation est partiellement condensée dans l'échangeur auxiliaire (9). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la partie restante de l'air est surpressée avant de passer dans l'échangeur auxiliaire (9). 9 2718518 8. Installation de production d'oxygène gazeux sous pression par distillation cryogénique d'air comprenant une double colonne (5), constituée par au moins une colonne moyenne pression (6) surmontée d'une colonne basse pression (7), des moyens (12) pour soutirer de l'oxygène liquide de la colonne basse pression (7), un échangeur (9) et des moyens pour augmenter la pression de l'oxygène liquide et l'envoyer à l'échangeur auxiliaire (9), une turbine d'insufflation (4), des moyens pour envoyer une partie de l'air d'alimentation à la turbine (4) et des moyens pour envoyer la partie restante de l'air d'alimentation à l'échangeur auxiliaire (9) pour vaporiser l'oxygène liquide. 9. Installation selon la revendication 8 comprenant des moyens pour soutirer du liquide riche de la cuve de la colonne moyenne pression (6) et l'envoyer à deux niveaux différents de la colonne basse pression (7). 10. Installation selon l'une des revendications 8 ou 9 comprenant des moyens pour envoyer le liquide riche dans la colonne basse pression (7) à deux températures différentes.