CA2112499A1 - Procede et installation de production d'oxygene gazeux sous pression - Google Patents

Procede et installation de production d'oxygene gazeux sous pression

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Abstract

ABRÉGÉ DESCRIPTIF Suivant ce procédé, qui utilise une double colonne de distillation d'air: on fait fonctionner la colonne basse pression sous une pression nettement supérieure à la pression atmosphérique, notamment de l'ordre de 2 à 5 bars, et on fait fonctionner la colonne moyenne pression sous une pression correspondante, notamment de l'ordre de 8 à 16 bars; on récupère directement l'oxygène gazeux de production en cuve de la colonne basse pression; et on maintient en froid l'installation, au moins en partie, par détente libre d'au moins un produit gazeux sortant de la colonne basse pression. Application à la production d'oxygène gazeux sous une pression de quelques bars.

Description

2 ~

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux sous pression au moyen d'une double colonne de distillation.
Les pressions dont il est question dans le présent mémoire sont des pressions absolues.
La production d'oxygène gazeu~ sous pression s7effec-tue généralement soit par compression d'oxygène gazeux soutiré de la colonne basse pression sous une pression voisine de la pression atmosphéri~ue, soit par vaporisation d'oxygène liquide amené par pompe à la pression de production. Les installations correspondantes sont complexes, car elles nécessitent des machines tournantes spéciales tel qu'un compresseur d'oxygène ou une ou plusieurs turbines de détente.
L'invention a pour but de fournir un procédé
permettant de produire de façon particulièrement économi-que de l'oxygène gazeux sous une pression modérée.
A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que :
- on fait fonctionner la colonne basse pres-sion sous une pression nettement superieure à la pression atmosphérique et légèrement supérieure à la pression de production d'oxygène, cet-te basse pression étant notam-ment de l'ordre de 2 à 5 bars, et on fait fonctionner la colonne moyenne pression sous une pression correspondan-te, notamment de l'ordre de 8 à 16 bars;
- on récupère directement l'oxygène gazeux de production en cuve de la colonne basse pression, et - on maintient en froid l'installation, au moins en partie, par détente libre d'au moins un produit gazeux sortant de la colonne basse pression.
Suivant d'autres caractéris-tiques :
- on détend par détente libre un gaz rési-~. ., ................. :, ,::. .:. : .:. , ::: , - , . :

