Brevet FR2723184A1 — publié le 19960202

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux sous pression à débit variable, du type dans lequel on distille de l'air dans une installation de distillation d'air comprenant un appareil de distillation et une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distilla- tion; on soutire de l'oxygène liquide de cet appareil, on l'amène à une pression de vaporisation, on le vaporise et on le réchauffe sous cette pression dans la ligne d'échange thermique, cette vaporisation et ce réchauf- fement s'accompagnant d'une liquéfaction d'air dans des passages de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique; et dans lequel: - lors d'une réduction de la demande d'oxy- gène gazeux sous pression par rapport au débit nominal, on soutire de l'appareil de distillation, sous forme liquide, l'excédent d'oxygène produit par cet appareil, on envoie cet oxygène liquide dans un récipient de stockage d'oxygène liquide, et on introduit dans l'appa- reil de distillation une quantité additionnelle corres- pondante d'air liquide préalablement stocké; et - lors d'une augmentation de la demande d'oxygène gazeux sous pression par rapport au débit nominal, on soutire l'excès d'oxygène demandé, sous forme liquide, du récipient de stockage d'oxygène liquide, on l'amène à la pression de vaporisation, et on le vaporise sous cette pression dans la ligne d'échange thermique, et on stocke une quantité correspondante d'air liquéfié par ladite liquéfaction dans le récipient de stockage d'air liquide. Dans le présent mémoire, les pressions indiquées sont des pressions absolues. De plus, on entend par "condensation" et "vaporisation" soit une condensa- tion ou une vaporisation proprement dite, soit une pseudo-condensation ou une pseudo-vaporisation, selon que les pressions sont subcritiques ou supercritiques. Les procédés de ce type (voir par exemple le FR-A-1158639) sont parfois appelés "procédés à pompe et à bascule air-oxygène". L'invention s'applique particu- lièrement aux procédés dits "à paliers décalés", dont des exemples sont décrits dans les demandes de brevet français n 91 02 917, 91 15 935, 92 02 462, 92 07 662 et 93 04 274. Ces procédés, dans lesquels la liquéfaction de l'air s'effectue à une température inférieure à la température de vaporisation de l'oxygène sous sa pression de vaporisation, présentent des avantages intéressants tant du point de vue de l'investissement de construction de l'installation que du point de vue de la consommation en énergie spécifique, c'est-à-dire de l'énergie néces- saire pour produire une quantité donnée d'oxygène gazeux sous pression. L'invention a pour but de fournir des moyens permettant de satisfaire à une demande variable en oxygène sous pression de façon particulièrement simple et sans dégradation sensible des performances, ni sur le plan thermique, c'est-à-dire de l'équilibre de la ligne d'échange thermique, ni sur celui de la distillation de l'air. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que l'on stocke l'oxygène liquide sous une pression voisine de la pression atmosphérique tandis que l'on stocke l'air liquide sous une pression de stockage au moins égale, et de préférence nettement supérieure, à la plus forte pression de fonctionnement de l'appareil de distillation. Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le récipient de stockage d'air liquide est à une pression voisine de la pression à laquelle s'effec- tue ladite liquéfaction d'air; - le récipient de stockage d'air liquide est à une pression comprise entre 30 et 35 bars environ; - la totalité de l'oxygène vaporisé est soutirée du récipient de stockage d'oxygène liquide; - on effectue ladite liquéfaction d'air a une température inférieure à la température de vaporisation de l'oxygène sous ladite pression de vaporisation, et on évacue au moins un produit liquide de l'installation; et - on comprime l'air destiné au récipient de stockage d'air liquide à ladite pression de stockage et le reste de l'air à une haute pression supérieure à cette pression de stockage. L'invention a également pour objet une installation de production d'oxygène gazeux sous pression à débit variable, destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation, du type comprenant: un