EP0689019B1 - Procédé et installation de production d'oxygène gazeux sous pression - Google Patents

Procédé et installation de production d'oxygène gazeux sous pression Download PDF

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EP0689019B1
EP0689019B1 EP95401443A EP95401443A EP0689019B1 EP 0689019 B1 EP0689019 B1 EP 0689019B1 EP 95401443 A EP95401443 A EP 95401443A EP 95401443 A EP95401443 A EP 95401443A EP 0689019 B1 EP0689019 B1 EP 0689019B1
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J3/04412—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using a dual pressure main column system in a classical double column flowsheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • Y10S62/912—External refrigeration system
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Definitions

  • the present invention relates to a process for producing gaseous oxygen under pressure as defined in the preamble of claim 1. Such a process is known from document FR-A-2 688 052.
  • the pressures shown are absolute pressures.
  • condensation and vaporization is a condensation or an actual spray, either pseudo-condensation or pseudo-vaporization, depending on whether the pressures are subcritical or supercritical.
  • the object of the invention is to provide a method "pump" offering great freedom of regulation of operating parameters and particularly well adapted, from the point of view of energy consumption specific as well as liquid production, large installations, i.e. producing at least 700 tonnes of oxygen per day.
  • the subject of the invention is a process for the production of gaseous oxygen gas of the aforementioned type, in which the first press is the average pressure and part of the air at the first press is sent to the medium pressure column without being relaxed.
  • the subject of the invention is also a installation for the production of gaseous oxygen intended for the implementation of the process defined above and comprising the features of claim 7.
  • the installation may in particular comprise a single air compressor with n stages, said first compression means being constituted by a certain number p of stages, with p ⁇ n , and said second compression means being constituted by the whole of the compressor.
  • the air distillation system shown in Figure 1 essentially comprises: a air compressor 1; an air cleaning device 2 compressed into water and CO2 by adsorption, this device comprising two adsorption bottles 2A, 2B, one of which works in adsorption while the other is in progress regeneration; a fan-blower assembly 3 comprising an expansion turbine 4 and a blower or blower 5 whose shafts are coupled, the blower possibly being equipped with a refrigerant (not represented); a heat exchanger 6 constituting the installation heat exchange line; a double distillation column 7 comprising a medium column pressure 8 surmounted by a low pressure column 9, with a vaporizer-condenser 10 putting the overhead vapor (nitrogen) from column 8 in heat exchange relationship with the tank liquid (oxygen) of column 9; a liquid oxygen tank 11, the bottom of which is connected to a liquid oxygen pump 12; and a nitrogen tank liquid 13, the bottom of which is connected to a nitrogen pump liquid 14.
  • This installation is mainly intended to supply, via a line 15, oxygen gaseous under a predetermined high pressure, which can be between approximately 13 bars and a few tens bars. These are significant amounts of oxygen gaseous, at least equal to around 700 t / day and capable of reach several thousand tonnes per day.
  • liquid oxygen drawn from the column 9 tank via line 16 is stored in the reservoir 11.
  • a flow of oxygen, withdrawn from this tank, is brought to high pressure by pump 12 in the liquid state, then vaporized and reheated under this high pressure in passages 17 of exchanger 6.
  • the heat necessary for this vaporization and to this reheating, as well as to reheating and possibly vaporization of other fluids drawn from the double column, is supplied by the air to be distilled, in the following conditions.
  • Compressor 1 is a multi-stage compressor, with n stages. All of the incoming atmospheric air is compressed by the first p stages at medium pressure, which is the operating pressure of column 8, then is precooled in 18 and cooled to around ambient temperature in 19, is purified in one, 2A for example, adsorption bottles, and divided into two fractions.
  • the first fraction at medium pressure, representing for example approximately 40% of the flow of treated air, is cooled from the hot end to the cold end of the heat exchange line 6, in passages 20 thereof, up to '' in the vicinity of its dew point, then is directly introduced into the tank of column 8.
