Brevet FR2711778A1 — publié le 19950505

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression 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 d'air comportant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, du type dans lequel on soutire de l'oxygène et/ou de l'azote liquide(s) de la colonne basse pression, on le(s) comprime par pompage, et on le(s) vaporise sous pression par échange de chaleur avec de l'air comprimé par le compresseur principal puis sur- pressé. L'invention a pour but de fournir un procédé de ce type ayant des performances énergétiques particu- lièrement élevées. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que: - ladite surpression est réalisée au moyen d'au moins deux surpresseurs en série; - de l'air est soutiré entre ces deux surpresseurs, détendu dans une turbine Claude à la moyenne pression et introduit en cuve de la colonne moyenne pression; et - un flux d'air sous une pression au moins égale à la pression de refoulement du compresseur principal est surpressé par un troisième surpresseur. Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le troisième surpresseur est monté entre le compresseur principal et la colonne moyenne pression; - le troisième surpresseur est monté entre le compresseur principal et le premier des deux surpresseurs en série; - le troisième surpresseur est monté entre le premier des deux surpresseurs en série et la turbine; - on détend dans une seconde turbine de l'azote soutiré en tête de la colonne moyenne pression; - l'un au moins des trois surpresseurs consomme l'énergie mécanique développée par la turbine Claude et/ou par la turbine de détente d'azote. 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, une double colonne de distillation comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, une pompe reliée en amont à la double colonne et en aval à des passages de vaporisation d'oxygène et/ou d'azote de la ligne d'échange thermique, et des moyens de surpression d'air alimentés par le compresseur principal et débou- chant dans des passages de refroidissement d'air de la ligne d'échange thermique, est caractérisée en ce que: - les moyens de surpression comprennent au moins deux surpresseurs en série; - une conduite piquée entre ces deux sur- presseurs alimente une turbine Claude de détente d'air à la moyenne pression dont l'échappement est relié à la cuve de la colonne moyenne pression; et - l'installation comprend un troisième surpresseur alimenté par de l'air sous une pression au moins égale à la pression de refoulement du compresseur principal. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels: - les Figures 1 à 3 représentent respective- ment, de façon schématique, trois modes de réalisation de l'installation suivant l'invention. L'installation de production d'oxygène gazeux sous pression représentée sur la Figure 1 comprend essentiellement: un compresseur d'air principal 1; un appareil 2 d'épuration d'air en eau et en anhydride carbonique par adsorption; 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 en série, entraînés par une source d'éner- gie extérieure (non représentée); un troisième surpres- seur 11; une turbine 12 de détente d'air; une turbine 13 de détente d'azote; et une pompe d'oxygène liquide 14. L'air à traiter, comprimé dans le compresseur 1, est séché et décarbonaté dans l'appareil 2. Une partie de cet air, après surpression en 11, entre dans la ligne d'échange 3 et est refroidie jusqu'à environ sa tempéra- ture de rosée. Cet air entre alors dans la colonne moyenne pression 5, o 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 sont sous-refroidis 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 respectives 15 et 16, alimentent cette colonne basse pression 6. Après réchauffement en 8 puis en 3, l'azote impur basse pression, à la température ambiante, est utilisé pour régénérer l'adsorbant de l'appareil 2. Le reste de l'air épuré est surpressé en 9, puis divisé en deux courants: un premier courant est surpressé de nouveau en 10, jusqu'à une haute pression d'air, introduit dans la ligne d'échange thermique 3, refroidi puis liquéfié dans cette dernière, puis divisé en deux flux qui, après détente dans des vannes de détente respectives 17 et 18, alimentent respectivement les colonnes 5 et 6. Le second courant d'air issu du surpresseur 9 est refroidi en 3 jusqu'à une température intermédiai- re, puis détendu à la moyenne pression dans la turbine 12 avant d'être envoyé en cuve de la colonne 5. Par ailleurs, de l'azote gazeux soutiré de la tête de la colonne 5 est, après réchauffement partiel en 3, divisé en un premier courant d'azote de production, qui est réchauffé jusqu'à la température ambiante puis récupéré via une conduite 19, et en un second courant qui, après détente en 13 au voisinage de la pression atmosphérique, est réchauffé jusqu'à la température ambiante en 3, puis récupéré via une conduite 20. L'oxygène de production est soutiré sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression 6, amené en 14 à la pression de production, vaporisé par échange de chaleur avec l'air haute pression en 3, réchauffé jusqu'à la température ambiante et récupéré sous forme d'oxygène gazeux de production via une conduite 21. On a également indiqué sur la Figure 1 une conduite 22 de production d'azote liquide, piquée entre le sous-refroidisseur 8 et la vanne de détente 16 et elle-même équipée d'une vanne de détente 23. La turbine 12 est freinée par un alternateur 24 et, de même, la turbine 13 est freinée par un alterna- teur 25. Des lignes électriques 26 relient ces deux alternateurs à un moteur 27 d'entrainement du surpresseur 11. L'installation ainsi décrite permet d'optimi- ser le diagramme d'échange thermique de la ligne d'échange thermique 3, notamment en obtenant des écarts de température particulièrement réduits dans la partie froide de celle-ci. De plus, on remarque que c'est l'air surpressé en 11 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 haut-fourneau. Une importante économie d'investissement est obtenue de cette manière. L'installation représentée sur la Figure 2 ne diffère de celle de la Figure 