Procédé de production d'oxygène gazeux sous pression

Abstract

 Dans ce procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression par distillation d'air dans une double colonne (7), pompage (en 12) d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (9), et vaporisation (en 6) de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur avec de l'air porté à une haute pression d'air, on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller, on détend dans une turbine (4) freinée par un surpresseur d'air (5), à la pression de la colonne moyenne pression (8), la fraction excédentaire de cet air, et on évacue de l'installation au moins un produit liquide.

Description

[0001] La présente invention est relative à un procédé et une installation de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène par distillation d'air dans une installation à double colonne comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, pompage d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, et vaporisation de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur, dans la ligne d'échange thermique de l'installation, avec de l'air porté à une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression.

[0002] Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions absolues. Les pressions de la colonne moyenne pression et de la colonne basse pression seront appelées "moyenne pression" et "basse pression" respectivement.

[0003] Les procédés de ce type, dits procédés "à pompe", permettent de supprimer tout compresseur d'oxygène gazeux. Pour obtenir une dépense d'énergie compétitive, il est nécessaire de comprimer un débit d'air important, de l'ordre de 1,5 fois le débit d'oxygène à vaporiser, jusqu'à une pression suffisante permettant de le liquéfier à contre-courant de l'oxygène.

[0004] Il est connu que la dépense d'énergie des installations correspondantes n'est inférieure ou égale à celle des installations munies d'un compresseur d'oxygène que pour des pressions de vaporisation d'oxygène inférieures à 10 bars environ, et que cette dépense d'énergie augmente progressivement avec cette pression. De plus, dans le domaine où la dépense d'énergie est acceptable, la technique habituelle utilise deux compresseurs en série, le second ne traitant que la fraction de l'air destiné à la vaporisation de l'oxygène liquide, ce qui accroît considérablement l'investissement de l'installation.

[0005] L'invention a pour but de fournir un procédé "à pompe" ne nécessitant qu'un investissement réduit.

[0006] A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que : on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller; à une température intermédiaire de refroidissement, on détend dans une turbine freinée par un surpresseur d'air, à la pression de la colonne moyenne pression, la fraction de cet air qui est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique; et on évacue de l'installation au moins un produit liquide.

[0007] Suivant d'autres caractéristiques :

• pour une haute pression d'oxygène inférieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène;
• pour une haute pression d'oxygène supérieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air, quelle que soit la haute pression d'oxygène, une pression inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ.

[0008] L'invention a également pour objet une installation de production d'oxygène gazeux sous pression destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation d'air comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, une pompe de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, des moyens de compression d'air pour amener une fraction de l'air à distiller à une haute pression d'air, et une ligne d'échange thermique pour mettre en relation d'échange thermique ladite fraction de l'air à la haute pression d'air et l'oxygène liquide comprimé, est caractérisée en ce que lesdits moyens de compression d'air sont montés de façon à traiter la totalité de l'air à distiller, et en ce que l'installation comprend d'une part une turbine de détente freinée par un surpresseur d'air et dont l'aspiration est reliée aux passages de refroidissement d'air, en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, l'échappement de cette turbine étant directement relié à la colonne moyenne pression, et d'autre part des moyens pour évacuer de l'installation au moins un produit liquide.

[0009] Une étude approfondie des phénomènes mis en jeu dans le procédé défini ci-dessus montre que, dans certains cas, la turbine de détente risque de voir du liquide se former à l'entrée de sa roue si l'on veut maintenir des écarts de température réduits à l'emplacement du palier de vaporisation de l'oxygène et au bout chaud de la ligne d'échange. C'est le cas lorsque la pression d'oxygène est supérieure à 13 bars environ, lorsque l'installation comprend une seule turbine de détente (c'est-à-dire ne comporte pas de turbine détente d'air en basse pression) et lorsque la presque totalité de l'oxygène liquide soutiré de la double colonne est vaporisé sous pression.

[0010] Suivant un développement de l'invention, on obtient les faibles écarts de température précités, et donc une faible dépense d'énergie spécifique, tout en évitant l'apparition de liquide à l'entrée de la roue de la turbine de détente.

