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(11) | EP 0 605 262 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) |
Procédé et installation de production d'oxygène gazeux sous pression Druckgassauerstoffherstellungsverfahren und Apparat Process and apparatus for the production of gaseous oxygen under pressure |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0001] La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux sous pression au moyen d'une double colonne de distillation.
[0003] La production d'oxygène gazeux sous pression s'effectue généralement soit par compression d'oxygène gazeux soutiré de la colonne basse pression sous une pression voisine de la pression atmosphérique, soit par vaporisation d'oxygène liquide amené par pompe à la pression de production. Les installations correspondantes sont complexes, car elles nécessitent des machines tournantes spéciales tel qu'un compresseur d'oxygène ou une ou plusieurs turbines de détente.
[0004] EP-A-0102190 décrit un procédé du type "à bascule" qui permet la production de débits variables d'oxygène.
[0005] FR-A-2578532 décrit un procédé à double colonne, la colonne moyenne pression et la colonne basse pression étant chacune surmontée d'un condenseur avec des moyens pour envoyer de l'azote liquide de la colonne basse pression à la colonne moyenne pression.
[0006] US-A-3316725 décrit un appareil de séparation d'air dans lequel l'air est épuré après une étape de détente dans une machine de détente. De l'air liquide envoyé à et provenant de l'appareil d'épuration est détendu par détente Joule-Thomson.
[0007] EP-A-461804 décrit un procédé selon le préambule de la revendication 1. Le procédé des figures 1 et 2 peut être modifié pour permettre la production d'oxygène pur.
[0008] L'invention a pour but de fournir un procédé permettant de produire de façon particulièrement économique de l'oxygène gazeux sous une pression modérée.
[0010] Suivant d'autres caractéristiques :
- on détend par détente libre un gaz résiduaire soutiré de la tête de la colonne basse pression.
[0012] Dans une telle installation, la double colonne peut en particulier être isolée sous vide, notamment par une enveloppe sous vide qui ne contient que la double colonne et des tronçons de conduite, le reste des parties froides de l'installation, à l'exception éventuellement des sources d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide et des conduites qui en partent, étant isolées par une boîte froide à la pression atmosphérique contenant un isolant solide, notamment particulaire.
[0013] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'oxygène conforme à l'invention; et
- la Figure 2 représente schématiquement une variante.
[0014] L'installation représentée à la Figure 1 comprend essentiellement un compresseur d'air 1, un appareil 2 d'épuration par adsorption, une ligne d'échange thermique 3, un sous-refroidisseur 4 et une double colonne de distillation 5. Cette dernière est essentiellement constituée d'une colonne moyenne pression 6 surmontée d'une colonne basse pression 7, et d'un vaporiseur-condenseur 8 qui met en relation d'échange thermique indirect la vapeur de tête (azote pratiquement pur) de la colonne 6 et le liquide de cuve (oxygène à la pureté désirée) de la colonne 7.
[0015] En fonctionnement, l'air à distiller est comprimé en 1 à une pression, dite moyenne pression, de l'ordre de 8 à 16 bars, épuré en eau et en anhydride carbonique en 2, refroidi au voisinage de son point de rosée en 3 et introduit en cuve de la colonne 6. Le "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de cette colonne est sous-refroidi en 4, détendu dans une vanne de détente 9 à une pression, dite basse pression, qui est sensiblement la pression de production, de l'ordre de 2 à 5 bars, et introduit à un niveau intermédiaire de la colonne 7 via une conduite 10. Du "liquide pauvre" (azote pratiquement pur) recueilli en tête de la colonne 6 est sous-refroidi en 4, détendu dans une vanne de détente 11 à la basse pression, et introduit en tête de la colonne 7 via une conduite 12. L'oxygène de production est soutiré sous forme gazeuse de la cuve de la colonne 7, réchauffé dans la ligne d'échange 3 et récupéré directement en tant que produit via une conduite de production 13.