2 ~ ?, ~ ~ 9 ~
duaire soutiré de la tête de la colonne basse pression;
- on injecte dans la colonne basse pression un débit d'azote liquide provenant d'une source exté- ~
rieure à la double colonne; .~ :
5- on injecte dans la colonne basse pression un débit d'oxygène liquide provenant d'une source exté-rieure à la double colonne;
- on injecte dans l'oxygène gazeux, en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique 10associée à la double colonne, un debit d'oxygène liquide -~
provenant d'une source extérieure à la double colonne, et on envoie dans ladite source de l'oxygène liquide de purge soutiré de la cuve de la colonne basse pression;
- on prérefroidit l'air à traiter, avant son :~
15épuration par adsorption, au moyen d'un groupe frigorifi-que.
L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant : un com-20presseur d'air; un appareil d'épuration de l'air compri- :
mé; une double colonne de distillation de l'air épuré, comprenant elle-meme une colonne moyenne pression et une ~
colonne basse pression couplées par un vaporiseur- ~ :
condenseur; une ligne d'échange thermique pour refroidir 25l'air épuré par échange de chaleur indirect avec les pro- ; :
duits provenant de la double colonne; et des moyens de ~
maintie.n en froid de l'installation, est caractérisée en :
ce que la colonne basse pression fonctionne sous une pression nettement supérieure à la pression atmosphérique 30et légèrement supérieure à la pression de production d'oxygène, cette basse pression étant notamrnent de l'ordre de 2 à 5 bars, en ce qu'une conduite de produc-tion d'oxygene est directement reliee à la cuve de la colonne basse pression pour en soutirer de l'oxygène 35gazeux, et en ce ~ue les moyens de rnaintien en froid .... , ,,, . ,, . :...... ~ ,,, - , ~ ; . .
3 7~ 9 9 comprennent une vanne de détente libre d'au moins un produit gazeux sortant de la colonne basse pression.
Dans une telle installation, la double colonne peut en particulier être isolée sous vide, notam-ment par une enveloppe sous vide ~ui ne contien-t que la double colonne et des troncons de conduite, le reste des parties froides de l'installation, à l'e~ception éven-tuellement des sources d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide et des conduites qui en partent, é-tant isolées par une boite froide à la pression atmosphéri~ue conte-nant un isolant solide, notamment par~iculaire.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant e-tre décrits en regard des dessins annexés, sur les~uels :
- la Figure 1 représente schématiquement une ins-tallation de production d'oxygène conforme à l'in-vention; et - la Figure 2 représente schématiquement une variante.
L'installation représentée à la Figure 1 com-prend essentiellement un compresseur d'air 1, un appareil 2 d'épuration par adsorption, une ligne d'échange thermigue 3, un sous-refroidisseur 4 et une double colonne de dis-tillation 5. Cette dernière est essentiel-lement constituée d'une colonne moyenne pression 6 surmontee d'une colonne basse pression 7, et d'un vaporiseur-condenseur 8 qui met en relation d'échange t~ermique indirect la vapeur de tête (azote pratiquement pur) de la colonne 6 et le liquide de cuve (oxygène à la pureté désirée) de la colonne 7.
En fonctionnemen-t, l'air à distiller est comprimé en 1 a une pxession, dite moyenne pression, de l'ordre de 8 à 16 bars, epuré en eau et en anhydride carbonique en 2, refroidi au voisinage de son point de rosée en 3 et introduit en cuve de la colonne 6. Le ,, ~ , ~ . :
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4 ~1~ 2~9 "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de cette colonne est sous-refroidi en 4, détendu dans une vanne de détente 9 à une pression, dite basse pression, qui est sensiblement la pression de production, de l'ordre de 2 à 5 bars, et introdui-t à un niveau intermédiaire de la colonne 7 via une conduite 10. Du "liquide pauvre" (azote pratiquement pur) recueilli en tête de la colonne 6 est sous-refroidi en 4, détendu dans une vanne de détente 11 à la basse pression, et introduit en tête de la colonne 7 via une conduite 12. L'oxygène de production est soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, réchauffé dans la ligne d'echange 3 et récupéré directement en tant que produit via une conduite de produc~ion 13.
Pour assurer le maintien en froid de l'ins-tallation, le gaz résiduaire W (azote impur), soutiré au sommet de la colonne 7 via une conduite 14, est détendu en détente libre à une pression légèrement supérieure à
la pression atmosphérique dans une vanne de détente 15, réchauffé dans le sous-refroidisseur 4 puis dans la ligne d'échange 3, et évacué via une conduite 16. Ce gaz peut servir à régénérer les adsorbeurs de l'appareil 2.
Si le froid produit par cette détente libre est insuffisant, on peut le compléter par l'un au moins des moyens suivants, représentés en trait mixte sur le dessin.
- Une source 17 d'azote liquide sous la basse pression, reliée à la tête de la colonne 7 via une conduite 18 et munie de moyens de régulation de débit.
Comme représenté, il peut s'agir notamment d'un stockagP
. .
17A d'azote liquide sous la pression a-tmosphérique muni à sa sortie d'une pompe 17B.
- Une source 19 d'oxygène liquide sous la hasse pression, reliée à la cuve de la colonne 7 via une conduite 20 et munie de moyens de régulation de débit.