[0011] A cet effet, l'invention a également pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que:

• on comprime la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression;
• on refroidit une première fraction de cet air sous la première haute pression et, à une température intermédiaire de refroidissement, on en détend au moins une partie à la moyenne pression dans une turbine avant de l'introduire dans la double colonne;
• on surpresse à une seconde haute pression le reste de l'air sous la première haute pression, une partie au moins de l'air surpressé, dont le débit est inférieur au débit d'oxygène liquide à vaporiser, étant refroidi et liquéfié puis, après détente, introduit dans la double colonne;
• la seconde haute pression étant d'une part inférieure à la pression de condensation ou de pseudo-condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ, et, d'autre part, choisie de façon que la condensation ou la pseudo-condensation de l'air sous cette seconde haute pression ait lieu au voisinage de la température d'admission de la turbine; et
• on évacue de l'installation au moins un produit liquide.

[0012] L'invention a encore pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation d'air comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, une pompe de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression, des moyens de compression pour amener de l'air à distiller à une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression, et une ligne d'échange thermique pour mettre en relation d'échange thermique l'air à la haute pression et l'oxygène liquide comprimé, est caractérisée en ce que les moyens de compression comprennent un compresseur pour amener la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, et des moyens de surpression d'une fraction de l'air sous cette première haute pression, ces moyens de surpression comprenant deux soufflantes en série couplées chacune à une turbine de détente, la première soufflante étant couplée à une turbine de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante étant couplée à une seconde turbine de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine étant supérieure à celle de la première turbine, l'installation comprenant également des moyens pour évacuer de l'instalallation au moins un produit liquide.

[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 gazeux conforme à l'invention;
• la Figure 2 est un diagramme montrant l'évolution de la pression de vaporisation d'oxygène, suivant l'invention, en fonction de la haute pression de l'oxygène;
• les Figures 3 à 5 sont des diagrammes d'échange thermique correspondant à trois utilisations différentes de l'installation suivant l'invention;
• la Figure 6 représente schématiquement une autre installation de production d'oxygène gazeux conforme à l'invention;
• la Figure 7 est un diagramme d'échange thermique correspondant à cette installation, avec en abscisses la température en degrés Celsius et en ordonnées les enthalpies échangées dans la ligne d'échange thermique;
• les Figures 8 et 9 sont des vues analogues respectivement aux Figures 6 et 7 mais relatives à un autre mode de réalisation de l'installation suivant l'invention; et
• les Figures 10 et 11 représentent schématiquement plusieurs variantes de l'installation.

[0014] L'installation de distillation d'air représentée à la Figure 1 comprend essentiellement : un compresseur d'air 1; un appareil 2 d'épuration de l'air comprimé en eau et en CO2 par adsorption, cet appareil comprenant deux bouteilles d'adsorption 2A, 2B dont l'une fonctionne en adsorption pendant que l'autre est en cours de régénération; un ensemble turbine-surpresseur 3 comprenant une turbine de détente 4 et un surpresseur 5 dont les arbres sont couplés; un échangeur de chaleur 6 constituant la ligne d'échange thermique de l'installation; une double colonne de distillation 7 comprenant une colonne moyenne pression 8 surmontée d'une colonne basse pression 9, avec un vaporiseur-condenseur 10 mettant la vapeur de tête (azote) de la colonne 8 en relation d'échange thermique avec le liquide de cuve (oxygène) de la colonne 9; un réservoir d'oxygène liquide 11 dont le fond est relié à une pompe d'oxygène liquide 12; et un réservoir d'azote liquide 13 dont le fond est relié à une pompe d'azote liquide 14.

[0015] Cette installation est destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression prédéterminée, qui peut être comprise entre quelques bars et quelques dizaines de bars (dans le présent mémoire, les pressions considérées sont des pressions absolues).

[0016] Pour cela, de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 9 via une conduite 16 et stocké dans le réservoir 11, est amené à la haute pression par la pompe 12 à l'état liquide, puis vaporisé et réchauffé sous cette haute pression dans des passages 17 de l'échangeur 6.

[0017] La chaleur nécessaire à cette vaporisation et à ce réchauffage, ainsi qu'au réchauffage et éventuellement à la vaporisation d'autres fluides soutirés de la double colonne, est fournie par l'air à distiller, dans les conditions suivantes.

[0018] La totalité de l'air à distiller est comprimée par le compresseur 1 à une pression supérieure à la moyenne pression de la colonne 8 mais inférieure à la haute pression. Puis l'air, prérefroidi en 18 et refroidi au voisinage de la température ambiante en 19, est épuré dans l'une, 2A par exemple, des bouteilles d'adsorption, et surpressé en totalité à la haute pression par le surpresseur 5, lequel est entraîné par la turbine 4.

