[0001] La présente invention est relative à la production d'un débit variable d'oxygène
gazeux par distillation d'air. Elle concerne en premier lieu un procédé du type dans
lequel une quantité variable d'oxygène est stockée sous forme liquide dans un premier
réservoir d'où un débit variable d'oxygène est prélevé et vaporisé avec, de façon
correspondante, stockage d'un autre fluide sous forme liquide dans un second réservoir.
[0002] Dans un procédé connu de ce type, mis en oeuvre dans des installations réelles et
connu sous l'appellation "procédé à bascule" la vaporisation et la condensation d'oxygène
correspondent à une condensation et à une vaporisation d'azote, les échanges de chaleur
étant effectués dans la double colonne qui constitue l'appareil de distillation d'air.
Par suite, chaque modification du débit d'oxygène gazeux produit s'accompagne d'une
modification du régime de marche de la double colonne, et en particulier de ses taux
de chauffage et de reflux. Il en résulte des périodes de pertes d'efficacité de la
distillation, d'autant plus importantes que les variations de régime sont rapprochées
et rapides. De plus, une régulation complexe de l'installation est nécessaire.
[0003] L'invention a pour but de fournir un procédé pouvant être mis en oeuvre de manière
plus simple.
[0004] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en
ce que ledit fluide est constitué par une fraction de l'air à traiter, en ce qu'on
envoie un débit constant d'oxygène liquide dans ledit premier réservoir et un débit
constant d'air liquéfié dudit second réservoir dans l'appareil de distillation, et
en ce qu on soutire du premier réservoir, en fonction de la demande d oxygène gazeux,
un débit variable d'oxygène liquide que l'on vaporise par condensation d'un débit
variable correspondant d'air à traiter.
[0005] Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, lors d'une variation de la demande d'oxygène,
on maintient constants les débits de chaque fluide introduit dans l'appareil de distillation
et de chaque fluide soutiré de cet appareil, et on fait varier le débit total d'air
à traiter de la même façon que le débit d'air condensé par vaporisation d'oxygène.
[0006] L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre
d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant un compresseur principal
d'air, un appareil de distillation à double colonne alimenté par ce compresseur, un
premier réservoir de stockage d'une quantité variable d'oxygène liquide, un second
réservoir de stockage d une quantité variable d'un autre fluide sous forme liquide,
et des moyens pour prélever un débit variable d'oxygène liquide dans le premier réservoir
et le vaporiser et, à peu près en même temps, ajouter dudit fluide sous forme liquide
dans le second réservoir, est caractérisée en ce que lesdits moyens de vaporisation
comprennent un échangeur de chaleur relié d'une part à la sortie du compresseur principal
et d'autre part au second réservoir, la partie inférieure de ce dernier étant par
ailleurs reliée à l'appareil de distillation, et en ce que l'installation comprend
des moyens pour faire passer un débit constant d'oxygène liquide dans le premier réservoir,
des moyens pour prélever un débit variable d'oxygène liquide dans ce réservoir, des
moyens pour faire varier le débit d'air envoyé à l'échangeur de chaleur, et des moyens
pour envoyer un débit constant d'air liquéfié du second réservoir dans l'appareil
de distillation.
[0007] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard
du dessin annexé, sur lequel les Fig. 1 et 2 représentent schématiquement deux modes
de réalisation de l'installation conforme à l'invention.
[0008] L'installation représentée à la Fig. 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 et un vaporiseur-condenseur 8, un échangeur de chaleur auxiliaire
9, un réservoir d'oxygène liquide 10 et un réservoir d'air liquéfié 11 . Cette installation
est destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux via une conduite 12, sous
une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
[0009] Pour décrire le fonctionnement de cette installation, on supposera tout d'abord que
la demande d'oxygène gazeux dans la conduite 12 est constante et égale à la production
nominale, soit 20 % du débit d'air nominal comprimé par le compresseur 1. Dans tout
le présent mémoire, des pressions indiquées sont des pressions absolues approximatives,
et les débits sont des débits molaires.
[0010] Le débit nominal d'air à traiter, comprimé à 6 bars par le compresseur 1, refroidi
à la température ambiante et épuré dans l'appareil 2, est divisé en deux flux ayant
chacun un débit constant :
- Un premier flux est refroidi dans des passages 13 de la ligne d'échange ; 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 ; 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 14.