  • the rest of the purified air in 2A is returned to the inlet of the ( p + 1) th stage of compressor 1 and is compressed by the following stages up to a first high air pressure, significantly higher than the average pressure of column 8, in practice greater than 9 bars.
  • the compressed air, precooled in 19A, is again divided into two streams.
  • the first flow representing at least 45% of the treated air flow, is boosted to a second high pressure by the booster 5, which is driven by the turbine 4.
  • This second high air pressure is between approximately 25 bars and the condensing pressure air by vaporizing oxygen under the high oxygen pressure.
  • the first air flow is then introduced to the hot end of exchanger 6 and completely cooled up to an intermediate temperature. At this temperature, a fraction of the air continues to cool and is liquefied in passages 20A of the exchanger, then is partially relaxed at low pressure in a relief valve 21 and partly to the average pressure in an expansion valve 21A and introduced respectively at an intermediate level in the column 9 and at the bottom of column 8. The rest air is relaxed at medium pressure in the turbine 4 then sent directly, via a line 22, at the bottom of column 8.
  • the second stream is introduced under the first high pressure in exchange line 6, cooled and liquefied until the cold end of it in passages 20B, expanded in an expansion valve 21B and connected to the current from the expansion valve 21A.
  • Low pressure nitrogen is heated in passages 28 of exchanger 6 then recovered via a pipe 29, while the waste gas, after heating in passages 30 of the exchanger, is used to regenerate an adsorption bottle, bottle 2B in the example considered, before to be evacuated via a pipe 31.
  • part medium pressure liquid nitrogen is, after expansion in an expansion valve 32, stored in the tank 13, and that a production of liquid nitrogen and / or oxygen liquid is supplied via line 33 (for nitrogen) and / or 34 (for oxygen).
  • the installation product in addition to low pressure nitrogen gas from directly from the head of column 9 and oxygen high pressure gas, pressurized nitrogen gas, obtained by vaporization in the heat exchange line a flow of liquid nitrogen taken from line 33 via a pipe 35. This nitrogen vaporization can especially by condensation of the air contained in passages 20A or 20B.
  • FIG. 2 The installation shown in Figure 2 is intended to produce gaseous oxygen under pressure high, for example of the order of 40 bars. She understands essentially two air compressors 41 and 42, one apparatus 43 for adsorption purification, a double distillation column 44 consisting of a column medium pressure 45, operating at around 6 bars, surmounted by a low pressure column 46, operating at a pressure slightly higher than 1 bar, a heat exchange line 47, a sub-cooler 48, a liquid oxygen pump 49, a cold blower 50, a first turbine 51 whose wheel is mounted on the same tree as that of the cold blower, and a second turbine 52 braked by an appropriate brake 53 such than an alternator.
  • a double distillation column 44 consisting of a column medium pressure 45, operating at around 6 bars, surmounted by a low pressure column 46, operating at a pressure slightly higher than 1 bar
  • a heat exchange line 47 a sub-cooler 48
  • a liquid oxygen pump 49 a cold blower 50
  • a first turbine 51 whose wheel is mounted
  • the first stream is directly cooled in passages 62 of the exchange line 47.
  • a fraction of this air came out of the exchange line, relaxed at the low pressure in turbine 52, and blown into a intermediate point of the column 46 via a pipe 63.
  • the rest of the medium pressure air continues to cool to the cold end of the exchange line, where it is near its dew point and then is sent to the bottom of column 45.
  • the rest of the air from the device 43 is compressed at a first high pressure, for example from 16.5 bars, by compressor 42, then enters air cooling passages 64 of the exchange line.
  • the blower 50 which provides this compression is driven by the turbine 51, so that none external energy is required. Take in account the mechanical losses, the amount of cold produced by this turbine is slightly higher than the heat of compression, and the excess contributes to keeping cold of the installation. The balance of the necessary frigories for this keeping cold is provided by the turbine 52, or, alternatively, if the oxygen to be produced must have a high purity, by air or nitrogen expansion to medium pressure in a turbine, in a conventional manner.
  • the installation can also generate oxygen at a pressure low enough to allow vaporization of oxygen by condensation at the highest process air pressure.
