FR2793701A1 - Procede de production d'oxygene gazeux - Google Patents

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Abstract

De l'oxygène liquide, qui est extrait du bas d'un rectificateur à basse pression et comprimé avec une pompe pour oxygène liquide à une pression d'introduction prédéterminée, est évaporé dans un échangeur de chaleur principal pour donner un produit d'oxygène gazeux, tandis que l'oxygène gazeux circule dans l'échangeur de chaleur principal à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale, calculée en fonction de la pression d'introduction, d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 200 m. Ce procédé empêche efficacement la précipitation des impuretés lourdes dans l'échangeur de chaleur et produit de l'oxygène gazeux sous forte pression à un coût réduit de fonctionnement.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D'OXYGENE GAZEUX
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention La présente invention a pour objet un procédé de production d'oxygène gazeux qui consiste à comprimer de d'oxygène liquide obtenu par séparation cryogénique et ensuite à évaporer l'oxygène liquide par chauffage pour
préparer de l'oxygène gazeux sous forte pression.
2. Description de la technique apparentée
On utilise une grande quantité d'oxygène gazeux sous forte pression dans les étapes de raffinage oxydant dans les convertisseurs producteurs d'acier dans la métallurgie, les étapes de synthèse d'oxyde d'éthylène par oxydation de l'éthylène dans l'industrie chimique, et les étapes d'oxydation partielle du carburant, tel que les résidus de charbon et de pétrole, dans les centrales électriques alimentées par combustion de carburant. La demande pour cet
oxygène a tendance à augmenter ces dernières années.
Un procédé classique de production d'oxygène à l'échelle industrielle est la séparation cryogénique, qui comprend la rectification d'air brut à basse température pour séparer l'oxygène. Dans la séparation cryogénique, l'azote et l'oxygène sont séparés de l'air brut au moyen d'une différence de point d'ébullition. C'est-à-dire que l'air liquéfié est introduit dans un rectificateur, et l'azote, ayant une volatilité supérieure à celle de l'oxygène, s'évapore dans le rectificateur pour donner une
forte concentration d'oxygène liquide.
Dans le procédé de production d'oxygène gazeux à forte pression par séparation cryogénique, l'oxygène liquide extrait du rectificateur est comprimé en utilisant une pompe et est ensuite chauffé dans un échangeur de chaleur pour que l'oxygène liquide s'évapore. Comme avantage de ce procédé, les coûts de compression peuvent être significativement réduits par comparaison avec la
compression d'oxygène gazeux.
L'air brut contient des traces d'impuretés, telles que des hydrocarbures, par exemple, le méthane, l'éthane, l'éthylène, l'acétylène, le propane, le propylène, le butane, le butane, et le pentane; du dioxyde de carbone; et des oxydes d'azote, en plus des composants principaux, tels que l'azote, l'oxygène, et l'argon. Comme de telles impuretés ont des points d'ébullition supérieurs à ceux de l'azote et de l'oxygène et sont moins volatiles, elles sont appelées impuretés lourdes. Ces impuretés lourdes sont dissoutes dans l'oxygène liquide ayant une volatilité inférieure à celle de l'azote. Comme les impuretés lourdes ont des points d'ébullition supérieurs et sont moins volatiles par comparaison avec l'oxygène, elles sont concentrées dans l'oxygène liquide à mesure que l'évaporation de l'oxygène liquide se produit dans l'échangeur de chaleur, et elles précipitent dans le canal à oxygène dans l'échangeur de chaleur sous forme de phase solide ou de phase liquide lorsque la concentration dépasse la solubilité dans l'oxygène liquide. Les impuretés lourdes précipitées réagissent facilement avec l'oxygène dans l'échangeur de chaleur et obstruent le canal à oxygène. En résultat, le fonctionnement de l'échangeur de chaleur et
donc le fonctionnement global de l'appareil est dégradé.
Les moyens classiques suivants sont divulgués pour
résoudre de tels problèmes.
La publication de demande de brevet japonais non examinée n 7- 174460 divulgue l'extraction d'une fraction principale d'oxygène liquide à partir d'une phase liquide ayant une concentration en impuretés relativement faible au deuxième étage à partir du bas juste au dessus de l'étage le plus bas dans une tour de distillation sous pression réduite. En outre, une petite fraction d'oxygène liquide est extraite de l'étage le plus bas contenant la plus grande quantité d'impuretés. L'oxygène liquide extrait est comprimé à une pression, qui est égale ou supérieure à la pression d'alimentation finale, pour élever le point d'ébullition de l'oxygène, et est introduit dans un échangeur de chaleur pour élever la tension de vapeur des
impuretés lourdes contenues dans l'oxygène liquide.
