EP0914584B1 - Procede et installation de production d'un gaz de l'air a debit variable - Google Patents

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EP0914584B1
EP0914584B1 EP97935636A EP97935636A EP0914584B1 EP 0914584 B1 EP0914584 B1 EP 0914584B1 EP 97935636 A EP97935636 A EP 97935636A EP 97935636 A EP97935636 A EP 97935636A EP 0914584 B1 EP0914584 B1 EP 0914584B1
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liquid
auxiliary
gas
pressure
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Bernard Darredeau
Alain Guillard
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an air gas, in particular oxygen, at variable flow by air distillation, of the type described in the preamble of claim 1.
  • the invention applies in particular to the production of oxygen under pressure with variable flow.
  • the pressures discussed here are absolute pressures, and flow rates are flow rates molars.
  • EP-A-0 422 974 in the name of the Applicant describes a process of this type, called a "rocking process", intended for the production of gaseous oxygen with variable flow.
  • the second fluid in question is air to be distilled, which is condensed at a variable rate.
  • the compressor, and possibly the booster are significantly oversized compared to the flow nominal oxygen to be produced.
  • they work for the majority of the time at high flows reduced compared to their capacities, and therefore with a degraded yield.
  • the invention aims to allow the production of air gas with variable flow in particularly effective and economical conditions.
  • This process can include one or more of Features of claims 2 to 11.
  • the subject of the invention is also a installation intended for the implementation of such process. This installation is described in the claim 12.
  • This installation may include one or more several of the features of claims 13 to 16.
  • the installation shown in Figure 1 basically includes a main air compressor 1 with variable flow, for example of the centrifugal type with blades mobile, an adsorption purification device 2, a heat exchange line 3, a turbine 4 for maintaining cold, an air distillation apparatus 5 consisting of a double column including itself a column medium pressure 6 surmounted by a low pressure column 7 and a vaporizer-condenser 8, a reservoir liquid oxygen 10, a liquefied air tank 11, two pumps 12 and 13, an air booster 14 and a capacity auxiliary or "buffer" 15.
  • This installation is intended to produce a variable flow of gaseous oxygen via a production line 16, at a pressure of around 15 bars.
  • a first flow is cooled in passages 19 of exchange line 3; some came out of this exchange line after partial cooling, expanded to around 1 bar in turbine 4 and blown into the low pressure column 7 near its point of dew via line 20; the rest continues cooling to the vicinity of its dew point under 6 bars, then is injected at the bottom of the middle column pressure 6 via line 21.
  • a second flow is boosted at 14 to a high condensing pressure defined below, then is cooled and liquefied in passages 22 of the line then stored in liquid form in the tank 11 after expansion to 6 bars in a valve trigger 23.
  • a constant flow of liquefied air is drawn off from the bottom of this tank and is divided into a first flow constant at 6 bars sent in the middle column pressure via line 24, and in a second flow constant relaxed towards 1 bar in an expansion valve 25 then injected into the low pressure column 7.
  • the vaporizer-condenser 8 vaporizes a flow liquid oxygen constant in bottom column tank pressure 7 by condensation of an approximately equal flow nitrogen at the top of the medium pressure column 6.
  • Du "rich liquid” (oxygen-enriched air) taken from tank of the medium pressure column and relaxed to 1 bar in an expansion valve 26 is injected at a level intermediate of the low pressure column, and of the “liquid poor "(almost pure nitrogen), taken at the head of the medium pressure column and relaxed to 1 bar in one expansion valve 27, is injected at the top of the column low pressure.
  • Capacity 15 is connected to the conduct of production 16 via a line 33 fitted with a valve trigger and flow control 34, and a constant flow equal to that of the aforementioned second stream is relaxed in this valve 34 and sent from capacity 15 to line 16.
  • the installation includes a single blower 14, so that the condensation of pressurized air is used, in passages 22 of the exchange line, to vaporize both the oxygen under 15 bars and oxygen under 30 bars.