[0016] Pour assurer le maintien en froid de l'installation, le gaz résiduaire W (azote impur), soutiré au sommet de la colonne 7 via une conduite 14, est détendu en détente libre à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique dans une vanne de détente 15, réchauffé dans le sous-refroidisseur 4 puis dans la ligne d'échange 3, et évacué via une conduite 16. Ce gaz peut servir à régénérer les adsorbeurs de l'appareil 2.
[0017] Si le froid produit par cette détente libre est insuffisant, on peut le compléter par l'un au moins des moyens suivants, représentés en trait mixte sur le dessin.
- Une source 17 d'azote liquide sous la basse pression, reliée à la tête de la colonne 7 via une conduite 18 et munie de moyens de régulation de débit. Comme représenté, il peut s'agir notamment d'un stockage 17A d'azote liquide sous la pression atmosphérique muni à sa sortie d'une pompe 17B.
- Une source 19 d'oxygène liquide sous la basse pression, reliée à la cuve de la colonne 7 via une conduite 20 et munie de moyens de régulation de débit. Comme représenté, il peut s'agir de nouveau d'un stockage 19A d'oxygène liquide sous la pression atmosphérique muni à sa sortie d'une pompe 19B.
- Un groupe frigorifique 21, par exemple à l'ammoniac, monté entre le compresseur 1 et l'appareil d'épuration 2 et prérefroidissant l'air comprimé jusqu'à une température de l'ordre de 0 à +° 5°C par exemple.
[0019] D'une part, la double colonne 5 est disposée dans une enveloppe sous vide 22, qui en assure une isolation à haute performance. Cette enveloppe ne contient, outre la double colonne, que les tronçons de conduite qui y aboutissent ou en partent, ces conduites traversant l'enveloppe au moyen de raccords appropriés 23. En pratique, il est avantageux de rassembler tous les raccords 23 dans une même région de l'enveloppe.
[0020] D'autre part, à l'exception des sources de liquides cryogéniques 17 et 19 et des conduites qui en partent, qui possèdent leur propre isolation, généralement sous vide, toutes les autres parties froides de l'installation sont isolées au moyen d'une boîte froide 24 sous la pression atmosphérique contenant un matériau isolant solide particulaire, qui est de préférence de la perlite.
[0021] Ce mode d'isolation est très avantageux d'une part, l'enveloppe sous vide peut avoir un diamètre étroitement adapté au diamètre extérieur de la double colonne, laquelle peut être de diamètre constant sur toute sa hauteur, ce qui permet de réaliser un ensemble double colonne 5-enveloppe 22 commodément transportable.
[0022] De plus, tous les accessoires froids tels que 9, 11, 15 sont facilement accessibles puisqu'ils sont constamment à la pression atmosphérique.
[0023] Du point de vue énergétique, cette solution est également très avantageuse, bien qu'elle soit beaucoup moins coûteuse qu'une isolation sous vide renfermant l'ensemble de l'installation. En effet, dans une installation de distillation d'air, 75 à 85% des pertes thermiques sont supportées par la double colonne et, dans la ligne d'échange thermique, les pertes sont concentrées dans la partie la plus froide. Au total, les performances d'isolation de l'ensemble 22-24 sont de l'ordre de 90% de celles qui seraient obtenues avec une isolation sous vide de l'ensemble de l'installation.
[0024] En variante, la double colonne peut comporter un "minaret", c'est-à-dire un tronçon supérieur de la colonne basse pression 7 permettant de produire à son sommet de l'azote gazeux sous la basse pression. Dans ce cas, cet azote gazeux peut également être détendu dans une vanne de détente jusqu'au voisinage de la pression atmosphérique pour produire du froid, avant d'être réchauffé en 4 puis en 3 puis d'être récupéré en tant que second produit de l'installation.
[0025] La simplicité de l'installation suivant l'invention rend celle-ci particulièrement intéressante pour la production de quantités modérées, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de tonnes par jour, d'oxygène gazeux sous une pression de quelques bars.
[0026] Dans la variante représentée à la Figure 2 sans son isolation thermique, la tenue en froid de l'installation s'effectue par détente libre du gaz résiduaire W en 15, complétée par un apport d'oxygène liquide provenant d'une source 19 constituée comme précédemment d'un stockage 19A à la pression atmosphérique et d'une pompe 19B.