L'évaporation des impuretés lourdes est ainsi facilitée dans l'échangeur de chaleur et les impuretés lourdes ne
s'accumulent pas dans l'échangeur de chaleur.
La publication de demande de brevet japonais non examinée n 8-61843 divulgue un procédé comprenant un flux de recyclage pour éliminer les impuretés lourdes. Le flux de recyclage consiste en le flux de gaz suivant. Le liquide ayant une teneur enrichie en oxygène de approximativement % et contenant des impuretés lourdes concentrées est extrait du bas d'un rectificateur sous forte pression et est suffisamment comprimé de sorte que les impuretés lourdes s'évaporent dans l'échangeur de chaleur. La pression de l'air résiduel est réduite et ensuite on laisse l'air s'ajouter à de l'air brut. Le flux d'air additionné est introduit vers une unité de rectification préliminaire pour éliminer les impuretés lourdes. Ces procédés, cependant, présentent toujours les problèmes suivants. Dans le premier procédé, l'oxygène liquide extrait du second étage à partir du bas contient une faible concentration d'impuretés lourdes. Ainsi, ce procédé n'est pas une contre mesure globale à la précipitation des impuretés lourdes. Lorsque le système fonctionne en continu durant de longues périodes, par exemple, un an, les impuretés lourdes précipitent de façon significative dans l'échangeur de chaleur. Comme le système a deux canaux à oxygène, les coûts d'installation et de fonctionnement sont augmentés en raison d'appareillages coûteux, tels que les pompes à oxygène liquide, et un
processus globalement compliqué.
Le dernier procédé nécessite aussi des appareils supplémentaires tels que des pompes à oxygène liquide pour le flux de recyclage. Ainsi, ce procédé nécessite des coûts d'installation et de fonctionnement élevés en raison d'un système complexe et d'un fonctionnement complexe. En conséquence, ce procédé n'est pas non plus une contre
mesure globale.
RESUME DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est de proposer un procédé de production d'oxygène gazeux par séparation cryogénique à faible coût qui ne provoque pas de précipitation des impuretés lourdes dans le canal à oxygène
de l'échangeur de chaleur.
Dans la production d'oxygène gazeux qui comprend la compression d'oxygène liquide séparé par rectification d'air brut à une pression prédéterminée et l'évaporation de l'oxygène liquide dans un échangeur de chaleur, les présents inventeurs ont effectué des essais dans diverses conditions et ont découvert que les problèmes ci-dessus sont résolus lorsque la vitesse linéaire de l'oxygène gazeux dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur est augmentée de façon à satisfaire les paramètres qui
suivent. En résultat, la présente invention a été réalisée.
Le procédé de production d'oxygène gazeux selon la présente invention consiste à comprimer de l'oxygène liquide séparé par rectification d'air brut à une pression d'introduction prédéterminée et à évaporer l'oxygène liquide dans un échangeur de chaleur, dans lequel l'oxygène gazeux dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale, calculée en fonction de la pression d'introduction, d'une gouttelette d'oxygène
ayant un diamètre prédéterminé.
Le procédé de production d'oxygène gazeux à partir d'air brut comprend les étapes de compression de l'oxygène liquide séparé par rectification d'air brut à une pression d'introduction prédéterminée, l'introduction de l'oxygène liquide comprimé dans un échangeur de chaleur à une pression d'introduction prédéterminée, et l'évaporation et la gazéification de l'oxygène liquide dans l'échangeur de chaleur, dans lequel l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène liquide ayant un diamètre de 200 pm calculée par l'équation (1): u 4g2(J L-PP)DP //3
(PL - PG)2 D3.. (1)
225UPG)
Dans laquelle u: vitesse terminale des gouttelettes d'oxygène liquide, g: accélération due à la gravité, PL: densité de l'oxygène liquide saturé à la pression d'introduction, PG: densité de l'oxygène gazeux saturé à la pression d'introduction, L: viscosité de l'oxygène gazeux saturé à la pression d'introduction, et Dp: diamètre de la gouttelette d'oxygène liquide. L'équation (1) détermine la vitesse terminale d'une micro gouttelette qui suit la loi de résistance d'Aren qui couvre le domaine 2 < Re < 500 dans lequel Re est le nombre
de Reynolds.