[0019] L'air est alors introduit au bout chaud de l'échangeur 6 et refroidi en totalité jusqu'à une température intermédiaire. A cette température, une fraction de l'air poursuit son refroidissement et est liquéfié dans des passages 20 de l'échangeur, puis est détendu à la basse pression dans une vanne de détente 21 et introduit à un niveau intermédiaire dans la colonne 9. Le reste de l'air, ou air excédentaire, est détendu à la moyenne pression dans la turbine 4 puis envoyé directement, via une conduite 22, à la base de la colonne 8.

[0020] On reconnait par ailleurs sur la Figure 1 les conduites habituelles des installations à double colonne, celle représentée étant du type dit "à minaret", c'est-à-dire avec production d'azote sous la basse pression : les conduites 23 à 25 d'injection dans la colonne 9, à des niveaux croissants, de "liquide riche" (air enrichi en oxygène) détendu, de "liquide pauvre inférieur" (azote impur) détendu et de "liquide pauvre supérieur" (azote pratiquement pur) détendu, respectivement, ces trois fluides étant respectivement soutirés à la base, en un point intermédiaire et au sommet de la colonne 8; et les conduites 26 de soutirage d'azote gazeux partant du sommet de la colonne 9 et 27 d'évacuation du gaz résiduaire (azote impur) partant du niveau d'injection du liquide pauvre inférieur. L'azote basse pression est réchauffé dans des passages 28 de l'échangeur 6 puis évacué via une conduite 29, tandis que le gaz résiduaire, après réchauffement dans des passages 30 de l'échangeur, est utilisé pour régénérer une bouteille d'adsorption, la bouteille 2B dans l'exemple considéré, avant d'être évacué via une conduite 31.

[0021] On voit encore sur la Figure 1 qu'une partie de l'azote liquide moyenne pression est, après détente dans une vanne de détente 32, stockée dans le réservoir 13, et une production d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide est fournie via une conduite 33 (pour l'azote) et/ou 34 (pour l'oxygène).

[0022] Pour le choix de la pression de l'air surpressé, on distingue deux cas.

[0023] Lorsque la haute pression d'oxygène est inférieure à 13 bars environ, cette pression d'air est la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression, c'est-à-dire la pression pour laquelle le genou G de liquéfaction de l'air, sur le diagramme d'échange thermique (températures en abscisses, quantités de chaleur échangées en ordonnées) est situé légèrement à droite du palier vertical P de vaporisation de l'oxygène sous la haute pression (Figure 3). L'écart de température au bout chaud de la ligne d'échange est ajusté au moyen de la turbine, dont la température d'aspiration est indiquée en A. L'irréversibilité de l'échange thermique est ainsi minimale. Une telle pression d'air est portée en fonction de la haute pression, sur la portion gauche C1 de la courbe de la Figure 2.

[0024] Comme on le voit sur la Figure 2, une haute pression de l'ordre de 13 bars correspond de cette manière à une pression d'air de l'ordre de 30 bars (plus précisément, environ 28,5 bars). Lorsque la haute pression est supérieure à 13 bars, on choisit une pression d'air de l'ordre de 30 bars, quelle que soit cette haute pression, comme indiqué sur la portion droite C2 de la courbe de la Figure 2.

[0025] Dans le premier cas (haute pression inférieure à 13 bars environ), la production d'oxygène et/ou d'azote sous forme liquide a pour conséquence un déficit de produits gazeux froids dans l'échangeur 6, d'où une température d'aspiration relativement élevée de la turbine 4. Ce phénomène a pour conséquence une production frigorifique importante par cette turbine, ce qui permet à l'installation de produire une quantité importante d'oxygène et/ou d'azote sous forme liquide, ceci dans des conditions d'investissement particulièrement avantageuses.

[0026] Dans le second cas (haute pression supérieure à 13 bars environ), en considérant la Figure 2, la pression d'air ne se trouve plus sur le prolongement C3 de la courbe C1; par suite, le genou G de liquéfaction de l'air (Figure 4) se décale vers la gauche par rapport au palier P de vaporisation de l'oxygène, et la température d'aspiration de la turbine devient inférieure à celle du palier P. Par suite, une fraction importante de l'air turbiné se trouve en moyenne pression sous forme liquide, et le bilan frigorifique de l'installation est équilibré, avec un écart de température au bout chaud de l'ordre de 3°C, en soutirant de l'installation au moins un produit (oxygène et/ou azote) sous forme liquide via les conduites 33 et/ou 34. Lorsque la pression de l'air est de l'ordre de 30 bars, cet équilibre s'obtient pour un soutirage de liquide de l'ordre de 25% de la production d'oxygène gazeux sous haute pression.