  • This oxygen pressure would be less than 8 for example bars.
  • a second pump 70 compressing liquid oxygen reduced purity at lower intermediate pressure at 8 bars. This oxygen is vaporized by condensation of a corresponding part of the air supercharged by the blower 50, which only has to supply the heat of compensation for excess cold due to vaporization high pressure oxygen.
  • mixed lines have been indicated on the Figure 2 a medium pressure liquid nitrogen pump 71 bringing this nitrogen, withdrawn from column 45, to a intermediate pressure low enough to allow its vaporization by air condensation at the highest process pressure, i.e. 23 bars.
  • FIG. 2 Also shown in Figure 2 is a line 72 for the production of liquid oxygen withdrawn from the tank of the column 46, as well as a pipe 72A of production of liquid nitrogen from the head of the column 45.
  • FIG. 3 The installation in Figure 3 is a variant of that of Figure 2.
  • a fraction of the air coming from the compressor 42 is overpressed by a hot blower 73, cooled in 47 to temperature T2, again boosted by the blower cold 50, reintroduced into the exchange line at a temperature T3 higher than T2, then treated in two different flows from temperature T4, like previously.
  • the rest of the air from compressor 42 is cooled in additional passages 74 of the exchange line 47 up to a temperature T5 included between temperatures T4 and T1, and, at this temperature, some of this air has come out of the exchange line, expanded at medium pressure in an additional turbine 75 coupled to the blower 73, then sent to the tank from column 45.
  • the rest of the air carried by the passages 74 continues to cool down to the end cold of the exchange line, where it is liquefied and sub-cooled, then is relaxed at medium pressure in a expansion valve 76 and sent in the lower part from column 45.
  • the invention is particularly advantageous, from an energy point of view, when the pressure of oxygen vaporization is greater than approximately 20 bars.

Description

La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux sous pression tel que défini dans le préambule de la revendication 1. Un tel procédé est connu du document FR-A-2 688 052.
Dans le présent mémoire, les pressions indiquées sont des pressions absolues. De plus, on entend par "condensation" et "vaporisation" soit une condensation ou une vaporisation proprement dite, soit une pseudo-condensation ou une pseudo-vaporisation, selon que les pressions sont subcritiques ou supercritiques.
Les procédés du type ci-dessus, dits procédés "à pompe", présentent l'avantage de supprimer ou de réduire la nécessité de compresseurs d'oxygène gazeux, qui sont des machines coûteuses, posant de sérieux problèmes de fiabilité et dont le rendement est généralement médiocre.
L'invention a pour but de fournir un procédé "à pompe" offrant une grande liberté de régulation des paramètres de fonctionnement et particulièrement bien adapté, du point de vue de la consommation énergétique spécifique ainsi que de la production de liquide, aux installations de grande taille, c'est-à-dire produisant au moins 700 tonnes d'oxygène par jour.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production d'oxyqène gazeux du type précité, dans lequel la première pression est la moyenne pression et une partie de l'air à la première pression est envoyée à la colonne moyenne pression sans être détendue.
Le procédé suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • on comprime une troisième fraction de l'air à distiller à une pression intermédiaire entre lesdites première et haute pressions d'air, on la refroidit, on la liquéfie, on la détend et on l'introduit dans la double colonne:
  • ladite deuxième fraction d'air est portée à une pression d'air intermédiaire, n'est refroidie que partiellement, puis est surpressée par une soufflante froide, réintroduite dans la ligne d'échange thermique, et refroidie jusqu'à ladite température intermédiaire, à laquelle cet air est de nouveau sorti de la ligne d'échange thermique, détendu à la moyenne pression dans ladite turbine de détente, laquelle est couplée à la soufflante froide, et envoyé dans la double colonne;
  • une partie de la troisième fraction d'air est détendue à la moyenne pression, après refroidissement partiel, dans une seconde turbine couplée à une soufflante de surpression de ladite deuxième fraction d'air, puis est envoyée à la colonne moyenne pression;
  • une partie de l'air à la première pression est sorti de la ligne d'échange thermique à une troisième température intermédiaire de refroidissement, et détendu à la basse pression dans une turbine d'insufflation avant d'être introduit en un point intermédiaire de la colonne basse pression;
  • ladite pression de vaporisation d'oxygène est sensiblement la pression de production.
