Brevet FR2805339A1 — publié le 20010824

La présente invention a trait à un procédé de production d'oxygène, dans lequel de l'oxygène gazeux sous haute pression est produit en comprimant et en chauffant de l'oxygène liquide qui est obtenu par distillation cryogénique. Dans un procédé de production typique d'oxygène sous haute pression, on obtient d'abord de l'oxygène sous basse pression, puis on le comprime en utilisant un compresseur d'oxygène. Toutefois, dans ce procédé, il existe un danger en ce que la réactivité entre l'oxygène et le matériel du compresseur devienne élevée puisque la température de l'oxygène croît du fait de la chaleur provenant de la compression. De plus, les coûts de maintenance, aussi bien que les coûts d'équipement sont élevés. D'autre part, pour éviter ceci, il existe un autre procédé également connu dans lequel l'oxygène liquide obtenu par une unité de séparation d'air est comprimé, puis chauffé à l'aide d'un échangeur de chaleur. Classiquement, dans ce procédé, l'oxygène liquide est comprimé à l'aide d'une pompe puis évaporé en échangeant de la chaleur avec un courant chaud, par exemple, avec de l'air brut comprimé, dans un échangeur de chaleur du type plaque-ailette en aluminium brasé. Ce procédé sera désigné comme étant le procédé de compression classique dans la suite de la description. L'échangeur de chaleur de type plaque-ailette en aluminium brasé fournit une excellente conductivité thermique et peut être utilisé pour de multiples fluides. En plus, l'équipement est compact par rapport à sa zone de chauffage et peut être fourni à faible coût. ES conséquence, l'échangeur de chaleur de type plaque- ailette en aluminium brasé est une pièce clé du matériel dans le procédé de compression classique. Toutefois, l'échangeur de chaleur de type plaque- ailette en aluminium brasé n'est pas suffisamment 2- résistant envers une contrainte cyclique du fait de sa construction brasée. Du point de vue de la protection de l'échangeur de chaleur de type plaque-ailette en aluminium brasé, il est nécessaire de réduire la quantité de contrainte qui y apparaît. Ainsi, l'échangeur de chaleur de type plaque-ailette en aluminium brasé ne sera pas utilisé dans un processus pour produire de l'oxygène sous haute pression. En conséquence, quand de l'oxygène sous haute pression est nécessaire, le procédé de compression classique est utilisé pour augmenter la pression de l'oxygène à 3,5 MPa au plus, et ensuite la compression est réalisée par le compresseur d'oxygène. En résultat, la quantité de contrainte apparais- sant dans l'échangeur de chaleur est réduite; toutefois, puisque le compresseur d'oxygène est utilisé, les problèmes susmentionnés de dangerosité et de coût élevé demeurent. En conséquence, il reste une demande pour résoudre de tels problèmes. En conséquence, c'est un but de la présente invention de fournir un procédé de production d'oxygène, dans lequel le procédé de compression classique, qui est avantageux en ce qui concerne le coût, est utilisé, et dans lequel la contrainte thermique apparaissant dans l'échangeur de chaleur est réduite, de sorte que la pression de l'oxygène peut être accrue de façon sûre à un degré souhaité. Suivant l'invention, le procédé de production d'oxygène comprend les étapes consistant à comprimer l'oxygène liquide de sorte que sa pression dépasse la pression critique; à fournir l'oxygène liquide comprimé dans un échangeur de chaleur de type plaque-ailette en tant que courant froid; à chauffer l'oxygène liquide fourni dans l'échangeur de chaleur de type plaque-ailette de sorte que sa température dépasse la température -3critique; et à prélever l'oxygène dudit échangeur de chaleur de type plaque-ailette. Selon ce procédé, la pression de l'oxygène liquide, qui signifie liquide riche en oxygène, est accrue pour dépasser la pression critique (5,043 MPa). L'oxygène liquide est ensuite conduit dans l'échangeur de chaleur de type plaque-ailette, qui peut être un échangeur de chaleur de type plaque-ailette en aluminium brasé, dans lequel sa température est élevée pour dépasser la température critique. Ainsi, l'oxygène devient un fluide surpercritique dans le processus de chauffage, et le changement de phase de l'oxygène n'apparaît pas dans l'échangeur de chaleur. En conséquence, le procédé de compression clas- sique, qui est avantageux en ce qui concerne le coût, peut être utilisé, la sécurité de l'échangeur thermique, par exemple un échangeur de chaleur de type plaque- ailette en aluminium brasé, étant garantie, et de l'oxygène sous haute pression souhaité peut être obtenu. En particulier, lorsque la pression de l'oxygène liquide est