[0027] En variante, on peut choisir une pression d'air comprise entre 30 bars environ et la courbe C3, c'est-à-dire dans la région B de la Figure 2. Il faut alors évacuer une plus grande quantité de liquide pour atteindre l'équilibre précité.

[0028] Ainsi, sur toute la gamme de pressions d'oxygène, on utilise une installation à un seul compresseur, ce qui constitue un investissement réduit, et le surcoût d'énergie résultant de la compression de la totalité de l'air à la pression de vaporisation d'oxygène sert à produire du liquide.

[0029] Dans une variante non représentée, dans des gammes de pression et de débit aisément déterminables par le calcul, de l'azote gazeux sous pression peut, en supplément, être produit de manière analogue, en portant de l'azote liquide à la pression désirée, par soutirage au sommet de la colonne 8 ou au moyen d'une pompe telle que 14 aspirant l'azote liquide à cet endroit ou dans le réservoir 13, et en faisant passer cet azote liquide dans des passages appropriés de vaporisation-réchauffement de l'échangeur 6.

[0030] Dans une autre variante, illustrée uniquement par le diagramme d'échange thermique de la Figure 5, une partie de l'oxygène gazeux produit peut l'être sous une haute pression différente, en la vaporisant sous cette pression dans d'autres passages appropriés de l'échangeur 6. Si les deux hautes pressions sont l'une inférieure à 13 bars environ et l'autre supérieure à 13 bars environ, la totalité de l'air est de préférence comprimée à 30 bars environ (ou au-dessus comme expliqué plus haut), et en tout cas de manière que le genou de liquéfaction G se trouve en regard du palier de vaporisation P1 de l'oxygène sous la haute pression la plus faible, et la température d'aspiration de la turbine (point A) est supérieure à celle du palier P2 de vaporisation de l'oxygène sous la haute pression la plus élevée. On obtient dans ce cas un diagramme d'échange thermique bien resserré, très favorable du point de vue énergétique.

[0031] En variante encore, si l'oxygène produit est à faible pureté (de l'ordre de 90 à 98%), on peut prévoir une deuxième turbine (non représentée) détendant de la moyenne pression à la basse pression une fraction, de l'ordre de 10 à 25%, du débit d'air traité, l'air basse pression ainsi obtenu étant insufflé dans la colonne 9. Si la haute pression d'oxygène est inférieure à 13 bars environ, cette fraction peut être prise à l'échappement de la turbine 4, dont la température est suffisamment élevée. Dans le cas inverse, ladite fraction est prélevée en cuve de la colonne 8, ou prise à l'échappement de la turbine 4 et séparée de sa phase liquide, et réchauffée avant la détente.

[0032] Cette variante permet d'augmenter la production de liquide tout en diminuant légèrement la production de liquide en moyenne pression, et par suite la pression de marche de l'installation, c'est-à-dire la haute pression d'air.

[0033] On comprend par ailleurs que la turbine 4 peut également être freinée par un appareil autre qu'un surpresseur. Dans ce cas, le surpresseur 5 est supprimé, et le compresseur 1 comprime directement la totalité de l'air à la haute pression d'air définie plus haut.

[0034] L'installation représentée à la Figure 6 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression au moins égale à 13 bars environ et, dans cet exemple, de 35 bars. Elle comprend essentiellement une double colonne de distillation 41, une ligne d'échange thermique principale 42, un sous-refroidisseur 43, un compresseur d'air unique 44, une soufflante 45 de surpression d'air, une turbine de détente 46 dont la roue est montée sur le même arbre que celle du surpresseur 45, une soufflante additionnelle 47 entraînée par un moteur électrique 48, et une pompe d'oxygène liquide 49. La double colonne est constituée, de manière classique, d'une colonne moyenne pression 50 fonctionnant sous environ 6 bars et surmontée d'une colonne basse pression 51 fonctionnant légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, avec, en cuve de cette dernière, un vaporiseur-condenseur 52 qui met en relation d'échange thermique l'oxygène liquide de cuve de la colonne basse pression avec l'azote de tête de la colonne moyenne pression.