  • the pressure of the supercharged air is chosen as being the pressure known as "concomitant" with the vaporization of oxygen under 15 bars.
  • This pressure is that for which the knee G of air liquefaction is close to the stage P of vaporization of oxygen under 15 bars, as shown in FIG. 2, on which the quantities of heat exchanged Q are plotted on the ordinate and temperatures t on the abscissa.
  • point A represents the inlet temperature of turbine 4, and this inlet temperature is chosen so as to obtain a minimum temperature difference, of the order of a few degrees, at the warm end of the exchange line.
  • oxygen is produced under 1 bar approximately, and the oxygen demand is still greater than a given minimum value.
  • a flow constant gaseous oxygen equal to this minimum value can then be drawn directly from the bottom of the column low pressure 7 via a pipe 35, as indicated in dashed line in Figure 1, then reheated in the line exchange.
  • This variant reduces the capacity tanks 10 and 11.
  • production constants of liquid oxygen and / or nitrogen gas and / or liquid nitrogen can be supplied simultaneously by the double column, via lines 36 and / or 37 and / or 38, also as shown in phantom in Figure 1.
  • the pump 13 is deleted.
  • the auxiliary oxygen flow is withdrawn in gaseous form from the tank of column 7, via a pipe 39, is heated at 30 below the low pressure and then is compressed at high pressure by a auxiliary compressor 40 before being introduced into the capacity 15.
  • the vaporizing fluid at least one of the two oxygen flow rates is nitrogen.
  • the main flow is sprayed using the vaporizer 8 of the double column. This main flow is then withdrawn in gaseous form from the column tank 7, via a pipe 41, and heated at 29.
  • the discharge pump 12 is then connected to the column tank, which feeds the tank 10 by gravity.
  • line 38 is connected to a nitrogen tank 42, and the bottom of this tank is connected to a pump 43 for returning a constant flow of nitrogen liquid at the top of column 6.
  • the rocker is, in this variant, a rocker oxygen / nitrogen, and the reservoir 11, at constant level, can be deleted.

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Abstract

Cette installation, dans son application à la production d'oxygène gazeux sous pression, comprend, d'une part, une bascule, par exemple oxygène liquide/air liquide, pour satisfaire aux pointes de consommation de durée relativement longue et à celles de courte durée et de faible amplitude, et d'autre part, un circuit (13, 30) de compression d'oxygène sous une pression supérieure à la pression de production, ce circuit conduisant à une capacité auxiliaire (15) qui fournit au moins en partie les pointes de consommation de courte durée et de forte amplitude.

Description

La présente invention est relative à un procédé de production d'un gaz de l'air, notamment d'oxygène, à débit variable par distillation d'air, du type décrit dans le préambule de la revendication 1.
L'invention s'applique en particulier à la production d'oxygène sous pression à débit variable.
Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues, et les débits sont des débits molaires.
Le EP-A-0 422 974 au nom de la Demanderesse décrit un procédé de ce type, dit "procédé à bascule", destiné à la production d'oxygène gazeux à débit variable. Le second fluide en question est de l'air à distiller, qui est condensé suivant un débit variable.
Dans ce procédé connu, il est facile de montrer que pour maintenir constants les débits d'alimentation et de soutirage de l'appareil de distillation, il est nécessaire de faire varier le débit d'air entrant dans le même sens que les variations de la consommation d'oxygène. Dans le cas où l'oxygène est produit sous pression, l'air que l'on condense pour vaporiser l'oxygène liquide est surpressé par un surpresseur additionnel, et, lorsque la demande en oxygène varie, il faut faire varier de façon importante à la fois le débit surpressé et le débit comprimé par le compresseur principal.