[0027] Toutefois, dans cette variante, l'oxygène liquide d'appoint, pompé en 19B à une pression quelque peu supérieure à la basse pression, est injecté, en un point intermédiaire 25 de la ligne d'échange thermique 3, dans l'oxygène gazeux en cours de réchauffement.
[0028] De plus, une conduite 26 de purge d'oxygène liquide, munie d'une vanne 27, part de la cuve de la colonne 7 et débouche dans le stockage 19A pour l'alimenter en partie, le complément d'oxygène liquide étant apporté par des camions-citernes 28.
[0029] La purge, destinée à évacuer les hydrocarbures de la colonne 7, correspond à environ 0,2% du débit d'air traité et s'effectue de préférence en discontinu, généralement automatiquement; elle est indépendante du "biberonnage" de l'installation par l'oxygène liquide.
[0030] Le point d'injection 25 est choisi de manière que l'oxygène liquide se vaporise à une température suffisamment élevée pour que les hydrocarbures ne présentent plus de danger d'explosion ou d'inflammabilité lors de la vaporisation de l'oxygène. Cette température peut ainsi être de l'ordre de -100°C.
- on fait fonctionner la colonne basse pression (7) sous une pression nettement supérieure
à la pression atmosphérique et légèrement supérieure à la pression de production d'oxygène,
cette basse pression étant notamment de l'ordre de 2 à 5 bars, et on fait fonctionner
la colonne moyenne pression (6) sous une pression correspondante, notamment de l'ordre
de 8 à 16 bars;
caractérisé en ce que
- l'on maintient en froid l'installation, au moins en partie, par détente libre d'au moins un produit gazeux sortant de la colonne basse pression, et on maintient en froid l'installation, sans avoir recours à la détente avec production de travail extérieur d'un fluide destiné à ou provenant de la double colonne et dans le cas où l'installation est partiellement maintenue en froid par détente libre, on injecte en (18) dans la colonne basse pression (7) un débit d'azote liquide provenant d'une source (17) extérieure à la double colonne (5) et/ou on injecte (en 20) dans la colonne basse pression (7) un débit d'oxygène liquide provenant d'une source (19) extérieure à la double colonne (5) et/ou on injecte dans l'oxygène gazeux (en 25), en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique (3) associée à la double colonne (5), un débit d'oxygène liquide provenant d'une source extérieure à la double colonne, et en ce qu'on envoie dans ladite source (19) de l'oxygène liquide de purge soutiré (en 26) de la cuve de la colonne basse pression (7) et/ou on pré-refroidit l'air à traiter, avant son épuration par adsorption (en 2), au moyen d'un groupe frigorifique (21).
a) des moyens pour injecter dans la colonne basse pression un débit d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide provenant d'une (de) source(s) (17,19) sous la basse pression extérieure(s) à la double colonne,
b) des moyens pour injecter dans l'oxygène gazeux, en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, un débit d'oxygène liquide sous la basse pression provenant d'une source (19) extérieure à la double colonne et des moyens pour envoyer dans ladite source de l'oxygène liquide de purge soutiré de la cuve de la colonne basse pression,
c) du groupe frigorifique (21) monté entre le compresseur (1) et l'appareil d'épuration
(2),
les moyens de maintien de froid ne comprenant pas de machine ou turbine de détente
avec production de travail extérieur d'un fluide destiné à ou provenant de la double
colonne.
- the low-pressure column (7) is made to operate at a pressure well above atmospheric
pressure and slightly above the oxygen production pressure, this low pressure being
especially about 2 to 5 bar, and the medium-pressure column (6) is made to operate
at a corresponding pressure, especially about 8 to 16 bar;
characterized in that
- the plant is kept cold, at least partly, by the free expansion of at least one gaseous product leaving the low-pressure column and the plant is kept cold without having to use the expansion, with the production of external work, of a fluid intended for or coming from the double column and, if the plant is partially kept cold by free expansion, a stream of liquid nitrogen coming from a source (17) external to the double column (5) is injected at (18) into the low-pressure column (7) and/or a stream of liquid oxygen coming from a source (19) external to the double column (5) is injected (at 20) into the low-pressure column (7) and/or a stream of liquid oxygen coming from a source external to the double column is injected into the gaseous oxygen (at 25) at an intermediate point on the heat-exchange line (3) associated with the double column (5), and in that some purge liquid oxygen withdrawn (at 26) from the bottom of the low-pressure column (7) is sent into the said source (19) and/or the air to be treated, before it is purified by adsorption (at 2), is precooled by means of a refrigerating unit (21).