~ 2~9 Comme représenté, il peut s'agir de nouveau d'un stockage l9A d'oxygène liquide sous la pression atmosphérique muni à sa sortie d'une pompe l9B.
- Un groupe frigorifique 21, par exemple à
l'ammoniac, monté entre le compresseur 1 et l'appareil d'épuration 2 et prérefroidissant l'air comprimé jusqu'à
une température de l'ordre de 0 à + 5~C par exemple.
L'installation représentée est isolée thermiquement de la manière suivante.
10D'une part, la double colonne 5 est disposée dans une enveloppe sous vide 22, qui en assure une isolation à haute performance. Cette enveloppe ne contient, outre la double colonne, que les tronçons de conduite qui y aboutissent ou en partent, ces conduites traversant l'enveloppe au moyen de raccords appropriés 23. En pratique, il est avantageux de rassembler tous les raccords 23 dans une meme région de l'enveloppe.
D'autre part, à l'exception des sources de liquides cryogéniques 17 et 19 et des conduites qui en partent, qui possèdent leur propre isolation, géné-ralement sous vide, toutes les autras parties froides de l'installation son~ isolées au moyen d'une boite froide 24 sous la pression atmosphérique contenant un matériau isolant _olide particulaire, qui est de préférence de la ~5 perlite.
Ce mode d'isolation est très avantageux :
d'une part, l'enveloppe SOU5 vide peut avoir un diamètre étroiternent adapté au diamètre extérieur de la clouble colonne, laquelle peut etre de diamètre constant sur 30 ! toute sa hauteur, ce qui permet de réaliser un ensemble double colonne 5-enveloppe 22 commodément transportable.
De plus, tous les accessoires froids tels que 9, 11, 15 sont facilement accessibles puisqu'ils sont constamment à la pression atmosphérique~
35Du point de vue éneryétique, cette solution - . - ., .; : :: : ~ ~ ::: :
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2.1 1 24~9 est également très avantageuse, bien qu'elle soit beaucoup moins coûteuse qulune isolation sous vide renf~rmant l'ensemble de l'installation. En ef~et, dans une installation de distillation d'air, 75 à 85~ des pertes thermiques sont supportées par la double colonne et, dans la ligne d'échange thermique, les pertes sont concentrees dans la partie la plus froide. Au to-tal~ les performances d'isolation de l'ensemble 22-24 son-t de l'ordre de 90~ de celles qui seraient obtenues avec une isolation sous vide de l'ensemble de l'installation.
En variante, la double colonne peut comporter un "minaret", c'est-à-dire un tronçon supérieur de la colonne basse pression 7 permettant de produire à son sommet de l'azote gazeux sous la basse pression. Dans ce cas, cet azote gazeux peut également être de-tendu dans une vanne de détente jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique pour produire du froid, avant d'être réchauffé en 4 puis en 3 puis d'être récupéré en tant que second produit de l'installation.
La simplicité de l'installation suivant l'invention rend celle-ci particulièrement intéressante pour la production de quantités modérées, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de tonnes par iour, d'oxy-gè~e gazeux sous une pression de quelques bars.
Dans la variante représe.ntée à la Figure 2 sans son isolation thermique, la tenue en froid de l'installation s'effectue par détente libre du gaz résiduaire W en 15, completée par un apport d'oxygène liquide provenant d'une source 19 constituée comme 30 I précédemment d'un stockage l9A à la pression a-tmosphéri-~ue et d'une pompe l9Bo Toutefois, dans cette variante, l'oxygène liquide d'appoint, pompé en l9B à une pression quelque peu supérieure à la basse pression, est injecté, en un point intermédiaire 25 de la ligne d'échange thermique .2~

3, dans l'oxygène gazeux en cours de réchauffemen-t.
De plus, une conduite 26 de purge d'oxygène liquide, munie d'une vanne 27, part de la cuve de la colonne 7 et débouche dans le stockage l9A pour l'ali-menter en partie, le complément d'oxygène liquide étantapporté par des camions-citernes 28.
La purge, destinée à évacuer les hydrocarbu-res de la colonne 7, correspond à environ 0,2~ du débit .-d'air traité et s'effectue de préférence en discontinu, :
généralement automatiquement; elle est indépendante du "biberonnage" de l'installation par l'oxygène liquide.
Le point d'injection 25 est choisi de manière que l'oxygène liquide se vaporise à une température suffisamment élevée pour que les hydrocarbures ne présen-tent plus de danger d'explosion ou d'inflammabilite lorsde la vaporisation de l'oxygène. Cette température peut ainsi être de l'ordre de -100C.