Par conséquent, dans ce procédé connu, le compresseur, et éventuellement le surpresseur, sont surdimensionnés de façon importante par rapport au débit nominal d'oxygène à produire. De plus, ils travaillent pendant la majorité du temps à des débits fortement réduits par rapport à leurs capacités, et donc avec un rendement dégradé.
Il a également été proposé de stocker du gaz à produire, sous forme gazeuse, dans une capacité auxiliaire ou "buffer", à une pression supérieure à la pression de production. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante, car elle nécessite la mise en place de buffers de très grande dimension pour faire face à des pointes de consommation de longue durée. De plus, la production de la totalité du gaz à la pression du buffer est coûteuse en énergie.
L'invention a pour but de permettre la production de gaz de l'air à débit variable dans des conditions particulièrement efficaces et économiques.
A cet effet, elle a pour objet un procédé du type précité, caractérisé par la partie caractérisante de la revendication 1.
Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 2 à 11.
L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation est décrite dans la revendication 12.
Cette installation peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 13 à 16.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels :
  • la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène sous pression à débit variable conforme à l'invention ;
  • la Figure 2 est un diagramme d'échange thermique illustrant la vaporisation de l'oxygène liquide sous la pression de production ; et
  • les Figures 3 et 4 représentent schématiquement deux variantes de l'installation.
L'installation représentée à la Figure 1 comprend essentiellement un compresseur d'air principal 1 à débit variable, par exemple du type centrifuge à aubages mobiles, un appareil d'épuration par adsorption 2, une ligne d'échange thermique 3, une turbine 4 de maintien en froid, un appareil 5 de distillation d'air constitué par une double colonne comprenant elle-même une colonne moyenne pression 6 surmontée d'une colonne basse pression 7 ainsi qu'un vaporiseur-condenseur 8, un réservoir d'oxygène liquide 10, un réservoir d'air liquéfié 11, deux pompes 12 et 13, un surpresseur d'air 14 et une capacité auxiliaire ou "buffer" 15. Cette installation est destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux via une conduite de production 16, sous une pression d'environ 15 bars.
Pour décrire le fonctionnement de cette installation, on supposera tout d'abord que la demande d'oxygène gazeux dans la conduite 16 est constante et égale à la production nominale, soit environ 20 % du débit d'air nominal comprimé par le compresseur 1.
Le débit nominal d'air à traiter, comprimé à 6 bars par le compresseur 1 et refroidi à la température ambiante par un réfrigérant 17 à air ou à eau, est épuré dans l'appareil 2, puis divisé en deux flux ayant chacun un débit constant.
Un premier flux est refroidi dans des passages 19 de la ligne d'échange 3 ; une partie est sortie de cette ligne d'échange après un refroidissement partiel, détendue vers 1 bar dans la turbine 4 et insufflée dans la colonne basse pression 7 au voisinage de son point de rosée via une conduite 20 ; le reste poursuit son refroidissement jusqu'au voisinage de son point de rosée sous 6 bars, puis est injecté au bas de la colonne moyenne pression 6 via une conduite 21.
Un second flux est surpressé en 14 jusqu'à une haute pression de condensation définie plus loin, puis est refroidi et liquéfié dans des passages 22 de la ligne d'échange, puis stocké sous forme liquide dans le réservoir 11 après détente à 6 bars dans une vanne de détente 23. Un débit constant d'air liquéfié est soutiré du fond de ce réservoir et est divisé en un premier débit constant sous 6 bars envoyé dans la colonne moyenne pression via une conduite 24, et en un second débit constant détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 25 puis injecté dans la colonne basse pression 7.
Le vaporisateur-condenseur 8 vaporise un débit constant d'oxygène liquide en cuve de la colonne basse pression 7 par condensation d'un débit à peu près égal d'azote de tête de la colonne moyenne pression 6. Du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) prélevé en cuve de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 26 est injecté à un niveau intermédiaire de la colonne basse pression, et du "liquide pauvre "(azote à peu près pur), prélevé en tête de la colonne moyenne pression et détendu vers 1 bar dans une vanne de détente 27, est injecté au sommet de la colonne basse pression.