supérieure à 8,049 MPa, qui dépasse largement la pression critique, on réalise un fonctionnement stable puisque la pression de fonctionnement est supérieure à la perte de pression dans le système. En conséquence, le fluide supercritique est plus stable, de sorte que l'effet de réduction de contrainte dans l'échangeur de chaleur est amélioré. La vitesse d'écoulement de l'oxygène dans l'échan- geur de chaleur n'est, de préférence, pas supérieure à 5 m/s ce qui est la vitesse d'écoulement classique pour la sécurité (la limite inférieure est de 0,5 m/s). En conséquence, l'échange de chaleur de l'oxygène est réalisé de façon sûre. De plus, la différence de température entre le courant chaud et le courant froid dans l'échangeur de chaleur ne dépasse pas, de préférence 20 C. En -4- conséquence, la contrainte apparaissant dans l'échangeur de chaleur est réduite. Comme décrit ci-dessus, la contrainte thermique n'est pas provoquée par le changement de phase dans l'échangeur de chaleur. Ainsi, même quand un changement de charge apparaît dû, par exemple, à des différences dans les vitesses d'écoulement d'oxygène entre le jour et la nuit, l'échangeur de chaleur peut être suffisamment résistant contre une contrainte y apparaissant. En conséquence, l'échangeur de chaleur peut fonctionner de manière continue de façon sûre même dans des conditions dans lesquelles un degré relativement élevé de variation de charge apparaît. L'oxygène liquide qui doit subir le processus de compression et de chauffage peut être obtenu par l'unité de séparation d'air. Dans un tel cas, on obtient l'oxygène sous haute pression dans un des procédés (un procédé d'augmentation de pression interne) réalisé dans l'unité de séparation d'air, de sorte qu'aucun équi- pement supplémentaire n'est nécessaire. En conséquence, le coût d'équipement peut être réduit, et l'oxygène peut être produit avec une efficacité supérieure et à un coût inférieur. L'air brut nécessaire, en tant que matière, dans l'unité de séparation d'air est de préférence comprimé de sorte que sa pression dépasse la pression critique. De plus, l'équilibre entre la pression et la vitesse d'écoulement de l'air brut est de préférence ajusté avant qu'il soit utilisé. En conséquence, la différence de température entre l'air brut et le courant froid, dans lequel la pression est supérieure à la pression critique, peut être extrêmement faible. Ainsi, la quantité de contrainte locale peut être extrêmement petite. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: La figure 1 est un synoptique d'une unité de séparation d'air selon la présente invention; La figure 2 est un graphe qui représente les relations entre la température et la pression des fluides dans l'échangeur de chaleur; La figure 3 est un graphe qui représente schéma- tiquement les relations entre la température et la capacité thermique entre les fluides dans l'échangeur de chaleur, dans lequel la pression du courant froid est inférieure à la pression critique; La figure 4 est un graphe qui représente schéma- tiquement les relations entre la température et la capacité thermique entre les fluides dans l'échangeur de chaleur, dans lequel la pression du courant froid est supérieure à la pression critique; La figure 5 est un graphe qui représente spéci- fiquement les relations entre la température et la capacité thermique entre les fluides, dans lequel la pression de l'oxygène est de 0,61 MPa. La figure 6 est un graphe qui représente spécifiquement la relation entre la différence de température et la capacité thermique entre les fluides, dans lequel la pression de l'oxygène est de 0,61 MPa. La figure 7 est un graphique qui présentent spécifiquement les relations entre la température et la capacité thermique entre les fluides, dans lequel la pression de l'oxygène est de 8,14 MPa. La figure 8 est un graphe qui représente spéci- fiquement la relation entre la différence de température et la capacité thermique entre les fluides, dans lequel la pression de l'oxygène est de 8,14 MPa. La figure 1 représente un diagramme de processus selon une forme de réalisation de la présente invention. Dans la présente forme de réalisation, l'oxygène sous haute pression est obtenu dans un des procédés (un -6- 2805339 procédé d'augmentation de pression interne) réalisés dans une unité de séparation d'air. D'abord, une construction et un fonctionnement d'ensemble de l'unité de séparation d'air seront expliqués ci-dessous. De l'air brut est filtré par un filtre d'air brut 1, il est compressé dans un compresseur d'air brut 2 de sorte que sa pression est accrue à une valeur souhaitée, et est refroidi dans un pré-refroidisseur 