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CA2056915C - Procede et installation de distillation d'air en regime variable de production d'oxygene gazeux - Google Patents

Procede et installation de distillation d'air en regime variable de production d'oxygene gazeux Download PDF

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CA2056915C
CA2056915C CA002056915A CA2056915A CA2056915C CA 2056915 C CA2056915 C CA 2056915C CA 002056915 A CA002056915 A CA 002056915A CA 2056915 A CA2056915 A CA 2056915A CA 2056915 C CA2056915 C CA 2056915C
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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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 de l'instal- lation, 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

~~~~i~i~

La prêsente invention est relative ~. la technique de distillation d'air en rêgime variable de production d'oxygène gazeux, au moyen d'une installa-tion à double colonne. Elle concerne en premier lieu un procédé du 'type dans lequel, lorsque la demande d'oxygène gazeux est inférieure ê une valeur moyenne, on fait passer de l'oxygène liquide de la colonne __ basse pression de la double colonne à un premier ré-servoir. de stockage d'oxygène liquide et on envoie dans 1a double colonne de 1°azote liquide en prove-nance d'un second réservoir de stockage d'azote li-quide, tandis que lorsque la demande d'oxygëne gazeux est supérieure à la valeur moyenne, on introduit dans la colonne basse pression de l'oxygène liquide prêlevé
.lg dans 7.e premier réservoir et l'on condensa simultanê-ment une quantitê correspondante d°azote liquide, que l'on envoie dans le second réservoir.
Las procédés da ce type sont génêralement appelés procêdês "à bascule". On distingue deux mar-ches différentes de l'installation ( a ) Lorsque la demaxide d' oxygêne gazeux est forte, l'excës d'oxygêne gazeux soutiré do la colonne basse pression est compensé, du poiwt de vue du bilan matière, par une injection dans cette colonne d°une ~g quantitê correspondante d'oxygène liquide provenant du premier réservoir. four êquilibrer le bilan frigorifi-que de la double colonne, une quantité correspondante d'azote liquide est envoyée de la colonne moyenne pression au second réservoir. Pour cêtte raison; cette ,30 marche est généralement appelée °'marche NL", et cette dénomination sera utilisêe dans la suite.
(b) Lorsque la demande d°oxygène gazeux est faible, le dêfau~ d'oxygène par rapport à la marche nominale est envoyé sous forme liquide de la colonne ~~5~93.~
2 basse pression au premier rëservoir (d'oü L'expression "marche OL" souvent utilisée). La balance frigorifique est obtenue par injection dans la colonne basse pres-sion d'une quantité correspondante d'azote liquide en . g provenance du second rêservair.
Lorsque l'installation comporta une colonne de production d'argon impur couplêe é 1a colonne basse __ pression, ce principe de bascula n'est pas sans in fluente. sur le rendement d' ex~:~t:raction en argon. En effet (a) En marche NL, il est facile de voir que le rapport vapeur/liquide diminua dans la partie in-férieure de la colonne basse pression, ce qui est dé-favorable à la séparation oxygène/argon qui se produit dans cette zone, et donc au rendement d'extraction en argon.
I1 existe certes un autre phénomène qui agit en sens inverse : la vaporisation de l'oxygêne liquide supplémentaire condense une quantité plus grande 20 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 cïanc un dé-ficit de produits gazeux envoyés au bout froid de 1a ligne d'échange thermique de l'installation, ce qui 2g referme le diagramme d'échange thermique vers le bout chaud et a pour effet d'augmenter la température d'as-piration de la turbine généralement utilisée pour le maintien en froid de 1°installation: Cette turbïne présente alors une puissance fr~igorïfique spécifique
3(7 accrue, ce quï permet de diminuer le dêbit turbiné.
Toutefois, ce phénomêne favorable est d'importance nettement moindre que le phênomëne défavorable précité
de réduction du rapport vapeur/liquide. Au total, la marche NL est ainsi dêfavorable au rendement d'extrac-~~~~91~
tion en argon.