Claims (13)

1. Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression au moyen d'une double colonne de distillation, caractérisé en ce que:
-on fait fonctionner la colonne basse pression sous une pression nettement supérieure à la pression atmosphérique et légèrement supérieure à la pression de production d'oxygène, cette basse pression étant notamment de l'ordre de 2 à 5 bars, et on fait fonctionner la colonne moyenne pression sous une pression correspondante, notamment de l'ordre de 8 à 16 bars;
-on récupère directement l'oxygène gazeux de production en cuve de la colonne basse pression, et -on maintient en froid l'installation, au moins en partie, par détente libre d'au moins un produit gazeux sortant de la colonne basse pression.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détend par détente libre un gaz résiduaire soutiré de la tête de la colonne basse pression.
3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on injecte dans la colonne basse pression un débit d'azote liquide provenant d'une source extérieure à la double colonne.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte dans la colonne basse pression un débit d'oxygène liquide provenant d'une source extérieure à la double colonne.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte dans l'oxygène gazeux, en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique associée à la double colonne, un débit d'oxygène liquide provenant d'une source extérieure à la double colonne, et en ce qu'on envoie dans ladite source de l'oxygène liquide de purge soutiré de la cuve de la colonne basse pression.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on prérefroidit l'air à traiter, avant son épuration par adsorption, au moyen d'un groupe frigorifique.
7. Installation de production d'oxygène gazeux sous pression, du type comprenant: un compresseur d'air; un appareil d'épuration de l'air comprimé; une double colonne de distillation de l'air épuré, comprenant elle-même une colonne moyenne pression et un colonne basse pression couplées par un vaporiseur-condenseur; une ligne d'échange thermique pour refroidir l'air épuré par échange de chaleur indirect avec les produits provenant de la double colonne; et des moyens de maintien en froid de l'installation, caractérisée en ce que la colonne basse pression fonctionne sous une pression nettement supérieure à la pression atmosphérique et légèrement supérieure à la pression de production d'oxygène, cette basse pression étant notamment de l'ordre de 2 à 5 bars, en ce qu'une conduite de production d'oxygène est directement reliée à la cuve de la colonne basse pression pour en soutirer de l'oxygène gazeux, et en ce que les moyens de maintien en froid comprennent une vanne de détente libre d'au moins un produit gazeux sortant de la colonne basse pression.
8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la vanne de détente est montée dans une conduite d'évacuation de gaz résiduaire partant de la tête de la colonne basse pression.
9. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens de maintien en froid comprennent une source d'azote liquide sous la basse pression reliée à la tête de la colonne basse pression pour y injecter un débit déterminé d'azote liquide.
10.Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les moyens de maintien en froid comprennent une source d'oxygène liquide sous la basse pression reliée à la cuve de la colonne basse pression pour y injecter un débit déterminé d'oxygène liquide.
11.Installation suivant l'un quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les moyens de maintien en froid comprennent une source d'oxygène liquide sous la basse pression reliée, en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique,, aux passages de réchauffement d'oxygène gazeux, et en ce qu'une conduite de purge relie la cuve de la colonne basse pression à la source d'oxygène liquide.
12.Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un groupe frigorifique de prérefroidissement de l'air comprimé, monté entre le compresseur et l'appareil d'épuration.
13.Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que la double colonne est isolée sous vide, notamment par une enveloppe sous vide qui ne contient que la double colonne et des tronçons de conduite, le reste des parties froides de l'installation, à l'exception éventuellement des sources d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide et des conduites qui en partent, étant isolées par une boîte froide à la pression atmosphérique contenant un isolant solide, notamment particulaire.
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