De préférence, l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène liquide ayant un diamètre de 500 gm calculée par l'équation (2): = 3,03g(PL -PG)Dp A U = t2PG) ...) PcPG Dans laquelle u: vitesse terminale des gouttelettes d'oxygène liquide, g: accélération due à la gravité, PL: densité de l'oxygène liquide saturé à la pression d'introduction, PG: densité de l'oxygène gazeux saturé à la pression d'introduction, Dp: diamètre de la gouttelette d'oxygène
liquide.
L'équation (2) détermine la vitesse terminale d'une micro gouttelette qui suit la loi de résistance de Newton qui couvre le domaine 500 < Re < 100 000 dans lequel Re est
le nombre de Reynolds.
Plus préférentiellement, l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène liquide ayant un diamètre de 1 mm calculée selon
l'équation (2).
Lorsque l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre prédéterminé dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur, l'accumulation et la précipitation des impuretés lourdes sont empêchées. On pense que la raison en est ce
qui suit.
Lorsque l'oxygène liquide est évaporé dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur, des micro gouttelettes d'oxygène se forment en raison d'irrégularités à la surface de l'oxygène liquide ou à l'interface gaz-liquide. Les micro gouttelettes d'oxygène sont supposées contenir les impuretés lourdes en une concentration qui est sensiblement la même que la concentration dans l'oxygène liquide dans l'échangeur de chaleur. De telles micro gouttelettes descendent finalement à une vitesse terminale qui est calculée par l'équation (1) ou (2). Si l'oxygène gazeux périphérique monte à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale, ces micro gouttelettes monteront conjointement au flux de gaz. Les gouttelettes d'oxygène entraînées dans le flux de gaz sont évaporées grâce à la chaleur ambiante et donc les impuretés lourdes contenues dans les gouttelettes d'oxygène sont aussi
entièrement évaporées.
Par entraînement des gouttelettes d'oxygène dans le flux gazeux, les impuretés lourdes contenues dans les gouttelettes d'oxygène sont évaporées de force. Une telle évaporation est significativement efficace par comparaison à la migration des impuretés lourdes de la phase liquide vers la phase gazeuse en fonction des tensions de vapeur
des impuretés lourdes.
Comme ce procédé et cet appareil facilitent l'évaporation des impuretés lourdes dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur, aucun mécanisme spécifique, tel que le flux de recyclage ci-dessus, n'est nécessaire pour empêcher la précipitation des impuretés lourdes. En conséquence, ce procédé empêche la concentration des impuretés lourdes dans l'oxygène liquide et donc la précipitation des impuretés lourdes dans le canal à oxygène
tout en supprimant des coûts de fonctionnement.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 est un diagramme schématique d'un appareil pour produire de l'oxygène gazeux selon la présente invention; La Figure 2 est une vue en perspective d'un échangeur de chaleur; et La Figure 3 est un diagramme schématique d'un appareil expérimental utilisé dans les Exemples de la présente invention.
DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE
La Figure 1 est un diagramme schématique d'un appareil (appareil de séparation de l'air) utilisé dans le procédé pour produire de l'oxygène gazeux selon la présente invention. Cet appareil peut avoir diverses configurations en fonction de la quantité et de la pureté de l'oxygène produit et en fonction de si oui ou non les gaz rares sont
récupérés.
L'air brut introduit par la ligne 1 passe par un filtre à air 2, qui élimine la poussière grossière, est introduit dans un compresseur à air 3, et est comprimé dans
celui-ci (étape de compression).
L'air comprimé est introduit dans une tour 4 de refroidissement humide pour éliminer la chaleur de compression par de l'eau de refroidissement provenant d'une ligne 8 (étape de refroidissement). Une partie de l'eau de refroidissement de la ligne 8 à introduire dans la tour 4 de refroidissement humide est envoyée vers une tour 5 de refroidissement par évaporation, est refroidie par de l'azote gazeux cryogénique qui est séparé dans un rectificateur 21 à basse pression, et est ensuite introduite dans la tour 4 de refroidissement humide par une pompe d'eau de refroidissement 7. Le reste de l'eau de refroidissement de la ligne 8 est directement introduit dans la tour 4 de refroidissement humide par une pompe à eau 6. L'azote gazeux cryogénique sort de la tour 5 de refroidissement par évaporation par la ligne 10, et l'eau de refroidissement sort de la tour 4 de refroidissement
humide par la ligne 9.
