Procédé et installation de distillation d'air en régime variable de production d'oxygène gazeux

Abstract

 Ce procédé est du type à bascule. Lorsque la demande d'oxygène est inférieure à la valeur moyenne, on produit de l'oxygène liquide additionnel en introduisant de l'oxygène comprimé, à l'état gazeux, dans la ligne d'échange thermique (7) de l'installation, le débit d'azote liquide injecté dans la double colonne étant réduit de façon correspondante. On peut ainsi augmenter le rendement moyen d'extraction d'argon de l'installation.

Description

[0001] La présente invention est relative à la technique de distillation d'air en régime variable de production d'oxygène gazeux, au moyen d'une installation à double colonne. Elle concerne en premier lieu un procédé du type dans lequel, lorsque la demande d'oxygène gazeux est inférieure à une valeur moyenne, on fait passer de l'oxygène liquide de la colonne basse pression de la double colonne à un premier réservoir de stockage d'oxygène liquide et on envoie dans la double colonne de l'azote liquide en provenance d'un second réservoir de stockage d'azote liquide, tandis que lorsque la demande d'oxygène gazeux est supérieure à la valeur moyenne, on introduit dans la colonne basse pression de l'oxygène liquide prélevé dans le premier réservoir et l'on condense simultanément une quantité correspondante d'azote liquide, que l'on envoie dans le second réservoir.

[0002] Les procédés de ce type sont généralement appelés procédés "à bascule". On distingue deux marches différentes de l'installation :

(a) Lorsque la demande d'oxygène gazeux est forte, l'excès d'oxygène gazeux soutiré de la colonne basse pression est compensé, du point de vue du bilan matière, par une injection dans cette colonne d'une quantité correspondante d'oxygène liquide provenant du premier réservoir. Pour équilibrer le bilan frigorifique de la double colonne, une quantité correspondante d'azote liquide est envoyée de la colonne moyenne pression au second réservoir. Pour cette raison, cette marche est généralement appelée "marche NL", et cette dénomination sera utilisée dans la suite.

(b) Lorsque la demande d'oxygène gazeux est faible, le défaut d'oxygène par rapport à la marche nominale est envoyé sous forme liquide de la colonne basse pression au premier réservoir (d'où l'expression "marche OL" souvent utilisée). La balance frigorifique est obtenue par injection dans la colonne basse pression d'une quantité correspondante d'azote liquide en provenance du second réservoir.

[0003] Lorsque l'installation comporte une colonne de production d'argon impur couplée à la colonne basse pression, ce principe de bascule n'est pas sans influence sur le rendement d'extraction en argon. En effet :

(a) En marche NL, il est facile de voir que le rapport vapeur/liquide diminue dans la partie inférieure de la colonne basse pression, ce qui est défavorable à la séparation oxygène/argon qui se produit dans cette zone, et donc au rendement d'extraction en argon.

[0004] Il existe certes un autre phénomène qui agit en sens inverse : la vaporisation de l'oxygène liquide supplémentaire condense une quantité plus grande d'azote en tête de la colonne moyenne pression, car la chaleur de vaporisation de l'azote est environ 20% plus faible que celle de l'oxygène. Il y a donc un déficit de produits gazeux envoyés au bout froid de la ligne d'échange thermique de l'installation, ce qui referme le diagramme d'échange thermique vers le bout chaud et a pour effet d'augmenter la température d'aspiration de la turbine généralement utilisée pour le maintien en froid de l'installation. Cette turbine présente alors une puissance frigorifique spécifique accrue, ce qui permet de diminuer le débit turbiné. Toutefois, ce phénomène favorable est d'importance nettement moindre que le phénomène défavorable précité de réduction du rapport vapeur/liquide. Au total, la marche NL est ainsi défavorable au rendement d'extraction en argon.

(b) En marche OL, c'est l'inverse qui se produit, pour des raisons analogues : d'une part, le rapport vapeur/liquide augmente au bas de la colonne basse pression, et d'autre part, la température d'aspiration de la turbine diminue, ce qui oblige à augmenter le débit de gaz turbiné. Au total, cette marche OL est favorable au rendement d'extraction en argon.

(c) Malheureusement, le gain en rendement d'extraction en argon obtenu en marche OL est moins important que la perte en rendement d'extraction en argon subie en marche NL, car le rendement correspondant à la marche nominale est généralement élevé et déjà proche d'une asymptote. Il en résulte que si, ce qui sera l'hypothèse de base, la marche nominale correspond à la production moyenne en oxygène de l'installation, alors le procédé à bascule dégrade le rendement moyen d'extraction en argon.

