[0001] La présente invention est relative à la technique de distillation de l'air.
[0002] Certaines applications industrielles nécessitent des quantités importantes d'oxygène
impur sous diverses pressions :
[0003] gazéification du charbon, gazéification de résidus pétroliers, réduction-fusion directe
du minerai de fer, injection de charbon dans les hauts fourneaux, métallurgie des
métaux non ferreux, etc.
[0004] Par ailleurs, certains contextes industriels nécessitent la fourniture simultanée,
en grandes quantités, d'oxygène pratiquement pur et d'oxygène impur sous des pressions
différentes. C'est notamment le cas des aciéries comportant des convertisseurs à l'oxygène
et dans lesquelles le haut fourneau est alimenté en oxygène ou en air enrichi en oxygène.
[0005] L'invention a pour but de satisfaire de tels besoins de façon économique, c'est-à-dire
de permettre, avec un investissement et une consommation d'énergie relativement faibles,
la production d'oxygène impur à une pureté et une pression choisies à volonté et,
si nécessaire, la production d'oxygène pratiquement pur.
[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de distillation d'air au moyen d'une
double colonne de distillation couplée à une colonne de mélange, dans lequel on alimente
la colonne de mélange en cuve par un gaz auxiliaire constitué d'un mélange de gaz
de l'air, et en tête par un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé
dans la partie inférieure de la colonne basse pression, et on soutire en tête de la
colonne de mélange de l'oxygène impur constituant un gaz de production, où le gaz
auxiliaire et le liquide alimentant la colonne de mélange sont comprimés à une même
pression différente de celle de la colonne moyenne pression, typiquement supérieure
à cette dernière, avantageusement d'au moins 2 x 10⁵ Pa.
[0007] Ledit liquide peut être le liquide de cuve de la colonne basse pression, notamment
de l'oxygène pratiquement sans azote, ou bien être soutiré quelques plateaux au-dessus
de la cuve de la colonne basse pression.
[0008] Dans le cadre d'un tel procédé, on peut en outre produire de l'argon au moyen d'une
colonne de distillation additionnelle de production d'argon impur couplée à la colonne
basse pression.
[0009] L'invention a également pour objet une installation de distillation d'air destinée
à la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, du type comprenant une double colonne
de distillation, une colonne de mélange, une ligne d'échange thermique, une source
d'un gaz auxiliaire constitué d'un mélange de gaz de l'air, des moyens pour introduire
le gaz auxiliaire à la base de la colonne de mélange, des moyens pour soutirer un
liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire dans la partie inférieure de la
colonne basse pression, des moyens pour pomper ce liquide et pour l'introduire au
sommet de la colonne de mélange, et des moyens pour soutirer de l'oxygène impur en
tête de la colonne de mélange en tant que gaz de production de l'installation, caractérisée
en ce qu'elle comprend des moyens pour comprimer le gaz auxiliaire à une pression
déterminée différente de celle de la colonne moyenne pression, des passages pour ce
gaz auxiliaire comprimé prévus dans la ligne d'échange thermique et en ce que les
moyens de pompage portent le liquide à ladite pression déterminée.
[0010] L'invention a encore pour objet l'application du procédé défini plus haut à l'alimentation
en gaz d'une aciérie, ledit oxygène impur étant produit sous la pression du haut fourneau
et étant envoyé à ce dernier.
[0011] Lorsque ledit liquide est de l'oxygène pratiquement sans azote, de façon avantageuse,
on envoie ledit oxygène pratiquement sans azote aux convertisseurs de l'aciérie.
[0012] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard
des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 à 3 représentent schématiquement trois
modes de réalisation de l'installation de distillation d'air conforme à l'invention.
[0013] L'installation de distillation d'air représentée à la figure 1 est destinée à produire
de l'oxygène impur, par exemple ayant une pureté de 80 à 97 % et de préférence de
85 à 95 %, sous une pression déterminée P nettement différente de 6 x 10⁵ Pa abs.,
par exemple sous 2 à 5 x 10⁵ Pa ou avantageusement sous une pression supérieure d'au
moins 2 x 10⁵ Pa et pouvant aller jusqu'à 30 x 10⁵ Pa environ, de préférence entre
8 x 10⁵ Pa et 15 x 10⁵ Pa. L'installation comprend essentiellement une ligne d'échange
thermique 1, une double colonne de distillation 2 comprenant elle-même une colonne
moyenne pression 3, une colonne basse pression 4 et un condenseur-vaporiseur principal
5, et une colonne de mélange 6. Les colonnes 3 et 4 fonctionnent typiquement sous
environ 6 x 10⁵ Pa et environ 1 x 10⁵ Pa, respectivement.
[0014] Comme expliqué en détail dans le document US-A-4.022.030, une colonne de mélange
est une colonne qui a la même structure qu'une colonne de distillation mais qui est
utilisée pour mélanger de façon proche de la réversibilité un gaz relativement volatil,
introduit à sa base, et un liquide moins volatil, introduit à son sommet.