- Un second flux est refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée dans des passages
15 de la ligne d'échange puis condensé dans l'échangeur 9 et stocké sous forme liquide
dans le réservoir 11. 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 16, et un second débit constant détendu vers 1 bar dans
une vanne de détente 17 puis injecté dans la colonne basse pression 7.
[0011] Le vaporiseur-condenseur 8 vaporise un débit constant d'oxygène liquide en cuve de
la colonne basse pression par condensation d'un débit à peu près égal d'azote de tête
de la colonne moyenne pression. 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
18 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 19 est injecté au sommet de la colonne basse
pression.
[0012] Un débit constant d'oxygène liquide, correspondant à 20 % du débit d'air entrant,
passe, via une conduite 20, dans le réservoir 10. Un débit constant identique d'oxygène
liquide est soutiré du fond de ce réservoir, vaporisé dans l'échangeur 9, réchauffé
dans des passages 21 de la ligne d'échange et fourni à la conduite 12 de production.
En outre, un débit constant d azote impur, soutiré du sommet de la colonne basse pression,
est réchauffé dans des passages 22 de la ligne d'échange et évacué en tant que résiduaire
via une conduite 23.
[0013] 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.
[0014] Par contre, dans ce cas, le débit d'air condensé dans l'échangeur 9 varie, et la
position des aubages mobiles du compresseur 1 est modifiée de façon correspondante.
[0015] Ainsi, si la demande en oxygène gazeux augmente, un plus grand débit d'oxygène est
vaporisé dans l'échangeur 9. Ceci augmente le débit d'air condensé dans cet échangeur,
ce qui crée un appel d'air supplémentaire vers cet échangeur, dans les passages 15
de cette ligne d'échange. Le réglage des aubages du compresseur 1 est alors modifié
de façon à admettre ce débit d'air supplémentaire. Le niveau du liquide dans le réservoir
10 baisse, et il monte dans le réservoir 11.
[0016] Inversement, si la demande en oxygène gazeux diminue, un débit réduit d'oxygène est
vaporisé dans l'échangeur 9. Ceci réduit le débit d'air condensé dans cet échangeur,
et donc également le débit d'air circulant dans les passages 15 de la ligne d'échange.
Le réglage des aubages du compresseur 1 est alors modifié de manière à diminuer d'autant
le débit d'air atmosphérique aspiré.
[0017] On voit donc que l'on peut répondre à la variation de la demande d'oxygène gazeux
par une simple modification du réglage des aubages du compresseur 1, ce qui peut
s'effectuer simplement et quasi-instantanément, sans perturber aucunement le fonctionnement
de l'appareil de distillation 5. De plus, cette souplesse est obtenue sans qu'aucun
produit de la séparation de l'air soit perdu lors des variations du débit d'oxygène
gazeux produit.
[0018] L'installation représentée à la Fig.2 est destinée à fournir l'oxygène gazeux sous
pression. elle ne diffère de la précédente que par le fait qu'une pompe 24 à débit
variable est montée dans la conduite qui relie le fond du réservoir 10 à l'échangeur
9, et qu'un surpresseur d'air 25 à aubages mobiles est monté dans la conduite qui
véhicule la fraction du débit d'air comprimé jusqu'aux passages 15 de la ligne d'échange
thermique.
[0019] Le fonctionnement nominal de l'installation est le même que précédemment, à ceci
près que l'oxygène liquide soutiré du réservoir 10 est amené par la pompe 24 à la
pression désirée, puis est vaporisé sous cette pression dans l'échangeur 9. Pour pouvoir
effectuer cette vaporisation, le débit correspondant d'air est surpressé à une pression
quelque peu supérieure à la pression de vaporisation de l'oxygène par le surpresseur
25, condensé dans l'échangeur 9, puis détendu à 6 bars dans une vanne de détente 26
avant d'être stocké dans le réservoir 11.
[0020] Dans ce cas, chaque variation de la demande d'oxygène gazeux dans la conduite 12
nécessite une variation correspondante du débit de la pompe 24, une variation du même
ordre du débit d'air surpressé par le surpresseur 25, et une variation identique du
débit d'air comprimé par le compresseur principal 1.