[0035] En fonctionnement, l'air à distiller, comprimé en totalité par le compresseur 44 à une pression de l'ordre de 23 bars et épuré dans un adsorbeur 44A, est surpressé en totalité par le surpresseur 45 à une première haute pression de l'ordre de 28 bars, puis divisé en deux courants.

[0036] Le premier courant est refroidi sous cette première haute pression dans des passages 53 de la ligne d'échange 42. Une partie de ce premier courant poursuit son refroidissement, et est liquéfié, jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis est détendu à la moyenne pression et à la basse pression dans des vannes de détente 54 et 55 respectivement et réparti entre les colonnes 50 et 51. Le reste du premier courant est sorti de la ligne d'échange à une température intermédiaire T1, détendu dans la turbine 46 à la moyenne pression et introduit à la base de la colonne 50.

[0037] Le second courant d'air surpressé est à nouveau surpressé, jusqu'à une seconde haute pression de l'ordre de 35 à 40 bars, par la soufflante 47, puis refroidi et liquéfié dans des passages 56 de la ligne d'échange, jusqu'au bout froid de celle-ci. Le liquide ainsi obtenu est détendu dans une vanne de détente 57 et envoyé à la base de la colonne 50.

[0038] On entend ici par "surpresseur" ou "soufflante" un compresseur à une seule roue dont la dépense d'énergie, de par le débit de gaz traité et le taux de compression, est considérablement inférieure à celle du compresseur principal 44 de l'installation, et par exemple de l'ordre de 2 à 3% de cette dernière. Le taux de compression d'une telle soufflante est généralement inférieur à 2. Chacune des soufflantes dont il est question ici comporte à sa sortie un réfrigérant à eau ou à air atmosphérique non représenté.

[0039] L'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne 51 est amené par la pompe 49 à la pression de production désirée, puis vaporisé et réchauffé dans des passages 58 de la ligne d'échange avant d'être évacué de l'installation via une conduite de production 59.

[0040] On retrouve par ailleurs dans l'installation de la Figure 6 les conduites et accessoires habituels des installations à double colonne : une conduite 60 de remontée dans la colonne 51 du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 50, avec sa vanne de détente 61, une conduite 62 de remontée en tête de la colonne 51 du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 50, avec sa vanne de détente 63, ainsi qu'une conduite 64 de production d'oxygène liquide, piquée en cuve de la colonne 51, qu'une conduite 65 de production d'azote liquide, piquée sur la conduite 62, et qu'une conduite 66 de soutirage d'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation, piquée en tête de la colonne 51, cet azote impur étant réchauffé dans le sous-refroidisseur 43 puis dans des passages 67 de la ligne d'échange avant d'être évacué via une conduite 68.

[0041] Comme on le voit sur la Figure 7, la température T1 d'admission de la turbine 46 est inférieure à la température du palier 69 de vaporisation de l'oxygène sous la pression de production, et l'on équilibre le bilan frigorifique de l'installation, afin de maintenir un faible écart de température au bout chaud de la ligne d'échange, en soutirant via les conduites 64 et/ou 65 certaines quantités d'azote liquide et/ou d'oxygène liquide, comme expliqué plus haut en regard des Figures 1 à 5. Lorsque la pression de l'air au refoulement du compresseur 44 est de l'ordre de 23 bars, cet équilibre s'obtient pour un soutirage de liquide de l'ordre de 5% du débit d'air traité.

[0042] De plus, la seconde haute pression précitée est d'une part inférieure à la pression de condensation de l'air par échange thermique avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la pression de production, et d'autre part choisie de façon que l'air porté à cette seconde haute pression commence à se condenser à une température voisine de T1. Ceci assure un important apport de calories au voisinage de cette température T1 et permet à la turbine 46 de fonctionner dans de bonnes conditions, c'est-à-dire sans production de liquide à l'entrée de sa roue, tout en maintenant des écarts de température optimaux, de l'ordre de 2 à 3°C, au deux bouts de la ligne d'échange ainsi qu'à l'emplacement du palier de vaporisation 69.

[0043] Il est à noter que le débit d'air surpressé qui est liquéfié dans les passages 56 est très inférieur à celui nécessaire pour vaporiser l'oxygène. Ce débit d'air liquéfié est en effet inférieur au débit d'oxygène à vaporiser et est juste suffisant pour éviter l'apparition de liquide à l'entrée de la roue de la turbine 46.

