Brevet FR2864213A1 — publié le 20050624

La présente invention est relative à un procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel on distille de l'air, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, et on le vaporise et on le réchauffe sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation. Dans le présent mémoire, on entend par haute pression une pression supérieure à environ 15 bars pour l'oxygène et à environ 30 bars pour l'azote, et par soufflante un compresseur ayant un taux de compression inférieur à 2. De plus, les pressions dont il est question sont des pressions lo absolues. Dans le cas où l'on produirait de l'oxygène, ces procédés, dits à pompe , présentent l'avantage de supprimer le compresseur d'oxygène, qui est une machine coûteuse, posant de sérieux problèmes de fiabilité et dont le rendement est généralement médiocre. FR-A-2688052 décrit un procédé dans lequel: - à une température intermédiaire voisine de la température de vaporisation dudit fluide, ou de sa température de pseudo-vaporisation si la haute pression est supercritique, on sort de la ligne d'échange thermique de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière; - on comprime cet air dans un surpresseur, couplé à un frein d'huile qui évacue les calories, permettant ainsi de boucler le bilan frigorifique de l'appareil de séparation d'air; - on le réintroduit dans la ligne d'échange thermique et on effectue au moins une détente d'air dans une turbine. La construction du frein d'huile n'est pas possible pour des puissances trop importantes, ce qui limite l'application de l'invention de FR-A2688052 pour les grands appareils de séparation d'air. Il est un but de l'invention de permettre l'usage d'un surpresseur froid pour les grands appareils de séparation d'air. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel, en fonctionnement stable, on comprime de l'air dans un compresseur, on épure l'air comprimé et on l'envoie dans une ligne d'échange thermique de l'installation où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes de l'installation comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide à l'état s liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation: - à une température intermédiaire différente d'au plus 30 C de la io température de vaporisation dudit fluide, ou de sa température de pseudovaporisation si la haute pression est supercritique, on sort de la ligne d'échange thermique au moins une partie de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière; - on comprime l'air à la température intermédiaire dans une soufflante 15 froide; - on réintroduit l'air comprimé dans la ligne d'échange thermique; - on envoie de l'air comprimé dans la soufflante froide à une colonne du système de colonnes; - un débit gazeux est détendu dans une turbine; caractérisé en ce que l'on récupère de l'énergie de l'arbre de la turbine sur une génératrice électrique, la soufflante froide est entraînée par un moteur électrique et au moins une partie de l'électricité consommée par le moteur électrique provient de la génératrice électrique. Selon d'autres aspects facultatifs: - la colonne basse pression fonctionne à une pression d'au moins 2 bar abs. ; un débit gazeux enrichi en azote provenant de la colonne basse pression est détendu dans une turbine; - le débit gazeux est un débit d'air destiné à une colonne du système 30 de colonnes; - le débit gazeux rentre dans la turbine à une température inférieure à - 170 C; - à une température intermédiaire différente d'au plus 20 C, de préférence d'au plus 10 C, de la température de vaporisation dudit fluide ou de sa température de pseudo-vaporisation si la haute pression est supercritique, on sort de la ligne d'échange thermique au moins une partie de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu une installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, du type comprenant un appareil de distillation d'air et une ligne d'échange thermique mettant en relation d'échange io thermique l'air entrant et des fluides soutirés de la double colonne, dont ledit fluide sous forme liquide soutiré de l'appareil de distillation et comprimé par une pompe, une soufflante froide, des moyens pour alimenter cette soufflante froide avec de l'air en cours de refroidissement prélevé à un niveau de température intermédiaire dans la ligne d'échange thermique, des moyens pour réintroduire l'air comprimé dans des passages de la ligne d'échange thermique et une turbine et caractérisée en ce que le turbine est couplée à une génératrice électrique, la soufflante froide est couplée à un moteur électrique et il y des moyens pour envoyer de l'électricité de la génératrice électrique au moteur électrique. Selon d'autres aspects facultatifs: - la turbine a une entrée reliée à la colonne moyenne ou basse pression; la turbine est en amont de la ligne d'échange thermique; - la sortie de la turbine est reliée à une colonne du système de 25 colonnes. Le mot oxygène couvre les fluides contenant au moins 60 % mol. d'oxygène, de préférence au moins 80 % mol. d'oxygène, le mot argon couvre les fluides contenant au moins 90 % mol. d'argon, de préférence au moins 95 % mol. d'argon, et le mot azote couvre les fluides contenant au moins 80 % mol. d'azote, de préférence au moins 90 % mol. d'azote. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène gazeux sous pression conforme à l'invention. L'installation représentée à la Figure 1 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression élevée, par exemple de l'ordre de 40 bars. Elle comprend essentiellement une double colonne de distillation 1 constituée d'une colonne moyenne pression 2, fonctionnant sous environ 9 bars, surmontée d'une colonne basse pression 3, fonctionnant sous une pression légèrement supérieure à 3 bars, une ligne d'échange thermique 4, deux sous-refroidisseurs 5A et 5B, une pompe à oxygène liquide 6, une soufflante froide 7 io et une turbine 8. On reconnaît sur le dessin les conduites classiques de la double colonne, à savoir: une conduite 11 de remontée en un point intermédiaire de la colonne 3, après sous-refroidissement en 5A et détente à la basse pression dans une vanne de détente 12, du liquide riche (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 2; une conduite 13 de remontée en tête de la colonne 3, après sous-refroidissement en 5B et détente à la basse pression