EP0504029B1 - Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression - Google Patents

Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression Download PDF

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EP0504029B1
EP0504029B1 EP92400600A EP92400600A EP0504029B1 EP 0504029 B1 EP0504029 B1 EP 0504029B1 EP 92400600 A EP92400600 A EP 92400600A EP 92400600 A EP92400600 A EP 92400600A EP 0504029 B1 EP0504029 B1 EP 0504029B1
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oxygen
turbine
column
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Maurice Grenier
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/939—Partial feed stream expansion, air
    • Y10S62/94—High pressure column

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of gaseous oxygen under a high oxygen pressure by air distillation in a double column installation, pumping of liquid oxygen withdrawn from the bottom of the low pressure column, and vaporization of liquid oxygen compressed by heat exchange, in the heat exchange line of the installation, with air brought to a high air pressure, in which all of the air is compressed at high air pressure the air to be distilled; at an intermediate cooling temperature, a fraction of this air is expanded in a turbine, at the pressure of the medium pressure column.
  • the pressures discussed below are absolute pressures.
  • the pressures in the medium pressure column and the low pressure column will be referred to as “medium pressure” and “low pressure”, respectively.
  • Pump processes make it possible to eliminate any gaseous oxygen compressor. To obtain a competitive energy expenditure, it is necessary to compress a large air flow, of the order of 1.5 times the flow of oxygen to be vaporized, to a sufficient pressure allowing it to liquefy against -current oxygen.
  • EP-A-0.024.962 describes a process for vaporizing liquid oxygen, using a Claude turbine with production of liquid nitrogen.
  • EP-A-0.042.676 describes a process for vaporizing liquid oxygen by heat exchange with nitrogen. The process frigories are supplied only by nitrogen expansion.
  • the invention aims to provide a "pump" process requiring only a reduced investment.
  • the process according to the invention is characterized in that the air fraction is in excess with respect to the refrigerating needs of the heat exchange line, the turbine is braked by an air booster and the temperature difference at the hot end of the exchange line by evacuating at least one liquid product from the installation.
  • the abovementioned small temperature differences are obtained, and therefore a low specific energy expenditure, while avoiding the appearance of liquid at the inlet of the wheel of the expansion turbine.
  • the invention also relates to a process for producing gaseous oxygen under a high oxygen pressure of at least Approximately 13 bar by air distillation in a double column installation comprising a low pressure column and a medium pressure column, pumping of liquid oxygen withdrawn from the bottom of the low pressure column, and vaporization of the compressed liquid oxygen by exchange of heat with air brought to a high pressure markedly higher than the medium pressure, in which all of the air to be distilled is compressed to a first high pressure markedly higher than the medium pressure, and a first fraction of this is cooled air under the first high pressure and, at an intermediate cooling temperature, at least part of it is relieved at medium pressure in a turbine before introducing it into the double column, characterized in that the rest of the air is boosted at a second high pressure under the first high pressure, at least part of the compressed air, the flow rate of which is lower than the flow rate of liquid oxygen to be vaporized, being cooled and liquefied then, after expansion, introduced into the double column, the second high pressure being on the one hand
  • the air distillation installation shown in FIG. 1 essentially comprises: an air compressor 1, an apparatus 2 for purifying the compressed air into water and CO 2 by adsorption, this apparatus comprising two bottles of adsorption 2A, 2B, one of which operates in adsorption while the other is being regenerated; a turbine-booster assembly 3 comprising an expansion turbine 4 and a booster 5 whose shafts are coupled; a heat exchanger 6 constituting the heat exchange line of the installation; a double distillation column 7 comprising a medium pressure column 8 surmounted by a low pressure column 9, with a vaporizer-condenser 10 putting the overhead vapor (nitrogen) from column 8 in heat exchange relation with the tank liquid (oxygen) from column 9; a liquid oxygen tank 11, the bottom of which is connected to a liquid oxygen pump 12; and a liquid nitrogen tank 13, the bottom of which is connected to a liquid nitrogen pump 14.
  • This installation is intended to supply, via a pipe 15, gaseous oxygen under a predetermined high pressure, which can be between a few bars and a few tens of bars (in the present specification, the pressures considered are absolute pressures).
  • liquid oxygen withdrawn from the tank of the column 9 via a pipe 16 and stored in the tank 11, is brought to high pressure by the pump 12 in the liquid state, then vaporized and heated --- under this high pressure in passages 17 of exchanger 6.
  • the heat necessary for this vaporization and this reheating, as well as for the reheating and possibly for the vaporization of other fluids drawn from the double column, is supplied by the air to be distilled, under the following conditions.
  • All of the air to be distilled is compressed by compressor 1 at a pressure higher than the medium pressure of column 8 but lower than the high pressure. Then the air, precooled in 18 and cooled to around ambient temperature in 19, is purified in one, 2A for example, of the adsorption bottles, and entirely pressurized at high pressure by the booster 5, which is driven by the turbine 4.
  • the air is then introduced at the hot end of the exchanger 6 and completely cooled to an intermediate temperature. At this temperature, a fraction of the air continues to cool and is liquefied in passages 20 of the exchanger, then is expanded at low pressure in an expansion valve 21 and introduced at an intermediate level into column 9. The rest of the air, or excess air, is expanded to medium pressure in the turbine 4 and then sent directly, via a pipe 22, to the base of the column 8.
