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Perfectionnements apportés aux installations pour la production et l'utilisation d'oxygène
La présente invention est relative à des ins- tallations pour la production et l'utilisation d'oxygène. Par- mi d'autres applications industrielles connues ou possibles, on peut se servir d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène pour des installations industrielles de divers genres et dans les- quelles on dispose de chaleurs perdues. L'invention concerne plus spécialement l'utilisation de l'oxygène dans une ins- tallation de ce genre.
Parmi ces installations on peut citer, par exemple, les haut-fourneaux, les fours Siemens ou les appareils producteurs d'acier Bessemer, les
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usines à gaz, les installations pour l'obtention d'huile de houille et les moteurs à combustion interne (l'utilisation de l'oxygène servant, dans ce dernier cas, comme succédané à la suralimen- tation).
L'utilisation de l'oxygène, dans les cas indiques ci-dessus, n'a pas été avantagent jus- qu'ici du point de vue économique pour la raison, entre autres, de la difficulté et des frais éle- vés résultant de l'emmagasinage et du transport de l'oxygène dans les bouteilles ordinaires ou à l'état liquide.
L'invention propose, en vue d'écarter ces difficultés, d'alimenter directement une installa- tion ou un appareil, qui utilise ou consomme de l'oxygène, par une installation qui produit de l'oxygène et qui est adjointe à la première. Le but principal de l'invention est donc de réaliser une installation complète de ce genre.
A cet effet, l'invention a pour objet principal une installation pour produire et uti- lis er de l'oxygène et qui comprend un appareil utilisateur d'oxygène, qui produit de la chaleur perdue ou de l'énergie thermique auxiliaire, ainsi qu'un appareil producteur d'oxygène propre à fournir de l'oxygène à cet appareil utilisateur, l'énergie mécanique, nécessaire au fonctionnement de cet appareil producteur, étant fournie par un dispositif avec turbine à gaz dans lequel on utilise la chaleur perdue ou l'énergie thermique auxiliaire de l'appareil utilisateur d'oxygène.
L'appareil producteur d'oxygène est d'un type connu dans lequel de l'air est comprimé, re- froidi et liquéfié par détente (par exemple dans
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une turbine) l'oxygène et l'azote étant séparés apr distillation fractionnée.
Le dispos itif avec turbine à gaz peut com- porter une turbine à gaz, fonctionnant avec cycle ouvert et dans laquelle le fluide actif comprend de l'air admis à la pression atmosphérique et qui est comprimé dans un compresseur, en absorbant la chaleur perdue, fournie par l'appareil utilisateur, cet air étant détendu dans une turbine entrainant le compresseur. Suivant une variante et dans des conditions appropriées, le dispositif susdit peut être agencé de manière telle que le fluide actif soit constitué, en partie, par de l'air admis à la pression atmosphérique et, en partie, par les gaz d'échappement de l'appareil utilisateur de l'oxygène.
Suivant une autre variante le dispositif avec turbine à gaz peut comporter une turbine d'é- chappement pour laquelle le fluide actif est cons- titué par les gaz d'échappement de l'appareil uti- lisateur d'oxygène.
Le genre du dispositif avec turbine à gaz et la manière dont on utilise la chaleur perdue ou l'énergie thermique auxiliaire dépendent de la na- tore de l'appareil utilisateur d'oxygène.
L'invention a également en vue d'utiliser, d'une manière avantageuse et comme fluide actif, l'oxygène ou l'azote obtenus dans l'appareil pro- ducteur d'oxygène.
Suivant une entre caractéristique de l'in- vention, l'énergie mécanique, pour le fonctionne- ment de l'appareil producteur d'oxygène, peut être fournie par le dispositif avec tubrine à gaz et dans lequel on utilise, comme fluide actif, l'oxy-
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gène on l'azote (obtenu à l'aide de cet appareil producteur) que l'on comprime et auquel on apporte la chaleur perdue provenant de l'appareil utilisa- teur d'oxygène.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, quelques modes de réalisation de l'in- vention.
La fig. 1 montre, schématiquement, l'en- semble de l'installation pour la production et l'u- tilisation d'oxygène.
Les figs. 2,3 et 4 montrent, semblablement, des variantes de cette installation pour lesquelles on a montré seulement la partie qui se trouve à gauche de la ligne A-B de la fig. 1, la partie de droite de celle-ci ne subissant aucun changement.
