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La présente invention concerne un procédé pour la production d'oxygène gazeux sous pression à partir de l'air atmosphérique.
La séparation de l'air en oxygène et azote (et éventuellement ar- gon) par liquéfaction et rectification s'effectuant d'autant plus aisément que la pression de rectification est plus basse, les gaz séparés sortent généralement de l'appareil au voisinage de la pression atmosphérique. De nombreuses applications en particulier la métallurgie, nécessitant une pression relativement élevée, l'oxygène doit alors être comprimé à la sor- tie de 1 appareil producteur. Il en est de même lorsque l'oxygène est dis- tribué par un réseau de canalisations, dont ]et diamètres seraient prohi- bitifs si le gaz devait y circuler sous basse pression. Dans un cas com- me dans l'autre, on doit donc le comprimer, ce qui nécessite une dépense élevée d'énergie et soulève des problèmes de sécurité assez délicate.
Aussi a-t-il déjà été proposé de produire l'oxygène et de le mettre sous pression à l'état liquide, puis de le vaporiser et de distribuer le gaz comprimé résultanto L'énergie nécessaire à la mise sous pression est en effet, à pression égale, beaucoup plus faible pour un liquide que pour un gazo
En particulier, on a proposé de vaporiser l'oxygène sous pression par échange avec une partie, comprimée séparément à une pression très éle- wée, de l'air à soumettre à la rectification.Cette solution entraîne la nécessité d'un compresseur supplémentaire, alors que la présente inven tion, comme il sera exposé plus loin, permet de comprimer à une pression unique la totalité de l'air à séparer.
Il est à remarquer que la vaporisation de l'oxygène sous une pres- sion relativement élevée, et sa sortie sous cette même pression posent des problèmes particuliers quant à la transmission à l'air à séparer du froid contenu par l'oxygène. L'air, au cours de son refroidissement, doit en effet absorber, non seulement les frigories libérées par le réchauffage de l'oxygène, sous forme liquide et sous forme gazeuse, mais également les frigories de vaporisation de l'oxygène.
Il en résulte la nécessité de donner à l'air en refroidissement une capacité calorifique suffisante, qu'on obtient en comprimant cet air à une pression suffisamment élevée, la chaleur spécifique des gaz augmen- tant avec leur pression.
D'autre part, on sait que le moyen le plus habituel de fournir à un appareil de séparation de l'air le froid nécessaire à sa tenue frigo- rifique, consiste à prélever une partie de l'air sous pression à traiter, au cours de son refroidissement, et à détendre cette partie avec travail extérieur, de façon à la refroidir jusqu'au voisinage de son point de ro- sée, le reste, toujours sous la pression initiale, étant amené à cette même température et liquéfié, au moins en partie, par échange de chaleur avec les produits de la séparation, c'est-à-dire essentiellement l'azote et l'oxygène.
Pour fournir la production frigorifique nécessaire, la détente avec travail extérieur doit a) porter sur une masse d'air suffisante, b) partir d'une pression initiale minima, o) être effectuée sur de l'air à une température initiale suffi- samment élevée pour que la détente'n'amène pas la liquéfaction partielle de l'airo
Bais, d'autre part, il est nécessaire que, malgré le prélèvement de la portion à détendre sur la masse totale de l'air, le reste de cette ;
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masse possède une capacité calorifique suffisamment pour l'adsorption aux basses températures des frigories libérées par le réchauffage des produits de la séparation.
Le relèvement de la pression initiale de l'air favorise cette adsorption en accroissant la chaleur spécifique de l'air aux basses tempé- ratures, en même temps que, comme il est dit plus haut, il accroît la pro- duction frigorifique de la détente. Mais en contre partie, il a l'inconvé- nient d'augmenter la dépense d'énergie.
La présente invention permet une économie notable d'énergie par rapport aux procédés connus, dans les appareils de production d'oxygène sous pression utilisant la sortie de l'oxygène à l'état liquide de l'ap- pareil de rectification et sa mise sous pression à l'état liquide. Elle procure également une grande souplesse de marche, c'est-à-dire une adap- tation aisée de la production aux besoins.
Elle permet accessoirement la production d'une partie ou même de la totalité de l'azote à un état de très haute pureté (quelques millioniè- mes seulement d'argon et d'oxygène).
