CA2085561A1 - Procede et installation de production d'oxygene impur - Google Patents

Procede et installation de production d'oxygene impur

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CA2085561A1
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Jean-Louis Girault
Philippe Mazieres
Jean-Pierre Tranier
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

ABRÉGÉ DESCRIPTIF Suivant ce procédé: on fait fonctionner la colonne moyenne pression sous une pression supérieure à 6 bars et de préférence au moins égale à 9 bars absolus environ; on condense dans le condenseur de cuve de la colonne basse pression un premier gaz de vaporisation moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne pression; et on condense de l'azote de tête de la colonne moyenne pression que l'on envoie ensuite en reflux en tête de la colonne moyenne pression, à un niveau de la colonne basse pression situé au-dessus dudit condenseur de cuve. Application aux installations de distillation d'air à double colonne couplées à une turbine à gaz.

Description

2 ~

La présente inventi~n est relative à un procédé de production d'oxyg~ne lmpur par distilla-tlon d'air dans une installation de distillation d'air à
double colonne, la doul~le colonne comprenant une colonne moyenne pression et uns colonne basse pression.
Les appllcations conaern~es par 1' invention sont celles ~ui consomment de grandes quantités d'oxygène impur. On cltera le~ proc~d~s de gazéi~ication de charbon ou de résldus pétrolier~, ainsi que les procéd~ de ré-ductlon-fusion directe du minerai de fer.
Il est oonnu que pour produire par distil-lation d'air de l'oxygene impur, c'est-à-dire ayant une puret~ inf~rieure ~ 99,5% et généralement inférleure à
98~, il est possible de diminuer la dépense d'energie en augmentant la pression de marche de la double colonne, à condition que l'on puisse valoriser l'énergie disponi-ble dans la colonne basse pression sous forme de pres-sion.
Un moyen connu de valoriser cette pression, décrit par exemple dans le US-A-4 224 045, consiste à
combiner l'apparetl de distillation d'air ~ une turbine à gaz : l'air à séparer est prélevé totalement ou partiellement au refoulement du compresseur de cette turbine, et le gaz résiduaire basse pression de l'appa-reil de distillation est renvoyé après compression à la turbine à gaz, l'oxygène impur et l'azote étan-t envo~és vers l'utilisation sous la pression de la colonne qui les produit.
De cette manière, la basse pression est entièrement valorisée, et l'on obtient une énergie de séparation réduite.
L'invention a pour but de réduire encore la dépense d'énergie nécessaire à la production de l'oxygène , . . .
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' 20~5~1 lmpur.
A cet effet, l'invention a pour objet un procéd~ caracteris~ en ce que :
- on fait fonctionner la colonne moyenne pre~sion 90U8 une pre~sion sup~rleure ~ 6 bars et de préfe~enoe au moin~ ~gale ~ 9 bars absolus environ;
- on conden~e dans le condenseur de c~ve de la colonne basse pression un premier gaz de vaporisation moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne pression; et - on condense de l'azote de t~te de la colonne moyenne pression, que l'on envoie ensulte en reflux en tête de la colonne moyenne pression, à un niveau de la colonne basse pression situé au-dassus dudit condenseur de cuve.
Suivant d'autres caract~ristigues :
- ledit premier gaz de vaporisation est un gaz soutiré ~ un niveau intermédiaira de la colonne moyenne pression;
- ledit premier gaz de vaporisation est de l'air moyenne pression;
- ledit premier gaz de vaporisation est de l'azote ~ peu près pur ou impur comprim~ à une pression supérieure ~ celle de la colonne moyenne pression;
- on condsnse un deuxième gaz de vapori-sation, plus volatil que ledit premier gaz de vapori-sation mais moins volatil que l'azote de tete de la colonne mo~enne pression, à un niveau intermediaire entre ceux desdites condensations;
- on ~outira l'oxygène impur sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression, on l'amène sous forme liquide à la pression de production désirée, et on le vaporise sous cette pression par condensation d'un troisième gaz de vaporisation;
- le troisième gaz de vaporisation est de :-' , .' ' ' '........................ ~
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. .
, 203~