L'invention a également pour objet une installation de production d'oxygène gazeux destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus et comprenant les caractéristiques de la revendication 7.
L'installation peut notamment comprendre un compresseur d'air unique à n étages, lesdits premiers moyens de compression étant constitués par un certain nombre p d'étages, avec p < n, et lesdits deuxièmes moyens de compression étant constitués par l'ensemble du compresseur.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les Figures 1 à 3 représentent respectivement trois installations de production d'oxygène conformes à l'invention.
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-soufflante 3 comprenant une turbine de détente 4 et une soufflante ou surpresseur 5 dont les arbres sont couplés, la soufflante étant éventuellement équipée d'un réfrigérant (non représenté); 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 principalement destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression prédéterminée, qui peut être comprise entre environ 13 bars et quelques dizaines de bars. Il s'agit de quantités importantes d'oxygène gazeux, au moins égales à 700 t/jour environ et pouvant atteindre plusieurs milliers de tonnes par jour.
Pour cela, de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 9 via une conduite 16 est stocké dans le réservoir 11. Un débit d'oxygène, soutiré de ce réservoir, 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.
Le compresseur 1 est un compresseur multi-étages, à n étages. La totalité de l'air atmosphérique entrant est comprimé par les p premiers étages à la moyenne pression, qui est la pression de fonctionnement de la colonne 8, puis est 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 divisé en deux fractions.
La première fraction, sous la moyenne pression, représentant par exemple 40% environ du débit d'air traité, est refroidie, du bout chaud au bout froid de la ligne d'échange thermique 6, dans des passages 20 de celle-ci, jusqu'au voisinage de son point de rosée, puis est directement introduite en cuve de la colonne 8. Le reste de l'air épuré en 2A est renvoyé à l'entrée du (p + 1) ème étage du compresseur 1 et est comprimé par les étages suivants jusqu'à une première haute pression d'air, nettement supérieure à la moyenne pression de la colonne 8, en pratique supérieure à 9 bars.
L'air ainsi comprimé, prérefroidi en 19A, est de nouveau divisé en deux flux.
Le premier flux, représentant au moins 45% du débit d'air traité, est surpressé à une deuxième haute pression par le surpresseur 5, lequel est entraíné par la turbine 4. Cette deuxième haute pression d'air est comprise entre 25 bars environ et la pression de condensation de l'air par vaporisation de l'oxygène sous la haute pression d'oxygène.
Le premier flux d'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 liquéfiée dans des passages 20A de l'échangeur, puis est détendue pour partie à la basse pression dans une vanne de détente 21 et pour partie à la moyenne pression dans une vanne de détente 21A et introduite respectivement à un niveau intermédiaire dans la colonne 9 et dans la partie inférieure de la colonne 8. Le reste de l'air est détendu à la moyenne pression dans la turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 22, à la base de la colonne 8.
Le deuxième flux est introduit sous la première haute pression dans la ligne d'échange 6, refroidi et liquéfié jusqu'au bout froid de celle-ci dans des passages 20B, détendu dans une vanne de détente 21B et réuni au courant issu de la vanne de détente 21A.
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 récupéré 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 qu'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). De plus, l'installation produit, outre l'azote gazeux basse pression provenant directement de la tête de la colonne 9 et l'oxygène gazeux haute pression, de l'azote gazeux sous pression, obtenu par vaporisation dans la ligne d'échange thermique d'un débit d'azote liquide prélevé dans la conduite 33 via une conduite 35. Cette vaporisation d'azote peut notamment s'effectuer par condensation de l'air contenu dans les passages 20A ou 20B.