[0044] Si les paramètres de l'installation sont tels que la seconde haute pression de l'air est super-critique, c'est la pseudo-condensation de l'air qui doit intervenir au voisinage de la température T1.

[0045] Dans le mode de réalisation de la Figure 8, le compresseur d'air 44 de l'installation comprime directement la totalité de l'air à la première haute pression de l'ordre de 23 bars, et un premier courant de cet air est traité comme précédemment dans les passages 53, la turbine 46 et la vanne de détente 54 puis envoyé à la base de la colonne 50.

[0046] En revanche, le reste de cet air est surpressé en deux étapes, par deux soufflantes montées en série : une première soufflante 70 qui, comme la soufflante 45 de la Figure 6, est couplée directement à la turbine 46, et une deuxième soufflante 71 directement couplée à une deuxième turbine de détente 72. L'air surpressé en 70 passe en totalité dans la soufflante 71 puis dans les passages 56 de la ligne d'échange 42, et une partie de cet air est sorti de la ligne d'échange à une température T2 supérieure à la température T1 pour être détendu dans la turbine 72. L'échappement de cette dernière, à la moyenne pression, est relié à la base de la colonne 50 comme celui de la turbine 46.

[0047] L'air à la plus haute pression non détendu dans la turbine 72 poursuit son refroidissement et est liquéfié dans les passages 56 jusqu'au bout froid de la ligne d'échange, puis est détendu dans des vannes de détente 57 et 57A et réparti entre les deux colonnes 50 et 51. La vanne 57A remplace la vanne 55 de la Figure 6.

[0048] Comme on le voit sur la Figure 9, on peut choisir la température T2 légèrement au-dessus du palier 69 de vaporisation de l'oxygène. Compte-tenu du débit relativement faible de l'air détendu dans la turbine 72, on obtient une courbe de refroidissement d'air à peu près parallèle à la courbe de réchauffement de l'oxygène liquide et de l'azote gazeux de la température T2 au genou 73 de condensation ou de pseudo-condensation de l'air sous la plus haute pression.

[0049] L'installation de la Figure 10 diffère de la précédente par les points suivants.

[0050] D'une part, la totalité de l'air refroidi sous la première haute pression est détendu dans la turbine 46, c'est-à-dire que les passages 53 sont interrompus au niveau de température T1 et que la vanne de détente 54 est supprimée.

[0051] D'autre part, un débit d'air, prélevé entre les deux soufflantes 70 et 71, est refroidi et liquéfié dans des passages supplémentaires 74 de la ligne d'échange, jusqu'au bout froid de celle-ci, puis détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 75 et envoyé à la base de la colonne 50.

[0052] En variante, comme indiqué en trait mixte, la turbine 72 peut être alimentée par l'air circulant dans les passages 74, lesquels sont alors interrompus à la température T2. La vanne de détente 75 est alors supprimé, et c'est l'air circulant dans les passages 56 qui est en totalité liquéfié dans les passages 56 puis détendu à la moyenne pression dans la vanne de détente 57.

[0053] Bien entendu, on peut envisager une combinaison des deux variantes ci-dessus.

[0054] En variante encore, comme indiqué en trait interrompu sur la Figure 10, la pression d'air la plus haute peut être accrue en faisant passer l'air issu de la soufflante 71 dans une soufflante additionnelle 76 entraînée par un moteur électrique 77.

[0055] L'installation représentée à la Figure 11 est une variante de celle de la Figure 8. Elle n'en diffère que par le fait que l'échappement des deux turbines 46 et 72 débouche dans un séparateur de phases 78 dont le liquide et une partie de la phase vapeur sont envoyés en cuve de la colonne 50 tandis que le reste de la phase vapeur, après réchauffement partiel dans des passages 79 de la ligne d'échange, est détendu à la basse pression dans une turbine additionnelle 80 freinée par un frein approprié 81. L'air basse pression sortant de la turbine 80 est insufflé dans la colonne 51 via une conduite 82. Cette solution est applicable lorsque l'oxygène produit gazeux sous pression est à faible pureté (moins de 99,5%).