l'azote à peu près pur ou impur produit par la double colonne et comprimé ~ une pression de vaporlsation de l'oxyg~ne lmpur 50U~ la pr~Rsion de production;
- le troisi~me gaz de vaporlsation est de l'air alimentant la double colon~e, comprimé à une pression de vaporisation de l'oxygène impur 90US la presslon de productlon.
L'invention a ~galement pour ob~et une lnstallation da di~tillation d'alr à double colonne destin~e à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Suivant l'invention, cette installation comprend des moyens pour fournir à la colonne moyenne pression de l'air à dis-til-ler sous au moins 9 bars absolus environ, et la colonne basse pression comprend au moins deux vaporiseurs-conden~
; 15 seurs superposés, dont un vaporiseur-condenseur de cuve, des moyens pour alimenter ce vaporiseur-condenseur de cuve avec un premier gaz de vaporisation moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne pression, des moyens pour alimenter le deuxième vaporiseur-condenseur ; 20 avec de l'azote de tête de la colonne moyenne pression, et des moyens pour envoyer l'azote ainsi condensé en ; reflux en tete de la colonne moyenne pression.
Suivant d'autres caract~rlstique~ :
- au moins deux vaporiseurs-condenseurs de la 25 colonne basse pression sont immediatement superpos s l'un à l'autre, sans moyens de distillation intermédiair2s;
- l'installation comprend des moyens de soutirage d'oxygène impur sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression, des moyens de compression de cet oxygène impur liquide à une pression de produc-tion, ainsi qu'un cycle à azote de soutien de rectifi-cation comprenant des moyens pour comprimer, liquéfier, détendre et introduire dans la colonne moyenne pression une fraction de l'azote à peu près pur ou impur produit par la double colonne;

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20~iJ~g1 - lesdits moyens de compression sont adaptés pour comprimer ladite fraction d'azoto ~ une pression de vaporis~tion de l'oxyg~ne impur 80u8 ladlts pression de product~on.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont main-tenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les Flgures 1 ~ 4 représentent~
schématiquement quatre modes de réalisation de l'instal-lation de dlstlllation d'air conforme à l'invention.
L' installation représentée à la Figure 1 est destinée à produire de l'o~ygène à une pureté de l'ordre de 85% sous une pression de l'ordre de 7,4 bars ab~olus.
Elle comprend essentiellement une double colonne 1 de distillation d'air, constltuee d'une colonne moyenne pression ~ou "colonne MP") 2 fonctionnant sous 15,7 bars absolus et d'une colonne basse pression (ou "colonne BP")
3 fonctionnant sous 6,3 bars absolus, une ligne d'éahange thermique principale 4, un sous-refroidisseur 5, un vaporiseur-condenseur auxiliaire 6 et une turbine 7 d'~nsufflation d'air dans la colonne basse pression. La colonne 3 est superposée à la solonne 2 et contient en cuve un vaporiseur-condenseur 8 et, au-dessus de celui-ci, un second vaporiseur-condenseur 9.
L'air à distiller arrive sous la moyenne pression via une conduite 10 e-t pénètre dans la ligne d'échange 4~ La majeure partie de cet air est refroidie jusqu'au voisinage de son point de rosée et sort au bout froid de la ligne d'échange, le reste étant sorti de la ligne d'échange à une température in-termbdiaire, détendu à la basse pression dans la turbine 7 pour assurer le maintien en froid de l'installation, e~ insufflé à un niveau intermédiaire dans la colonne BP 3.
Une fraction de l'air entièrement refroidi est introduit, via une conduite 11, à la base de la colonne MP 2, et le reste est condensé dans le vapori-( .

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- ~

2 ~

seur-co~denseur 6; une p~tie du liquide obtenu e.~t introd~it vla une condui~e 12 en un polnt interm~dialre de la colonne 2, et le reste est, après sous-refroidisse-ment en 5 et detente dans une vanne de d~tente 13, introduit en un point intermédiaire de la colonne sP 3.
Le "liquide riche" (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la aolonne MP est, aprbs SOU5-refroidissement en 5 et détente dans une vanne de détente 14, introduit en un point interm~diaire de la colonne BP.
De m~me, du "liquide pauvre" tazote impur) soutiré en un point intermédiaire de la colonne MP est, après sous-refroidisse~ent erl5 et détente dans une vanne de détente 15, introduit au sommet de la colonne BP.
L'azote à peu près pur produit en tete de la colonne MP est pour partie évacué de l'installation en tant ~ue produit, après réchauffement dans la ligne d'échange, via une conduite 16, et, po~r le reste, envoyé
sous forme gazeuse via une conduite 17, sous la moyenne pression, dans le vaporiseur-condenseur supérieur 9.
Après condensation, cet azote est renvoyé en reflux en t8te de la colonne MP via une conduite 18.
De plus, de l'azote impur gazeux, soutiré en un point intermédiaire de la colonne 2 et, dans cat exemple, au même niveau que le liquide pauvre, est envoyé
via une conduite 19, sous la moyenne pressian, dans le vaporiseur-condenseur inférieur 8. Le liquide ainsi obtenu est renvoyé en reflux dans la colonne MP, à peu près au rnême niveau, via une conduite 20. ~:
Les courants de fluides sortant de la double 30 cslonne sont : -~ au sommet de la colonne MP, de l'azote moyenne pression, dont il a été question plus haut;
- au sommet de la colonne BP, de l'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation. ~-35 Cet azote impur, après réchauffemPnt dans le sous-, ~ . .