Un premier point caractéristique de l'invention consiste dans la vaporisation de l'oxygène sous pression en contre courant avec la totalité de l'air à séparero
Au cours du refroidissement d'un gaz par échange de chaleur avec un liquide en vaporisation, la température du gaz décroît progressivement jusqu'à une limite qui ne peut être inférieure à la température de vapori- sation du liquide, température qui, au contraire, reste fixe pendant l'é changeo Or on sait que le rendement thermodynamique d'un échange de chaleur entre deux fluides est d'autant meilleur que les fluides présentent entre eux un moindre écart de température à chacune des extrémités du système d'échange. A l'extrémité froide, cet égard peut être très faible,
la tem- pérature minima atteinte par le gaz étant, à la limite théorique, la tem- pérature de vaporisation du liquide. Si cette condition est approximative- ment réalisée, l'écart à l'extrémité chaude pourra être d'autant plus fai- ble que la masse du gaz à refroidir sera plus grande vis-à-vis de la mas- se du liquide à vaporiser. Dans le cas où le gaz et le liquide sont res- pectivement l'air à séparer et l'oxygène résultant de la séparation, on mettra en échange, conformément à l'invention, la totalité de l'air, soit 100 parties, avec les 23 parties d'oxygène, en cours de vaporisation et provenant de la séparation de ces 100 parties d'air.
La vaporisation de l'oxygène par échange thermique avec la tota- lité de l'air à séparer a pour conséquence que l'air à envoyer à la déten- te ne peut être prélevé sur la masse totale qu'à une température inférieure à la température de vaporisation de l'oxygène, ou au plus voisine de cette température qui, pour fixer les idées, est de -1320 pour une pression de l'oxygène égale à 30 atmosphères.
Mais, dans ces conditions, c'est-à-dire si la température initiale de la détente est voisine de -132 , une détente effectuée dans les condi- tions classiques jusqu'à la pression de rectification liquéfiera une pro- portion notable de 1 aire Or la liquéfaction à la détente est à éviter, tant pour une raison thermodynamique, qui est le mauvais rendement frigo- rifique de la détente dans ces conditions, que pour les graves inconvé nients mécaniques résultant de la présence de liquide dans une machine de détente. Ces raisons obligent donc à détendre l'air à partir d'une tem- pérature nettement supérieure à la température de vaporisation de l'oxy- gêne sous pression.
Par suite, 0 est une partie seulement de la masse d'air à séparer qu'on peut refroidir par la vaporisation de l'oxygène sous pres- sion
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Aussi, suivant un deuxième point de l'invention, la détente pro- ductrice de froid n'est-elle pas effectuée en une seule étape, de la pres- sion initiale de l'air jusqu'à la pression de rectification.
L'air subit une première détente jusqu'à une pression intermédiaire, puis est réchauf- fé par échange avec une portion de l'air encore sous la pression initiale et il est soumis ensuite à une deuxième détente jusqu'à la pression de rectificationo
L'invention est caractérisée principalement par la combinaison de ces deux points c'est-à-dire la vaporisation de l'oxygène liquide sous pression en contre courant avec la totalité de l'air à séparer, associée avec la double détente d'une partie de cet air.
On notera d'autre part que l'accroissement aux basses températu- res de la chaleur spécifique de l'air sous pression permet de n'utiliser qu'une partie relativement faible de cet air pour l'abesption aux tem- pératures inférieures à la température de vaporisation de l'oxygène sous pression, des frigories libérées par le réchauffage, d'une part, de l'a- zote gazeux sous basse pression et, d'autre part, de l'oxygène liquide sous pression. On pourra donc disposer, pour la détente avec travail exté- rieur, d'une portion relativement grande de l'air et, par suite, obtenir la production frigorifique nécessaire avec une pression initiale de l'air relativement modérée, ce qui réduit l'énergie nécessaire à la compression.