  • the low-pressure nitrogen is heated in passages 28 of the exchanger 6 and then discharged via a line 29, while the residual gas, after heating in passages 30 of the exchanger, is used to regenerate an adsorption bottle, the bottle 2B in the example considered, before being evacuated via a pipe 31.
  • part of the medium pressure liquid nitrogen is, after expansion in an expansion valve 32, stored in the reservoir 13, and a production of liquid nitrogen and / or liquid oxygen is supplied via a line 33 (for nitrogen) and / or 34 (for oxygen).
  • this air pressure is the pressure of condensation of the air by heat exchange with the oxygen being vaporized under the high pressure, i.e. - say the pressure for which the knee G of air liquefaction, on the heat exchange diagram (temperatures on the abscissa, quantities of heat exchanged on the ordinate) is located slightly to the right of the vertical stage P of vaporization of oxygen under high pressure ( Figure 3).
  • the temperature difference at the hot end of the exchange line is adjusted by means of the turbine, the suction temperature of which is indicated in A. The irreversibility of the heat exchange is thus minimal.
  • Such air pressure is worn depending on the high pressure, on the left portion C1 of the curve in Figure 2.
  • a high pressure of around 13 bars corresponds in this way to an air pressure of around 30 bars (more precisely, around 28.5 bars).
  • an air pressure of the order of 30 bars is chosen, whatever this high pressure, as indicated on the straight portion C2 of the curve of FIG. 2.
  • nitrogen gas under pressure can, in addition, be produced in an analogous manner, by bringing liquid nitrogen to the desired pressure, by drawing off at the top of the column 8 or by means of a pump such as 14 sucking the liquid nitrogen there or in the reservoir 13, and passing this liquid nitrogen through suitable vaporization-heating passages for the exchanger 6.
  • part of the gaseous oxygen produced can be produced under a different high pressure, by vaporizing it under this pressure in other suitable passages of the exchanger 6.
  • the two high pressures are one less than approximately 13 bars and the other greater than approximately 13 bars
  • all of the air is preferably compressed to approximately 30 bars (or above as explained above), and in any case so that the liquefaction knee G is opposite the vaporization level P1 of the oxygen at the lowest high pressure, and the suction temperature of the turbine (point A) is higher than that of the stage P2 for vaporizing the oxygen at the highest high pressure.
  • a tight heat exchange diagram is obtained, which is very favorable from an energy point of view.
  • a second turbine (not shown) can be provided, de-energizing a fraction of the medium pressure to the low pressure. in the order of 10 to 25% of the treated air flow, the low pressure air thus obtained being blown into column 9. If the high oxygen pressure is less than approximately 13 bars, this fraction can be taken with exhaust of the turbine 4, the temperature of which is sufficiently high. In the opposite case, said fraction is taken from the bottom of the column 8, or taken from the exhaust of the turbine 4 and separated from its liquid phase, and reheated before expansion.
  • This variant makes it possible to increase the production of liquid while slightly reducing the production of liquid at medium pressure, and consequently the operating pressure of the installation, that is to say the high air pressure.
  • the turbine 4 can also be braked by a device other than a booster.
  • the booster 5 is eliminated, and the compressor 1 directly compresses all of the air at the high air pressure defined above.
  • the installation shown in Figure 6 is intended to produce gaseous oxygen at a pressure at least equal to about 13 bars and, in this example, 35 bars. It essentially comprises a double distillation column 41, a main heat exchange line 42, a sub-cooler 43, a compressor single air 44, a blower 45 for air overpressure, an expansion turbine 46 whose wheel is mounted on the same shaft as that of the booster 45, an additional blower 47 driven by an electric motor 48, and a pump liquid oxygen 49.
  • the double column consists, in a conventional manner, of a medium pressure column 50 operating at about 6 bars and surmounted by a low pressure column 51 operating slightly above atmospheric pressure, with, in tank from the latter, a vaporizer-condenser 52 which brings the liquid oxygen from the bottom of the low pressure column into heat exchange relation with the nitrogen at the head of the medium pressure column.
  • the first stream is cooled under this first high pressure in passages 53 of the exchange line 42. Part of this first stream continues to cool, and is liquefied, until the cold end of the exchange line, then is expanded at medium pressure and at low pressure in expansion valves 54 and 55 respectively and distributed between columns 50 and 51. The rest of the first stream left the exchange line at an intermediate temperature T1, expanded in the turbine 46 at medium pressure and introduced at the base of column 50.
  • the second stream of pressurized air is again pressurized, up to a second high pressure of the order of 35 to 40 bars, by the blower 47, then cooled and liquefied in passages 56 of the exchange line, up to 'at the cold end of it.
  • the liquid thus obtained is expanded in an expansion valve 57 and sent to the base of the column 50.
  • blower or "blower” is understood here to mean a single-wheel compressor whose energy expenditure, by the flow rate of treated gas and the compression ratio, is considerably lower than that of the main compressor 44 of the installation. , and for example of the order of 2 to 3% of the latter.
  • the compression ratio of such a blower is generally less than 2.
  • Each of the blowers in question here comprises at its outlet a water or atmospheric air refrigerant, not shown.