a) means for injecting a stream of liquid nitrogen and/or of liquid oxygen, coming from one or both sources (17, 19) at the low pressure(s) external to the double column, into the low-pressure column,
b) means for injecting a stream of liquid oxygen at the low pressure, coming from a source (19) external to the double column, into the gaseous oxygen at an intermediate point on the heat-exchange line and means for sending some purged liquid oxygen withdrawn from the bottom of the low-pressure column into the said source,
c) the refrigerating unit (21) mounted between the compressor (1) and the purification
apparatus (2),
which means for keeping the plant cold do not include a machine or turbine for the
expansion, with production of external work, of a fluid intended for or coming from
the double column.
- die Niederdrucksäule (7) unter einem Druck betreibt, der deutlich über Normaldruck
und etwas über dem Sauerstoffproduktionsdruck liegt, wobei dieser niedrige Druck insbesondere
etwa 2 bis 5 bar beträgt, und die Mitteldrucksäule (6) unter einem entsprechenden
Druck, insbesondere von 8 bis 16 bar, betreibt;
dadurch gekennzeichnet, daß man
- die Anlage zumindest teilweise durch freie Entspannung mindestens eines aus der Niederdrucksäule austretenden gasförmigen Produkts kalt hält, ohne von der Entspannung eines für die Doppelsäule bestimmten oder aus dieser stammenden Fluids unter Leistung äußerer Arbeit Gebrauch zu machen, und in dem Fall, daß die Anlage durch freie Entspannung teilweise kalt gehalten wird, bei (18) eine Menge an flüssigem Stickstoff aus einer außerhalb der Doppelsäule (5) liegenden Quelle (17) in die Niederdrucksäule (7) einleitet und/oder (bei 20) eine Menge an flüssigem Sauerstoff aus einer außerhalb der Doppelsäule (5) liegenden Quelle (19) in die Niederdrucksäule (7) einleitet und/oder (bei 25) an einer Zwischenstelle der mit der Doppelsäule (5) verbundenen Wärmeaustauschleitung (3) eine Menge an flüssigem Sauerstoff aus einer außerhalb der Doppelsäule liegenden Quelle in den gasförmigen Sauerstoff einleitet und daß man dieser Quelle (19) aus dem Sumpf der Niederdrucksäule (7) (bei 26) abgezogenen flüssigen Spülsauerstoff zuführt und/oder die zu behandelnde Luft vor ihrer adsorptiven Reinigung (bei 2) mit Hilfe eines Kühlaggregats (21) vorkühlt.
a) Einrichtungen zum Einleiten einer Menge von flüssigem Stickstoff und/oder flüssigem Sauerstoff aus einer der außerhalb der Doppelsäule liegenden Quellen (17, 19) unter dem niedrigen Druck in die Niederdrucksäule,
b) Einrichtungen zum Einleiten einer Menge an unter dem niedriden Druck stehendem flüssigem Sauerstoff aus einer außerhalb der Doppelsäule liegenden Quelle (19) in den gasförmigen Sauerstoff an einer Zwischenstelle der Wärmeaustauschleitung und Einrichtungen zum Zuführen von aus dem Sumpf der Niederdrucksäule abgezogenem flüssigem Spülsauerstoff zu dieser Quelle,
c) ein zwischen dem Verdichter (1) und der Reinigungsvorrichtung (2) angebrachtes
Kühlaggregat (21),
wobei die Kalthalteeinrichtungen keine Maschine oder Turbine zur Entspannung eines
für die Doppelsäule bestimmten oder aus dieser stammenden Fluids unter Leistung äußerer
Arbeit umfassen.