Un débit constant d'oxygène liquide, correspondant à environ 20 % du débit d'air entrant, passe, via une conduite 28, dans le réservoir 10. Un débit constant identique d'oxygène liquide est soutiré du fond de ce réservoir et divisé en deux flux à débits constants:
  • Un premier flux majoritaire, représentant par exemple 80 % du débit total, est comprimé à 15 bars par la pompe 12, puis vaporisé dans des passages 29 de la ligne d'échange et fourni à la conduite 16 de production.
  • Un second flux est comprimé par la pompe 13 à une pression très supérieure, par exemple 30 bars, vaporisé dans des passages 30 de la ligne d'échange et fourni à la capacité 15.
La capacité 15 est reliée à la conduite de production 16 via une conduite 33 équipée d'une vanne de détente et de réglage de débit 34, et un débit constant égal à celui du second flux précité est détendu dans cette vanne 34 et envoyé de la capacité 15 à la conduite 16.
En outre, un débit constant d'azote impur, soutiré du sommet de la colonne basse pression, est réchauffé dans des passages 31 de la ligne d'échange et évacué en tant que résiduaire via une conduite 32.
Comme on le voit, l'installation comporte un surpresseur unique 14, de sorte que la condensation de l'air surpressé est utilisée, dans les passages 22 de la ligne d'échange, pour vaporiser à la fois l'oxygène sous 15 bars et l'oxygène sous 30 bars.
Pour cela, on choisit la pression de l'air surpressé comme étant la pression dite "concomitante" à la vaporisation d'oxygène sous 15 bars. Cette pression est celle pour laquelle le genou G de liquéfaction de l'air est voisin du palier P de vaporisation de l'oxygène sous 15 bars, comme représenté sur la Figure 2, sur laquelle les quantités de chaleur échangées Q sont portées en ordonnées et les températures t en abscisses.
Sous cette pression, le genou G précité se trouve à une température inférieure au palier P' de vaporisation de l'oxygène sous 30 bars, comme illustré également sur le diagramme de la Figure 2, mais ceci est tout à fait possible à condition d'évacuer simultanément un produit liquide de l'installation (oxygène ou azote liquide dans cet exemple), suivant l'enseignement du FR-A-2 674 011.
Sur la Figure 2, le point A représente la température d'admission de la turbine 4, et cette température d'admission est choisie de manière à obtenir un écart de température minimal, de l'ordre de quelques degrés, au bout chaud de la ligne d'échange.
A titre d'exemple numérique, on peut choisir une pression d'air surpressé d'environ 40 bars.
Toutes les conduites qui aboutissent à la double colonne 5 et toutes celles qui en partent sont équipées de moyens (non représentés) assurant un débit constant. Ainsi, lorsque la demande d'oxygène gazeux varie, le réglage de cette double colonne n'est pas modifié. De plus, le débit d'oxygène vaporisé en 30 sous la haute pression reste constant.
Lorsque la demande en oxygène augmente, plusieurs cas sont à distinguer :
  • (1) Si la pointe de consommation est limitée en amplitude à une valeur prédéterminée, par exemple à une valeur égale à 120 % du débit nominal, on prélève un débit supplémentaire correspondant d'oxygène liquide du réservoir 10 au moyen de la pompe 12, en augmentant le débit de pompage de celle-ci, et on le vaporise en 29 sous la pression de production par condensation, en 22, d'air surpressé par le surpresseur 14. Ceci correspond au fonctionnement classique de la bascule oxygène liquide/air liquide : le niveau d'oxygène liquide baisse dans le réservoir 10, tandis que le niveau monte dans le réservoir 11.