L'air brut refroidi dans la tour 4 de refroidissement humide est introduit dans une unité 11 d'adsorption sur tamis moléculaire à double colonne par la ligne 26 pour éliminer la plupart des impuretés lourdes (étape de purification). Dans cette unité 11 d'adsorption sur tamis moléculaire à double colonne, une colonne adsorbe les impuretés lourdes dans l'air brut tandis que l'autre colonne désorbe les impuretés lourdes adsorbées à réutiliser. Le procédé de désorption est effectué par circulation d'azote gazeux, qui est purifié dans le rectificateur 21 à basse pression et chauffé par un chauffage 14. La vanne 12 commande l'adsorption/désorption de ces colonnes, et l'azote gazeux utilisé dans le procédé
de désorption sort par la ligne 10.
L'air brut purifié dans l'unité 11 d'adsorption sur tamis moléculaire est conduit dans le rectificateur 21 à basse pression et le rectificateur 22 à haute pression par la ligne 13. C'est-à-dire qu'une partie de l'air brut est introduite dans l'échangeur de chaleur principal 17, est liquéfié dans celui-ci et est introduit dans le rectificateur 22 à haute pression, tandis que l'autre fraction de l'air brut est comprimée dans une turbine 19 à expansion, est refroidie dans l'échangeur de chaleur principal 17, est expansée dans la turbine 19 à expansion, et est introduite dans le rectificateur 21 à basse pression. Le rectificateur 22 à haute pression produit de
l'azote gazeux d'une grande pureté au sommet de celui-ci.
L'azote gazeux produit est introduit dans le condenseur principal 23 présent dans le rectificateur 21 à basse
pression et est liquéfié de façon exothermique dans celui-
ci. L'azote liquide est recyclé vers le rectificateur 22 à haute pression. C'est-à-dire, que le condenseur principal 23 fonctionne aussi comme rebouilleur du rectificateur 21 à basse pression et permet l'échange de chaleur entre le rectificateur 22 à haute pression et le rectificateur 21 à basse pression. Une fraction de l'azote liquide recyclé du
condenseur principal 23 est fournie à une unité 20 de sur-
refroidissement, est sur-refroidie dans celle-ci, et est introduite au sommet du rectificateur 21 à basse pression comme liquide de reflux tout en réduisant la pression de
celui-ci par une vanne 18 de réduction de pression.
Au bas du rectificateur 22 à haute pression, on obtient de l'air concentré en oxygène, on l'extrait du rectificateur 22 à haute pression, on le sur-refroidit dans l'unité 20 de sur-refroidissement, et on l'introduit dans le rectificateur 21 à basse pression tout en réduisant la pression de celui-ci par une autre vanne 18 de réduction de pression.
Le rectificateur 21 à basse pression rectifie l'air.
Au sommet du rectificateur 21 à basse pression, on obtient de l'azote gazeux de grande pureté comme produit final. L'azote gazeux de grande pureté est extrait du sommet du rectificateur 21 à basse pression, et est introduit dans l'unité 20 de sur-refroidissement par la ligne 24. Le gaz est réchauffé dans l'unité 20 de sur-refroidissement et l'échangeur de chaleur principal 17, et sort par une ligne
16 comme produit final d'azote gazeux.
De l'azote gazeux de sortie est aussi extrait du voisinage du sommet du rectificateur 21 à basse pression, est introduit dans l'unité 11 d'adsorption sur tamis moléculaire et dans la tour 5 de refroidissement par évaporation. L'oxygène liquide de grande pureté, qui est récupéré comme produit final d'oxygène gazeux plus tard, est produit au bas du rectificateur 21 à basse pression. L'oxygène liquide contient des impuretés lourdes qui ne sont pas éliminées dans l'étape de purification. La présente invention est caractérisée par une étape qui produit de l'oxygène gazeux ayant une pression d'alimentation souhaitée à partir de l'oxygène liquide contenant les
impuretés lourdes.
L'oxygène liquide extrait du bas du rectificateur 21 à basse pression est comprimé à une pression d'alimentation prédéterminée par une pompe à oxygène liquide (moyen de compression) 27 et est introduit dans l'échangeur de chaleur principal 17 par la ligne 25. L'oxygène liquide est évaporé par la chaleur dans un canal à oxygène de l'échangeur de chaleur principal 17 et le produit d'oxygène gazeux final est récupéré par la ligne 15. Dans ce mode de réalisation, la vitesse linéaire de l'oxygène gazeux dans le canal à oxygène est fixée pour être supérieure à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène liquide ayant un diamètre prédéterminé, dans lequel la vitesse terminale
est déterminée en fonction de la pression d'alimentation.
