Procédé et installation de production d'oxygène et/ou d'azote sous pression

Abstract

 La totalité de l'air entrant est amenée à une haute pression puis refroidie à une température intermédiaire. A cette température, une partie de l'air est turbiné (en 5) à la moyenne pression, et le reste est liquéfié. La colonne basse pression fonctionne sous une pression de l'ordre de 1,7 à 5 bars absolus, et son gaz résiduaire est détendu dans une seconde turbine (8) après avoir été partiellement réchauffé.
Application à la production d'oxygène impur sous pression et, simultanément, d'au moins un produit liquide.

Description

[0001] La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel :

• on distille de l'air dans une double colonne de distillation comprenant une colonne basse pression fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression dite moyenne pression;
• on comprime la totalité de l'air à distiller jusqu'à au moins une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression;
• on refroidit l'air comprimé jusqu'à une température intermédiaire, et on en détend une partie dans une turbine jusqu'à la moyenne pression, avant de l'introduire dans la colonne moyenne pression;
• on liquéfie l'air non turbiné, puis on l'introduit, après détente, dans la double colonne; et
• on amène au moins un produit liquide soutiré de la double colonne à la pression de production, et on vaporise ce produit liquide par échange de chaleur avec l'air.

[0002] Les pressions dont il est question dans le présent mémoire sont des pressions absolues. De plus, l'expression "liquéfaction" doit être entendu au sens large, c'est-à-dire incluant la pseudo-liquéfaction dans le cas de pressions supercritiques.

[0003] Un procédé du type ci-dessus est décrit dans le FR-A-2 674 011.

[0004] L'invention a pour but d'améliorer les performances énergétiques de ce procédé connu.

[0005] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que :

• on fait fonctionner la colonne basse
• on fait fonctionner la colonne basse pression sous pression; et
• on détend dans une seconde turbine le gaz résiduaire de tête de la colonne basse pression, après l'avoir partiellement réchauffé.

[0006] Suivant d'autres caractéristiques :

• on fait fonctionner la colonne basse pression sous 1,7 à 5 bars environ, et la colonne moyenne pression sous une pression correspondante de 6,5 à 16 bars environ;
• la température d'admission de la seconde turbine est voisine du genou de liquéfaction, ou du genou principal de liquéfaction, de l'air.

[0007] L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une double colonne de distillation comprenant une colonne basse pression fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression dite moyenne pression; des moyens de compression pour amener la totalité de l'air à distiller à au moins une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression; des moyens de soutirage de la double colonne et de pompage d'au moins un produit liquide résultant de la distillation; une ligne d'échange thermique mettant en relation d'échange thermique l'air et ledit produit liquide; et une turbine de détente d'une partie de cet air, l'admission de cette turbine étant reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique et son échappement étant relié à la colonne pression, est caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde turbine de détente dont l'admission est reliée à une sortie de gaz résiduaire de la colonne basse pression.

[0008] Un exemple de mise en oeuvre de l'invention lequel :

• la Figure 1 représente schématiquement une installation conforme à l'invention; et
• la Figure 2 est un diagramme d'échange thermique correspondant à un mode de fonctionnement de cette installation, avec en abscisses les températures en degrés Celsius et en ordonnées les quantités de chaleur échangées entre l'air et les produits issus de la double colonne de distillation.

[0009] L'installation représentée à la Figure 1 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une haute pression de 3 à 100 bars environ, de l'azote gazeux sous une basse pression de 1,7 à 5 bars environ, de l'oxygène liquide et de l'azote liquide.

[0010] Cette installation comprend essentiellement: un compresseur principal d'air 1; un pré-refroidisseur 2; un appareil 3 d'épuration par adsorption; un ensemble soufflante-turbine comprenant une soufflante 4 et une turbine 5 dont les roues sont calées sur le même arbre; un réfrigérant atmosphérique ou à eau 6 pour la soufflante; une ligne d'échange thermique 7; une seconde turbine de détente 8 freinée par un alternateur 9; une double colonne de distillation 10 comprenant une colonne moyenne pression 11 et une colonne basse pression 12 couplées par un vaporiseur- condenseur 13 qui met en relation d'échange thermique l'azote de tête de la colonne 11 et l'oxygène liquide de cuve de la colonne 12; une pompe d'oxygène liquide 14; un stockage 15 d'oxygène liquide à la pression atmosphérique; un stockage 16 d'azote liquide à la pression atmosphérique; un pot séparateur 17; et un sous-refroidisseur 18.

[0011] En fonctionnement, la colonne 12 est sous une pression de 1,7 à 5 bars environ, et la colonne 11 sous la pression correspondante de 6,5 à 16 bars environ.

[0012] La totalité de l'air à distiller est comprimé en 1, pré-refroidi en 2 vers + 5 à + 10°C, épuré en eau et en CO2 en 3 et surpressé en 4 à la haute pression. Après pré-refroidissement en 6 puis refroidissement partiel en 7 jusqu'à une température intermédiaire T1, une partie de l'air sous la haute pression poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange thermique, est liquéfié puis divisé en deux fractions. Chaque fraction est détendue dans une vanne de détente respective 19, 20, puis introduite dans la colonne 11, 12 respective.

[0013] A la température T1, le reste de l'air sous la haute pression est sorti de la ligne d'échange thermique, turbiné en 5 à la moyenne pression et introduit en cuve de la colonne 11.

[0014] De façon habituelle, du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) soutiré en cuve de la colonne 11 et du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré en tête de cette colonne sont, après sous-refroidissement en 18 et détente dans des vannes de détente respectives 21 et 22, introduits à un niveau intermédiaire et en tête, respectivement, de la colonne 12.