Revendications

1 - Procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène par distillation d'air dans une installation à double colonne (7), pompage (en 12) d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (9), et vaporisation (en 6) de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur, dans la ligne d'échange thermique (6) de l'installation, avec de l'air porté à une haute pression d'air, caractérisé en ce que : on comprime à la haute pression d'air la totalité de l'air à distiller; à une température intermédiaire de refroidissement, on détend dans une turbine (4) freinée par un surpresseur d'air (5), à la pression de la colonne moyenne pression (8), la fraction de cet air qui est excédentaire par rapport aux besoins frigorifiques de la ligne d'échange thermique; et on évacue de l'installation au moins un produit liquide.

2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une haute pression d'oxygène inférieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène.

3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une haute pression d'oxygène supérieure à 13 bars environ, on choisit comme haute pression d'air, quelle que soit la haute pression d'oxygène, une pression inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ.

4 - Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite haute pression d'air est voisine de 30 bars, le débit de produit liquide évacué étant de l'ordre de 25% de la production d'oxygène gazeux sous la haute pression d'oxygène.

5 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la production d'oxygène gazeux sous deux hautes pressions d'oxygène différentes, respectivement inférieure et supérieure à 13 bars environ, on vaporise les deux courants d'oxygène liquide comprimés par échange de chaleur avec de l'air comprimé à une haute pression d'air unique qui est d'une part inférieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation à la plus haute pression d'oxygène, et d'autre part au moins égale à 30 bars environ, notamment à une haute pression d'air voisine de 30 bars, et en tout cas supérieure à la pression de condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation à la plus basse pression d'oxygène.

6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on comprime l'air en deux stades, le stade final étant réalisé au moyen du surpresseur (5) entraîné par la turbine (4).

7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on vaporise également, dans la ligne d'échange thermique (6), par échange de chaleur avec l'air à la haute pression d'air, de l'azote liquide sous pression soutiré de la double colonne (7) et éventuellement comprimé par une pompe (14).

8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une partie de l'air moyenne pression est, éventuellement après séparation de sa phase liquide, détendu à la basse pression dans une seconde turbine et insufflé dans la colonne basse pression (9).

9 - Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'air détendu à la basse pression est prélevé en cuve de la colonne moyenne pression (8).

10 - Installation de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène , du type comprenant une double colonne de distillation d'air (7) comprenant une colonne basse pression et une colonne moyenne pression, une pompe (14) de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (9), des moyens de compression d'air (1, 5) pour amener une fraction de l'air à distiller à une haute pression d'air, et une ligne d'échange thermique (6) pour mettre en relation d'échange thermique ladite fraction de l'air à la haute pression d'air et l'oxygène liquide comprimé, caractérisée en ce que lesdits moyens de compression d'air (1, 5) sont montés de façon à traiter la totalité de l'air à distiller, et en ce que l'installation comprend d'une part une turbine (4) de détente freinée par un surpresseur d'air (5) et dont l'aspiration est reliée aux passages de refroidissement d'air (20), en un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique (6), l'échappement de cette turbine étant directement relié à la colonne moyenne pression (8), et d'autre part des moyens (33, 34) pour évacuer de l'installation au moins un produit liquide.

11 - Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que lesdits moyens de compression d'air (1, 5) sont constitués par le compresseur d'air principal (1) de l'installation et par le surpresseur (5) couplé à la turbine (4).

12 - Installation suivant la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique (6) comporte des passages de vaporisation d'azote liquide soutiré de la double colonne (7), par échange thermique avec l'air à la haute pression d'air, et éventuellement une pompe (14) de compression de cet azote liquide disposée en amont de la ligne d'échange thermique.

13 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde turbine de détente à la basse pression d'une partie de l'air moyenne pression, et des moyens d'insufflation dans la colonne basse pression (9) de l'air ainsi détendu.

14 - Procédé de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bars environ par distillation d'air dans une installation à double colonne comprenant une colonne basse pression (51) et une colonne moyenne pression (50), pompage (en 49) d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (51), et vaporisation (en 42) de l'oxygène liquide comprimé par échange de chaleur avec de l'air porté à une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, caractérisé en ce que :

- on comprime la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression;

- on refroidit (en 53) une première fraction de cet air sous la première haute pression et, à une température intermédiaire de refroidissement, on en détend au moins une partie à la moyenne pression dans une turbine (46) avant de l'introduire dans la double colonne (41);