(b) En marche OL, c°est l'inverse qui se produit, pour des raisons analogues . d'une part, 1e rapport vapeur/liquide augmente au bas de la colonne basse pression, et d'autre part, la température d'as-piration de la turbine diminue, ce qui oblige â aug-menter le débit do gaz turbiné. Au total, cette marche _ OL est favorable au rendement d'extraction en argon.
(c) Malheureusement, le gain en rendement .ip 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 corres-pondant à la marche nominale est généralement êlevé et déjè proche d'une asymptote. Il en résulte que si, ce qui sera l'hypothëse de base, la marche nominale correspond è 1a production moyenne en oxygène de l'installation, alors le procédé à bascule dêgrade le rendement moyen d'extraction en argon.
L'invention a pour bwt de permettre damé
~p liorer le rendement moyen en argon, et/ou, en varian te, d'acoroitre une production de liquide de l'ins tallation, dans un procêdé è bascule.
A cet effet; l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que lorsque ~r~ la demande d'oxygène est inférieure â la valeur moyen ne, on produit de l'oxygène liquide additionnel en in-troduisant de l'axygène comprimé à l'état gazeux dans la ligne d'échange thermique de l'installation, le débit d'azote liquide infecté dans la double colonne étant réduit de façon correspondante.
Suivant d'autres caractéristiques s - lorsque la demande d°oxygêne gazeux est supérieure à la valeur moyenne, an envoie dans la double colonne l'azote liquide économisé lorsque la
4 demande d'oxygêne est infêrieure à la valeur moyenne - lorsque l'installation comprend une turbi-na principale de maintien en froid, pendant les pêrio-des o~ la demande d'oxygène gazeux est supérieure (respectivement in:Eêrieure) à la valeur moyenne, on rêduit (respectivement on augmente) le dêbit de la 'turbina principale par rapport au débit nominal.
L' invention a êgalement pour objet une ins tallation de distillation d'air destinêe à la mise en .~C oeuvre du procêdé défini ci-dessus. Cette installa tion, du type comprenant une ligne d'échange thermi-que, une bascule qui comporte un premier réservoir de stockage d'oxygène liquide relié à la colonne basse pression et un second rêservoir de stockage d'un li-guide auxiliaire relié à la double colonne, et une conduite d'utilisation dêlivrant de l'oxygène gazeux sous une haute pression, est caractérisêa en ce qu'elle comporte une conduite de renvoi dans la ligne d'échange thermique d'un débit variable d'oxygène ga-~C zeux sous haute pression prélevé dans la conduite d'utilisation, cette conduite de renvoi étant reliée audit premier réservoir.
Un exemple de mise en osuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la Figure unique représente schématiquement une installation de dïstillation d°air conforme à
l'invention.
L'installation de distillation d'air repré-sentée au dessin est destinée ~~ fournir une quantité
variable d'oxygène gazeux sous une haute pression (pouvant' aller par exemple jusqu'~ 1a 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.

~~~~i9~
C'est ainsi qu'elle comprend essentiellement une colonne moyenne pression 1 surmantée d'une colonne basse pression 2 elle-même pourvue à son sommet d'un minaret 3, une colonne ~ de production d'argon impur,
5 un premier réservoir 5 de stockage d'oxygêne liquide, un second réservoir 6 de stockage d'azote liquide, une ligne d'échange thermique 7 et une turbina 8 de déten-_ t~ d'air de la moyenne pression à la basse pression.
Typiquement, la moyenne pression est d'environ 6 bars ,ip absolus et la basse pression légérement supérieure à
1a pression atmosphérique. La vapeur de tête (azote) de 1a colonne 1 est mise en re:.lation d' échange ther mique indirect aven le liquide pie cuve (oxygéna) de la colonne 2 au moyen d'un vaporiseur-condenseur princi ,15 pal 9 .
On dêcrira tout d',~bord le rêgime nominal de production d'oxygêne gazeux de l'installation.