3. Les impuretés telles que l'humidité, etc. sont éliminées dans un adsorbeur 4, et l'air brut est ensuite conduit dans un échangeur de chaleur principal 5 qui est disposé dans une boîte froide. Un réchauffeur de gaz régénéré 6 est également prévu dans l'unité de séparation d'air. La température de l'air brut est réduite appro- ximativement à son point de rosée par l'échangeur de chaleur principal 5. L'air brut est ensuite conduit dans la colonne haute pression (colonne inférieure) 8 d'une colonne de rectification 7, dans laquelle l'air brut se déplace vers le haut tout en étant en contact avec le reflux liquide, de sorte que la concentration en azote y augmente. En conséquence, l'azote gazeux contenant une faible quantité d'oxygène est prélevé de la section supérieure de la colonne haute pression 8 et est conduit dans un condenseur principal 9, dans lequel l'échange de chaleur entre l'azote gazeux et l'oxygène liquide est réalisé. L'azote gazeux est condensé pendant le processus d'échange de chaleur, et est réintroduit dans la section supérieure de la colonne haute pression en tant que reflux liquide. Une partie de l'azote liquide dans la section supérieure de la colonne haute pression 8 est prélevée de celle-ci, est sur-refroidie dans un surrefroidisseur 11 et est ensuite décompressée puis conduite dans une colonne faible pression 10. 7- 2805339 De manière similaire, l'air liquide dans la section inférieure de la colonne haute pression 8 est prélevé, est sur-refroidi, et est ensuite décompressé et conduit dans la colonne basse pression 10. Dans la colonne basse pression 10, une recti- fication est réalisée d'une manière similaire à celle dans la colonne haute pression 8, dans laquelle la section supérieure est riche en azote, et la section inférieure est riche en oxygène. L'azote dans la section supérieure de la colonne basse pression 10 est obtenu à l'état gazeux, et est envoyé vers un côté basse température de l'échangeur de chaleur principal 5. L'azote est réchauffé dans l'échan- geur de chaleur principal 5 de sorte que sa température est élevée à la température atmosphérique et il est prélevé en tant qu'azote produit par ce procédé. Ensuite, un procédé de production d'oxygène qui est un des procédés réalisés dans l'unité de séparation d'air sera expliqué ci-dessous. L'oxygène obtenu par le procédé de rectification décrit ci-dessus est prélevé de la section inférieure de la colonne basse pression 10 à l'état liquide (liquide riche en oxygène). Ensuite, l'oxygène liquide est comprimé par une pompe 12 de sorte que sa pression dépasse 5,043 MPa, qui est la pression critique, puis il est conduit dans un échangeur de chaleur d'oxygène 13, qui est un échangeur de chaleur de type plaque- ailette en aluminium brasé. Une partie de l'air brut est comprimée par un surcompresseur 14 de sorte que sa pression est accrue à une valeur prédéterminée, et est envoyée à l'échangeur de chaleur d'oxygène 13 en tant que courant chaud. A ce moment, la pression de l'air brut est réglée à une valeur appropriée pour l'échange de chaleur réalisé dans l'échangeur de chaleur d'oxygène 13, qui est de préférence supérieure à la pression critique. Ensuite, -8- -8- 2805339 l'échange de chaleur est réalisé entre cet air brut et l'oxygène haute pression dans lequel la pression est augmentée pour dépasser la pression critique tel que décrit ci-dessus. Dans ce processus de chauffage, la température de l'oxygène haute pression est augmentée pour dépasser la température critique, de sorte que l'oxygène devient un fluide supercritique. En conséquence, l'oxygène haute pression est prélevé de l'échangeur de chaleur d'oxygène 13 en tant qu'oxygène haute pression produit par ce procédé. Tel que décrit cidessus, la pression de l'oxygène liquide obtenu à partir de la colonne de rectification 7 est augmentée pour dépasser la pression critique, puis sa température est élevée dans l'échangeur de chaleur d'oxygène 13, de façon que l'oxygène devienne un fluide supercritique. Ainsi, un changement de phase de l'oxygène n'apparaît pas dans l'échangeur de chaleur d'oxygène 13. Pour décrire ceci de manière plus spécifique en référence à la figure 2, quand le courant froid A, dont la pression est inférieure à la pression critique, est chauffé, il existe un état dans lequel le fluide A s'évapore alors que sa température ne change pas beaucoup du fait de la chaleur latente. Au contraire, quand un courant froid B, dont la pression est supérieure à la pression critique, est chauffé, il n'existe aucun point d'ébullition ou de chaleur latente, de sorte que le fluide B devient un fluide supercritique. Dans les fluides supercritiques, il