[0005] L'invention a pour but de permettre d'améliorer le rendement moyen en argon, et/ou, en variante, d'accroître une production de liquide de l'installation, dans un procédé à bascule.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que lorsque la demande d'oxygène est inférieure à la valeur moyenne, on produit de l'oxygène liquide additionnel en introduisant de l'oxygène comprimé à l'état gazeux dans la ligne d'échange thermique de l'installation, le débit d'azote liquide injecté dans la double colonne étant réduit de façon correspondante.

[0007] Suivant d'autres caractéristiques :

• lorsque la demande d'oxygène gazeux est supérieure à la valeur moyenne, on envoie dans la double colonne l'azote liquide économisé lorsque la demande d'oxygène est inférieure à la valeur moyenne;
• lorsque l'installation comprend une turbine principale de maintien en froid, pendant les périodes où la demande d'oxygène gazeux est supérieure (respectivement inférieure) à la valeur moyenne, on réduit (respectivement on augmente) le débit de la turbine principale par rapport au débit nominal.

[0008] L'invention a également pour objet une installation de distillation d'air destinée à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation, du type comprenant une ligne d'échange thermique, une bascule qui comporte un premier réservoir de stockage d'oxygène liquide relié à la colonne basse pression et un second réservoir de stockage d'un liquide auxiliaire relié à la double colonne, et une conduite d'utilisation délivrant de l'oxygène gazeux sous une haute pression, est caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite de renvoi dans la ligne d'échange thermique d'un débit variable d'oxygène gazeux sous haute pression prélevé dans la conduite d'utilisation, cette conduite de renvoi étant reliée audit premier réservoir.

[0009] Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la Figure unique représente schématiquement une installation de distillation d'air conforme à l'invention.

[0010] L'installation de distillation d'air représentée au dessin est destinée à fournir une quantité variable d'oxygène gazeux sous une haute pression (pouvant aller par exemple jusqu'à 15 bars environ), ainsi que de l'argon. Elle est du type à double colonne avec minaret et colonne de production d'argon impur, à détente d'air et à bascule oxygène/azote. C'est ainsi qu'elle comprend essentiellement une colonne moyenne pression 1 surmontée d'une colonne basse pression 2 elle-même pourvue à son sommet d'un minaret 3, une colonne 4 de production d'argon impur, un premier réservoir 5 de stockage d'oxygène liquide, un second réservoir 6 de stockage d'azote liquide, une ligne d'échange thermique 7 et une turbine 8 de détente d'air de la moyenne pression à la basse pression. Typiquement, la moyenne pression est d'environ 6 bars absolus et la basse pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. La vapeur de tête (azote) de la colonne 1 est mise en relation d'échange thermique indirect avec le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 2 au moyen d'un vaporiseur-condenseur principal 9.

[0011] On décrira tout d'abord le régime nominal de production d'oxygène gazeux de l'installation.

[0012] L'air à séparer, épuré en eau et en anhydride carbonique, comprimé à environ 6 bars absolus et refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée dans la ligne d'échange 7, pénètre dans le bas de la colonne 1 par une conduite 10. Du liquide pauvre supérieur, constitué d'azote presque pur, est soutiré du sommet de la colonne 1 par une conduite 11, sous-refroidi dans un sous-refroidisseur non représenté, détendu dans une vanne de détente 12 et envoyé en reflux au sommet du minaret 3 de la colonne basse pression.

[0013] Du liquide pauvre inférieur, soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne 1 par une conduite 13, est sous-refroidi dans le sous-refroidisseur précité, détendu dans une vanne de détente 14 et envoyé en reflux dans la colonne 2 à un niveau correspondant à la base du minaret 3.