La Figure 2 est un exemple de l'échangeur de chaleur principal 17. L'échangeur de chaleur principal 17 dans la Figure 2 est un échangeur de chaleur à plaque et ailettes ayant une structure classique. C'est-à-dire que l'échangeur de chaleur principal 17 a plusieurs barrières 172 et des ailettes de plaque ondulée 171 intercalées entre les barrières 172. L'échangeur de chaleur principal 17 comprend la ligne 13 pour l'air brut à liquéfier et un canal à oxygène comprenant la ligne 25 pour l'oxygène liquide à évaporer et la ligne 15 pour le produit d'oxygène gazeux
final.
Afin de contrôler la vitesse linéaire dans la ligne 15 de l'oxygène gazeux qui s'évapore dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur principal 17 à la vitesse prédéterminée mentionnée ci-dessus ou supérieure, la section transversale du canal à oxygène vers la ligne 15 dans l'échangeur de chaleur 17, l'efficacité de l'échangeur de chaleur dans l'échangeur de chaleur principal 17, et le débit de l'oxygène liquide introduit sont déterminés de
façon appropriée.
C'est-à-dire que lorsque l'oxygène est évaporé sous une pression de 0, 503 MPa dans l'échangeur de chaleur principal 17, la densité d'oxygène liquide saturé est de 1,042 kg/m3, la densité d'oxygène gazeux saturé est de 19,8 kg/m3, et la viscosité de l'oxygène gazeux saturé est de
9,02.10-6 Pa.s (0,00000902 Pa.s) sous une telle pression.
Ainsi, la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 200 Mm est de 0,430 m/s selon l'équation (1), la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 500 gm est de 0,874 m/s selon l'équation (2), et la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 1 mm est de 1,24 m/s selon l'équation (2). Lorsque la quantité d'oxygène gazeux produite dans l'échangeur de chaleur ou sortant de la sortie de l'échangeur de chaleur est de kg/s, la quantité est transformée en une densité d'oxygène gazeux saturé de 0,505 m3/s. Ainsi, lorsque la section transversale du canal à oxygène dans l'échangeur de chaleur est de 1,17 m2 ou inférieure, l'oxygène gazeux peut s'écouler à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale de 0,430 m/s d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 200 Mm. Lorsque la section transversale du canal à oxygène dans l'échangeur de chaleur est de 0,578 m2 ou inférieure, l'oxygène gazeux peut s'écouler à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale de 0, 874 m/s d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 500 Mm. Lorsque la section transversale du canal à oxygène dans l'échangeur de chaleur est de 0,407 m2 ou inférieure, l'oxygène gazeux peut s'écouler à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale de 1, 24 m/s d'une
gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 1 mm.
EXEMPLES
On a effectué des essais dans diverses conditions sur la vitesse linéaire de l'oxygène gazeux dans le canal à oxygène de l'échangeur de chaleur principal 17 pour
empêcher l'accumulation et le dépôt des impuretés lourdes.
La Figure 3 est un diagramme schématique d'un appareil pour les essais. On ajoute de l'hydrocarbure gazeux 53 comme impureté lourde à l'oxygène liquide 51 qui est comprimé à une pression d'introduction prédéterminée par une pompe 52, et le mélange est évaporé dans un échangeur de chaleur 59 à ailettes d'aluminium. L'oxygène liquide 61, qui n'est pas introduit dans l'échangeur de chaleur 59 à ailettes d'aluminium, et l'oxygène gazeux 62, qui sort de l'échangeur de chaleur 59 à ailettes d'aluminium sont prélevés, et on détermine les concentrations en impuretés lourdes dans ces échantillons. Sur la figure, les numéros
54 à 58 représentent des vannes.
Exemple 1 On étudie la production d'oxygène gazeux en utilisant de l'air brut contenant des quantités classiques d'impuretés lourdes, comme représenté dans le Tableau 1. En général, l'air brut est purifié par adsorption dans une unité d'adsorption à tamis moléculaire avant la rectification. Les impuretés lourdes montrent différents taux d'élimination dans le processus d'adsorption. La perméabilité des impuretés lourdes et les concentrations en impuretés lourdes dans l'air brut après le processus d'adsorption sont indiquées dans le Tableau 1. L'air brut purifié est rectifié dans le rectificateur. Dans le procédé de rectification, les impuretés lourdes sont dissoutes dans l'oxygène ayant un point d'ébullition élevé. Comme l'air brut contient environ 20 % d'oxygène, les impuretés lourdes dans l'oxygène liquide sont concentrées approximativement 5 fois. Ainsi, les impuretés lourdes concentrées sont dissoutes dans l'oxygène liquide et sont introduites dans l'échangeur de chaleur. Les concentrations en impuretés
lourdes sont indiquées dans la colonne du bas du Tableau 1.