appareil de distillation d'air; une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distilla- tion; des moyens pour soutirer de l'oxygène liquide de cet appareil; des moyens pour amener cet oxygène liquide à une pression de vaporisation et pour l'envoyer dans des passages de vaporisation d'oxygène de la ligne d'échange thermique; des moyens de compression adaptés pour amener au moins une fraction de l'air à distiller à une haute pression, et l'envoyer dans des passages de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique; un récipient de stockage d'oxygène liquide relié à l'appareil de distil- lation et muni de moyens pour en soutirer de l'oxygène liquide à débit réglable, l'amener à la pression de vaporisation et l'envoyer dans des passages de vaporisa- tion d'oxygène de la ligne d'échange thermique; et un récipient de stockage d'air liquide relié en amont aux passages de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique et, en aval, et via des moyens de détente à débit réglable, à l'appareil de distillation, est caractérisée en ce que le récipient de stockage d'oxygène se trouve sous une pression voisine de la pression atmos- phérique, tandis que le récipient de stockage d'air liquide se trouve sous une pression nettement supérieure à la plus forte pression de fonctionnement de l'appareil de distillation. Suivant d'autres caractéristiques de l'ins- tallation: - le récipient de stockage d'air liquide est relié auxdits passages de liquéfaction d'air par l'inter- médiaire d'une vanne de détente; - les moyens de compression comprennent un compresseur d'air principal suivi d'une soufflante adaptée pour surpresser une fraction de l'air non destinée au récipient de stockage d'air liquide. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins an- nexés, sur lesquels: - la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène gazeux sous pression à débit variable conforme à l'invention; et - la Figure 2 est une vue analogue d'une variante. L'installation de distillation d'air repré- sentée à la Figure 1 comprend essentiellement: un compresseur d'air 1; un appareil 2 d'épuration de l'air comprimé en eau et en C02 par adsorption, cet appareil comprenant deux bouteilles d'adsorption 2A, 2B dont l'une fonctionne en adsorption pendant que l'autre est en cours de régénération; un ensemble turbine-soufflante 3 comprenant une turbine de détente 4 et une soufflante ou surpresseur 5 dont les arbres sont couplés, la soufflante étant éventuellement équipée d'un réfrigérant (non représenté); un échangeur de chaleur 6 constituant la ligne d'échange thermique de l'installation; une double colonne de distillation 7 comprenant une colonne moyenne pression 8 surmontée d'une colonne basse pression 9, avec un vaporiseur-condenseur 10 mettant la vapeur de tête (azote) de la colonne 8 en relation d'échange thermique avec le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 9; un réservoir d'oxygène liquide 11 dont le fond est relié à une pompe d'oxygène liquide 12; et un réservoir d'air liquide 13. Cette installation est principalement destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression prédéterminée, qui peut être comprise entre environ 13 bars et quelques dizaines de bars. Pour cela, de l'oxygène liquide, soutiré de la cuve de la colonne 9 via une conduite 16 équipée d'une vanne 17 de régulation du niveau du liquide dans la cuve de la colonne 9, est stocké dans le réservoir 11. De l'oxygène liquide soutiré de ce réservoir est amené à la haute pression de vaporisation par la pompe 12 à l'état liquide, puis vaporisé et réchauffé sous cette haute pression dans des passages 18 de la ligne d'échange 6. La chaleur nécessaire à cette vaporisation et à ce réchauffage, ainsi qu'au réchauffage et éventuelle- ment à la vaporisation d'autres fluides soutirés de la double colonne, est fournie par l'air à distiller, dans les conditions suivantes. La totalité de l'air à distiller est com- primée par le compresseur 1 à une pression supérieure à la moyenne pression de la colonne 8 mais inférieure à la haute pression. Puis l'air, prérefroidi au voisinage de la température ambiante en 19 et refroidi à une tempéra- ture comprise entre + 5 C et + 25 C en 20, est épuré dans l'une, 2A par exemple, des bouteilles