Brevet FR2724011A1 — publié le 19960301

La présente invention est relative à un procédé et une installation pour la production de l'oxygène par distillation d'air et, en particulier, pour la production d'oxygène impur. Il concerne les procédés de production d'oxygène par distillation d'air dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, lesquelles colonnes sont en relation d'échange thermique au moyen de deux vaporiseurs / condenseurs, un vaporiseur principal vaporisant l'oxygène de cuve de colonne basse pression par condensation d'une fraction d'air d'alimentation avant son introduction dans la double colonne, et un vaporiseur intermédiaire condensant l'azote de tête de la colonne moyenne pression par vaporisation d'un liquide issu d'un niveau intermédiaire de la colonne basse pression. Des procédés décrits dans l'art antérieur (US -A- 3 113 854 US -A- 3 210 951; JP -A- 61-259 077) présentent l'avantage, par rapport à une double colonne classique à un seul vaporiseur, de réduire la pression de l'air envoyé en colonne moyenne pression et donc de réduire l'énergie de compression de l'air envoyé dans les colonnes. Les moyens utilisés consistent à condenser totalement (US-A-3 210 951) une première fraction d'air d'alimentation à la pression de la colonne moyenne pression, en vaporisant tout l'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, production incluse, I'air liquide ainsi produit étant envoyé dans la double colonne, et à alimenter la colonne moyenne pression par une deuxième fraction de l'air d'alimentation refroidie au voisinage de son point de rosée. Un autre moyen utilisé (US -A- 3 113 854) consiste à vaporiser tout l'oxygène de cuve de colonne basse pression par la totalité de l'air d'alimentation, lequel est condensé partiellement et envoyé en colonne moyenne pression. L'avantage de cette solution par rapport à la précédente est de réduire la température moyenne de condensation de l'air et donc sa pression d'oxygène, d'o un gain sur l'énergie de compression par rapport au procédé précédent. En condensant environ 37 % de la première fraction de l'air, on arrive à réduire la pression de la colonne moyenne pression à 65 psia (4.5 x 105 Pa). Les frigories dont le système a besoin sont fournies par une turbine d'azote. 2 2724011 Un autre moyen proposé (JP -A- 61 - 259 077) constitue encore un gain sur l'énergie de compression de l'air par rapport au procédé précédent dans la mesure o le vaporiseur principal ne vaporise que l'oxygène de rebouillage de la colonne basse pression, la production étant soutirée sous forme liquide. Malheureusement, tout l'air d'alimentation n'est pas envoyé dans le vaporiseur principal. Une partie de cet air est envoyé en cuve de la colonne moyenne pression à travers une vanne de détente, ce qui prouve que l'air est comprimé à une pression supérieure à celle de la colonne moyenne pression. Dans ces conditions la fraction d'air envoyée dans le vaporiseur principal est moins condensée, qu'elle ne serait si tout l'oxygène était vaporisé mais plus condensée qu'elle ne serait si tout l'air d'alimentation était utilisé. US -A- 4 582 518 décrit un procédé basse énergie de production d'azote à haute pureté et d'oxygène impur basé sur le même principe, de condenser partiellement l'air moyenne pression en cuve d'une colonne basse pression fonctionnant autour de 4 bars, mais d'utiliser l'oxygène impur (20 % N2) produit en cuve de la colonne basse pression pour augmenter le reflux de tête de cette colonne par vaporisation sous basse pression dans un condenseur de tête de la colonne basse pression. L'objet de la présente invention est de réduire la dépense d'énergie d'un procédé de production d'oxygène sous pression par rapport à celle des procédés connus. Selon l'invention, dans un procédé de production d'oxygène par distillation cryogénique d'un mélange d'alimentation contenant de l'oxygène et de l'azote dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, on condense au moins une fraction du mélange d'alimentation dans un condenseur par vaporisation d'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression, on envoie ledit mélange partiellement condensé dans la colonne moyenne pression, la totalité de I'oxygène destiné à former la production gazeuse étant soutirée sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression et l'oxygène soutiré sous forme liquide est comprimé à sa pression d'utilisation. Il est souhaitable de faire fonctionner la colonne basse pression au voisinage de la pression atmosphérique. 