Par suite, dans un appareil fonctionnant conformément à la pré sente invention, l'air à séparer, préalablement comprimé et débarrassé par les moyens connus de l'humidité et de l'anhydride carbonique qu'il con- tient, est d'abord partiellement refroidi par échange de chaleur avec les produits gazeux de sa séparation, c'est-à-dire l'azote à basse pression et l'oxygène à haute pression. Il est ensuite, et dans sa totalité, re- froidi par échange de chaleur avec l'oxygène liquide en cours de vaporisa- tion sous pression.
Ainsi partiellement refroidi, il est divisé en plusieurs portions dont l'une est refroidie par échange de chaleur avec l'oxygène liquide qui sera ensuite vaporisé, une autre portion étant refroidie par l'azote sortant gazeux de la colonne de rectification, une troisième por- tion subissant une première détente partielle avec travail extérieur, étant ensuite réchauffée en cédant son froid à une partie, encore sous pression, de l'air à refroidir, puis détendue à nouveau jusqu'à la pression de sé,- parationo Les diverses portions de l'air entrent alors dans une colonne de rectification d'un modèle courant, de laquelle l'oxygène est tiré à l'état liquide à pression relativement basse et mis, toujours à l'état li- quide, sous la pression désirée.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'oxygène sor- tant liquide et sous une pression relativement basse de l'appareil de rec- tification est mis sous pression par une pompe d'un modèle connu dont le coefficient de remplissage, afin d'adapter le débit de la pompe à la pro- duction effective de l'appareil de rectification, est réglé, au moins par- tiellement en faisant subir un sous-refroidissement variable à l'oxygène liquide avant son entrée dans la pompe. On sait en effet que dans le pom- page d'un liquide à sa température d'ébullition, le remplissage de la pom- pe est toujours incomplet.
La figure unique du dessin annexé est un schéma d'ensemble d'un appareil constituant un exemple de mise en application de la présente in- vention.
L'air à séparer, comprimé à une pression d'environ 40 atmosphères et préalablement débarrassé par les moyens connus de l'humidité et de l'an- hydride oarbonique qu'il confient, entre dans l'appareil en 1 au voisinage
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de la température ambiante.
Il est réparti entre les trois échangeurs 2, 3 et 4 respectivement refroidis par l'oxygène séparé, sous une pression d'environ 30 atmosphères, l'azote impur et 1 azote séparé de haute pureté, ces deux derniers gaz étant au voisinage de la pression atmosphériqueo Ces trois flux d'air ainsi refroidis vers -105 C sont réunis à la sortie des échangeurs et le flux unique résultant est à nouveau refroidi dans 1 échangeur 5 par l'oxygène liquide séparé, se vaporisant et se réchauf- fant sous une pression de 30 atmosphères environ,, L'air, refroidi vers -125 dans cet échange, et toujours sous sa pression initiale soit envi- ron 40 atmosphères,
est à nouveau subdivisé en 5 courants qui sont refroi- dis de la façon suivante - Un premier courant est refroidi dans l'échangeur 7 par l'azote pur séparé gazeux; - Un deuxième courant est refroidi dans l'échangeur 8 par l'azote impur séparé gazeux; - Un troisième courant est refroidi successivement dans les échan- geurs 9 et 10 par l'oxygène liquide séparé, mis sous pression comme il sera indiqué plus loin.
Il est rejoint à la sortie de l'échangeur 9 et avant son entrée dans l'échangeur 10 par un quatrième courant, ayant subi dans 1 échangeur 11 un refroidissement partiel par échange avec le cin- quième courant ci-après mentionnéo
Ce cinquième courant est envoyé dans une turbine de détente 12 dans laquelle sa pression s'abaisse à environ 18 atmosphères, en même temps qu'il se refroidit vers 155 c Il entre alors dans l'échangeur 11 précé- demment mentionné, dans lequel il se réchauffe vers 140 cen refroidis- sant vers -152 le quatrième courante Il est alors à nouveau détendu dans la turbine 13 jusqu'à la pression de la colonne de rectification 20 soit environ 5 atmosphères.