[0015] Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet donc de réduire la consommation
d'énergie liée à la distillation. Dans le cas présent, ce mélange est mis à profit,
en outre, pour produire directement de l'oxygène impur sous la pression P, comme cela
sera décrit ci-dessous.
[0016] L'air à séparer par distillation, comprimé à 6 x 10⁵ Pa et convenablement épuré,
est acheminé vers la base de la colonne moyenne pression 3 par une conduite 7. La
majeure partie de cet air est refroidie dans la ligne d'échange 1 et introduite à
la base de la colonne moyenne pression 3, et le reste, surpressé en 8 puis refroidi,
est détendu à la basse pression dans une turbine 9 couplée au surpresseur 8, puis
insufflé en un point intermédiaire de la colonne basse pression 4. Du "liquide riche"
(air enrichi en oxygène), prélevé en cuve de la colonne 3 est, après détente dans
une vanne de détente 10, introduit dans la colonne 4, à peu près au point d'insufflation
de l'air. Du "liquide pauvre" (azote impur) prélevé en un point intermédiaire 11 de
la colonne 3 est, après détente dans une vanne de détente 12, introduit au sommet
de la colonne 4, constituant le gaz résiduaire de l'installation, et l'azote gazeux
pur sous la moyenne pression produit en tête de la colonne 3, sont réchauffés dans
la ligne d'échange 1 et évacués de l'installation. Ces gaz sont indiqués respectivement
par NI et NG sur la figure 1.
[0017] De l'oxygène liquide, plus ou moins pur suivant le réglage de la double colonne 2,
est soutiré en cuve de la colonne 4, porté par une pompe 13 à une pression P1, légèrement
supérieure à la pression P précitée pour tenir compte des pertes de charge (P1-P inférieur
à 1 x 10⁵ Pa), et introduit au sommet de la colonne 6. P1 est donc avantageusement
comprise entre 8 x 10⁵ Pa et 30 x 10⁵ Pa, de préférence entre 8 x 10⁵ Pa et 16 x 10⁵
Pa. De l'air auxiliaire, comprimé à la même pression P1 par un compresseur auxiliaire
14 et refroidi dans la ligne d'échange 1, est introduit à la base de la colonne de
mélange 6. De cette dernière sont soutirés trois courants de fluide : à sa base, du
liquide voisin du liquide riche et réuni à ce dernier via une conduite 15 munie d'une
vanne de détente 15A ; en un point intermédiaire, un mélange essentiellement constitué
d'oxygène et d'azote, qui est renvoyé en un point intermédiaire de la colonne basse
pression 4 via une conduite 16 munie d'une vanne de détente 17 ; et à son sommet de
l'oxygène impur qui, après réchauffement dans la ligne d'échange thermique, est évacué,
sensiblement à la pression P, de l'installation via une conduite 18 en tant que gaz
de production 0I.
[0018] On a également représenté sur la figure 1 des échangeurs de chaleur auxiliaires 19,
20, 21 assurant la récupération du froid disponible dans les fluides en circulation
dans l'installation.
[0019] Comme on le comprend, grâce à la présence d'un circuit séparé pour l'air auxiliaire
alimentant la colonne 6, on peut choisir à volonté la pression P de l'oxygène impur
produit. De plus, comme indiqué plus haut, le réglage de la double colonne permet
d'obtenir divers degrés de pureté pour ce gaz.
[0020] Une autre manière de déterminer ce degré de pureté consiste, comme représenté à la
figure 2, à choisir le niveau de prélèvement, dans la colonne basse pression 4, du
liquide alimentant la colonne 6, par exemple en laissant quelques plateaux de distillation
entre le point de prélèvement et la cuve de la colonne 4.
[0021] Comme on l'a également représenté sur la figure 2, l'installation peut produire,
simultanément à l'oxygène impur de la colonne 6, de l'oxygène à une pureté et à une
pression différentes, notamment de l'oxygène à peu près pur, par soutirage au bas
de la colonne 4. Cet oxygène peut être fourni sous forme gazeuse, via une conduite
22 traversant la ligne d'échange 1, sous la basse pression de la colonne basse pression
4 ou sous pression, notamment par pompage du liquide en 23 avant son réchauffement
dans la ligne d'échange ; il peut aussi être liquéfié et envoyé dans un stockage 24.
[0022] L'installation de la figure 3 diffère de celle de la figure 2 par le fait qu'elle
comprend en outre une colonne 25 de production d'argon impur couplée, de façon classique,
à la colonne basse pression 4.