  • Liquid oxygen withdrawn from the tank of the column 51 is brought by the pump 49 to the desired production pressure, then vaporized and heated in passages 58 of the exchange line before being evacuated from the installation via a pipe. of production 59.
  • the temperature T1 of turbine inlet 46 is lower than the temperature of the stage 69 of vaporization of oxygen under the production pressure, and the refrigeration balance of the installation is balanced, in order to maintain a small temperature difference at hot end of the exchange line, by drawing off via the lines 64 and / or 65 certain quantities of liquid nitrogen and / or liquid oxygen, as explained above with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the pressure of the air at the discharge of compressor 44 is of the order of 23 bars, this equilibrium is obtained for a withdrawal of liquid of the order of 5% of the treated air flow.
  • the aforementioned second high pressure is on the one hand lower than the condensation pressure of the air by heat exchange with the oxygen being vaporized under the production pressure, and on the other hand chosen so that the air brought to this second high pressure begins to condense at a temperature close to T1.
  • This ensures a significant supply of calories in the vicinity of this temperature T1 and allows the turbine 46 to operate in good conditions, that is to say without producing liquid at the entrance of its wheel, while maintaining gaps optimal temperatures, of the order of 2 to 3 ° C, at the two ends of the exchange line as well as at the location of the vaporization bearing 69.
  • the air compressor 44 of the installation directly compresses all of the air at the first high pressure of the order of 23 bars, and a first stream of this air is treated as previously in the passages 53, the turbine 46 and the expansion valve 54 then sent to the base of the column 50.
  • a first blower 70 which, like the blower 45 in Figure 6, is directly coupled to the turbine 46, and a second blower 71 directly coupled to a second expansion turbine 72.
  • the air boosted at 70 passes entirely through the blower 71 then through the passages 56 of the exchange line 42, and part of this air is exited from the exchange line at a temperature T2 higher than the temperature T1 in order to be expanded in the turbine 72.
  • the exhaust of the latter at medium pressure, is connected to the base of the column 50 like that of the turbine 46.
  • the air at the highest pressure which is not expanded in the turbine 72 continues to cool and is liquefied in the passages 56 to the cold end of the exchange line, then is expanded in expansion valves 57 and 57A and distributed between the two columns 50 and 51.
  • the valve 57A replaces the valve 55 in FIG. 6.
  • the temperature T2 can be chosen slightly above the stage 69 of oxygen vaporization. Taking into account the relatively low flow rate of the expanded air in the turbine 72, an air cooling curve is obtained which is roughly parallel to the warming curve for liquid oxygen and nitrogen gas at the temperature T2 knee 73 of condensation or pseudo-condensation of the air under the highest pressure.
  • an air flow taken between the two blowers 70 and 71, is cooled and liquefied in additional passages 74 of the exchange line, until the cold end thereof, then expanded to the medium pressure in an expansion valve 75 and sent to the base of the column 50.
  • the turbine 72 can be supplied with air flowing in the passages 74, which are then interrupted at the temperature T2.
  • the expansion valve 75 is then eliminated, and it is the air circulating in the passages 56 which is entirely liquefied in the passages 56 and then expanded at medium pressure in the expansion valve 57.
  • the highest air pressure can be increased by passing the air coming from the blower 71 into an additional blower 76 driven by an electric motor 77.
  • the installation represented in FIG. 11 is a variant of that of FIG. 8. It differs from it only in that the exhaust of the two turbines 46 and 72 opens into a phase separator 78 of which the liquid and a part of the vapor phase are sent to the bottom of the column 50 while the rest of the vapor phase, after partial reheating in passages 79 of the exchange line, is expanded at low pressure in an additional turbine 80 braked by an appropriate brake 81. The low pressure air leaving the turbine 80 is blown into the column 51 via a pipe 82.
  • This solution is applicable when the oxygen product gas under pressure is of low purity (less than 99.5%).

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène par distillation d'air dans une installation à double colonne, pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur, dans la ligne d'échange thermique de l'installation, avec de l'air porté à une haute pression d'air, dans lequel on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller; à une température intermédiaire de refroidissement, on détend dans une turbine, à la pression de la colonne moyenne pression, une fraction de cet air.
  • Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions absolues. Les pressions de la colonne moyenne pression et de la colonne basse pression seront appelées "moyenne pression" et "basse pression", respectivement.
  • Les procédés de ce type, dits procédés "à pompe" permettent de supprimer tout compresseur d'oxygène gazeux. Pour obtenir une dépense d'énergie compétitive, il est nécessaire de comprimer un débit d'air important, de l'ordre de 1,5 fois le débit d'oxygène à vaporiser, jusqu'à une pression suffisante permettant de le liquéfier à contre-courant de l'oxygène.
  • Des exemples de procédés de ce type se retrouvent dans US-A-3.648.471, GB-A-929.798, EP-A-0.024.962 et EP-A-0.042.676
  • US-A-3.648.471 et GB-A-929.798 décrivent un procédé de vaporisation d'oxygène liquide, utilisant une turbine Claude sans aucune production de liquide comme produit final.
  • EP-A-0.024.962 décrit un procédé de vaporisation d'oxygène liquide, utilisant une turbine Claude avec production d'azote liquide.