d'absorption, et surpressé en totalité à la haute pression par le surpres- seur 5, lequel est entraîné par la turbine 4. L'air est alors introduit au bout chaud de l'échangeur 6 et refroidi en totalité jusqu'à une température intermédiaire. A cette température, une fraction de l'air poursuit son refroidissement et est liquéfiée dans des passages 21 de l'échangeur, puis est sortie de la ligne d'échange et envoyée dans le réservoir 13 via une conduite 22. De l'air liquide soutiré de ce réservoir 13 via une conduite 24 est sousrefroidi dans la partie froide de la ligne d'échange 6, puis est détendu à la basse pression dans une vanne de détente 25 à ouverture réglable et introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 9. En variante, une partie de l'air liquide peut être détendu à la moyenne pression et introduit dans la colonne 8. Le reste de l'air surpressé en 5 est détendu à la moyenne pression dans la turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 26, à la base de la colonne 8. On reconnait par ailleurs sur la Figure 1 les conduites habituelles des installations à double colonne, celle représentée étant du type dit "à minaret", c'est-à- dire avec production d'azote sous la basse pression: les conduites 27 à 29 d'injection dans la colonne 9, à des niveaux croissants, de "liquide riche" (air enrichi en oxygène) détendu, de "liquide pauvre inférieur" (azote impur) détendu et de "liquide pauvre supérieur" (azote pratiquement pur) détendu, respectivement, ces trois fluides étant respectivement soutirés à la base, en un point intermédiaire et au sommet de la colonne 8; et les conduites 30 de soutirage d'azote gazeux partant du sommet de la colonne 9 et 31 d'évacuation du gaz rési- duaire (azote impur) partant du niveau d'injection du liquide pauvre inférieur. L'azote basse pression est réchauffé dans des passages 32 de l'échangeur 6 puis évacué via une conduite 33, tandis que le gaz résiduaire W, après réchauffement dans des passages 34 de l'échan- geur, est utilisé pour régénérer une bouteille d'absorp- tion, la bouteille 2B dans l'exemple considéré, avant d'être évacué via une conduite 35. On a encore représenté sur la Figure 1 une conduite 36 d'évacuation d'oxygène liquide de l'ins- tallation, piquée sur la conduite de refoulement de la pompe 12. La haute pression d'air, au refoulement de la soufflante, est comprise entre 25 bars environ et la pression de condensation de l'air par vaporisation de l'oxygène sous la haute pression d'oxygène. C o m m e expliqué dans d'autres demandes de brevet qui décrivent des procédés "à pompe" et "à paliers décalés", c'est-à- dire dans lesquels, comme dans la présente invention, l'air qui apporte la chaleur de vaporisation de l'oxygène se condense au-dessous de la température de vaporisation de cet oxygène, le bilan frigorifique de l'installation est équilibré, avec un écart de température au bout chaud de la ligne d'échange thermique de l'ordre de 3 C, en soutirant de l'installation au moins un produit, ici de l'oxygène, sous forme liquide, via la conduite 36. En fonctionnement nominal, le niveau du liquide dans le réservoir 13 est constant, ainsi que celui du réservoir 11. Lorsque la demande en oxygène gazeux sous pression, sur la conduite de production 15, varie, on maintient constant le débit d'air comprimé par le compresseur 1, ainsi que la pression de refoulement de ce compresseur, et on procède de la manière suivante. Lorsque la demande en oxygène gazeux diminue, on augmente l'ouverture de la vanne 25, afin d'accroître la quantité de liquide dans la colonne 9. Pour maintenir le niveau de liquide en cuve de cette colonne, la vanne 17 s'ouvre, de sorte qu'un débit accru d'oxygène liquide est envoyé dans le réservoir 11. L'air liquide contenu dans le réservoir 13 étant à la haute pression, sa chaleur latente de liqué- faction est faible, de sorte que le débit supplémentaire d'air liquide envoyé dans la colonne 9 est sensiblement plus grand que le débit supplémentaire d'oxygène que l'on soutire de celle-ci. Il est d'autant plus grand que la pression de l'air liquide est plus élevée. Par suite, la quantité de gaz froids produite par la double colonne et envoyée dans la ligne d'échange thermique augmente, compensant d'autant la réduction de la quantité de froid