Comme expliqué dans d'autres demandes de brevet qui décrivent des procédés "à pompe" et "à paliers décalés", c'est-à-dire dans lesquels comme dans la présente invention, l'air qui apporte l'essentiel de la chaleur de vaporisation de l'oxygène se condense au-dessous de la température de vaporisation de cet oxygène (voir par exemple les demandes de brevet français n° 91-02 917, 91-15 935, 92-02 462, 92-07 662 et 93-04 274), le bilan frigorifique de l'installation est équilibré, avec un écart de température au bout chaud de la ligne d'échange thermique 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.
Dans le procédé ci-dessus, le fait de ne comprimer une partie de l'air entrant qu'à la moyenne pression réduit la quantité de liquide qu'il est nécessaire de soutirer de l'installation. Ceci est très avantageux dans le cas des grosses installations, où les quantités de liquide soutirées avec les procédés de l'art antérieur sont importantes. De plus, le fait de devoir soutirer une quantité réduite de liquide est parfaitement compatible avec les conditions d'exploitation de ces grosses installations, qui doivent généralement produire également une certaine quantité de liquide.
Par ailleurs, les calculs montrent que le procédé décrit ci-dessus conduit à une énergie spécifique de production d'oxygène très avantageuse.
L'installation représentée à la Figure 2 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression élevée, par exemple de l'ordre de 40 bars. Elle comprend essentiellement deux compresseurs d'air 41 et 42, un appareil 43 d'épuration par adsorption, une double colonne de distillation 44 constituée d'une colonne moyenne pression 45, fonctionnant sous environ 6 bars, surmontée d'une colonne basse pression 46, fonctionnant sous une pression légèrement supérieure à 1 bar, une ligne d'échange thermique 47, un sous-refroidisseur 48, une pompe à oxygène liquide 49, une soufflante froide 50, une première turbine 51 dont la roue est montée sur le même arbre que celle de la soufflante froide, et une deuxième turbine 52 freinée par un frein approprié 53 tel qu'un alternateur.
On reconnait sur le dessin les conduites classiques de la double colonne, à savoir : une conduite 54 de remontée en un point intermédiaire de la colonne 46, après sous-refroidissement en 48 et détente à la basse pression dans une vanne de détente 55, du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 45; une conduite 56 de remontée en tête de la colonne 46, après sous-refroidissement en 48 et détente à la basse pression dans une vanne de détente 57, de "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 45; et une conduite 58 de soutirage d'azote impur, constituant le gaz résiduaire W de l'installation, cette conduite partant de la tête de la colonne 46, traversant le sous-refroidisseur 48 puis se raccordant à des passages 59 de réchauffement d'azote de la ligne d'échange 47. L'azote impur ainsi réchauffé jusqu'à la température ambiante est évacué de l'installation via une conduite 60.
La pompe 49 aspire l'oxygène liquide sous environ 1 bar en cuve de la colonne 46, le porte à la pression de production désirée et l'introduit dans des passages 61 de vaporisation-réchauffement d'oxygène de la ligne d'échange.
L'air à distiller, comprimé à la moyenne pression par le compresseur 41 et épuré en eau et en CO2 en 43, est divisé en deux flux.
Le premier flux est directement refroidi dans des passages 62 de la ligne d'échange 47. A une température T1 relativement froide mais supérieure à la température du bout froid de cette ligne d'échange, une fraction de cet air est sorti de la ligne d'échange, détendu à la basse pression dans la turbine 52, et insufflé en un point intermédiaire de la colonne 46 via une conduite 63. Le reste de l'air moyenne pression poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, où il se trouve au voisinage de son point de rosée, puis est envoyé en cuve de la colonne 45.
Le reste de l'air issu de l'appareil 43 est comprimé à une première haute pression, par exemple de 16,5 bars, par le compresseur 42, puis pénètre dans des passages 64 de refroidissement d'air de la ligne d'échange.