[0014] Du liquide riche, constitué d'air enrichi en oxygène et soutiré en cuve de la colonne 1 par une conduite 15, est sous-refroidi dans le sous-refroidisseur précité. Une partie de ce liquide, détendue dans une vanne de détente 16, est envoyée en reflux dans la colonne 2, et le reste est détendu dans une vanne de détente 17 puis envoyé dans le condenseur de tête 18 de la colonne 4 pour y être vaporisé, puis renvoyé dans la colonne 2 via une conduite 19. L'oxygène gazeux produit est soutiré à la base de la colonne 2 via une conduite 20, réchauffé du bout froid au bout chaud de la ligne d'échange 7 et comprimé à la haute pression par un compresseur 21 refoulant dans une conduite 20A d'utilisation délivrant l'oxygène haute pression demandé. Ce compresseur comporte une conduite 22 de recyclage de sa sortie à son aspiration équipée d'une vanne de détente 23, afin de permettre de délivrer des débits très différents d'oxygène gazeux haute pression malgré la souplesse limitée du compresseur.

[0015] La colonne 4 est alimentée à sa base par une vapeur prélevée à un niveau intermédiaire de la colonne 2 au moyen d'une conduite 24 dite de piquage argon. Le liquide de cuve retourne dans la colonne 2, à peu près au même niveau, via une conduite 25. L'argon impur produit est soutiré du sommet de la colonne 4 via une conduite 25A.

[0016] On a également représenté à la Figure 1 une conduite 26 d'évacuation d'un gaz résiduaire W (azote impur) partant du niveau d'injection de liquide pauvre inférieur de la colonne 2, et une conduite 27 d'évacuation d'azote pur basse pression partant du sommet du minaret 3, les conduites 26 et 27 traversant le sous-refroidisseur précité pour en assurer le refroidissement, puis traversant la ligne d'échange 7 du bout froid au bout chaud.

[0017] La tenue en froid de l'installation est assurée par détente à la basse pression d'une partie de l'air entrant, partiellement refroidi, dans la turbine 8, et insufflation de cet air détendu dans la colonne 2 via une conduite 28.

[0018] On décrira maintenant le système à bascule, faisant intervenir les réservoirs 5 et 6, en supposant que la demande d'oxygène gazeux haute pression s'écarte de sa valeur nominale ou moyenne, le débit d'air traité restant constant.

(a) Lorsque la demande d'oxygène gazeux est faible (marche OL), le défaut d'oxygène gazeux soutiré de la colonne 2 par rapport à la marche nominale est envoyé sous forme liquide de la cuve de la colonne 2 jusque dans le réservoir 5, qui est à peu près à la pression atmosphérique, au moyen d'une pompe 29 et via une conduite 30.

[0019] Pour compenser la perte frigorifique résultante dans la double colonne, de l'azote liquide est envoyé du réservoir 6, qui est à peu près à la pression atmosphérique, au sommet du minaret 3 au moyen d'une pompe 31 et via une conduite 32, en une quantité supérieure d'environ 20% à la quantité d'oxygène liquide envoyé au réservoir 5. Cet azote se retrouve sous forme gazeuse en tête du minaret 3, de sorte qu'un excédent de produits gazeux est globalement envoyé au bout froid de la ligne d'échange 7 par rapport à la marche nominale.

[0020] On utilise cet excédent de produits frigorigènes pour produire du liquide supplémentaire, de la manière suivante.

[0021] On soutire de la colonne 2, via la conduite 20, un excès d'oxygène gazeux par rapport à la demande, et pour équilibrer le bilan matière de la colonne 2, on réduit d'autant le débit d'oxygène liquide envoyé au réservoir 5. Le même excès d'oxygène gazeux, après compression, est renvoyé au bout chaud de la ligne d'échange, via une conduite 33 partant du refoulement du compresseur 21, liquéfié dans la ligne d'échange puis envoyé au réservoir 5 à partir du bout froid de celle-ci, via une conduite 34 équipée d'une vanne de détente 34A.

[0022] Au total, le réservoir 5 reçoit la même quantité d'oxygène liquide que dans une bascule classique, mais avec un moindre soutirage de la cuve de la colonne 2. Une quantité correspondante d'azote liquide du réservoir 6 est ainsi économisée pendant la marche OL.

[0023] Par ailleurs, l'injection de gaz chaud supplémentaire (oxygène haute pression) dans la ligne d'échange a pour effet de relever la température d'aspiration de la turbine 8, par exemple jusqu'à sa valeur correspondant à la marche nominale, et donc d'augmenter sa puissance frigorifique spécifique. Ceci permet d'augmenter encore notablement la production de liquide, en augmentant simultanément le débit d'air turbiné, le rendement d'extraction en argon, dans cette marche, étant voisin de l'asymptote et par suite peu sensible à ce débit turbiné.