- on surpresse à une seconde haute pression le reste de l'air sous la première haute pression, une partie au moins de l'air surpressé, dont le débit est inférieur au débit d'oxygène liquide à vaporiser, étant refroidi et liquéfié (en 56) puis, après détente (en 57; 57, 57A), introduit dans la double colonne (41);

- la seconde haute pression étant d'une part inférieure à la pression de condensation ou de pseudo-condensation de l'air par échange de chaleur avec l'oxygène en cours de vaporisation sous la haute pression d'oxygène et au moins égale à 30 bars environ, et, d'autre part, choisie de façon que la condensation ou la pseudo-condensation de l'air sous cette seconde haute pression ait lieu au voisinage de la température d'admission de la turbine (46); et

- on évacue de l'installation au moins un produit liquide (en 64, 65).

15 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par une soufflante (47) ayant un taux de compression inférieur à 2.

16 - Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que la soufflante (47) est entraînée par une source d'énergie extérieure (48) (Figure 1).

17 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par deux soufflantes (70, 71) en série couplées chacune à une turbine de détente (46, 72), la première soufflante (70) étant couplée à la turbine (46) de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante (71) étant couplée à une seconde turbine (72) de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine (72) étant supérieure à celle de la première turbine (46) (Figures 9, 10 et 11).

18 - Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'un débit d'air est prélevé entre les deux soufflantes (70, 71) et, au moins en partie, refroidi et liquéfié (en 74) puis, après détente (en 75), introduit dans la double colonne (41) (Figure 10).

19 - Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que ladite surpression est effectuée par une soufflante (70) couplée à la turbine (46) de détente de l'air sous la première haute pression, une première partie de l'air surpressé étant détendue dans une seconde turbine (72) couplée à une deuxième soufflante (71) alimentée par le reste de l'air surpressé, l'air issu de la seconde soufflante (71) étant refroidi et liquéfié puis, après détente (en 57), introduit dans la double colonne (41) (Figure 10).

20 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que l'air issu de la seconde soufflante (71) est de nouveau surpressé par une troisième soufflante (76) entraînée par une source d'énergie extérieure (77) (Figure 10).

21 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 14 à 20, caractérisé en ce qu'une partie de la phase gazeuse de l'air issu de la ou de chaque turbine (46, 72) est détendue à la basse pression dans une turbine additionnelle (80), puis insufflée dans la colonne basse pression (51).

22 - Installation de production d'oxygène gazeux sous une haute pression d'oxygène d'au moins 13 bars environ, du type comprenant une double colonne de distillation d'air (41) comprenant une colonne basse pression (51) et une colonne moyenne pression (50), une pompe (49) de compression d'oxygène liquide soutiré en cuve de la colonne basse pression (51), des moyens de compression (54, 70, 71) pour amener de l'air à distiller à une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression, et une ligne d'échange thermique (42) pour mettre en relation d'échange thermique l'air à la haute pression et l'oxygène liquide comprimé, caractérisée en ce que les moyens de compression (44, 70, 71) comprennent un compresseur (44) pour amener la totalité de l'air à distiller à une première haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, et des moyens (70, 71) de surpression d'une fraction de l'air sous cette première haute pression, ces moyens de surpression comprenant deux soufflantes (70, 71) en série couplées chacune à une turbine de détente (46, 72), la première soufflante (70) étant couplée à une turbine (46) de détente d'air sous la première haute pression et la seconde soufflante (71) étant couplée à une seconde turbine (72) de détente d'une partie de l'air surpressé, la température d'admission de la seconde turbine (72) étant supérieure à celle de la première turbine (46), l'installation comprenant également des moyens (64, 65) pour évacuer de l'installation au moins un produit liquide.

23 - Installation suivant la revendication 22, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour prélever un débit d'air entre les deux soufflantes (70, 71) et des moyens (74, 75) pour refroidir, liquéfier, détendre et introduire dans la double colonne (41) au moins une partie de ce débit d'air.

24 - Installation suivant la revendication 22 ou 23, caractérisée en ce qu'elle comprend une troisième soufflante (77) montée en série derrière la seconde soufflante (71) et entraînée par une source d'énergie extérieure (77).

25 - Installation suivant l'une quelconque des revendications 22 à 24, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine additionnelle (80) de détente à la basse pression d'une partie de la phase vapeur de l'air issu desdites turbines (46, 72), et des moyens (82) pour insuffler cette partie de la phase vapeur dans la colonne basse pression (50).

Dessins