A une température intermédiaire T2 inférieure à la température ambiante, nettement supérieure à T1 et voisine de la température de vaporisation de l'oxygène, une partie de cet air est sortie de la ligne d'échange via une conduite 65 et amenée à l'aspiration de la soufflante froide 50. Celle-ci porte cet air à la haute pression de 23 bars et, via une conduite 66, l'air ainsi surpressé est renvoyé dans la ligne d'échange, à une température T3 supérieure à T2, et poursuit son refroidissement dans des passages d'air surpressé 67 de cette dernière. Une partie de l'air véhiculé par les passages 67 est de nouveau sorti de la ligne d'échange à une deuxième température intermédiaire T4 inférieure à T2 et supérieure à T1 et détendu à la moyenne pression (6 bars) dans la turbine 51. L'air qui s'échappe de cette turbine est envoyé en cuve de la colonne 45. Le reste de l'air véhiculé par les passages 67 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, en étant liquéfié puis sous-refroidi. Il est ensuite détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 68 et envoyé quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne 45. De même, l'air véhiculé par les passages 64 et non sortie via la conduite 65 est refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 69 et envoyé quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne 45.
Comme expliqué dans la demande FR 92 02 462 précitée, la compression d'une partie au moins de l'air sous la première haute pression de la température intermédiaire T2, qui est voisine du palier de vaporisation de l'oxygène, à la température T3 introduit dans la ligne d'échange, entre ces deux températures, une quantité de chaleur qui compense sensiblement l'excédent de froid produit par cette vaporisation. On remarque qu'entre T3 et T2, l'oxygène échange de la chaleur avec la totalité de l'air à 16,5 bars et avec l'air surpressé à 23 bars. On peut ainsi obtenir un diagramme d'échange thermique (enthalpie en ordonnées, température en abscisses) très favorable, avec un faible écart de température, de l'ordre de 2 à 3°C, au bout chaud de la ligne d'échange.
La soufflante 50 qui assure cette compression est entraínée par la turbine 51, de sorte qu'aucune énergie extérieure n'est nécessaire. Compte-tenu des pertes mécaniques, la quantité de froid produite par cette turbine est légèrement supérieure à la chaleur de compression, et l'excédent contribue au maintien en froid de l'installation. Le solde des frigories nécessaires pour ce maintien en froid est fourni par la turbine 52, ou, en variante, si l'oxygène à produire doit avoir une pureté élevée, par détente d'air ou d'azote à la moyenne pression dans une turbine, de façon classique.
Le très bon rendement énergétique assuré par l'utilisation de la soufflante froide 50 est conservé ici, avec en outre l'avantage, comme précédemment, d'une production de liquide moindre, voire nulle dans ce cas, et également avec l'avantage d'une alimentation simplifiée de la turbine d'insufflation 52.
L'installation peut également produire de l'oxygène sous une pression suffisamment basse pour permettre la vaporisation d'oxygène par condensation d'air à la plus haute pression d'air du procédé. Cette pression d'oxygène serait par exemple inférieure à 8 bars. Ainsi, on a indiqué en traits mixtes à la Figure 2 une seconde pompe 70 comprimant de l'oxygène liquide à pureté réduite à une pression intermédiaire inférieure à 8 bars. Cet oxygène est vaporisé par condensation d'une partie correspondante de l'air surpressé par la soufflante 50, laquelle n'a à fournir que la chaleur de compensation de l'excédent de froid dû à la vaporisation de l'oxygène haute pression.
De même, on a indiqué en traits mixtes à la Figure 2 une pompe 71 d'azote liquide moyenne pression amenant cet azote, soutiré de la colonne 45, à une pression intermédiaire suffisamment basse pour permettre sa vaporisation par condensation d'air à la plus haute pression du procédé, soit 23 bars.
On a également représenté sur la Figure 2 une conduite 72 de production d'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 46, ainsi qu'une conduite 72A de production d'azote liquide provenant de la tête de la colonne 45.