n'existe aucune évaporation, de sorte qu'il n'apparaît pas de changement de phase. Ainsi, la température du courant froid B augmente régulièrement conjointement avec la quantité de chaleur échangée avec un courant chaud. En conséquence, une variation de contrainte due au changement de phase de l'oxygène n'apparaît pas dans l'échangeur de chaleur d'oxygène 13. Ainsi, l'échangeur de chaleur d'oxygène 13 peut être suffisamment résistant aux variations de contrainte dues à d'autres raisons, par exemple, des différences dans les vitesses d'écoulement entre le jour et la nuit. Les relations entre température et capacité thermique, qui sont schématiquement présentées dans la figure 3 et la figure 4, seront plus particulièrement expliquées ci-dessous. Le profil de température à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est déterminé par la température de chaque fluide. Comme représenté dans la figure 3, quand la pression du courant froid est inférieure à la compression critique, la différence de température AT entre le courant froid et le courant chaud est grande. En conséquence, il existe un risque que la différence de retrait thermique entre les éléments de l'échangeur de chaleur entraînera une quantité de contrainte thermique importante pouvant endommager l'échangeur de chaleur. D'autre part, comme présenté dans la figure 4, avec le fluide dans lequel la pression est supérieure à la pression critique, la différence de température AT est faible, de sorte que la contrainte thermique est également faible. Ainsi, même un échangeur de chaleur relativement peu robuste peut être utilisé. Selon des expérimentations réalisées par les inventeurs, quand on a utilisé de l'oxygène liquide, dont la pression était inférieure à la pression critique (0,61 MPa), la différence de température entre un courant froid (marqué par des triangles) et un courant chaud (marqué par des cercles) était grande, comme présenté dans la figure 5 et la figure 6. Dans ce cas, la différence maximale de température était de 40 C. Au contraire, quand on a utilisé de l'oxygène liquide, dont la pression était supérieure à la pression critique (8,14 MPa), la différence de température était de 12 C au maximum, comme présenté dans les figures 7 et -10 2805339 8. En conséquence, la différence de température valait approximativement un tiers comparé au cas dans lequel on utilisait de l'oxygène basse pression. -11- 2805339 REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'oxygène, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: à comprimer de l'oxygène liquide de sorte que la pression de l'oxygène liquide dépasse la pression critique; à fournir l'oxygène liquide comprimé dans un échangeur de chaleur de type plaqueailette (13) en tant que courant froid; à chauffer l'oxygène liquide fourni dans l'échan- geur de chaleur de type plaque-ailette (13) de sorte que la température de l'oxygène dépasse la température critique, et à prélever l'oxygène dudit échangeur de chaleur de type plaque-ailette (13). 2. Procédé de production d'oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur de type plaque-ailette (13) est un échangeur de chaleur de type plaque-ailette en aluminium brasé. 3. Procédé de production d'oxygène selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oxygène liquide obtenu dans la colonne de rectification (7) d'une unité de séparation d'air est prélevé de la colonne de rectification (7) et est comprimé de sorte que la pression de l'oxygène liquide dépasse la pression critique. 4. Procédé de production d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'oxygène liquide est comprimé de sorte que la pression de l'oxygène liquide est de 8,049 MPa, ou plus. 5. Procédé de production d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement de l'oxygène dans l'échangeur de chaleur de type plaqueailette (13) est compris dans la gamme de 0,5 m/s à 5 m/s. -12- 2805339 6. Procédé de production d'oxygène selon l'une des revendications revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la différence de température entre le courant chaud et le courant froid dans ledit échangeur de chaleur de type plaque-ailette (13) ne dépasse pas 20 C. 7. Procédé de production d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la charge varie à l'étape de fourniture de l'oxygène liquide comprimé dans ledit échangeur de chaleur de type plaque- ailette (13). 8. Procédé de production d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'air, dont la pression dépasse la pression critique, est utilisé en tant que courant chaud qui est introduit dans l'échangeur de chaleur de type plaque-ailette (13).