3 2724011 De préférence, on condense moins de 30 % du mélange d'alimentation avant de l'envoyer à la colonne moyenne pression, ou, encore mieux, moins de 25 % de ce mélange. Il peut être avantageux de condenser partiellement dans le condenseur soit tout le mélange destiné à la colonne moyenne pression soit la totalité du mélange. L'invention a également pour objet une installation de production d'oxygène par distillation cryogénique d'un mélange d'alimentation contenant de l'oxygène et de l'azote comprenant une double colonne avec une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, des moyens d'envoi d'une première fraction du mélange à un condenseur capable de condenser partiellement au moins une partie de ladite fraction par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression, des moyens pour soutirer sous forme liquide tout l'oxygène destiné à constituer la production gazeuse de la cuve de la colonne basse pression, des moyens pour envoyer ladite fraction du mélange à la colonne moyenne pression et des moyens pour comprimer l'oxygène soutiré sous forme liquide à sa pression d'utilisation. La colonne basse pression peut fonctionner au voisinage de la pression atmosphérique. Quatre exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les figures 1, 2, 3 et 4 représentent schématiquement quatre modes de réalisation de l'installation de distillation d'air conforme à l'invention. Considérant la figure 1, un procédé utilise une double colonne 5, dont la colonne moyenne pression 6 est seulement à 3,3 x 105 Pa et la colonne basse pression 7 n'est qu'à 1,3 x 105 Pa. L'air à traiter est comprimé à 3,5 x 105 Pa par un compresseur d'air 1. Après être refroidi à température ambiante et épuré, I'air est divisé en deux portions 100, 101. La première fraction (62 %) de l'air d'alimentation 101 traverse tout l'échangeur principal 3 avant d'être introduite dans un vaporiseur 8 constituant le vaporiseur principal de la double colonne 5. Ce vaporiseur sert à condenser partiellement la deuxième portion de l'air d'alimentation par échange de chaleur avec l'oxygène impur, contenu en cuve de la colonne 4 2724011 basse pression 7. Généralement, on ne condense que environ 18 % de la première fraction. L'air partiellement condensé passe par la conduite 104 à la partie inférieure de la colonne moyenne pression 6 pour y être distillé. La deuxième portion 100 (38 %) de l'air comprimé est envoyé à un surpresseur 102 et ensuite à l'échangeur principal 3 avant d'être divisée en deux débits. Un débit constituant 10 % de l'air comprimé est refroidi partiellement et envoyé à une turbine 4 (avec un frein 204) qui le détend à la pression de la colonne basse pression 7. Le deuxième débit (28 %) de l'air comprimé poursuit son refroidissement dans l'échangeur 3 avant de se condenser totalement dans un vaporiseur auxiliaire 115 à l'extérieur de la colonne 5 par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne basse pression 7. L'oxygène liquide est pressurisé par hauteur hydrostatique. Néanmoins, dans l'exemple illustré, il pourrait être pressurisé par une pompe 126 (illustrée en lignes mixtes) selon les besoins du client. L'air condensé est envoyé dans les colonnes moyenne et basse pression 6, 7, par les conduites 116, 117, respectivement. L'air se sépare dans la colonne moyenne pression 6 pour produire en cuve une fraction de liquide riche en oxygène et en tête un gaz enrichi en azote. Le liquide riche est envoyé à la colonne basse pression 7 par la conduite 105, après sous-refroidissement dans l'échangeur 103. Ce liquide riche est injecté au niveau du point d'introduction de l'air d'insufflation, le gaz de tête est soutiré par la conduite 109 et envoyé à un deuxième vaporiseur 108 o il se condense, le liquide condensé étant renvoyé partiellement à la partie supérieure de la colonne moyenne pression , par la conduite 106, pour servir de reflux. L'autre partie du liquide condensé est sous-refroidie