  • (2) Si la pointe de consommation est supérieure en amplitude à ladite valeur prédéterminée, deux cas sont à distinguer :
  • (a) Si la durée de la pointe de consommation est brève, le débit d'oxygène complémentaire nécessaire, au-delà de la valeur précitée, est prélevé dans la capacité 15, par ouverture plus grande de la vanne 34, et envoyé après détente dans cette vanne dans la conduite de production 16. Par exemple, pour une pointe de consommation égale à 160 % du débit nominal, 20 % de débit supplémentaire sont fournis par la pompe 12, et les 40 % restants par la capacité 15.
  • (b) Cependant, on comprend que, lorsqu'on prélève un débit supplémentaire de la capacité 15, la pression de celle-ci chute. Par suite, si la pointe de consommation a une durée excessive, le débit d'oxygène supplémentaire, par rapport au débit nominal, doit nécessairement être fourni par des moyens extérieurs, par exemple par un stockage auxiliaire d'oxygène.
    • Il est à noter que l'invention s'applique également au cas suivant : l'oxygène est produit sous 1 bar environ, et la demande d'oxygène est toujours supérieure à une valeur minimale donnée. Un débit d'oxygène gazeux constant égal à cette valeur minimale peut alors être soutiré directement du bas de la colonne basse pression 7 via une conduite 35, comme indiqué en trait mixte sur la Figure 1, puis réchauffé dans la ligne d'échange. Cette variante permet de réduire la capacité des réservoirs 10 et 11. De même, des productions constantes d'oxygène liquide et/ou d'azote gazeux et/ou d'azote liquide peuvent être assurées simultanément par la double colonne, via des conduites 36 et/ou 37 et/ou 38, également comme indiqué en trait mixte sur la Figure 1.
    D'autres variantes de l'invention peuvent être envisagées.
    Ainsi, dans la variante de la Figure 3, la pompe 13 est supprimée. Le débit auxiliaire d'oxygène est soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, via une conduite 39, est réchauffé en 30 sous la basse pression, puis est comprimé à la haute pression par un compresseur auxiliaire 40 avant d'être introduit dans la capacité 15.
    En variante également, le fluide de vaporisation d'au moins l'un des deux débits d'oxygène est de l'azote. En particulier, dans la variante de la Figure 4, où la production d'oxygène est au voisinage de 1 bar, la vaporisation du débit principal s'effectue au moyen du vaporiseur 8 de la double colonne. Ce débit principal est alors soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, via une conduite 41, et réchauffé en 29. Le refoulement de la pompe 12 est alors relié à la cuve de la colonne, laquelle alimente le réservoir 10 par gravité.
    Dans ce cas, la vaporisation du débit variable d'oxygène produit un débit variable d'azote liquide dans la colonne 6. Pour cette raison, la conduite 38 est reliée à un réservoir 42 d'azote, et le fond de ce réservoir est relié à une pompe 43 de retour d'un débit constant d'azote liquide en tête de la colonne 6.
    La bascule est, dans cette variante, une bascule oxygène/azote, et le réservoir 11, à niveau constant, peut être supprimé.
    Si l'on combine les variantes des Figures 3 et 4, il n'y a plus d'oxygène à vaporiser dans la ligne d'échange 3. Par suite, les éléments 14, 22, 23, 11, 24 et 25 sont supprimés, et tout l'air entrant est comprimé à 6 bars en 1 et envoyé dans les passages 19.

    Claims (16)

    1. Procédé de production d'un gaz de l'air, notamment d'oxygène, à débit variable par distillation d'air, du type dans lequel on stocke une partie au moins du gaz à produire, sous forme d'un premier liquide, dans un premier réservoir (10); on soutire de ce réservoir un débit variable dudit premier liquide, et on l'amène (en 12, 29; 12, 8, 29) sous forme gazeuse et à la pression de production, ce débit variable étant vaporisé (en 29; 8) en condensant un débit variable correspondant d'un second fluide, notamment d'air à distiller; on stocke ce second fluide condensé, sous forme d'un second liquide, dans un second réservoir (11); et on envoie un débit commandé de ce second liquide à l'appareil de distillation, caractérisé en ce qu'on amène un débit auxiliaire du gaz à produire sous forme gazeuse et à une haute pression supérieure à la pression de production, puis on le stocke dans une capacité auxiliaire (15) sous ladite haute pression, et, lors de certaines pointes de consommation dudit gaz, on prélève une partie au moins du gaz excédentaire dans cette capacité auxiliaire, après l'avoir détendu (en 34) à la pression de production.