[0021] Ces modifications du réglage des machines tournantes sont de nouveau simples à obtenir
et quasi-instantanées, et elles n'induisent aucune perturbation du fonctionnement
de la double colonne ni aucune perte de produit.
[0022] De par sa simplicité et son efficacité, l'invention convient particulièrement bien
pour conférer de la souplesse à des installations de production d'oxygène avec des
demandes d'oxygène qui varient fréquemment et rapidement.
[0023] Il est à noter que l'invention s'applique également au cas où, la demande d'oxygène
étant toujours supérieure à une valeur minimale donnée, un débit d'oxygène gazeux
constant égal à cette valeur minimale est soutiré directement du bas de la colonne
basse pression 7 via une conduite 27, comme indiqué en trait mixte sur les Fig. 1
et 2, 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 28 et/ou 29 et/ou 30, également comme indiqué
en trait mixte sur les Fig. 1 et 2.
1. Procédé de production d'oxygène gazeux à débit variable par distillation d'air,
du type dans lequel une quantité variable d oxygène est stockée sous forme liquide
dans un premier réservoir (10) d'où un débit variable d'oxygène est prélevé et vaporisé
avec, de façon correspondante, stockage d'un autre fluide sous forme liquide dans
un second réservoir (11), caractérisé en ce que ledit fluide est constitué par une
fraction de l'air à traiter, en ce qu on envoie un débit constant d oxygène liquide
dans ledit premier réservoir (10) et un débit constant d'air liquéfié dudit second
réservoir (11) dans l'appareil de distillation (5), et en ce qu'on soutire du premier
réservoir (10), en fonction de la demande d'oxygène gazeux, un débit variable d'oxygène
liquide que l'on vaporise par condensation d'un débit variable correspondant d'air
à traiter.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lors d'une variation
de la demande d'oxygène, on maintient constants les débits de chaque fluide introduit
dans l'appareil de distillation (5) et de chaque fluide soutiré de cet appareil,
et on fait varier le débit total d'air à traiter de la même façon que le débit d'air
condensé par vaporisation d'oxygène.
3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, pour la production d'oxygène gazeux
sous pression, caractérisé en ce qu on amène par pompage (en 24) ledit débit variable
d'oxygène liquide à la pression de production, et on surpresse (en 25) le débit d'air
à liquéfier correspondant.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
ledit débit variable d'oxygène liquide correspond à la demande d'oxygène gazeux.
5. Installation de production d oxygène gazeux à débit variable par distillation d'air,
du type comprenant un compresseur principal d'air (1) , un appareil de distillation
(5) à double colonne alimenté par ce compresseur, un premier réservoir (10) de stockage
d'une quantité variable d'oxygène liquide, un second réservoir (11) de stockage d'une
quantité variable d'un autre fluide sous forme liquide, et des moyens (9, 12) pour
prélever un débit variable d'oxygène liquide dans le premier réservoir (10) et le
vaporiser et, à peu près en même temps, ajouter dudit fluide sous forme liquide dans
le second réservoir (11), caractérisée en ce que lesdits moyens de vaporisation (9)
comprennent un échangeur de chaleur relié d'une part à la sortie du compresseur principal
(1) et d'autre part au second réservoir (11), la partie inférieure de ce dernier
étant par ailleurs reliée à l'appareil de distillation (5), et en ce que l'installation
comprend des moyens pour faire passer un débit constant d'oxygène liquide dans le
premier réservoir (10), des moyens pour prélever un débit variable d oxygène liquide
dans ce réservoir, des moyens pour faire varier le débit d'air envoyé à l'échangeur
de chaleur (9), et des moyens pour envoyer un débit constant d'air liquéfié du second
réservoir (11) dans l'appareil de distillation (5).
6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des
moyens pour faire varier le débit total d'air à traiter de la même façon que le débit
d'air envoyé à l'échangeur de chaleur (9)
7. Installation suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'elle
comprend un pompe à débit variable (24) montée entre la sortie du premier réservoir
(10) et l'échangeur de chaleur (9), et un surpresseur d'air à débit variable (25)
monté entre la sortie du compresseur d'air principal (1) et cet échangeur de chaleur.