Cette détente le refroidit: jusque vers -172 , donc au voisinage de son point de rosée sous ladite pression. Il entre alors en 14 dans la colonne 200
Les courants sortant respectivement des échangeurs 7, 8 et 10 sont réunis en 15 L'ensemble toujours sous la pression de 40 atmosphères et à une température d'environ 170 est refroidi dans l'échangeur 16 lo- gé au bas de la colonne 20 Une partie de cet air, détendue par la vanne 36, entre dans la colonne 20 par le tube 370Le reste est à nouveau re- froidi vers -179 par l'azote pur séparé dans l'échangeur 17, puis déten- du vers 1,2 atmosphère absolue par la vanne 18 et il pénètre dans la co- lonne à basse pression 21, en liaison avec la colonne 20 par le conden seur-vaporisateur 19
De la base de la colonne 20,
on tire un liquide titrant environ 45% d'oxygène. Il est refroidi dans 1 échangeur 22 par l'azote impur puis détendu par la vanne 23 et il entre dans la colonne 21Au voisinage du sommet de la colonne 20 on tire à l'état liquide de l'azote sensiblement pur qui est déversé au sommet de la colonne 21 après sous-refroidissement dans 1 échangeur 52 et détente par la vanne 24
Un peu au-dessous du sommet de la colonne 21, on tire à l'état gazeux par un tube 25 de l'azote impur, contenant comme impureté princi- pale l'argon de l'air traitée Cet azote est utilisé pour refroidir une série d'échangeurs qui seront indiqués plus loin, et il sort finalement par le tube 43.
l'oxygène est tiré à l'état liquide à la base de la colonne 21 par le tube 260Avant d'être mis par la pompe 27 à la pression désirée, soit par exemple 30 atmosphères, il est conformément à l'invention, sous- refroidi dans l'échangeur 28 par l'azote impur.
Ce dernier n'est pas envoyé
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en totalité dans 1 échangeur 28, une partie, réglable par le robinet 30 étant dérivée air l'éohangeur 29 où il est utilisé à la liquéfaction par contact indirect, d'un courant d'azote sous pression de 20 atmosphères en- viron, arrivant par le tube 31 qui, après avoir été refroidi de la tem- pérature ambiante à environ -145 dans l'échangeur 32 par l'azote pur sor tant de la colonne, se liquéfie dans le serpentin de chauffage 33 logé'au bas de la colonne 20, puis est sous-refroidi dans 1?échangeur 29 avant de sortir en 34 L'azote impur utilisé en parallèle au refroidissement des échangeurs 28 et 29, refroidit ensuite successivement les échangeurs 22,
8 et 3 déjà mentionnés, et il quitte l'appareil en 43.
L'oxygène liquide, dont la pression a été élevée à 30 atmosphè res environ dans la pompe 27, refroidit d'abord, en restant à l'état li quide, les échangeurs 10 et 9 où passe une partie de l'air à séparer, puis l'échangeur 5 où il se vaporise en refroidissant la totalité de cet air, enfin l'éohangeur 2, et il sort en 42
L'azote pur sortant en 35 du sommet de la colonne 21 refroidit d'abord dans l'échangeur 52 l'azote liquide provenant u sommet de la co- lonne, puis dans l'échangeur 17 la fraction de 1 air à séparer alimentant directement la colonne 21 Il se partage ensuite en deux parties.
La pre- mière refroidit dans l'éohangeur 32 l'azote comprimé arrivant par le tu- be 31, puis sort par le tube 38 La seconde refroidit successivement dans les échangeurs 7 et 4 des fractions de l'air à séparer, et sort finalement par le tube 44
Grâce à l'emploi des dispositifs décrits ci-dessus, on peut obte- nir l'oxygène sous une pression de 30 atmosphères, d'une part sans aucune compression d'oxygène à l'état gazeux, ce qui présente d'importants avan- tages non seulement d'économie mais également de sécurité, d'autre part ;
avec une pression initiale de l'air de 40 atmosphères seulement, alors que les dispositifs connus exigeraient une pression de départ nettement supérieure pour fournir l'oxygène sous la pression indiquée.
Par ailleurs, le moyen, indiqué pour le réglage du coefficient de remplissage de la pompe à oxygène liquide permet d'adapter le débit de celle-ci aux variations de la demande en oxygène et par suite de maintenir en permanence, quelle que soit la production, un niveau sensiblement cons- tant de liquide dans le condenseur-vaporistaeur de liaison entre les colon- nes 20 et 21, ce qui est nécessaire à la bonne marche de l'appareil.
REVENDICATIONS.