  • EP-A-0.042.676 décrit un procédé de vaporisation d'oxygène liquide par échange de chaleur avec de l'azote. Les frigories du procédé sont fournies uniquement par détente d'azote.
  • Il est connu que la dépense d'énergie des installations correspondantes n'est inférieure ou égale à celle des installations munies d'un compresseur que pour des pressions de vaporisation d'oxygène inférieures à 10 bar environ, et que cette dépense d'énergie augmente progressivement avec cette pression. De plus, dans le domaine où la dépense d'énergie est acceptable, la technique habituelle utilise deux compresseurs en série, le second ne traitant que la fraction de l'air destinée à la vaporisation de l'oxygène liquide, ce qui accroît considérablement l'investissement de l'installation.
  • L'invention a pour but de fournir un procédé "à pompe" ne nécessitant qu'un investissement réduit.
  • A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que la fraction d'air est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique, la turbine est freinée par un surpresseur d'air et on réduit l'écart de température au bout chaud de la ligne d'échange en évacuant de l'installation au moins un produit liquide.
  • Suivant des modes de réalisation préférés de l'invention:
    • pour une haute pression d'oxygène inférieure à 13 bar environ, on choisit comme haute pression d'air la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène ;
    • pour une haute pression d'oxygène supérieure à 13 bar environ, on choisit comme haute pression d'air, quelle que soit la haute pression d'oxygène, une pression inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bar environ.
  • Une étude approfondie des phénomènes mis en jeu dans le procédé défini ci-dessus montre que, dans certains cas, la turbine de détente risque de voir du liquide se former à l'entrée de sa roue si l'on veut maintenir des écarts de température réduits à l'emplacement du palier de vaporisation de l'oxygène et au bout chaud de la ligne d'échange. C'est le cas lorsque la pression d'oxygène est supérieure à 13 bar environ, lorsque l'installation comprend une seule turbine de détente (c'est-à-dire ne comporte pas de turbine détente d'air en basse pression) et lorsque la presque totalité de l'oxygène liquide soutiré de la double colonne est vaporisé sous pression.
  • Suivant un développement de l'invention, on obtient les faibles écarts de température précités, et donc une faible dépense d'énergie spécifique, tout en évitant l'apparition de liquide à l'entrée de la roue de la turbine de détente.
  • A cet effet, l'invention a également pour objet un procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bar environ par distillation d'air dans une installation à double colonne comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur avec de l'air porté à une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, dans lequel on comprime la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, et on refroidit une première fraction de cet air sous la première haute pression et, à une température intermédiaire de refroidissement, on en détend au moins une partie à la moyenne pression dans une turbine avant de l'introduire dans la double colonne ,
       caractérisé en ce qu'on surpresse à une seconde haute pression le reste de l'air sous la première haute pression, une partie au moins de l'air surpressé, dont le débit est inférieur au débit d'oxygène liquide à vaporiser, étant refroidie et liquéfiée puis, après détente, introduite dans la double colonne, la seconde haute pression étant d'une part inférieure à la pression de condensation ou de pseudo-condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bar environ et, d'autre part, choisie de façon que la condensation ou la pseudo-condensation de l'air sous cette seconde haute pression ait lieu au voisinage de la température d'admission de la turbine et on réduit l'écart de température au bout chaud d'une ligne d'échange thermique en évacuant de l'installation au moins un produit liquide.
  • Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène gazeux pour mettre en oeuvre un procédé conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est un diagramme montrant l'évolution de la pression de vaporisation d'oxygène, suivant l'invention, en fonction de la haute pression de l'oxygène ;
    • les figures 3 à 5 sont des diagrammes d'échange thermique correspondant à trois utilisations différentes du procédé suivant l'invention ;
    • la figure 6 représente schématiquement une autre installation de production d'oxygène gazeux pour mettre en oeuvre un procédé conforme à l'invention ;
    • la figure 7 est un diagramme d'échange thermique correspondant à cette installation, avec en abscisses la température en degrés Celsius et en ordonnées les enthalpies échangées dans la ligne d'échange thermique ;
    • les figures 8 et 9 sont des vues analogues respectivement aux figures 6 et 7 mais relatives à un autre mode de réalisation de l'installation suivant l'invention ; et
    • les figures 10 et 11 représentent schématiquement plusieurs variantes de l'installation.
  • L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 comprend essentiellement : un compresseur d'air 1, un appareil 2 d'épuration de l'air comprimé en eau et en CO2 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-surpresseur 3 comprenant une turbine de détente 4 et un surpresseur 5 dont les arbres sont couplés ; 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'azote liquide 13 dont le fond est relié à une pompe d'azote liquide 14.
  • Cette installation est destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression prédéterminée, qui peut être comprise entre quelques bars et quelques dizaines de bars (dans le présent mémoire, les pressions considérées sont des pressions absolues).
  • Pour cela, de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 9 via une conduite 16 et stocké dans le réservoir 11, est amené à la haute pression par la pompe 12 à l'état liquide, puis vaporisé et réchauffé --- sous cette haute pression dans des passages 17 de l'échangeur 6.