La f ig. 5 montre, semblablement, l'ensemble d'une installation établie selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, un compresseur fournissant de l'air comprimé à un appareil sépara- teur d'oxygène en étan t entraîné par deux turbines qui utilisent respectivement de l'oxygène gazeux et de l'azote gazeux fournis par cet appareil séparateur.
L'installation, montrée sur la fig. 1, compre--- un appareil utilisateur d'oxygène 1 et qui, par exem-
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ple, peut être constitué par un carwertisseliri Besseme- alimente en 0 avec de l'oxygène fourni par un appa- reil producteur, fonctionnant suivant le cycle Claude et comportant tan compresseur 2,dcns lequel l'air est admis à la pression atmosphérique et qui débite de l'air comprimé dont la température est abaissée dans un réfrigérateur 3 et abaissée davantage dans un échangenr de chaleur 4.
Dans ce dernier, l'oxygène liquide et l'azote gazeux, fournis par l'appareil susdit, sont utilisés pour soustraire de la chaleur
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a l'air comprimé , admis dans cet échangeur. l'air comprimé et refroidi, sortant de d'échangeur 4, est détendu et liquéfié dans une turbine 5 et passe de celle-ci dans une colonne de fractionnement 6 dans laquelle a lieu une distillation fractionnée, l'oxygène liquide étant soutiré par le bas et il traverse ensuite l'échangeur 4 pour aboutir au four 1. L'azote gazeux est évacué par le haut de la colonne, il traverse l'échangeur 4 et s'échappe en N à l'air libre ou est recueilli pour un usage ultérieur.
Le compresseur 2 est entrainé par un tur- bine à gaz ordinaire, à cycle ouvert, et qui com- prend un compresseur 7 aspirant de l'air atmosphé- rique et débitant de l'air comprimé qui extrait de la chaleur, dans un échangeur 8, hors des gaz per- dus provenant du four 1. Cet air refroidi se dé- tend alors dans la turbine 9 qui entraine le com- presseur 7. Pour la mise en marche de l'installa- tion, un dispositif de combustion auxiliaire 10, utilisant un combustible approprié quelconque, sert à l'alimentation de l'échangeur de chaleur 8.
Plusieurs variantes du cycle sont possibles suivant les circonstances. Par exemple et comme montré sur la fig. 2, il est possible de remplacer les deux compresseurs 2 et 7 par un seul 7 qui ali- mente en air comprimé le cycle de la turbine à gaz et l'appareil producteur d' oxygène. Si on le dé- s ire, le même compresseur peut également fournir, en 12, de l'air comprime au convertisseur 1 ou tout autre appareil utilisateur d'oxygène. Suivant une variante, cette dernière alimentation en air comprimé peut être assurée par un compresseur sé- paré 11 qui est également entrainé par la turbine 9.
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Si les gaz perdus, provenant de l'appareil utilisateur d'oxygène, conviennent également comme fluide actif d'une turbine à gaz, on peut adopter la disposition selon la f ig. 3 pour la- quelle le compresseur 2, qui débite l'air com- primé pour le séparateur d'oxygène et que, si on le désire, peut alimenter aussi, en 13,l'ap- pareil utilisateur d'oxygène, est entrainé par une turbine à gaz d'échappement 9, dans laquelle les gaz perdus de l'appareil 1 se détendent sans que l'on ait à prévoir des moyens de chauffage.
Cette disposition peut être adoptée, par exem- ple, si l'appareil 1 est un moteur à combustion interne auquel l'oxygène est fourni comme un succédané à une suralimentation.
La f ig. 4 montre une autre variante pour laquelle le fluide actif pour la turbine 9 est constitué, en partie, par de l'air comprimé fourni par le compresseur 2 qui alimente aussi l'appareil séparateur d'oxygène et, en partie, par les gaz d'échappement de l'appareil uti- lisateur d'oxygène, par exemple un moteur à combustion interne.
Les instructions, établies selon l'in- vention et constituées comme expliqué plus haut, permettent l'utilisation de l'oxygène sur une base économique puisqu'elles forment des ensem- bles complets ce qui supprime les consommations d'énergie et les frais de transport et similai- res.