L'air à séparer, épuré en eau et en anhydri-de carbonique, comprimé â environ 6 bars absolus et refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée dans la ligne d°êchange 7, pénëtre dans le bas de la colon-ne 1 par une conduite 10. Du liquide pauvre supêrieur, constitué d'azote presque pur, est soutiré du éommet de la colonne 1 par une conduite 11, sous-refroidi .~,5 dans un sous-refroidisseur non représentë, détendu dans une vanne de détente 12 et envoyé en reflux au sommet du minaret 3 de la colonne basse pression.
Du liquide pauvre inférieur; soutiré â un niveau intermédiaire de la colonne 1 par une conduite ~O 13, est sous-refroidi dans le sous-refroidisseur pré
cité, détendu dans une vanne de détente 14 et envoyé
en reflux dans la colonne 2 â un niveau correspondant à la base du minaret 3.
Du liquide riche, constitué d'air enrichi en ~(~~~~~
oxygène et soutiré en cuve de la colonnes 1 par une conduite 15, est sous-refroidi dans le sous-refroidis-seur précité. Une partie de ce liquide, détendue dans une vanne de détente 15, 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 1a colonne 4 pour y être vaporisë, puis renvoyé
_ dans la colonne 2 via une conduite 19 . L' oxygène ga zeux produit est soutiré à la base de la colonne 2 via .~0 une conduite 20, réchauffé du bout froid au bout chaud de la ligne d' échange 7 et comprimé à la haute pres-sion par un compresseur 21 refoulant dans une conduite 20A d'utilisa~t~.on délivrant l'oxygène haute pression demandé. Ce compresseur comporte une cônduite 22 de recyclage de sa sortie è son aspiration équipée d'une vanna de détente 23, afin de permettre de délivrer des débits très différents d'oxygène gazeux haute pression malgré la souplesse limitée du compresseur.
La colonne 4 est alimentée à sa base par une .20 vapeur prélevée à un niveau intermédiaire de la colon ne 2 au moyen d'une conduite 24 dite de piquage argon.
Le liquide de cuve retourne dans 1a colonne 2, ê peu près au même niveau, via une conduite 25. L'argon im pur produit est soutiré du sommet de la colonne 4 via ~,5 une conduite 25A.
On a également représenté â la Figure 1 une conduite 26 d'évacuation d'un gaz rêsidua~.re lnl azote impur) partant du niveau d'injection de liquide pauvre inférieur de la colonne 2, et uné conduite 2'7 d'éva-cuation d'azote pur basse pression partant du sommet du minaret 3, les conduites 26 et 27 traversant le sous-refroidisseur prëcitê pour en assurer le refroi-dissement, puis traversant la ligne d'échange 7 du bout froid au bout chaud.

~~~~9î~

La tenue en froid de l'installation est assurée par dêtente è 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.
On décrira maintenant le système à bascule, faisant intervenir les réservoirs 5 et 6, en supposant __ que la demande d'oxygàne gazeux haute pression s'êcar te da sa valeur nominale ou moyenne, le débit d'air .~O traitê restant constant.
(a) Lorsque la demande d'oxygène gazeux est faible (marche OL), le dêfaut d'oxygène gazeux soutiré
de la colonne 2 par rapport à la marche nominale est envoyé sous forma liquide de 1a cuve de 1a 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 3U.
Pour compenser la perte frigorifique rê-sultante dans la double colonne, de l'azot~ liquide est envoyé du réservoir 6, qui est à .peu près â la pression atmosphérique, au sommet du minaret 3 au moyen d'une pompe 31 et via une oonduit~ 32, en une quantité supérieure d'environ 20~ à la quantits d'oxy-gëne liquide envoyé au rêservoir 5. Cet azote se re-2~ trouve sous forme gazeuse en tête du minaret 3, de sorte qu'un excédent de produits gazeux est globale-ment envoyé au bout froid de la ligne d'êciaange 7 par rapport â la marche nominale.