  • La chaleur nécessaire à cette vaporisation et à ce réchauffage, ainsi qu'au réchauffage et éventuellement 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 comprimée 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 en 18 et refroidi au voisinage de la température ambiante en 19, est épuré dans l'une, 2A par exemple, des bouteilles d'adsorption, et surpressé en totalité à la haute pression par le surpresseur 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 liquéfié dans des passages 20 de l'échangeur, puis est détendu à la basse pression dans une vanne de détente 21 et introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 9. Le reste de l'air, ou air excédentaire, est détendu à la moyenne pression dans la turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 22, 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 23 à 25 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 26 de soutirage d'azote gazeux partant du sommet de la colonne 9 et 27 d'évacuation du gaz résiduaire (azote impur) partant du niveau d'injection du liquide pauvre inférieur. L'azote basse pression est réchauffé dans des passages 28 de l'échangeur 6 puis évacué via une conduite 29, tandis que le gaz résiduaire, après réchauffement dans des passages 30 de l'échangeur, est utilisé pour régénérer une bouteille d'adsorption, la bouteille 2B dans l'exemple considéré, avant d'être évacué via une conduite 31.
  • On voit encore sur la Figure 1 qu'une partie de l'azote liquide moyenne pression est, après détente dans une vanne de détente 32, stockée dans le réservoir 13, et une production d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide est fournie via une conduite 33 (pour l'azote) et/ou 34 (pour l'oxygène).
  • Pour le choix de la pression de l'air surpressé, on distingue deux cas.
  • Lorsque la haute pression d'oxygène est inférieure à 13 bars environ, cette pression d'air est la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression, c'est-à-dire la pression pour laquelle le genou G de liquéfaction de l'air, sur le diagramme d'échange thermique (températures en abscisses, quantités de chaleur échangées en ordonnées) est situé légèrement à droite du palier vertical P de vaporisation de l'oxygène sous la haute pression (Figure 3). L'écart de température au bout chaud de la ligne d'échange est ajusté au moyen de la turbine, dont la température d'aspiration est indiquée en A. L'irréversibilité de l'échange thermique est ainsi minimale. Une telle pression d'air est portée en fonction de la haute pression, sur la portion gauche C1 de la courbe de la Figure 2.
  • Comme on le voit sur la Figure 2, une haute pression de l'ordre de 13 bars correspond de cette manière à une pression d'air de l'ordre de 30 bars (plus précisément, environ 28,5 bars). Lorsque la haute pression est supérieure à 13 bars, on choisit une pression d'air de l'ordre de 30 bars, quelle que soit cette haute pression, comme indiqué sur la portion droite C2 de la courbe de la Figure 2.
  • Dans le premier cas (haute pression inférieure à 13 bars environ), la production d'oxygène et/ou d'azote sous forme liquide a pour conséquence un déficit de produits gazeux froids dans l'échangeur 6, d'où une température d'aspiration relativement élevée de la turbine 4. Ce phénomène a pour conséquence une production frigorifique importante par cette turbine, ce qui permet à l'installation de produire une quantité importante d'oxygène et/ou d'azote sous forme liquide, ceci dans des conditions d'investissement particulièrement avantageuses.
  • Dans le second cas (haute pression supérieure à 13 bars environ), en considérant la Figure 2, la pression d'air ne se trouve plus sur le prolongement C3 de la courbe C1; par suite, le genou G de liquéfaction de l'air (Figure 4) se décale vers la gauche par rapport au palier P de vaporisation de l'oxygène, et la température d'aspiration de la turbine devient inférieure à celle du palier P. Par suite, une fraction importante de l'air turbiné se trouve en moyenne pression sous forme liquide, et le bilan frigorifique de l'installation est équilibré, avec un écart de température au bout chaud de l'ordre de 3°C, en soutirant de l'installation au moins un produit (oxygène et/ou azote) sous forme liquide via les conduites 33 et/ou 34. Lorsque la pression de l'air est de l'ordre de 30 bars, cet équilibre s'obtient pour un soutirage de liquide de l'ordre de 25% de la production d'oxygène gazeux sous haute pression.
  • En variante, on peut choisir une pression d'air comprise entre 30 bars environ et la courbe C3, c'est-à-dire dans la région B de la Figure 2. Il faut alors évacuer une plus grande quantité de liquide pour atteindre l'équilibre précité.
  • Ainsi, sur toute la gamme de pressions d'oxygène, on utilise une installation à un seul compresseur, ce qui constitue un investissement réduit, et le surcoût d'énergie résultant de la compression de la totalité de l'air à la pression de vaporisation d'oxygène sert à produire du liquide.
  • Dans une variante non représentée, dans des gammes de pression et de débit aisément déterminables par le calcul, de l'azote gazeux sous pression peut, en supplément, être produit de manière analogue, en portant de l'azote liquide à la pression désirée, par soutirage au sommet de la colonne 8 ou au moyen d'une pompe telle que 14 aspirant l'azote liquide à cet endroit ou dans le réservoir 13, et en faisant passer cet azote liquide dans des passages appropriés de vaporisation-réchauffement de l'échangeur 6.
