Brevet FR2751737A1 — publié le 19980130

La présente invention est relative à un procédé de production d'un gaz de 1' air, notamment d'oxygène à débit variable par distillation d'air, du type dans lequel on stocke une partie au moins du gaz à produire, sous forme d'un premier liquide, dans un premier réservoir; on soutire de ce réservoir un débit variable dudit premier liquide, et on l'amène sous forme gazeuse et à la pression de production, ce débit variable étant vaporisé en condensant un débit variable correspondant d'un second fluide, notamment d'air à distiller; on stocke ce second fluide condensé, sous forme d'un second liquide, dans un second réservoir; et on envoie un débit commandé de ce second liquide à l'appareil de distillation. L'invention s'applique en particulier à la production d'oxygène sous pression à débit variable. Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues, et les débits sont des débits molaires. Le EP-A-O 422 974 au nom de la Demanderesse décrit un procédé de ce type, dit "procédé à bascule", destiné à la production d'oxygène gazeux à débit variable. Le second fluide en question est de l'air à distiller, qui est condensé suivant un débit variable. Dans ce procédé connu, il est facile de montrer que pour maintenir constants les débits d'alimentation et de soutirage de l'appareil de distillation, il est nécessaire de faire varier le débit d'air entrant dans le même sens que les variations de la consommation d'oxygène. Dans le cas où l'oxygène est produit sous pression, l'air que l'on condense pour vaporiser l'oxygène liquide est surpressé par un surpresseur additionnel, et, lorsque la demande en oxygène varie, il faut faire varier de façon importante à la fois le débit surpressé et le débit comprimé par le compresseur principal. Par conséquent, dans ce procédé connu, le compresseur, et éventuellement le surpresseur, sont surdimensionnés de façon importante par rapport au débit nominal d'oxygène à produire. De plus, ils travaillent pendant la majorité du temps à des débits fortement réduits par rapport à leurs capacités, et donc avec un rendement dégradé. Il a également été proposé de stocker du gaz à produire, sous forme gazeuse, dans une capacité auxiliaire ou "buffer", à une pression supérieure à la pression de production. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante, car elle nécessite la mise en place de buffers de très grande dimension pour faire face à des pointes de consommation de longue durée. De plus, la production de la totalité du gaz à la pression du buffer est coûteuse en énergie. L'invention a pour but de permettre la production de gaz de l'air à débit variable dans des conditions particulièrement efficaces et économiques. A cet effet, elle a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on amène un débit auxiliaire du gaz à produire sous forme gazeuse et à une haute pression supérieure à la pression de production, puis on le stocke dans une capacité auxiliaire sous ladite haute pression, et, lors de certaines pointes de consommation dudit gaz, on prélève une partie au moins du gaz excédentaire dans cette capacité auxiliaire, après l'avoir détendu à la pression de production. Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - on comprime ledit débit auxiliaire, sous forme liquide, à ladite haute pression, et on vaporise sous cette haute pression le débit auxiliaire comprimé, avant de l'introduire dans la capacité auxiliaire; - on vaporise ledit débit auxiliaire comprimé par échange de chaleur avec ledit second fluide; - on vaporise ledit débit variable et ledit débit auxiliaire par échange de chaleur avec ledit second fluide sous une pression de condensation unique; - ladite pression de condensation unique est telle que la température de condensation du second fluide est inférieure à la température de vaporisation dudit gaz, au moins sous ladite haute pression; - la température de condensation dudit second fluide sous ladite pression de condensation est concomitante à la température de vaporisation dudit gaz sous la pression de production; - on soutire un débit constant dudit premier liquide de l'appareil de distillation, et on fait passer un débit constant dudit second liquide du second réservoir à l'appareil de distillation; - le débit auxiliaire représente une fraction minoritaire du débit dudit premier liquide, notamment environ 25% de ce dernier en marche nominale; - ledit débit auxiliaire est constant; - lesdites pointes de consommation sont des pointes d'amplitude supérieure à une valeur prédéterminée; - jusqu'à un débit excédentaire prédéterminé dudit gaz, ce débit excédentaire est fourni par augmentation dudit débit variable. L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant : un appareil de distillation d'air; une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air à distiller par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation; un premier réservoir de stockage dudit gaz sous forme d'un premier liquide; des premiers moyens pour soutirer du premier réservoir un débit variable dudit premier liquide et l'amener sous forme gazeuse et à la pression de production, ces premiers moyens comprenant des seconds moyens pour vaporiser ledit débit variable en condensant un débit variable correspondant d'un second fluide, notamment d'air à