Tableau 1
Méthane Ethane EthylèneAcétylène Propane Butane Pentane Concentration dans l'air3 ppm 10 ppb 20 ppb 10 ppb 20 ppb 5 ppb 5 ppb brut normal Perméabilité dans le 100 % 100 % 100 % 5 % 25 % 10 % 10 % procédé d'adsorption Concentration dans l'air3 ppm 10 ppb 20 ppb 0,5 ppb 5 ppb 0,5 ppb 0,5 ppb après procédé d'adsorption Concentration dans 15 ppm 50 ppb 100 ppb 2,5 ppb 25 ppb 2,5 ppb 2,5 ppb l'oxygène liquide
Tableau 2
Vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène de 100 ym Pression Vitesse terminale Méthane Ethane Ethylène Acétylène Propane Butane Pentane 0,3 MPa 0,27 m/s NP NP NP NP NP P P 0,5 MPa 0,22 m/s NP NP NP NP NP NP P 1 MPa 0,16 m/s NP NP NP NP NP NP P 2 MPa 0,10 m/s NP NP NP NP NP NP NP 4 MPa 0,053 m/s NP NP NP NP NP N P NP Remarque: NP indique "non précipité" et P indique "précipité" co o
Tableau 3
Vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène de 200 Mm Pression Vitesse terminale Méthane Ethane Ethylène Acétylène Propane Butane Pentane 0,3 MPa 0,51 m/s NP NP NP NP NP NP NP 0,5 MPa 0,44 m/s NP NP NP NP NP NP NP 1 MPa 0,31 m/s NP NP NP NP NP NP NP 2 MPa 0,20 m/s NP NP NP NP NP N P NP 4 MPa 0,10 m/s NP NP NP NP NP NP NP Remarque: NP indique "non précipité" et P indique "précipité" co o L'oxygène liquide, qui contient les impuretés lourdes dans les quantités indiquées dans la ligne du bas du
Tableau 1, est préparé en utilisant l'appareil ci-dessus.
L'oxygène liquide est évaporé dans l'échangeur de chaleur pour donner de l'oxygène gazeux et on observe si oui ou non les impuretés lourdes s'accumulent et précipitent dans
l'échangeur de chaleur.
Les essais ont été effectués à cinq niveaux de
pression de 0,3 MPa, 0,5 MPa, 1 MPa, 2 MPa, et 4 MPa.
L'oxygène gazeux évaporé circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire qui correspond à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de Mm ou 200 im selon l'équation (1), et la concentration en impuretés lourdes dans l'oxygène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur et la concentration dans l'oxygène gazeux en sortie de l'échangeur de chaleur sont comparées à chaque niveau de pression. La vitesse expérimentale est
basée sur la densité du gaz saturé à cette pression.
Les tableaux 2 et 3 montrent les résultats à
respectivement 100 Mm et 200.m.
Comme on le voit sur le Tableau 2, lorsque l'oxygène gazeux circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 100 um, le butane et le pentane s'accumulent à la pression d'introduction de 1 MPa ou inférieure à une teneur supérieure à la solubilité et précipitent dans l'échangeur de chaleur. On considère que, à une faible vitesse linéaire de l'oxygène gazeux dans l'échangeur de chaleur, la migration des impuretés lourdes par entraînement dans la phase gazeuse est insuffisante. Ainsi, la migration des impuretés lourdes dépend significativement des tensions de vapeur des impuretés lourdes. En résultat, l'évaporation du butane et du pentane ayant de faibles tensions de vapeur
n'est pas favorisée.
Au contraire, comme on le voit dans le Tableau 3, lorsque l'oxygène gazeux circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de lm, la concentration de chaque impureté lourde dans l'oxygène liquide dans l'échangeur de chaleur est maintenue à un niveau qui est plus bas que la solubilité de celle-ci dans l'oxygène liquide, et la concentration de chaque composant dans l'oxygène gazeux en sortie de l'échangeur de chaleur atteint la concentration du composant correspondant dans l'oxygène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur. Ainsi, ceci est un état stable et ces impuretés
lourdes ne se déposent pas dans l'échangeur de chaleur.