  • Dans une autre variante, illustrée uniquement par le diagramme d'échange thermique de la Figure 5, une partie de l'oxygène gazeux produit peut l'être sous une haute pression différente, en la vaporisant sous cette pression dans d'autres passages appropriés de l'échangeur 6. Si les deux hautes pressions sont l'une inférieure à 13 bars environ et l'autre supérieure à 13 bars environ, la totalité de l'air est de préférence comprimée à 30 bars environ (ou au-dessus comme expliqué plus haut), et en tout cas de manière que le genou de liquéfaction G se trouve en regard du palier de vaporisation P1 de l'oxygène sous la haute pression la plus faible, et la température d'aspiration de la turbine (point A) est supérieure à celle du palier P2 de vaporisation de l'oxygène sous la haute pression la plus élevée. On obtient dans ce cas un diagramme d'échange thermique bien resserré, très favorable du point de vue énergétique.
  • En variante encore, si l'oxygène produit est à faible pureté (de l'ordre de 90 à 98%), on peut prévoir une deuxième turbine (non représentée) détendant de la moyenne pression à la basse pression une fraction, de l'ordre de 10 à 25%, du débit d'air traité, l'air basse pression ainsi obtenu étant insufflé dans la colonne 9. Si la haute pression d'oxygène est inférieure à 13 bars environ, cette fraction peut être prise à l'échappement de la turbine 4, dont la température est suffisamment élevée. Dans le cas inverse, ladite fraction est prélevée en cuve de la colonne 8, ou prise à l'échappement de la turbine 4 et séparée de sa phase liquide, et réchauffée avant la détente.
  • Cette variante permet d'augmenter la production de liquide tout en diminuant légèrement la production de liquide en moyenne pression, et par suite la pression de marche de l'installation, c'est-à-dire la haute pression d'air.
  • On comprend par ailleurs que la turbine 4 peut également être freinée par un appareil autre qu'un surpresseur. Dans ce cas, le surpresseur 5 est supprimé, et le compresseur 1 comprime directement la totalité de l'air à la haute pression d'air définie plus haut.
  • L'installation représentée à la Figure 6 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression au moins égale à 13 bars environ et, dans cet exemple, de 35 bars. Elle comprend essentiellement une double colonne de distillation 41, une ligne d'échange thermique principale 42, un sous-refroidisseur 43, un compresseur d'air unique 44, une soufflante 45 de surpression d'air, une turbine de détente 46 dont la roue est montée sur le même arbre que celle du surpresseur 45, une soufflante additionnelle 47 entraînée par un moteur électrique 48, et une pompe d'oxygène liquide 49. La double colonne est constituée, de manière classique, d'une colonne moyenne pression 50 fonctionnant sous environ 6 bars et surmontée d'une colonne basse pression 51 fonctionnant légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, avec, en cuve de cette dernière, un vaporiseur-condenseur 52 qui met en relation d'échange thermique l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression avec l'azote de tête de la colonne moyenne pression.
  • En fonctionnement, l'air à distiller, comprimé en totalité par le compresseur 44 à une pression de l'ordre de 23 bars et épuré dans un adsorbeur 44A, est surpressé en totalité par le surpresseur 45 à une première haute pression de l'ordre de 28 bars, puis divisé en deux courants.
  • Le premier courant est refroidi sous cette première haute pression dans des passages 53 de la ligne d'échange 42. Une partie de ce premier courant poursuit son refroidissement, et est liquéfié, jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis est détendu à la moyenne pression et à la basse pression dans des vannes de détente 54 et 55 respectivement et réparti entre les colonnes 50 et 51. Le reste du premier courant est sorti de la ligne d'échange à une température intermédiaire T1, détendu dans la turbine 46 à la moyenne pression et introduit à la base de la colonne 50.
  • Le second courant d'air surpressé est à nouveau surpressé, jusqu'à une seconde haute pression de l'ordre de 35 à 40 bars, par la soufflante 47, puis refroidi et liquéfié dans des passages 56 de la ligne d'échange, jusqu'au bout froid de celle-ci. Le liquide ainsi obtenu est détendu dans une vanne de détente 57 et envoyé à la base de la colonne 50.
  • On entend ici par "surpresseur" ou "soufflante" un compresseur à une seule roue dont la dépense d'énergie, de par le débit de gaz traité et le taux de compression, est considérablement inférieure à celle du compresseur principal 44 de l'installation, et par exemple de l'ordre de 2 à 3% de cette dernière. Le taux de compression d'une telle soufflante est généralement inférieur à 2. Chacune des soufflantes dont il est question ici comporte à sa sortie un réfrigérant à eau ou à air atmosphérique non représenté.
  • L'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne 51 est amené par la pompe 49 à la pression de production désirée, puis vaporisé et réchauffé dans des passages 58 de la ligne d'échange avant d'être évacué de l'installation via une conduite de production 59.
  • On retrouve par ailleurs dans l'installation de la Figure 6 les conduites et accessoires habituels des installations à double colonne : une conduite 60 de remontée dans la colonne 51 du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 50, avec sa vanne de détente 61, une conduite 62 de remontée en tête de la colonne 51 du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 50, avec sa vanne de détente 63, ainsi qu'une conduite 64 de production d'oxygène liquide, piquée en cuve de la colonne 51, qu'une conduite 65 de production d'azote liquide, piquée sur la conduite 62, et qu'une conduite 66 de soutirage d'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation, piquée en tête de la colonne 51, cet azote impur étant réchauffé dans le sous-refroidisseur 43 puis dans des passages 67 de la ligne d'échange avant d'être évacué via une conduite 68.