1 que par le fait que le surpresseur 11il est monté entre l'appareil d'épuration 2 et le surpresseur 9, tandis que la sortie de cet appareil est directement reliée à la ligne d'échange thermique et, de là, à la cuve de la colonne moyenne pression. Bien entendu, dans ce cas, le compresseur 1 doit refouler l'air sous la moyenne pression, et l'économie de taux de compression est reportée sur le surpresseur 9. L'installation de la Figure 3 ne diffère de la précédente que par le fait que le surpresseur 11 est monté entre le refoulement du surpresseur 9 et la ligne d'échange thermique 3, de sorte que le surpresseur 9 est alimenté par de l'air sous la moyenne pression sortant de l'appareil d'épuration 2. L'avantage de cette disposition réside dans le gain de puissance frigorifique qu'il permet d'obtenir grâce à la détente d'air dans la turbine 12. En variante, dans chacune des configurations décrites ci-dessus, les roues des turbines peuvent être calées sur le même arbre que celle du surpresseur 11, auquel cas les alternateurs 24, 25 et le moteur 27 sont supprimés. Il peut alors être préférable de remplacer le surpresseur 11 par deux surpresseurs en série dont les roues sont couplées l'une à celle de la turbine 12, l'autre à celle de la turbine 13. Dans ce qui précède, il faut comprendre l'expression "deux surpresseurs en série" comme pouvant inclure le cas d'un surpresseur unique à deux étages de compression. Dans le cas des surpresseurs 9 et 10, la conduite de soutirage intermédiaire est alors une conduite de soutirage inter-étages. L'invention peut également s'appliquer à la production d'azote gazeux sous une pression supérieure à la moyenne pression. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression par distillation d'air dans une installation comprenant un compresseur d'air princi- pal (1), un appareil (2) d'épuration d'air par adsorp- tion, une ligne d'échange thermique (3) et une double colonne de distillation d'air (4) comportant une colonne moyenne pression (5) et une colonne basse pression (6), du type dans lequel on soutire de l'oxygène et/ou de l'azote liquide(s) de la double colonne (4), on le(s) comprime par pompage, et on le(s) vaporise sous pression par échange de chaleur (en 3) avec de l'air comprimé par le compresseur principal (1) puis surpressé (en 9, 10), caractérisé en ce que: - ladite surpression est réalisée au moyen d'au moins deux surpresseurs en série (9, 10); - de l'air est soutiré entre ces deux surpresseurs, détendu dans une turbine Claude (12) à la moyenne pression et introduit en cuve de la colonne moyenne pression (5); et - un flux d'air sous une pression au moins égale à la pression de refoulement du compresseur principal (1) est surpressé par un troisième surpresseur (11). 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième surpresseur (11) est monté entre le compresseur principal (1) et la colonne moyenne pression (5). 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième surpresseur (11) est monté entre le compresseur principal (1) et le premier (9) des deux surpresseurs en série (9, 10). 4 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième surpresseur (11) est monté entre le premier (9) des deux surpresseurs en série (9, 10) et la turbine (12). - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on détend dans une seconde turbine (13) de l'azote soutiré en tête de la colonne moyenne pression (5). 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un au moins des trois surpresseurs (9 à 11) consomme l'énergie mécanique développée par la turbine Claude (12) et/ou par la turbine de détente d'azote (13). 7 - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'énergie mécanique développée par la turbine Claude (12) et/ou la turbine de débit d'azote (13) est consommée par ledit troisième surpresseur (11). 8 - Installation de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression par distillation d'air, du type comprenant un compresseur d'air principal (1), un appareil (2) d'épuration d'air par adsorption, une ligne d'échange thermique (3), une double colonne de distillation (4) comprenant une colonne moyenne pression (5) et une colonne basse pression (6), une pompe (14) reliée en amont à la double colonne et en aval à des passages de vaporisation d'oxygène et/ou d'azote de la ligne d'échange thermique (3), et des moyens (9, 10) de surpression d'air alimentés par le compresseur principal (1) et débouchant dans des passages de refroidissement d'air de la ligne d'échange thermique, caractérisée en ce que: - les moyens de surpression comprennent au moins deux surpresseurs en série (9, 10); - une conduite piquée entre ses deux surpres- seurs alimente une turbine Claude (12) de détente d'air à la moyenne pression dont l'échappement est relié à la cuve de la colonne moyenne pression (5); et - l'installation comprend un troisième surpresseur (11) alimenté par de l'air sous une pression au moins égale à la pression de refoulement du compres- seur principal (1). 9 - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le troisième surpresseur (11) est monté entre le compresseur principal (1) et la colonne moyenne pression (5). - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le troisième surpresseur (11) est monté entre le compresseur principal (1) et le premier (9) des deux surpresseurs en série (9, 10). 11 - Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le troisième surpresseur (11) est monté entre le premier (9) des deux surpresseurs en série (9, 10) et la turbine (12). 12 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en qu'elle comprend une seconde turbine (13) de détente d'azote reliée en amont à la tête de la colonne moyenne pression (5). 13 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que l'un au moins (11) des trois surpresseurs est entraîné par l'énergie mécanique développée par la turbine Claude (12) et/ou la turbine de détente d'azote (13). 14 - Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que ledit troisième surpresseur (11) est entraîné par l'énergie mécanique développée par la turbine Claude (12) et/ou la turbine de détente d'azote (13).