[0023] En effet, le fait que l'oxygène impur soit produit non pas par la colonne basse pression
4 mais par la colonne de mélange 6 permet de produire de l'oxygène impur contenant
très peu d'argon, ce qui laisse la possibilité de produire, en plus de l'argon, à
condition bien entendu que l'oxygène liquide soutiré et pompé en 13 ait une pureté
suffisante, notamment au moins égale à 98 %.
[0024] L'air auxiliaire à la pression P1 peut être de l'air atmosphérique convenablement
épuré, mais également provenir d'un procédé annexe comprenant un compresseur d'air.
Il peut par exemple s'agir d'air prélevé à l'entrée d'une turbine à gaz et dont la
pression est éventuellement ajustée au moyen d'un surpresseur ou d'une turbine de
détente. Plus généralement, on peut utiliser pour alimenter la base de la colonne
de mélange 6, un mélange de gaz de l'air moins riche en oxygène que le liquide prélevé
dans la partie inférieure de la colonne basse pression, notamment de l'azote impur
provenant éventuellement de l'installation elle-même.
[0025] Ainsi, l'invention permet de produire simultanément, dans des conditions particulièrement
économiques d'investissement et de consommation d'énergie, de l'oxygène pur ou à peu
près pur, de l'oxygène impur et de l'argon.
[0026] Il est à noter que l'oxygène produit par la colonne 4 est pratiquement dépourvu d'azote
et peut donc être utilisé dans les convertisseurs d'une aciérie. L'installation, sous
la forme de la figure 2, permet ainsi d'alimenter à la fois ces convertisseurs en
oxygène pur et le haut fourneau de l'aciérie en oxygène impur à la pression du haut
fourneau ; sous sa forme de la figure 3, l'installation peut alimenter en outre l'aciérie
en argon.
1. Procédé de distillation d'air au moyen d'une double colonne de distillation (2) couplée
à une colonne de mélange (6), dans lequel on alimente la colonne de mélange en cuve
par un gaz auxiliaire constitué d'un mélange de gaz de l'air, et en tête par un liquide
plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire, prélevé dans la partie inférieure de
la colonne basse pression (4), et on soutire en tête de la colonne de mélange (6)
de l'oxygène impur constituant un gaz de production, caractérisé en ce que le gaz
auxiliaire et le liquide alimentant la colonne de mélange (6) sont comprimés sensiblement
à une même première pression (P₁) différente de celle de la colonne moyenne pression
(3).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est le liquide
de cuve de la colonne basse pression (4).
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide est de l'oxygène
pratiquement sans azote.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit
liquide est soutiré quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne basse pression
(4).
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on
soutire de l'oxygène en cuve de la colonne basse pression (4) pour constituer un second
gaz de production.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on
produit en outre de l'argon au moyen d'une colonne de distillation additionnelle de
production d'argon impur (25) couplée à la colonne basse pression (4).
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première pression
(P1) est supérieure d'au moins 2 x 10⁵ Pa à la pression dans la colonne moyenne pression.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première pression est comprise
entre 8 x 10⁵ Pa et 16 x 10⁵ Pa.
9. Installation de distillation d'air, du type comprenant une double colonne de distillation
(2), une colonne de mélange (6), une ligne d'échange thermique (1), une source d'un
gaz auxiliaire constitué d'un mélange de gaz de l'air, des moyens pour introduire
le gaz auxiliaire à la base de la colonne de mélange (6), des moyens pour soutirer
un liquide plus riche en oxygène que le gaz auxiliaire dans la partie inférieure de
la colonne basse pression (4), des moyens (13) pour pomper ce liquide et pour l'introduire
au sommet de la colonne de mélange, et des moyens pour soutirer de l'oxygène impur
en tête de la colonne de mélange en tant que gaz de production de l'installation,
caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (14) pour comprimer le gaz auxiliaire
à une pression déterminée (P1) différente de celle de la colonne moyenne pression
(3), et des passages pour ce gaz auxiliaire comprimé prévus dans la ligne d'échange
thermique (1), et en ce que les moyens (13) de pompage portent le liquide à ladite
pression déterminée (P₁).
10. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que ledit liquide est
soutiré en cuve de la colonne basse pression (4).
11. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que ledit liquide est
soutiré quelques plateaux au-dessus de la cuve de la colonne basse pression (4).
12. Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce
qu'elle comprend des moyens pour soutirer de l'oxygène en cuve de la colonne basse
pression (4) en tant que second gaz de producton de l'installation.
13. Installation suivant l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce
qu'elle comprend une colonne de production d'argon impur (25) couplée à la colonne
basse pression (4).
14. Application d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 à l'alimentation
en gaz d'une aciérie comprenant un haut fourneau, l'oxygène impur étant produit sous
la pression du haut fourneau et étant envoyé à ce dernier.
15. Application suivant la revendication 14, caractérisée en ce que, le procédé étant
conforme à la revendication 3, on envoie l'oxygène pratiquement sans azote aux convertisseurs
de l'aciérie.