  • Comme on le voit sur la Figure 7, la température T1 d'admission de la turbine 46 est inférieure à la température du palier 69 de vaporisation de l'oxygène sous la pression de production, et l'on équilibre le bilan frigorifique de l'installation, afin de maintenir un faible écart de température au bout chaud de la ligne d'échange, en soutirant via les conduites 64 et/ou 65 certaines quantités d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide, comme expliqué plus haut en regard des Figures 1 à 5. Lorsque la pression de l'air au refoulement du compresseur 44 est de l'ordre de 23 bars, cet équilibre s'obtient pour un soutirage de liquide de l'ordre de 5% du débit d'air traité.
  • De plus, la seconde haute pression précitée est d'une part inférieure à la pression de condensation de l'air par échange thermique avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la pression de production, et d'autre part choisie de façon que l'air porté à cette seconde haute pression commence à se condenser à une température voisine de T1. Ceci assure un important apport de calories au voisinage de cette température T1 et permet à la turbine 46 de fonctionner dans de bonnes conditions, c'est-à-dire sans production de liquide à l'entrée de sa roue, tout en maintenant des écarts de température optimaux, de l'ordre de 2 à 3°C, au deux bouts de la ligne d'échange ainsi qu'à l'emplacement du palier de vaporisation 69.
  • Il est à noter que le débit d'air surpressé qui est liquéfié dans les passages 56 est très inférieur à celui nécessaire pour vaporiser l'oxygène. Ce débit d'air liquéfié est en effet inférieur au débit d'oxygène à vaporiser et est juste suffisant pour éviter l'apparition de liquide à l'entrée de la roue de la turbine 46.
  • Si les paramètres de l'installation sont tels que la seconde haute pression de l'air est super-critique, c'est la pseudo-condensation de l'air qui doit intervenir au voisinage de la température T1.
  • Dans le mode de réalisation de la Figure 8, le compresseur d'air 44 de l'installation comprime directement la totalité de l'air à la première haute pression de l'ordre de 23 bars, et un premier courant de cet air est traité comme précédemment dans les passages 53, la turbine 46 et la vanne de détente 54 puis envoyé à la base de la colonne 50.
  • En revanche, le reste de cet air est surpressé en deux étapes, par deux soufflantes montées en série : une première soufflante 70 qui, comme la soufflante 45 de la Figure 6, est couplée directement à la turbine 46, et une deuxième soufflante 71 directement couplée à une deuxième turbine de détente 72. L'air surpressé en 70 passe en totalité dans la soufflante 71 puis dans les passages 56 de la ligne d'échange 42, et une partie de cet air est sorti de la ligne d'échange à une température T2 supérieure à la température T1 pour être détendu dans la turbine 72. L'échappement de cette dernière, à la moyenne pression, est relié à la base de la colonne 50 comme celui de la turbine 46.
  • L'air à la plus haute pression non détendu dans la turbine 72 poursuit son refroidissement et est liquéfié dans les passages 56 jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis est détendu dans des vannes de détente 57 et 57A et réparti entre les deux colonnes 50 et 51. La vanne 57A remplace la vanne 55 de la Figure 6.
  • Comme on le voit sur la Figure 9, on peut choisir la température T2 légèrement au-dessus du palier 69 de vaporisation de l'oxygène. Compte-tenu du débit relativement faible de l'air détendu dans la turbine 72, on obtient une courbe de refroidissement d'air à peu près parallèle à la courbe de réchauffement de l'oxygène liquide et de l'azote gazeux de la température T2 au genou 73 de condensation ou de pseudo-condensation de l'air sous la plus haute pression.
  • L'installation de la Figure 10 diffère de la précédente par les points suivants.
  • D'une part, la totalité de l'air refroidi sous la première haute pression est détendu dans la turbine 46, c'est-à-dire que les passages 53 sont interrompus au niveau de température T1 et que la vanne de détente 54 est supprimée.
  • D'autre part, un débit d'air, prélevé entre les deux soufflantes 70 et 71, est refroidi et liquéfié dans des passages supplémentaires 74 de la ligne d'échange, jusqu'au bout froid de celle-ci, puis détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 75 et envoyé à la base de la colonne 50.
  • En variante, comme indiqué en trait mixte, la turbine 72 peut être alimentée par l'air circulant dans les passages 74, lesquels sont alors interrompus à la température T2. La vanne de détente 75 est alors supprimé, et c'est l'air circulant dans les passages 56 qui est en totalité liquéfié dans les passages 56 puis détendu à la moyenne pression dans la vanne de détente 57.
  • Bien entendu, on peut envisager une combinaison des deux variantes ci-dessus.
  • En variante encore, comme indiqué en trait interrompu sur la Figure 10, la pression d'air la plus haute peut être accrue en faisant passer l'air issu de la soufflante 71 dans une soufflante additionnelle 76 entraînée par un moteur électrique 77.