dans une vanne de détente 14, de liquide pauvre (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 2; et une conduite 15 de production d'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation, cette conduite traversant le sous-refroidisseur 5B. L'azote sous refroidi est détendu dans une turbine froide 8 et est de nouveau sous-refroidi dans le sous refroidisseur 5A puis est envoyé à des passages 16 de réchauffement d'azote de la ligne d'échange 4. L'azote impur ainsi réchauffé jusqu'à la température ambiante est évacué de l'installation via une conduite 17. La pompe 6 aspire l'oxygène liquide sous environ 3 bars en cuve de la colonne 3, le porte à la pression de production désirée et l'introduit dans des passages 18 de vaporisation-réchauffement d'oxygène de la ligne d'échange. L'air à distiller est comprimé dans un compresseur 100 entraîné par une turbine à vapeur V et est refroidi et épuré. L'air à distiller arrive sous la moyenne pression, soit substantiellement 9 bars, via une conduite 19 et pénètre dans des passages 20 de refroidissement d'air de la ligne d'échange. En fonctionnement stable, à une température intermédiaire Ti, inférieure à la température ambiante et légèrement supérieure à la température TV de vaporisation de l'oxygène (ou de pseudo-vaporisation si la pression de production de l'oxygène est super-critique), une partie de cet air est sortie de la ligne d'échange via une conduite 21 et amenée à l'aspiration de la soufflante froide 7. Celle-ci porte cet air à 23 bars et, via une conduite 22, l'air ainsi surpressé est renvoyé dans la ligne d'échange ou en amont de la ligne d'échange, à une température T2 supérieure à Ti, et poursuit son refroidissement dans des passages d'air surpressé 23 de cette dernière étant io introduit de nouveau au bout chaud. L'air véhiculé par la conduite 20 et non dévié par la conduite 21 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange sous forme gazeuse. Il est ensuite envoyé à la cuve de la colonne moyenne pression 2. De même, l'air véhiculé par la conduite 23 est refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange et liquéfié, puis détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 28 et envoyé quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne 2. La soufflante 7 qui assure cette compression est entraînée par un moteur électrique M. L'électricité requise par le moteur M est fournie par une génératrice électrique G couplée à la turbine 8, ou, en variante, à une turbine d'air ou d'azote à la moyenne pression. La pompe 6 pourrait bien entendu être une pompe d'azote liquide moyenne pression amenant cet azote à une pression intermédiaire suffisamment basse pour permettre sa vaporisation par condensation d'air à la plus haute pression du procédé,. De même, si tout l'oxygène à produire peut être vaporisé par condensation d'air, l'invention peut être utilisée pour produire de l'azote ou argon gazeux sous haute pression, par pompage d'azote ou argon liquide à cette pression, de manière analogue. Bien entendu, on peut aussi combiner des productions d'oxygène et d'azote sous haute pression, avec des débits adaptés aux possibilités de la ou des soufflantes froides. REVENDICATIONS 1. Procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel, en fonctionnement stable, on comprime de l'air dans un compresseur, on épure l'air comprimé et on l'envoie dans une ligne d'échange thermique de l'installation où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes de l'installation comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide à l'état liquide d'une io colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique (4) de l'installation: - à une température intermédiaire différente d'au plus 30 C de la température de vaporisation dudit fluide, ou de sa température de pseudo- vaporisation si la haute pression est supercritique, on sort de la ligne d'échange thermique (4) au moins une partie de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière; on comprime l'air à la température intermédiaire dans une soufflante froide (7) ; - on réintroduit l'air comprimé dans la ligne d'échange thermique; on envoie de l'air comprimé dans la soufflante froide à une colonne du système de colonnes; un débit gazeux est détendu dans une turbine (8) ; caractérisé en ce l'on récupère de l'énergie de l'arbre de la turbine (8) sur une génératrice électrique (G), la soufflante froide est entraînée par un moteur électrique (M) et au moins une partie de l'électricité consommée par le moteur électrique provient de la génératrice électrique. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la colonne basse pression fonctionne à une pression d'au moins 2 bar abs., un débit gazeux enrichi en azote provenant de la colonne basse pression est détendu dans une turbine. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit gazeux est un débit d'air destiné à une colonne du système de colonnes. 4. Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le débit gazeux rentre dans la turbine à une température inférieure à -170 C. io 5. Installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, du type comprenant un appareil de distillation d'air (1) et une ligne d'échange thermique (4) mettant en relation d'échange thermique l'air entrant et des fluides soutirés de la double colonne, dont ledit fluide sous forme liquide soutiré de l'appareil de distillation (1) et comprimé par une pompe (6), une soufflante froide (7), des moyens (22) pour alimenter cette soufflante froide avec de l'air en cours de refroidissement prélevé à un niveau de température intermédiaire dans la ligne d'échange thermique (4), des moyens (22) pour réintroduire l'air comprimé dans des passages (23) de la ligne d'échange thermique et une turbine (8) et caractérisée en ce que le turbine est couplée à une génératrice électrique (G), la soufflante froide est couplée à un moteur électrique (M) et il y des moyens pour envoyer de l'électricité de la génératrice électrique au moteur électrique. 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que la turbine a une entrée reliée à la colonne moyenne ou basse pression. 7. Installation suivant la revendication 6 dans laquelle la turbine est en amont de la ligne d'échange thermique. 8. Installation suivant la revendication 5 caractérisée en ce que la sortie de la turbine est reliée à une colonne du système de colonnes.