On considère que, à une vitesse linéaire suffisamment élevée de l'oxygène gazeux, la migration des impuretés lourdes dans la phase gazeuse est favorisée par entraînement. Ces résultats expérimentaux montrent que l'accumulation et la précipitation des impuretés lourdes dans l'échangeur de chaleur peuvent être empêchées lorsque l'appareil fonctionne à unevitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un
diamètre de 200 pm.
Exemple 2
On étudie la production d'oxygène gazeux en utilisant de l'air brut contenant de grandes quantités d'impuretés lourdes, comme indiqué dans le Tableau 4. De telles quantités élevées d'impuretés lourdes sont parfois observées dans les zones industrielles. Les concentrations en impuretés lourdes contenues dans l'oxygène liquide
séparé de l'air brut sont calculées comme dans l'Exemple 1.
Les concentrations en impuretés lourdes dans l'oxygène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur sont
indiquées dans la ligne du bas du Tableau 4.
Comme on le voit dans le Tableau 4, à mesure que les concentrations en impuretés lourdes augmentent dans l'air brut, les concentrations en impuretés lourdes augmentent aussi dans l'oxygène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur et ces impuretés lourdes tendent à se déposer dans
l'échangeur de chaleur.
L'oxygène liquide contenant les impuretés lourdes ayant des concentrations indiquées dans la ligne du bas du Tableau 4 est obtenu en utilisant l'appareil ci-dessus comme dans l'Exemple 1. L'oxygène liquide est évaporé dans l'échangeur de chaleur pour donner de l'oxygène gazeux et on observe si oui ou non les impuretés lourdes s'accumulent
et précipitent dans l'échangeur de chaleur.
Les essais sont effectués à cinq niveaux de pression de 0,3 MPa, 0,5 MPa, 1 MPa, 2 MPa, et 4 MPa. L'oxygène gazeux évaporé circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire qui correspond à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 200 ym selon l'équation (1), la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 500 um selon l'équation (2), ou la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 1 mm selon l'équation (2) et la concentration en impuretés lourdes dans l'oxygène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur et la concentration dans l'oxygène gazeux en sortie de l'échangeur de chaleur sont comparées à chaque niveau de pression. Les Tableaux 5 à 7 indiquent respectivement les
résultats à 200 pm, 500 pm, et 1 mm.
Tableau 4
Méthane Ethane Ethylène Acétylène Propane Butane Pentane Concentration dans l'air brut 4 ppm 20 ppb 40 ppb 20 ppb 40 ppb 20 ppb 20 ppb Perméabilité dans le procédé 100 % 10 100 % 100 5 % 25 % 10 % 10 % d'adsorption Concentration dans l'air 4 ppm 20 ppb 40 ppb 1 ppb 10 ppb 2 ppb 2 ppb après procédé d'adsorption Concentration dans l'oxygène 20 ppm 100 ppb 200 ppb 5 ppb 50 ppb 10 ppb 10 ppb liquide
Tableau 5
Vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène de 200 gm Pression Vitesse terminale Méthane Ethane Ethylène Acétylène Propane Butane Pentane 0,3 MPa 0,51 m/s NP NP NP NP NP NP P 0,5 MPa 0,44 m/s NP N NP NP NP NP P 1 MPa 0,31 m/s NP NP NP NP NP NP P 2 MPa 0,20 m/s NP NP NP NP NP NP P 4 MPa 0,10 m/s NP NP NP NP NP NP NP Remarque: NP indique "non précipité" et P indique "précipité" co o
Tableau 6
Vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène de 500 Mm Pression Vitesse terminale Méthane Ethane Ethylène Acétylène Propane Butane Pentane 0,3 MPa 1,1 m/s NP NP NP NP NP NP P 0,5 MPa 0,87 m/s NP NP NP N N NP NP NP NP 1 MPa 0,60 m/s NP NP NP NP NP NP NP 2 MPa 0, 39 m/s NP NP NP NP NP N P NP 4 MPa 0,20 m/s NP NP NP NP NP NP NP Remarque: NP indique "non précipité" et P indique "précipité"
Tableau 7
Vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène de 1 mm Pression Vitesse terminale Méthane Ethane Ethylène Acétylène Propane Butane Pentane 0,3 MPa 1,6 m/s NP NP NP NP NP NP NP 0,5 MPa 1,2 m/s NP NP NP NP NP NP NP 1 MPa 0,84 m/s NP NP NP NP NP NP NP 2 MPa 0, 55 m/s NP NP NP NP NP NP NP 4 MPa 0,28 m/s NP NP NP NP NP NP NP Remarque: NP indique "non précipité" et P indique "précipité" Co o Comme on le voit dans le Tableau 5, lorsque l'oxygène gazeux circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 200 pm, le pentane s'accumule à une pression d'introduction de 2 MPa ou inférieure en une teneur supérieure à la solubilité et précipite dans l'échangeur de chaleur. On considère que, à une faible vitesse linéaire de l'oxygène gazeux dans l'échangeur de chaleur, la migration des impuretés lourdes
par entraînement dans la phase gazeuse est insuffisante.