dans l'échangeur 103 avant d'être injectée en tête de la colonne basse pression 7 pour servir de reflux. Le deuxième vaporiseur 108 parvient à condenser le gaz de tête enrichi en azote, car le liquide qu'il vaporise ne contient que 80 % d'oxygène. Dans un appareil selon l'invention, tel qu'illustré à la Figure 1, on réduit la pression de la colonne moyenne pression, en soutirant l'oxygène de production sous forme liquide, ce qui à pour effet de condenser encore plus partiellement une première partie de l'air destiné à la colonne moyenne 2724011 pression 6 dans le vaporiseur de cuve de la colonne basse pression 7, l'oxygène produit sous forme liquide est vaporisé à la pression d'utilisation en condensant totalement une deuxième partie de l'air à l'extérieur de la colonne 5. On constate que dans les appareils de la figures 1 et de US -A- 3 113 854, la quantité totale d'air condensé envoyée à la double colonne 5 est sensiblement la même, car dans la figure 1, le pourcentage d'air condensé est d'environ 38 % (= 28 % + 18 % de 62 %), la quantité d'air condensé envoyée à la colonne basse pression 7 par la conduite 117 étant plus faible. Le système de la figure 1 permet de réduire encore la pression de la colonne moyenne pression 6 et donc celle du refoulement du compresseur 1. Comme la quantité d'oxygène liquide à vaporiser en cuve de la colonne basse pression est réduite par le soutirage d'oxygène liquide vers le vaporiseur auxiliaire 115; la condensation de l'air dans le vaporiseur 8 est réduit et peut donc s'effectuer à une température plus basse, et donc à une pression plus basse. La pression de refoulement du compresseur 1 descend donc à 3,5 x 105 Pa selon la variante de la figure 1, moyennant l'investissement du vaporiseur auxiliaire. Cette pression est donc de 1,1 x Pa plus basse que celle du compresseur de US -A- 3 113 854. De plus l'air sort du compresseur 1 à une température moins élevée et ainsi on peut réduire la taille du système de refroidissement. Le procédé de la présente invention permet de produire de l'oxygène avec une consommation spécifique très basse comprise entre 0,25 et 0,30 kW/Nm3 d'oxygène pur, consommation qui est fonction de la pureté de l'oxygène et de la taille de l'unité de séparation d'air. L'exemple de la Figure 1 conduit à une énergie de 0,26 kW/Nm3. Le vaporiseur 8 est préférablement du type décrit dans EP-A-130 122 mais peut éventuellement être remplacé par un vaporiseur à bain. Dans une variante de l'appareil selon l'invention, illustrée à la figure 2, la première partie de l'air se condense partiellement dans un condenseur de cuve d'une colonne auxiliaire 206, qui fonctionne à la pression de la colonne basse pression 7, avant d'être envoyée à la colonne moyenne pression 6. La colonne auxiliaire 206 est alimentée par de 6 2724011 l'oxygène liquide impur provenant de la cuve de la colonne basse pression 7. Cette variante permet de modifier une double colonne déjà en usage pour mettre l'invention en oeuvre. Dans cette variante, la deuxième partie de l'air surpressé (102) se condense, non pas dans un vaporiseur indépendant, comme celui de la figure 1, mais dans l'échangeur principal 3 par échange de chaleur avec l'oxygène liquide pompé par la pompe 126. L'air ainsi condensé est envoyé aux colonnes 6, 7 par les conduites 116, 117, respectivement. Ainsi, tout l'air destiné à la distillation est soit partiellement condensé dans le condenseur 8, soit totalement condensé. Les frigories dont l'appareil a besoin sont fournies par une turbine de détente 24 d'azote moyenne pression et la turbine d'insufflation de la figure 1 est supprimée. Dans une variante de l'appareil selon l'invention, illustrée à la figure 3, la totalité de l'air se condense partiellement dans le vaporiseur principal de la colonne auxiliaire 206, avant d'être envoyée à la colonne moyenne pression 6. Dans cette variante, I'oxygène liquide extrait de la colonne auxiliaire est vaporisé dans la ligne d'échange en condensant de l'azote gazeux extrait en tête de colonne moyenne pression réchauffé et comprimé à la pression de vaporisation de l'oxygène. Cet azote liquide obtenu par condensation est renvoyé en tête de colonne moyenne pression. Dans une autre variante de l'invention, illustrée à la figure 4, la tenue en froid de l'installation est obtenue par détente d'une partie de l'air d'alimentation dans une turbine, couplée au compresseur de cycle 102, I'air détendu étant envoyé en insufflation dans la colonne basse pression. 