    2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on comprime (en 13) ledit débit auxiliaire, sous forme liquide, à ladite haute pression, et on vaporise sous cette haute pression le débit auxiliaire comprimé, avant de l'introduire dans la capacité auxiliaire (15).
    3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on vaporise ledit débit auxiliaire comprimé par échange de chaleur avec ledit second fluide.
    4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on vaporise ledit débit variable et ledit débit auxiliaire par échange de chaleur avec ledit second fluide sous une pression de condensation unique.
    5. Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite pression de condensation unique est telle que la température de condensation du second fluide est inférieure à la température de vaporisation dudit gaz, au moins sous ladite haute pression.
    6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la température de condensation dudit second fluide sous ladite pression de condensation est concomitante à la température de vaporisation dudit gaz sous la pression de production.
    7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on soutire un débit constant dudit premier liquide de l'appareil de distillation (5), et en ce qu'on fait passer un débit constant dudit second liquide du second réservoir (11) à l'appareil de distillation.
    8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le débit auxiliaire représente une fraction minoritaire du débit dudit premier liquide, notamment environ 25% de ce dernier en marche nominale.
    9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit débit auxiliaire est constant.
    10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdites pointes de consommation sont des pointes d'amplitude supérieure à une valeur prédéterminée.
    11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, jusqu'à un débit excédentaire prédéterminé dudit gaz, ce débit excédentaire est fourni par augmentation dudit débit variable.
    12. Installation de production d'un gaz de l'air, notamment d'oxygène, à débit variable, du type comprenant : un appareil de distillation d'air (5); une ligne d'échange thermique (3) pour refroidir l'air à distiller par échange de chaleur avec des produits provenant de l'appareil de distillation; un premier réservoir (10) de stockage dudit gaz sous forme d'un premier liquide; des premiers moyens (12, 29; 12, 8, 29) pour soutirer du premier réservoir un débit variable dudit premier liquide et l'amener sous forme gazeuse et à la pression de production, ces premiers moyens comprenant des seconds moyens (29; 8) pour vaporiser ledit débit variable en condensant un débit variable correspondant d'un second fluide, notamment d'air à distiller, sous forme d'un second liquide; et un second réservoir (11) de stockage du second liquide, caractérisée en ce qu'elle comprend des troisièmes moyens (13, 30) pour amener un débit auxiliaire du gaz à produire sous forme gazeuse et à une haute pression supérieure à la pression de production, puis l'introduire dans une capacité auxiliaire (15), et une conduite (33) munie d'une vanne de détente et de réglage de débit (34) et reliant cette capacité auxiliaire à la conduite de production (16) de l'installation.
    13. Installation suivant la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits troisièmes moyens (13, 30) comprennent une pompe (13) pour comprimer ledit débit auxiliaire sous forme liquide, et des moyens (30) pour vaporiser ce débit auxiliaire comprimé.
    14. Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que ladite pompe (13) est reliée audit premier réservoir (10).
    15. Installation suivant la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comprend un surpresseur unique (14) amenant ledit second fluide à une pression unique de condensation par échange de chaleur avec ledit débit variable et avec ledit débit auxiliaire.
    16. Installation suivant l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de soutirage (28) adaptés pour soutirer un débit constant dudit premier liquide de l'appareil de distillation (5), et des moyens pour faire passer un débit constant dudit second liquide du second réservoir (11) à l'appareil de distillation.
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