L'installation de la Figure 3 est une variante de celle de la Figure 2. Dans cette variante, une fraction de l'air issu du compresseur 42 est surpressée par une soufflante chaude 73, refroidie en 47 jusqu'à la température T2, surpressée de nouveau par la soufflante froide 50, réintroduite dans la ligne d'échange à une température T3 supérieure à T2, puis traitée en deux flux différents à partir de la température T4, comme précédemment. Le reste de l'air issu du compresseur 42 est refroidi dans des passages additionnels 74 de la ligne d'échange 47 jusqu'à une température T5 comprise entre les températures T4 et T1, et, à cette température, une partie de cet air est sorti de la ligne d'échange, détendu à la moyenne pression dans une turbine additionnelle 75 couplée à la soufflante 73, puis envoyée en cuve de la colonne 45. Le reste de l'air véhiculé par les passages 74 poursuit son refroidissement jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, où il est liquéfié et sous-refroidi, puis est détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 76 et envoyé dans la partie inférieure de la colonne 45.
On comprend que l'invention est compatible avec de nombreuses variantes d'installation de production d'oxygène gazeux sous pression du type "à pompe" et "à paliers décalés", notamment telles que décrites dans les demandes de brevet précitées.
L'invention est particulièrement avantageuse, du point de vue énergétique, lorsque la pression de vaporisation d'oxygène est supérieure à 20 bars environ.

Claims (12)

  1. Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression, du type dans lequel : on distille de l'air dans une installation à double colonne de distillation (7; 44) qui comprend une colonne moyenne pression (8; 45) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression, une colonne basse pression (9; 46) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une ligne d'échange thermique (6; 47) pour mettre l'air à distiller en relation d'échange thermique avec des produits soutirés de la double colonne; on soutire de l'oxygène liquide de la colonne basse pression; on amène cet oxygène liquide à une pression de vaporisation d'oxygène d'au moins 13 bars environ, et on le vaporise et on le réchauffe sous cette pression de vaporisation, par échange de chaleur avec de l'air à distiller en cours de refroidissement,
    on comprime (en 1; 41) une première fraction de l'air à distiller à une première pression, on refroidit cet air jusqu'au voisinage de son point de rosée dans la ligne d'échange thermique (6; 47), et on l'envoie dans la double colonne (7; 44);
    on comprime (en 1, 5; 41, 42, 50; 41, 42, 73, 50) une deuxième fraction de l'air à distiller à une haute pression d'air, notamment au moins égale à 25 bars environ, inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous ladite pression de vaporisation d'oxygène, on refroidit cet air, et on en liquéfie une partie, que l'on détend ensuite (en 21, 21A; 68) avant de l'introduire dans la double colonne, tandis qu'une autre partie de l'air sous la haute pression d'air est sortie de la ligne d'échange thermique (6; 47) à une température intermédiaire de refroidissement et est détendu à la moyenne pression dans une première turbine de détente (4; 51), puis est envoyé dans la double colonne (7; 44); et
    on soutire (en 33, 34; 72, 72A) au moins un produit liquide de l'installation caractérisé en ce que la première pression est la moyenne pression et une partie de l'air à la première pression est envoyée à la colonne moyenne pression sans être détendue.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on comprime (en 1; 1, 42) une troisième fraction de l'air à distiller à une pression intermédiaire entre lesdites première et haute pressions d'air, on la refroidit, on la liquéfie (en 20B; 64; 74), on la détend (en 21B; 69; 76) et on l'introduit dans la double colonne (7; 44).
  3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite deuxième fraction d'air est portée à une pression d'air intermédiaire (en 42; 42, 73), n'est refroidie que partiellement, puis est surpressée par une soufflante froide (en 50), réintroduite dans la ligne d'échange thermique (47), et refroidie jusqu'à ladite température intermédiaire, à laquelle cet air est de nouveau sorti de la ligne d'échange thermique, détendu à la moyenne pression dans ladite turbine de détente (51), laquelle est couplée à la soufflante froide, et envoyé dans la double colonne (44).
  4. Procédé suivant les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce qu'une partie de la troisième fraction d'air est détendue à la moyenne pression, après refroidissement partiel, dans une seconde turbine (75) couplée à une soufflante (73) de surpression de ladite deuxième fraction d'air, puis est envoyée à la colonne moyenne pression (45).