envoyée dans cette dernière du fait de la baisse de la demande en oxygène gazeux et, par conséquent, du débit d'oxygène vaporisé dans les passages 18, cette baisse étant obtenue en réduisant la vitesse de la pompe 12. Par conséquent, le niveau de liquide monte dans le réservoir 11, et il baisse dans ce réservoir 13. Il est à noter que l'ajout d'air liquide supplémentaire nécessite une augmentation de la puissance de distillation de la double colonne 7, ce qui est obtenu grâce au fait que la diminution du débit d'oxygène liquide vaporisé en 6 provoque une augmentation du débit gazeux introduit dans la colonne 8. Inversement, lors d'une augmentation de la demande en oxygène gazeux, on réduit l'ouverture de la vanne 25, ce qui réduit le débit d'air liquide envoyé dans la colonne 9, la vanne 17 se ferme, et on augmente la vitesse de la pompe 12. Ainsi, le niveau de liquide baisse dans le réservoir 11 et augmente dans le réservoir 13. Pour des raisons analogues à ce qui a été expliqué plus haut, ceci a pour conséquence une baisse de la quantité de gaz froids envoyée dans la ligne d'é- change thermique, cette baisse compensant dans une large mesure l'augmentation de la quantité de froid introduite dans cette dernière du fait du débit supplémentaire d'oxygène liquide à vaporiser. On comprend qu'il est avantageux de stocker l'air liquide en 13 à la pression la plus élevée pos- sible, pour amplifier les phénomènes expliqués ci-dessus. Toutefois, pour des raisons technologiques ou parce que la haute pression d'air est supercritique, on peut, en variante, détendre l'air liquide dans une vanne de détente 37 prévue dans la conduite 22, avant de l'intro- duire dans le réservoir 13, jusqu'à une pression intermé- diaire entre la haute pression d'air et la moyenne pression de la colonne 8. Dans le cas o l'air liquide est stocké à une pression intermédiaire, il est intéressant, du point de vue énergétique, de ne pas comprimer à la haute pression l'air destiné au récipient de stockage 13. Ainsi, dans la variante de la Figure 2, cet air est prélevé à la sortie de l'appareil 2 via une conduite 38, refroidi et liquéfié dans des passages supplémentaires 21A de la ligne d'échange, et envoyé comme précédemment au réci- pient 13 via la conduite 22. Les passages de liquéfaction 21 de l'air sous la haute pression sont équipés, au bout froid de la ligne d'échange, d'une vanne de détente 25A, et les passages de sous-refroidissement de l'air liquide soutiré du réci- pient 13 sont équipés, au même bout froid, de la vanne de détente 25. Dans cette variante, c'est la commande des vannes 25 et 25A qui assure le fonctionnement de la bascule air/oxygène, analogue par ailleurs à ce qui a été décrit plus haut en regard de la Figure 1. La gamme de pressions optimales, du point de vue de l'équilibre thermique de la ligne d'échange 6 et de celui des conditions de distillation, est comprise entre 30 et 35 bars environ. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression à débit variable, du type dans lequel on distille de l'air dans une installation de distillation d'air comprenant un appareil de distillation (7) et une ligne d'échange thermique (6) pour refroidir l'air par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation; on soutire de l'oxygène liquide de cet appareil, on l'amène à une pression de vaporisation, on le vaporise et on le réchauffe sous cette pression dans la ligne d'échange thermique, cette vaporisation et ce réchauffement s'accompagnant d'une liquéfaction d'air dans des passages (21; 21,21A) de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique; et dans lequel: - lors d'une réduction de la demande d'oxy- gène gazeux sous pression par rapport au débit nominal, on soutire de l'appareil de distillation, sous forme liquide, l'excédent d'oxygène produit par cet appareil, on envoie cet oxygène liquide dans un récipient (11) de stockage d'oxygène liquide, et on introduit dans l'appa- reil de distillation (7) une quantité additionnelle correspondante d'air liquide préalablement stocké (en 13); et - lors d'une augmentation de la demande d'oxygène gazeux sous pression par rapport au débit nominal, on soutire l'excès d'oxygène demandé, sous forme liquide, du récipient de stockage d'oxygène liquide (11), on l'amène (en 12) à la pression de vaporisation, et on le vaporise sous cette pression (en 18) dans la ligne d'échange thermique (6), et on stocke une quantité correspondante d'air liquéfié par ladite liquéfaction dans le récipient de stockage d'air liquide (13); caractérisé en ce que l'on stocke l'oxygène liquide sous une pression voisine de la pression atmosphérique, tandis que l'on stocke l'air liquide sous une pression de stockage au moins égale, et de préférence nettement supérieure, à la plus forte pression de fonctionnement de l'appareil de distillation. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient de stockage d'air liquide (13) est à une pression voisine de la pression à laquelle s'effectue ladite liquéfaction d'air. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le récipient de stockage d'air liquide (13) est à une pression comprise entre 30 et 35 bars environ. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la totalité de l'oxygène vaporisé est soutirée du récipient de stockage d'oxygène liquide (11). - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on effectue ladite liquéfaction d'air à une température inférieure à la température de vaporisation de l'oxygène sous ladite pression de vaporisation, et on évacue au moins un produit liquide de l'installation. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on comprime (en 1) l'air destiné au récipient (13) de stockage d'air liquide à ladite pression de stockage et le reste de l'air à une haute pression supérieure à cette pression de stockage. 7 - Installation de production d'oxygène gazeux sous pression à débit variable, du type compre- nant: un appareil de distillation d'air (7); une ligne d'échange thermique (6) pour refroidir l'air par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation; des moyens (16, 17) pour soutirer de l'oxygène liquide de cet appareil; des moyens (12) pour amener cet oxygène liquide à une pression de vaporisation et pour l'envoyer dans des passages (18) de vaporisation d'oxygène de la ligne d'échange thermique; des moyens de compression (1, 5) adaptés pour amener au moins une fraction de l'air à distiller à une haute pression, et l'envoyer dans des passages (21; 21,21A) de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique; un récipient (11) de stockage d'oxygène liquide relié à l'appareil de distillation (7) et muni de moyens (12) pour en soutirer de l'oxygène liquide à débit réglable, l'amener à la pression de vaporisation et l'envoyer dans des passages (18) de vaporisation d'oxygène de la ligne d'échange thermique; et un récipient (13) de stockage d'air liquide relié en amont aux passages (21; 21,21A) de liquéfaction d'air de la ligne d'échange thermique et, en aval, et via des moyens de détente (25) à débit réglable, à l'appareil de distillation, caractérisée en ce que le récipient (11) de stockage d'oxygène se trouve sous une pression voisine de la pres- sion atmosphérique, tandis que le récipient (13) de stockage d'air liquide se trouve sous une pression nettement supérieure, au moins égale, et de préférence nettement supérieure, à la plus forte pression de fonc- tionnement de l'appareil de distillation (7). 8 - Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le récipient de stockage d'air liquide (13) est à une pression voisine de la pression à laquelle s'effectue ladite liquéfaction d'air. 9 - Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le récipient de stockage d'air liquide (13) est à une pression comprise entre 30 et 35 bars environ. - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le récipient (11) de stockage d'oxygène liquide est inter- posé entre l'appareil de distillation d'air (7) et des moyens (12) pour amener à la pression de vaporisation la totalité de l'oxygène liquide à vaporiser. 11 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que le récipient de stockage d'air liquide (13) est relié auxdits passages de liquéfaction d'air (21;21A) par l'intermédiaire d'une vanne de détente (37). 12 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisée en ce que les moyens de compression (1,5) comprennent un compresseur d'air principal (1) suivi d'une soufflante (5) adaptée pour surpresser une fraction de l'air non destinée au récipient (13) de stockage d'air liquide.