On utilise cet exc~dezat de produits frigori 30 gènes pour produire du liquide supplémentaire, de la manière suivante.
On soutire de la co:Lonne 2; via la conduite 20, un excès d'oxygène gazeux par rappprt ë la deman-de, et pour équilibrer le bilan matière de la colonne 2, on réduit d'autant le débit d'oxygène liquide envo-yé au rêservoir 5. Le mémo excès d'oxygène gazeux, aprês compression, est renvoyé au bout chaud de la ligne d'échange, via une conduite 33 partant du re-foulement du compresseur 21, liquéfié dans la ligne d'échange puis envoyé au rêservoir 5 à partir du bout froid de celle-ci, via une conduite 34 équipée d'une vanne de dé'ten'te 34A.
Au total, 1e réservoir 5 reçoit la même '10 quantitê d'oxygène liquide qua dans une bascule clas sique, mais avec un moindre soutirage de la cuve de la colonne 2. Une quantité correspondante d'azote liquida du réservoir 6 est ainsi économisée pendant la marche UL.
.1~ Par ailleurs, l'injection de gaz chaud sup-plémentaire (oxygène hauto pression) dans la ligne d'échange a pour effet de relever la température d'as-piration de la turbine 8, par exemple jusqu' é sa va-leur correspondant à la marche nominale, et donc d'augmenter sa puissance frigor:i:Eique spêcifique. Ceci permet d'augmenter encore notablement 1a production de liquide, en augmentant simultanêment le débit d'air turbiné, le rendement d'extraction en argon, dans cette marche, êtant 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 é l'utilisation. L'excédent d'oxygène gazeux soutiré de la colonne 2 par rapport é la marche nominale est compensé par une injection. d'oxygène li-quide dans la cuve de nette colonne à partir du réser-voir 5, via une conduite 35, la pompe 29 et une con-duite 36.

La bilan frigorifique est éguilibré par en-voi d' azote liquide du sommet de la colonne 1 au ré-servoir 6 via la conduite 11 et une conduite 37 équi-pée d'une vanna do détente 38.
Cependant, dans cette marche, on mat à pro-fit la rêsorve d'azote liquide constituée en marche OL
gràce à la liquéfaction d'oxygène haute pression, en __ envoyant un débit correspondant d'azote liquide au sommet du minaret 3, via lev conduite 32. Cet apport .ip frigorifique supplémentaire permet de réduire d'autant le débit d'air turb3nê et crée de plus un reflux sup plêmewtaire dans la colonne 2, ce qui constitue deux facteurs favorables à la distillation en basse pres sion. Au total, le rendement d'extraction en argon est .15 augmentë en marcho NL.
Le gain en rendement d'extraction en argon ainsi obtenu en marche NL est nettement supérieur â la perte de rendement d'extraction en argon subie en mar-che OL. Au total, le rendement moyen d'extraction en argon est augmenté de façon sensible.
I1 est à noter que le gain énergétique obtenu grâce â l'invention peut être mis à profit non seulement pour augmenter le rendement d'extraction en argon, mais également pour augmenter une production de ~;5 liquide (oxygéne liquide ou azote liquide) de l'i:ns-tallation.
On comprend que 1'inven~tion 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.

Claims (4)

1 - Procédé de distillation d'air en régime variable de production d'oxygène, gazeux, au moyen d'une installation à double colonne incluant une colonne basse pression, 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 que l'on envoie dans le second réservoir.
caractérisé en ce que lorsque la demande d'oxygène est inférieure à la valeur moyenne, on produit de l'oxygène liquide additionel en introduisant de l'oxygène comprimé, à l'état gazeux, dans une ligne d'échange thermique 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 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 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 par rapport au débit nominal.
4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour une installation comprenant une turbine principale 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.
- Installation de distillation d'air à
double colonne destinée à produire un débit variable d'oxygène gazeux, 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, 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.
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