  • L'installation représentée à la Figure 11 est une variante de celle de la Figure 8. Elle n'en diffère que par le fait que l'échappement des deux turbines 46 et 72 débouche dans un séparateur de phases 78 dont le liquide et une partie de la phase vapeur sont envoyés en cuve de la colonne 50 tandis que le reste de la phase vapeur, après réchauffement partiel dans des passages 79 de la ligne d'échange, est détendu à la basse pression dans une turbine additionnelle 80 freinée par un frein approprié 81. L'air basse pression sortant de la turbine 80 est insufflé dans la colonne 51 via une conduite 82. Cette solution est applicable lorsque l'oxygène produit gazeux sous pression est à faible pureté (moins de 99,5%).

Claims (17)

  1. Procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène par distillation d'air dans une installation à double colonne (7), pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (9), et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur, dans une ligne d'échange thermique (6) de l'installation, avec de l'air porté à une haute pression d'air, dans lequel on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller; à une température intermédiaire de refroidissement, on détend dans une turbine (4), à la pression de la colonne moyenne pression (8), une fraction de cet air, caractérisé en ce que la fraction d'air est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique, la turbine (4) est freinée par un surpresseur d'air (5) et on réduit l'écart de température au bout chaud de la ligne d'échange en évacuant de l'installation au moins un produit liquide.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une haute pression d'oxygène inférieure à 13 bar environ, on choisit comme haute pression d'air la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression de l'oxygène.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une haute pression d'oxygène supérieure à 13 bar environ, on choisit comme haute pression d'air, quelle que soit la haute pression d'oxygène, une pression inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bar environ.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite haute pression d'air est voisine de 30 bar, le débit de produit liquide évacué étant de l'ordre de 25 % de la production d'oxygène gazeux sous la haute pression d'oxygène.
  5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la production d'oxygène gazeux sous deux hautes pressions d'oxygène différentes, respectivement inférieure et supérieure à 13 bar environ, on vaporise les deux courants d'oxygène liquide comprimés par échange de chaleur avec de l'air comprimé à une haute pression d'air unique qui est d'une part inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation à la plus haute pression d'oxygène et, d'autre part, au moins égale à 30 bar environ, notamment à une haute pression d'air voisine de 30 bar, et en tout cas supérieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation à la plus basse pression d'oxygène.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on comprime l'air en deux stades, le stade final étant réalisé au moyen du surpresseur (5) entraîné par la turbine (4).
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on vaporise également, dans la ligne d'échange thermique (6), par échange de chaleur avec l'air à la haute pression d'air, de l'azote liquide sous pression soutiré de la double colonne (7) et éventuellement comprimé par une pompe (14).
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une partie de l'air moyenne pression est, éventuellement après séparation de sa phase liquide, détendu à la basse pression dans une seconde turbine et insufflé dans la colonne basse pression (9).
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'air détendu à la basse pression est prélevé en cuve de la colonne moyenne pression (8).
  10. Procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bar environ par distillation d'air dans une installation à double colonne comprenant une colonne basse pression (51) et une colonne moyenne pression (50), pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (51), et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur avec de l'air porté à une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, dans lequel on comprime la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, et on refroidit une première fraction de cet air sous la première haute pression et, à une température intermédiaire de refroidissement, on en détend au moins une partie à la moyenne pression dans une turbine (46) avant de l'introduire dans la double colonne (41),
       caractérisé en ce qu'on surpresse à une seconde haute pression le reste de l'air sous la première haute pression, une partie au moins de l'air surpressé, dont le débit est inférieur au débit d'oxygène liquide à vaporiser, étant refroidie et liquéfiée puis, après détente introduite dans la double colonne (41), la seconde haute pression étant d'une part inférieure à la pression de condensation ou de pseudo-condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bar environ et, d'autre part, choisie de façon que la condensation ou la pseudo-condensation de l'air sous cette seconde haute pression ait lieu au voisinage de la température d'admission de la turbine (46) et on réduit l'écart de température au bout chaud d'une ligne d'échange thermique (6) en évacuant de l'installation au moins un produit liquide.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par une soufflante (47) ayant un taux de compression inférieur à 2.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la soufflante (47) est entraînée par une source d'énergie extérieure (48) (figure 6).
  13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par deux soufflantes (70, 71) en série couplées chacune à une turbine de détente (46, 72), la première soufflante (70) étant couplée à la turbine (46) de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante (71) étant couplée à une seconde turbine (72) de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine (72) étant supérieure à celle de la première turbine (46) (figures 8, 10 et 11).
  14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un débit d'air est prélevé entre les deux soufflantes (70, 71) et, au moins en partie, refroidi et liquéfié puis, après détente introduit dans la double colonne (41) (figure 10).
  15. Procédé selon la reendication 10, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par une soufflante (70) couplée à la turbine (46) de détente de l'air sous la première haute pression, une première partie de l'air surpressé étant détendue dans une seconde turbine (72) couplée à une deuxième soufflante (71) alimentée par le reste de l'air surpressé, l'air issu de la seconde soufflante (71) étant refroidi et liquéfié puis, après détente (en 57), introduit dans la double colonne (41) (figure 10).
  16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que l'air issu de la seconde soufflante (71) est de nouveau surpressé par une troisième soufflante (76) entraînée par une source d'énergie extérieure (77) (figure 10).
  17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce qu'une partie de la phase gazeuse de l'air issu de la ou de chaque turbine (46, 72) est détendue à la basse pression dans une turbine additionnelle (80), puis insufflée dans la colonne basse pression (51).
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