7 27240 1 1 REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'oxygène par distillation cryogénique d'un mélange d'alimentation contenant de l'oxygène et de l'azote dans une double colonne (5) comprenant une colonne moyenne pression (6) et une colonne basse pression (7), dans lequel on condense partiellement au moins une fraction du mélange d'alimentation dans un condenseur (8) par vaporisation d'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression (7), on envoie ledit mélange partiellement condensé dans la colonne moyenne pression (6), la totalité de l'oxygène destiné à former la production gazeuse étant soutirée sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression (7), et amenée à sa pression d'utilisation. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la colonne basse pression fonctionne au voisinage de la pression atmosphérique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on condense moins de 30 % de ladite fraction du mélange envoyé dans le condenseur (8). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on condense moins de 25 % de ladite fraction du mélange envoyée dans le condenseur (8). 5. Procédé selon les revendication 1 à 4, caractérisé en ce que l'oxygène de production est vaporisé dans un vaporiseur auxiliaire (115 3) extérieur à la double colonne (5). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le vaporiseur auxiliaire est intégré à l'échangeur (3). 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que l'oxygène de production est vaporisé (115; 3) par condensation totale d'une deuxième fraction du mélange d'alimentation, porté à la pression de condensation par vaporisation d'oxygène. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que l'oxygène de production est vaporisé par condensation totale d'un mélange enrichi en azote recyclé, porté à sa pression de condensation puis introduit dans la double colonne (5). 8 2724011 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tout le mélange d'alimentation destiné à la colonne moyenne pression se condense partiellement dans le condenseur (8). 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel tout le mélange d'alimentation se condense partiellement dans le condenseur (8). 11. Installation de production d'oxygène par distillation cryogénique d'un mélange d'alimentation contenant de l'oxygène et de l'azote comprenant une double colonne (5) avec une colonne moyenne pression (6) et une colonne basse pression (7), des moyens d'envoi d'une première fraction du mélange à un condenseur (8) capable de condenser partiellement au moins une partie par échange de chaleur avec de l'oxygène liquide de la cuve de la colonne basse pression (7), des moyens pour soutirer sous forme liquide tout l'oxygène destiné à constituer la production gazeuse de la cuve de la colonne basse pression, des moyens pour envoyer ladite fraction du mélange à la colonne moyenne pression (6) et des moyens pour comprimer l'oxygène soutiré sous forme liquide à sa pression d'utilisation. 12. Installation selon la revendication 11 dans laquelle la colonne basse pression (7) fonctionne au voisinage de la pression atmosphérique. 13. Installation selon l'une des revendications 11 et 12 caractérisée en ce qu'elle comprend un vaporiseur auxiliaire (115; 3) extérieur à la double colonne, capable de vaporiser de l'oxygène soutiré sous forme liquide. 14. Installation selon la revendication 13 caractérisée en ce que le vaporiseur auxiliaire (115; 3) est capable de condenser soit une deuxième fraction du mélange d'alimentation soit un débit d'un mélange enrichi en azote, la deuxième fraction ou le débit du mélange enrichi en azote étant porté à sa pression de condensation par vaporisation d'oxygène. 15. Installation selon l'une des revendications 11 à 14 caractérisée en ce que le condenseur (8) est situé dans une colonne auxiliaire (206). 16. Installation selon l'une des revendications 11 à 15 caractérisée en ce qu'elle comprend un compresseur à deux étages (1).