Ainsi, la migration des impuretés lourdes dépend significativement des tensions de vapeur des impuretés lourdes. En résultat, l'évaporation du pentane ayant une
faible tension de vapeur n'est pas favorisée.
Au contraire, comme on le voit dans le Tableau 6, lorsque l'oxygène gazeux circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 500 pm, les impuretés lourdes ne précipitent pas, excepté le pentane, qui précipite à une pression d'introduction de
0,3 MPa.
En outre, comme on le voit dans le Tableau 7, lorsque l'oxygène gazeux circule dans l'échangeur de chaleur à une vitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un diamètre de 1 mm, la concentration de chaque impureté lourde dans l'oxygène liquide dans l'échangeur de chaleur est maintenue à un niveau qui est inférieur à la solubilité de celle-ci dans l'oxygène liquide, et la concentration de chaque composant dans l'oxygène gazeux en sortie de l'échangeur de chaleur atteint la concentration du composant correspondant dans
l'oxygène liquide introduit dans l'échangeur de chaleur.
Ainsi, ceci est un état stable et ces impuretés lourdes ne
se déposent pas dans l'échangeur de chaleur.
On considère que, à une vitesse linéaire suffisamment élevée de l'oxygène gazeux, la migration des impuretés lourdes dans la phase gazeuse est favorisée par entraînement. Ces résultats expérimentaux montrent que l'accumulation et la précipitation des impuretés lourdes dans l'échangeur de chaleur peuvent être empêchées lorsque l'appareil fonctionne à une vitesse linéaire correspondant à la vitesse terminale d'une gouttelette d'oxygène ayant un
diamètre de 500 gm, et plus préférentiellement de 1 mm.
Les modes de réalisation suivants sont aussi utilisés
de préférence dans la présente invention.
A. La présente invention est utilisable pour toute installation de production connue de production d'oxygène gazeux à partir d'oxygène liquide qui est séparé par un
rectificateur, en plus de l'installation décrite ci-dessus.
B. La présente invention est utilisable pour tout échangeur de chaleur connu, en plus de l'échangeur de
chaleur à plaque et ailettes décrit ci-dessus.

Claims (3)

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'oxygène gazeux à partir d'air brut comprenant les étapes de: compression de l'oxygène liquide séparé par rectification d'air brut à une pression d'introduction prédéterminée; introduction de l'oxygène liquide comprimé dans un échangeur de chaleur à une pression d'introduction prédéterminée; et, évaporation et gazéification de l'oxygène liquide dans l'échangeur de chaleur; caractérisé en ce que l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène liquide ayant un diamètre de 200 pm calculée selon l'équation (1): u = 4g2(PLp)2D 31) t 225PPG) Dans laquelle u: vitesse terminale des gouttelettes d'oxygène liquide, g: accélération due à la gravité, PL: densité de l'oxygène liquide saturé à la pression d'introduction, PG: densité de l'oxygène gazeux saturé à la pression d'introduction, : viscosité de l'oxygène gazeux saturé à la pression d'introduction, et Dp: diamètre de la gouttelette d'oxygène liquide.
2. Procédé de production d'oxygène gazeux selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale u d'une gouttelette d'oxygène liquide ayant un diamètre de 500 Mm calculée selon l'équation (2): ('03gO(PL PG)DPj)... (22) U p... 2 \ PG Dans laquelle u: vitesse terminale des gouttelettes d'oxygène liquide, g: accélération due à la gravité, PL: densité de l'oxygène liquide saturé à la pression d'introduction, PG: densité de l'oxygène gazeux saturé à la pression d'introduction, Dp: diamètre de la gouttelette d'oxygène liquide.
3. Procédé de production d'oxygène gazeux selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'oxygène gazeux s'écoule vers le haut à une vitesse linéaire qui est égale ou supérieure à la vitesse terminale u d'une gouttelette liquide ayant un diamètre de 1 mm calculée selon l'équation (2).
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