  5. Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une partie de l'air à la première pression est sorti de la ligne d'échange thermique (47) à une troisième température intermédiaire de refroidissement, et détendu à la basse pression dans une turbine d'insufflation (52) avant d'être introduit en un point intermédiaire de la colonne basse pression (46).
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite pression de vaporisation d'oxygène est sensiblement la pression de production.
  7. Installation de production d'oxygène gazeux sous pression, du type comprenant : une double colonne de distillation d'air (7; 44) qui comprend une colonne moyenne pression (8; 45) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression, et une colonne basse pression (9; 46) fonctionnant sous une pression dite basse pression; une ligne d'échange thermique (6; 47) pour mettre l'air à distiller en relation d'échange thermique avec des produits issus de la double colonne; des moyens pour soutirer de l'oxygène liquide de la colonne basse pression; et des moyens (12; 49) pour amener cet oxygène liquide à une pression de vaporisation d'oxygène d'au moins 13 bars environ, la ligne d'échange thermique comprenant des moyens pour mettre l'oxygène liquide sous ladite pression de vaporisation en relation d'échange thermique avec de l'air à distiller en cours de refroidissement,
    des premiers moyens de compression (1; 41) pour comprimer une première fraction de l'air à distiller à une première pression voisine de la moyenne pression, et des passages (20; 62) de la ligne d'échange thermique reliés d'une part à ces premiers moyens de compression et d'autre part à la double colonne (7; 44);
    des deuxièmes moyens de compression (1, 5; 41, 42, 50; 41, 42, 73, 50) pour comprimer une deuxième fraction de l'air à distiller à une haute pression d'air, notamment au moins égale à 25 bars environ, inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous ladite pression de vaporisation;
    la ligne d'échange thermique comprenant des passages d'air haute pression (20A; 64) pour refroidir ladite deuxième fraction d'air jusqu'à une température intermédiaire et pour refroidir plus avant et liquéfier une partie de cette deuxième fraction, et l'installation comprenant des moyens (21A; 68, 69) de détente de cette partie liquéfiée, reliés à la double colonne;
    une première turbine de détente (4; 75) dont l'aspiration est reliée aux passages d'air haute pression (74) et dont l'échappement est reliée à la double colonne (7; 44); et
    des moyens (72, 72A) pour soutirer au moins un produit liquide de l'installation caractérisée en ce que les premiers moyens de compression sont reliés à la colonne moyenne pression par des moyens autres que des moyens de détente.
  8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (1; 1, 42) pour comprimer une troisième fraction de l'air à distiller à une pression intermédiaire entre lesdites première et haute pressions d'air, la ligne d'échange thermique (6; 47) comportant des passages (20B; 64; 74) de refroidissement et de liquéfaction de cette troisième fraction, et une conduite reliant le bout froid de ces passages à la double colonne (7; 44) et équipée d'une vanne de détente (21B; 69; 76).
  9. Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un compresseur d'air unique (1) à n étages, lesdits premiers moyens de compression étant constitués par un certain nombre p d'étages, avec p < n, et lesdits deuxièmes moyens de compression étant constitués par l'ensemble du compresseur.
  10. Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les deuxièmes moyens de compression (42, 50) comprennent un compresseur dont le refoulement est relié au bout chaud de la ligne d'échange thermique (47), et une soufflante (50) dont l'aspiration et le refoulement sont reliés à des points intermédiaires de cette dernière.
  11. Installation suivant les revendications 8 et 10 prises ensemble, caractérisée en ce que les deuxièmes moyens de compression comprennent une soufflante (73) de surpression de ladite deuxième fraction d'air, couplée à une seconde turbine (75) de détente d'une partie de ladite troisième fraction d'air.
  12. Installation suivant la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la soufflante froide (50) est couplée à ladite première turbine (51), et en ce que l'installation comprend une turbine d'insufflation (52) alimentée par une partie de l'air sous la première pression et dont l'échappement est relié à la colonne basse pression (46).
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