(b) Lorsque la demande d'oxygène gazeux est forte (marche NL), le compresseur 21 fonctionne sans recyclage via la conduite 22, tout l'oxygène comprimé étant fourni à l'utilisation. L'excédent d'oxygène gazeux soutiré de la colonne 2 par rapport à la marche nominale est compensé par une injection d'oxygène liquide dans la cuve de cette colonne à partir du réservoir 5, via une conduite 35, la pompe 29 et une conduite 36.

[0024] Le bilan frigorifique est équilibré par envoi d'azote liquide du sommet de la colonne 1 au réservoir 6 via la conduite 11 et une conduite 37 équipée d'une vanne de détente 38.

[0025] Cependant, dans cette marche, on met à profit la réserve d'azote liquide constituée en marche OL grâce à la liquéfaction d'oxygène haute pression, en envoyant un débit correspondant d'azote liquide au sommet du minaret 3, via la conduite 32. Cet apport frigorifique supplémentaire permet de réduire d'autant le débit d'air turbiné et crée de plus un reflux supplémentaire dans la colonne 2, ce qui constitue deux facteurs favorables à la distillation en basse pression. Au total, le rendement d'extraction en argon est augmenté en marche NL.

[0026] Le gain en rendement d'extraction en argon ainsi obtenu en marche NL est nettement supérieur à la perte de rendement d'extraction en argon subie en marche OL. Au total, le rendement moyen d'extraction en argon est augmenté de façon sensible.

[0027] Il est à noter que le gain énergétique obtenu grâce à l'invention peut être mis à profit non seulement pour augmenter le rendement d'extraction en argon, mais également pour augmenter une production de liquide (oxygène liquide ou azote liquide) de l'installation.

[0028] On comprend que l'invention s'applique non seulement aux installations maintenues en froid par détente d'air en basse pression, mais également à tous les autres types d'installations de distillation d'air à double colonne.

Revendications

1 - Procédé de distillation d'air en régime variable de production d'oxygène gazeux, au moyen d'une installation à double colonne (1, 2), du type dans lequel, lorsque la demande d'oxygène gazeux est inférieure à une valeur moyenne, on fait passer de l'oxygène liquide de la colonne basse pression (2) de la double colonne à un premier réservoir (5) de stockage d'oxygène liquide et on envoie dans la double colonne (1, 2) de l'azote liquide en provenance d'un second réservoir (6) de stockage d'azote liquide, tandis que lorsque la demande d'oxygène gazeux est supérieure à la valeur moyenne, on introduit dans la colonne basse pression de l'oxygène liquide prélevé dans le premier réservoir (5) et l'on condense simultanément une quantité correspondante d'azote que l'on envoie dans le second réservoir (6), caractérisé en ce que lorsque la demande d'oxygène est inférieure à la valeur moyenne, on produit de l'oxygène liquide additionnel en introduisant de l'oxygène comprimé, à l'état gazeux, dans la ligne d'échange thermique (7) de l'installation, le débit d'azote liquide injecté dans la double colonne étant réduit de façon correspondante.

2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la demande d'oxygène gazeux est supérieure à la valeur moyenne, on envoie dans la double colonne (1, 2) l'azote liquide économisé lorsque la demande d'oxygène est inférieure à la valeur moyenne.

3 - Procédé suivant la revendication 2, pour une installation comprenant une turbine principale (8) de maintien en froid, caractérisé en ce que, lorsque la demande d'oxygène gazeux est supérieure à la valeur moyenne, on réduit le débit de la turbine principale (8) par rapport au débit nominal.

4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour une installation comprenant une turbine principale (8) de maintien en froid, caractérisé en ce que, lorsque la demande en oxygène gazeux est inférieure à la valeur moyenne, on augmente le débit de la turbine principale par rapport au débit nominal.

5 - Installation de distillation d'air à double colonne (1, 2) destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux, du type comprenant une ligne d'échange thermique (7), une bascule qui comporte un premier réservoir (5) de stockage d'oxygène liquide relié à la colonne basse pression (2) et un second réservoir (6) de stockage d'un liquide auxiliaire relié à la double colonne, et une conduite d'utilisation (20A) délivrant de l'oxygène gazeux sous une haute pression, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite (33) de renvoi dans la ligne d'échange thermique d'un débit variable d'oxygène gazeux sous haute pression prélevé dans la conduite d'utilisation (20A), cette conduite de renvoi étant reliée audit premier réservoir (5).

Dessins