distiller, sous forme d'un second liquide; et un second réservoir de stockage du second liquide est caractérisée en ce qu'elle comprend des troisièmes moyens pour amener un débit auxiliaire du gaz à produire sous forme gazeuse et à une haute pression supérieure à la pression de production, puis l'introduire dans une capacité auxiliaire, et une conduite munie d'une vanne de détente et de réglage de débit et reliant cette capacité auxiliaire à la conduite de production de l'installation. Cette installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - lesdits troisièmes moyens comprennent une pompe pour comprimer ledit débit auxiliaire sous forme liquide, et des moyens pour vaporiser ce débit auxiliaire comprimé. - ladite pompe est reliée audit premier réservoir; - l'installation comprend un surpresseur unique amenant ledit second fluide à une pression unique de condensation par échange de chaleur avec ledit débit variable et avec ledit débit auxiliaire; - l'installation comprend des moyens de soutirage adaptés pour soutirer un débit constant dudit premier liquide de l'appareil de distillation, et des moyens pour faire passer un débit constant dudit second liquide du second réservoir à l'appareil de distillation. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène sous pression à débit variable conforme à l'invention; et - la Figure 2 est une diagramme d'échange thermique illustrant la vaporisation de l'oxygène liquide sous la pression de production; et - les Figures 3 et 4 représentent schématiquement deux variantes de l'installation. 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 appareil d'épuration par adsorption 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 ainsi qu'un vaporiseur-condenseur 8, un réservoir d'oxygène liquide 10, un réservoir d'air liquéfié 11, deux pompes 12 et 13, un surpresseur d'air 14 et une capacité auxiliaire ou "buffer" 15. Cette installation est destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux via une conduite de production 16, sous une pression d'environ 15 bars. Pour décrire le fonctionnement de cette installation, on supposera tout d'abord que la demande d'oxygène gazeux dans la conduite 16 est constante et égale à la production nominale, soit environ 20% du débit d'air nominal comprimé par le compresseur 1. Le débit nominal d'air à traiter, comprimé à 6 bars par le compresseur 1 et refroidi à la température ambiante par un réfrigérant 17 à air ou à eau, est épuré dans l'appareil 2, puis divisé en deux flux ayant chacun un débit constant. Un premier flux est refroidi dans des passages 19 de la ligne d'échange 3; 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 via une conduite 20; le reste poursuit son refroidissement jusqu'au voisinage de son point de rosée sous 6 bars, puis est injecté au bas de la colonne moyenne pression 6 via une conduite 21. Un second flux est surpressé en 14 jusqu'à une haute pression de condensation définie plus loin, puis est refroidi et liquéfié dans des passages 22 de la ligne d'échange, puis stocké sous forme liquide dans le réservoir 11 après détente à 6 bars dans une vanne de détente 23. Un débit constant d'air liquéfié est soutiré du fond de ce réservoir et est divisé en un premier débit constant sous 6 bars envoyé dans la colonne moyenne pression via une conduite 24, et en un second débit constant détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 25 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 7 par condensation d'un débit à peu près égal d'azote de tête de la colonne moyenne pression 6. 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 26 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 27, est injecté au sommet de la colonne basse pression. Un débit constant d'oxygène liquide, correspondant à environ 20% du débit d'air entrant, passe, via une conduite 28, dans le réservoir 10. Un débit constant identique d'oxygène liquide est soutiré du fond de ce réservoir et divisé en deux flux à débits constants - Un premier flux majoritaire, représentant par exemple 80% du débit total, est comprimé par la pompe 12 à 15 bars, puis vaporisé dans des passages 29 de la ligne d'échange et fourni à la conduite 16 de production. - Un second flux est comprimé par la pompe 13 à une pression très supérieure, par exemple 30 bars, vaporisé dans des passages 30 de la ligne d'échange et fourni à la capacité 15. La capacité 15 est reliée à la conduite de production 16 via une conduite 33 équipée d'une vanne de détente et de réglage de débit 34, et un débit constant égal à celui du second flux précité est détendu dans cette vanne 34 et envoyé de la capacité 15 à la conduite 16. En outre, un débit constant d'azote impur, soutiré du sommet de la colonne basse pression, est réchauffé dans des passages 31 de la ligne d'échange et évacué en tant que résiduaire via une conduite 32. Comme on le voit, l'installation comporte un surpresseur unique 14, de sorte que la condensation de l'air surpressé est utilisée, dans les passages 22 de la ligne d'échange, pour vaporiser à la fois l'oxygène sous 15 bars et l'oxygène sous 30 bars. Pour cela, on choisit la pression de l'air surpressé comme étant la pression dite "concomitante" à la vaporisation d'oxygène sous 15 bars. Cette pression est celle pour laquelle le genou G de liquéfaction de l'air est