[0015] De l'oxygène liquide est soutiré en cuve de la colonne 12. Une fraction va directement, après sous-refroidissement en 18 et détente à la pression atmosphérique dans une vanne de détente 23, dans le stockage 15, tandis que le reste est amené par la pompe 14 à la haute pression de production désirée, puis vaporisé et réchauffé à la température ambiante dans la ligne d'échange thermique avant d'être récupéré via une conduite 24.

[0016] Par ailleurs, de l'azote liquide sous la moyenne pression, soutiré en tête de la colonne 11, est sous-refroidi en 18, détendu à la pression atmosphérique dans une vanne de détente 25, et introduit dans le pot séparateur 17. La phase liquide est envoyée dans le stockage 16, tandis que la phase vapeur est réchauffée en 18 puis en 7 et récupérée en tant que produit (azote gazeux basse pression) via une conduite 26.

[0017] Le gaz résiduaire (azote impur WN2) soutiré en tête de la colonne 12 est pré-réchauffé en 18 puis partiellement réchauffé, en 7, jusqu'à une température intermédiaire T2. A cette température, le gaz résiduaire est sorti de la ligne d'échange thermique, détendu à la pression atmosphérique dans la turbine 8, ce qui le refroidit, et réintroduit dans la ligne d'échange thermique à la température correspondante, pour être ensuite réchauffé à la température ambiante et évacué via une conduite 27.

[0018] Le diagramme d'échange thermique de la Figure 2 a été obtenu par calcul avec une basse pression de 2,2 bars, une moyenne pression de 8,2 bars, une haute pression d'air de 32 bars et une haute pression d'oxygène de 40 bars. La température T1 d'admission de la turbine 5 est légèrement inférieure au palier P de vaporisation de l'oxygène, et la température T2 d'admission de la turbine 8 est voisine du genou G de liquéfaction de l'air. Le point R de la courbe de réchauffement correspond à la réintroduction dans la ligne d'échange du gaz résiduaire turbiné, et le tronçon de courbe à pente accrue, entre ce point R et la température T2, apporte un resserrement du diagramme en partie froide correspondant à une amélioration thermodynamique du procédé.

[0019] On peut ainsi produire une quantité de liquide accrue, avec une énergie spécifique de production de l'oxygène gazeux haute pression réduite.

[0020] Le fonctionnement sous pression de la colonne 12 a pour conséquence une baisse de pureté de l'oxygène produit. Ainsi, l'oxygène gazeux haute pression et l'oxygène liquide stocké en 15 ont typiquement une pureté de l'ordre de 95%. Cependant, il est possible de prévoir quelques plateaux de distillation entre les soutirages d'oxygène liquide destinés d'une part au stockage 15, d'autre part à la pompe 14, et de produire ainsi une fraction, par exemple 20% de l'oxygène, sous forme d'oxygène liquide à pureté élevée, typiquement à 99,5% de pureté.

[0021] L'invention s'applique également à la production d'azote gazeux sous haute pression, porté par une pompe (non représentée) à la haute pression désirée puis vaporisé dans la ligne d'échange thermique, et/ou à la production d'oxygène et/ou d'azote sous plusieurs pressions, en utilisant plusieurs hautes pressions d'air. De plus, la vaporisation du ou des liquides peut s'effectuer de façon non concomitante à la liquéfaction d'air, comme dans l'exemple décrit plus haut, ou de façon concomitante à cette liquéfaction.

Revendications

1 - Procédé de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel:

- on distille de l'air dans une double colonne de distillation (10) comprenant une colonne basse pression (12) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression (11) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression;

- on comprime (en 1, 4) la totalité de l'air à distiller jusqu'à au moins une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression;

- on refroidit l'air comprimé jusqu'à une température intermédiaire, et on en détend une partie dans une turbine (5) jusqu'à la moyenne pression, avant de l'introduire dans la colonne moyenne pression (11);

- on liquéfie l'air non turbiné, puis on l'introduit, après détente (en 19, 20), dans la double colonne; et

- on amène au moins un produit liquide soutiré de la double colonne à la pression de production, et on vaporise ce produit liquide par échange de chaleur avec l'air,

caractérisé en ce que :

- on fait fonctionner la colonne basse pression (12) sous pression; et

- on détend dans une seconde turbine (8) le gaz résiduaire de tête de la colonne basse pression, après l'avoir partiellement réchauffé.

2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait fonctionner la colonne basse pression (12) sous 1,7 à 5 bars environ, et la colonne moyenne pression (11) sous une pression correspondante de 6,5 à 16 bars environ.

3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température (T2) d'admission de la seconde turbine (8) est voisine du genou de liquéfaction (G), ou du genou principal de liquéfaction, de l'air.

4 - Installation de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type comprenant une double colonne de distillation (10) comprenant une colonne basse pression (12) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression (11) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression; des moyens de compression (1, 4) pour amener la totalité de l'air à distiller à au moins une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression; des moyens (14) de soutirage de la double colonne et de pompage d'au moins un produit liquide résultant de la distillation; une ligne d'échange thermique (7) mettant en relation d'échange thermique l'air et ledit produit liquide; et une turbine (5) de détente d'une partie de cet air, l'admission de cette turbine étant reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique et son échappement étant relié à la colonne moyenne pression (11), caractérisée en ce qu'elle comprend une seconde turbine de détente (8) dont l'admission est reliée à une sortie de gaz résiduaire de la colonne basse pression (12).

5 - Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la colonne basse pression (12) comporte un tronçon de distillation entre un soutirage inférieur d'oxygène liquide destiné à être stocké et un soutirage d'oxygène liquide relié à l'aspiration de la pompe (14).

Dessins