Les dépenses de l'emmagasinage d'oxygène peuvent également être évités puisque le groupe producteur doit seulement fonctionner quand on en a besoin
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Pour l'installation de la fig. 5, le compresseur 2 débite de l'air comprimé qui est refroidi dans un réfrigérateur 3 et dont la tem- pérature est abaissée davantage, dans l'échangeur de chaleur 4 comme dans le cas des figs. 1 à 4. l'air est détendu et liquéfié dans une turbine 5 et est reçu dens la colonne de fractionnement 6, l'oxygène liquide étant soutiré par le bas de celle-ci. Cet oxygène, encore à l'état liquide, est refoulé sous pression par la pompe 14 dans l'échangeur de chaleur 4 dans lequel il est éva- poré par extraction de la chaleur hors de l'air comprimé, admis dans cet appareil.
L'oxygène quitte l'échangeur à l'état gaaeux et à une pres- sion qui est encore substantielle . Le niveau énergétique de cet oxygène est encore élevé da- vantage dans un échangeur de chaleur 15 dans lequel il absorbe la chaleur des gaz perdus sor- tant du four 1 et cet oxygène se détend ensuite jusqu'à la pression atmosphérique dans une turbi- ne 17 qui fournit de l'énergie mécanique an com- presseur 2. L'oxygène est conduit ensuite au four 1.
La compression de l'oxygène, quand il est à l'état liquide froid, présente l'avantage qu'il se produit une dépense d'énergie moindre que si l'oxygène était comprimé en étant à l'état ga- zeux en étant à -ne température plus élevée. De plus, les propriétés pour le transfert de la chaleur sont meilleures pour la phase liquide que pour la phase gazeuse alors que les proprié- tés de transfert thermique, depuis le gaz sous pression et qui résulte de 1' évaporation dans
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l'échangeur de chaleur 4, sont également amélio- rées comparativement à celles d'un gaz à une pression inférieure puisqu'il y a moins de perte de pression et qu'un espace moindre est nécessaire,
En général, on peut dire que, de ce point de vue,
l'invention présente l'avantage que la pression d'un liquide peut être accrue plus aisément que cel- le d'un gaz et que l'oxygène, à l'état liquide, est dé jà disponible dans la colonne 6. Si l'oxygène peut être amené à la même pression que celle de l'air il se/ peut être poss ible de/servir d'un échangeur de cha- leur à régénération.
De même, l'azote recueilli dans la colonne 6 peut être utilisé pour entraîner une turbine four- nissant de l'énergie mécanique qui aide à entrainer le compresseur 2. A cet effet, l'azote est, de pré- férence, liquéfié dans un appareil approprié (non montré). Comme l'azote gazeux est fourni par la colonne b à une température qui n'est pas très su- périeure à son point d'ébullition, il pourrait gé- néralement être liquéfié à nouveau sans trop de dif- ficulté et celle-ci pent être largement compensée par les avantages que l'on obtient par sa compres- sion à l'état liquide.
Après la liquéfaction, la pression de l'a- zote est augmentée dans un compresseur 19 et cet azo- te est alors introduit dans l'échangeur de chaleur 4 dans lequel il absorbe la chaleur soustraite à l'air compris, admis dans cet appareil. L'azote est ainsi vaporisé et après celé son niveau énergétique est augmenté davantage par une absorption de chaleur dans l'échangeur 20 qui est alimenté avec les gaz perdus, provenant du four 1. A la sortie de l'échangeur 20,
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l'azote gazeux se détend jusqu'à la pression atmos- phérique dans une turbine 21 qui aide à entraîner le compresseur 2. Si on le désire, la puissance fournie par la turbine de détente 5 peut égale- ment contribuer à l'entraînement du compresseur 2
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comme indiqué p'r les traits n 't erromp'1s lSIJr I la f ig. 5.
Dans certains cas, qui dépendent de la diffi- culté d'obtenir parfois la réliquéfaction de l'a- zote et des rendements relatifs des parties cons- titutives utilisées, il peut être avantageux de comprimer l'azote à l'état gazeux sans le liqué- fier à nouveau, tout en conservant un avantage substentiel par rapport à la compression de l'a- zote à une température plus élevée, après qu'il a traversé l'échangeur de chaleur 4.
Si une source d'azote à haute pression est utile, comme par exemple dans le cas de la synthè- se de l'ammoniac à partir de l'azote, cet azote à haute pression, fourni par le compresseur 19, peut être amené directement à l'endroit d'utili- sation et l'échangeur de chaleur 20 ainsi que la turbine 21 peuvent être supprimés. Il es't à noter que l'installation, montrée sur la fig. 5, consti- tue un moyen économique pour fournir de l'azote dont la pression est au moins égale à une partie de celle que l'on veut obtenir.
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