voisin du palier P de vaporisation de l'oxygène sous 15 bars, comme représenté sur la Figure 2, sur laquelle les quantités de chaleur échangées Q sont portées en ordonnées et les températures t en abscisses. Sous cette pression, le genou G précité se trouve à une température inférieure au palier P' de vaporisation de l'oxygène sous 30 bars, comme illustré également sur le diagramme de la Figure 2, mais ceci est tout à fait possible à condition d'évacuer simultanément un produit liquide de l'installation (oxygène ou azote liquide dans cet exemple), suivant l'enseignement du FR A-2 674 011. Sur la Figure 2, le point A représente la température d'admission de la turbine 4, et cette température d'admission est choisie de manière à obtenir un écart de température minimal, de l'ordre de quelques degrés, au bout chaud de la ligne d'échange. A titre d'exemple numérique, on peut choisir une pression d'air surpressé d'environ 40 bars. Toutes les conduites qui aboutissent à la double colonne 5 et toutes celles qui en partent sont équipées de moyens (non représentés) assurant un débit constant. Ainsi, lorsque la demande d'oxygène gazeux varie, le réglage de cette double colonne n'est pas modifié. De plus, le débit d'oxygène vaporisé en 30 sous la haute pression reste constant. Lorsque la demande en oxygène augmente, plusieurs cas sont à distinguer (1) Si la pointe de consommation est limitée en amplitude à une valeur prédéterminée, par exemple à une valeur égale à 120% du débit nominal, on prélève un débit supplémentaire correspondant d'oxygène liquide du réservoir 10 au moyen de la pompe 12, en augmentant le débit de pompage de celle-ci, et on le vaporise en 29 sous la pression de production par condensation, en 22, d'air surpressé par le surpresseur 14. Ceci correspond au fonctionnement classique de la bascule oxygène liquide/air liquide : le niveau d'oxygène liquide baisse dans le réservoir 10, tandis que le niveau monte dans le réservoir 11. (2) Si la pointe de consommation est supérieure en amplitude à ladite valeur prédéterminée, deux cas sont à distinguer (a) Si la durée de la pointe de consommation est brève, le débit d'oxygène complémentaire nécessaire, au-delà de la valeur précitée, est prélevé dans la capacité 15, par ouverture plus grande de la vanne 34, et envoyé après détente dans cette vanne dans la conduite de production 16. Par exemple, pour une pointe de consommation égale à 160% du débit nominal, 20% de débit supplémentaire sont fournis par la pompe 12, et les 40% restants par la capacité 15. (b) Cependant, on comprend que, lorsqu'on prélève un débit supplémentaire de la capacité 15, la pression de celle-ci chute. Par suite, si la pointe de consommation a une durée excessive, le débit d'oxygène supplémentaire, par rapport au débit nominal, doit nécessairement être fourni par des moyens extérieurs, par exemple par un stockage auxiliaire d'oxygène. Il est à noter que l'invention s'applique également au cas suivant : l'oxygène est produit sous 1 bar environ, et la demande d'oxygène est toujours supérieure à une valeur minimale donnée. Un débit d'oxygène gazeux constant égal à cette valeur minimale peut alors être soutiré directement du bas de la colonne basse pression 7 via une conduite 35, comme indiqué en trait mixte sur la Figure 1, puis réchauffé dans la ligne d'échange. Cette variante permet de réduire la capacité des réservoirs 10 et 11. De même, les productions constantes d'oxygène liquide et/ou d'azote gazeux et/ou d'azote liquide peuvent être assurées simultanément par la double colonne, via des conduites 36 et/ou 37 et/ou 38, également comme indiqué en trait mixte sur la Figure 1. D'autres variantes de l'invention peuvent être envisagées. Ainsi, dans la variante de la Figure 3, la pompe 13 est supprimée. Le débit auxiliaire d'oxygène est soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, via une conduite 39, est réchauffé en 30 sous la basse pression, puis est comprimé à la haute pression par un compresseur auxiliaire 40 avant d'être introduit dans la cavité 15. En variante également, le fluide de vaporisation d'au moins l'un des deux débits d'oxygène est de l'azote. En particulier, dans la variante de la Figure 4, où la production d'oxygène est au voisinage de 1 bar, la vaporisation du débit principal s'effectue au moyen du vaporiseur 8 de la double colonne. Ce débit principal est alors soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, via une conduite 41, et réchauffé en 29. Le refoulement de la pompe 12 est alors relié à la cuve de la colonne, laquelle alimente le réservoir 10 par gravité. Dans ce cas, la vaporisation du débit variable d'oxygène produit un débit variable d'azote liquide dans la colonne 6. Pour cette raison, la conduite 38 est reliée à un réservoir 42 d'azote, et le fond de ce réservoir est relié à une pompe 43 de retour d'un débit variable d'azote liquide en tête de la colonne 6. La bascule est, dans cette variante, une bascule oxygène/azote, et le réservoir 11, à niveau constant, peut être supprimé. Si l'on combine les variantes des Figures 3 et 4, il n'y a plus d'oxygène à vaporiser dans la ligne d'échange 3. Par suite, les éléments 14, 22, 23, 11, 24 et 25 sont supprimés, et tout l'air entrant est comprimé à 6 bars en 1 et envoyé dans les passages 19. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'un gaz de l'air, notamment d'oxygène, à débit variable par distillation d'air, du type dans lequel on stocke une partie au moins du gaz à produire, sous forme d'un premier liquide, dans un premier réservoir (10); on soutire de ce réservoir un débit variable dudit premier liquide, et on l'amène (en 12, 29; 12, 8, 29) sous forme gazeuse et à la pression de production, ce débit variable étant vaporisé (en 29; 8) en condensant un débit variable correspondant d'un second fluide, notamment d'air à distiller; on stocke ce second fluide condensé, sous forme d'un second liquide, dans un second réservoir (11); et on envoie un débit commandé de ce second liquide à l'appareil de distillation, caractérisé en ce qu'on amène un débit auxiliaire du gaz à produire sous forme gazeuse et à une haute pression supérieure à la pression de production, puis on le stocke dans une capacité auxiliaire (15) sous ladite haute pression, et, lors de certaines pointes de consommation dudit gaz, on prélève une partie au moins du gaz excédentaire dans cette capacité auxiliaire, après l'avoir détendu (en 34) à la pression de production. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu ' on comprime (en 13) ledit débit auxiliaire, sous forme liquide, à ladite haute pression, et on vaporise sous cette haute pression le débit auxiliaire comprimé, avant de l'introduire dans la capacité auxiliaire (15). 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on vaporise ledit débit auxiliaire comprimé par échange de chaleur avec ledit second fluide. 4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on vaporise ledit débit variable et ledit débit auxiliaire par échange de chaleur avec ledit second fluide sous une pression de condensation unique. 5 - Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite pression de condensation unique est telle que la température de condensation du second fluide est inférieure à la température de vaporisation dudit gaz, au moins sous ladite haute pression. 6 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la température de condensation dudit second fluide sous ladite pression de condensation est concomitante à la température de vaporisation dudit gaz sous la pression de production. 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on soutire un débit constant dudit premier liquide de l'appareil de distillation (5), et en ce qu'on fait passer un débit constant dudit second liquide du second réservoir (11) à l'appareil de distillation. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le débit auxiliaire représente une fraction minoritaire du débit dudit premier liquide, notamment environ 25% de ce dernier en marche nominale. 9 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit débit auxiliaire est constant. 10 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites pointes de consommation sont des pointes d'amplitude supérieure à une valeur prédéterminée. 11 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, jusqu'à un débit excédentaire prédéterminé dudit gaz, ce débit excédentaire est fourni par augmentation dudit débit variable. 12 - Installation de production d'un gaz de l'air, notamment d'oxygène, à débit variable, du type comprenant : un appareil de distillation d'air (5); une ligne d'échange thermique (3) pour refroidir l'air à distiller par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation; un premier réservoir (10) de stockage dudit gaz sous forme d'un premier liquide; des premiers moyens (12, 29; 12, 8, 29) pour soutirer du premier réservoir un débit variable dudit premier liquide et l'amener sous forme gazeuse et à la pression de production, ces premiers moyens comprenant des seconds moyens (29; 8) pour vaporiser ledit débit variable en condensant un débit variable correspondant d'un second fluide, notamment d'air à distiller, sous forme d'un second liquide; et un second réservoir (11) de stockage du second liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend des troisièmes moyens (13, 30) pour amener un débit auxiliaire du gaz à produire sous forme gazeuse et à une haute pression supérieure à la pression de production, puis l'introduire dans une capacité auxiliaire (15), et une conduite (33) munie d'une vanne de détente et de réglage de débit (34) et reliant cette capacité auxiliaire à la conduite de production (16) de l'installation. 13 - Installation suivant la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits troisièmes moyens (13, 30) comprennent une pompe (13) pour comprimer ledit débit auxiliaire sous forme liquide, et des moyens (30) pour vaporiser ce débit auxiliaire comprimé. 14 - Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que ladite pompe (13) est reliée audit premier réservoir (10). 15 - Installation suivant la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comprend un surpresseur unique (14) amenant ledit second fluide à une pression unique de condensation par échange de chaleur avec ledit débit variable et avec ledit débit auxiliaire. 16 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de soutirage (28) adaptés pour soutirer un débit constant dudit premier liquide de l'appareil de distillation (5), et des moyens pour faire passer un débit constant dudit second liquide du second réservoir (11) à l'appareil de distillation.