. - , , .
, 6 2 ~
refroidisseur 5 et dans la ligne d'échange 4, est évacu~
via une conduite 21; et - en cuve de la colo~ne BP, de l'oxy~ène lmpur liqulde. Ce liquide est soutiré via une conduite 22, comprime par une pompe 23 ~ la pression de production (7,4 bars absolus dans cet ~xenlple), puis vaporlsé dans le vapori~eur~condenseur 6 en condensant la ~raction d'air moyenne pression qui traverse ce dernier, puis réchauffé sous forme gazeuse dans la ligne d'~change et evacu~ de l'installation via une conduite de production 24.
En variante, la pompe 23 pourrait être supprimée, l'oxygène impur étant alors vaporisé en 6 sous la basse pression.
La descrip-tion ci-dessus montra que, pour un ecart de température donn~ dans le vaporiseur-condenseur 8, la température du liquide de cuve de la colonne BP est déterminée par celle du gaz condensé dans ce vaporiseur-condenseur. Comme il s'agit d'un gaz intermédiaire de la colonne MP, plus chaud ~ua l'azote de tete de cette colonne, la température du liquide de cuve, qui ~st l'oxygène impur, est relativement élevee. Par suite, pour une pureté désirés de cet oxyg~ne impur, la pression de la colonne BP, a'est-à-dire la basse pression, peut etre augment~a. Finalement, on obtient de l'oxygène impur et de l'azote impur sous une pression accrue, ce qui permet de réaliser des économies sur leur valorisation, par exemple sur l'énergie nécessaire pour comprimer l'a-zote impur à la pression voulue dans une turbine à gaz (non représentée) couplée à l'installation, par exemple de la manière décrite dans le US-A-4 224 045 précité.
Dans ce contexte, le vaporiseur~condenseur supérieur 9 sert à fournir le reflux nécessaire en tête de la colonne MP.
Si les températures des deux gaz alimentant ,,, .
- , : . .
, ~
:, 2 ~

les deux vaporiseurs-condenseurs sont nettement diffé-ren-tes l'une de llautre, il est nécæssalre de prévoir un ~ertain nonlbre de pla-teaux de distillation 25 entr~ C9S
vaporlseurs-condenseurs. Dans le cas contraire, ces plateaux peuvent ~tre supprlm~s, ce qui simplifie la constructions de la colonne BP, les deu~ vaporiseurs-condenseurs pouvant mame etre intégrés en un seul échangeur de ahaleur. C'est pourquoi les plateaux 25 ont été représent~s en trait inter~ompu.
L'in~tallation représentée ~ la Figure 2 ne diff~re de la Figure l que par les points suivants.
L'oxygene impur est soutiré sou~ ~orme gazeuse de la colonne BP 3, et est simplemen-t r~chauffé
dans la ligne d'échange 4 avant son evacuation via la conduite 24. Ceci est particulièrement int~ressant lorsque l'oxyg~ne impur est d~sir~ sous la basse pres-sion. En conséquence, le vaporiseur-condenseur 6 est supprime.
De plus, une fraction de l'air moyenne prassion refroidi au voisinage de son point de rosée est envoyée, via une conduite 26, dans le vaporiseur-conden-seur inférieux 8 à la place du gaz intermédiaire de la Figure 1. Ce gaz in-termédia~re, quant à lui, alimenta un vaporiseur-condenseur intermédiaire 27 situé entre les vaporiseurs-condenseurs inférieur 8 et supérieur 9. Comme précédemment, il peut y avoir ou non des pla-teaux en-tre les paires de vaporiseurs-condenseurs. L'air liquéié
issu du vaporiseur-condenseur 8 est envoyé pour partie, via une conduite 28, dans la colonne MP et pour partie, après sous-refroidissement en 5 et détente dans la vanne de détente 13, dans la colonne BP.
Par rapport a la solution de la Fi~ure 1, on obtient une température plus élevée en cuve de la colonne BP, ce qui est favorable à l'augmentation de 12 basse pression. En revanche, on doit vaporiser un liquide plus .
, .

203~

riche en oxygène que l'oxyyène impur à produire, ce qui tend ~ ~éduire la basse pression.
Ce dernier inconv~nient e~t supprim~ dans l'installation de la Flgure 3, qui permet de produire l'oxyg~ne impur 90US une pression élevée, et qui diffère de la précédente par le~ points suivants.
D'une p~rt, l'ox~g~ne impur es-t soutiré sous forme liquide da la auve de la colonne BP, puis est amené
par une pompe 23 ~ la press:Lon de production désirée, puis vaporis~ et rechauffé sous cette pression dans la ligne d'échange 4 avant d'être évacué de l'installation via la conduite 24.
D ' autre part, pour compenser la perte de reflux da~s la colonne MP résultant du soutirage lS d'oxygène liquide en cuve de la colonne 8P, il est pré~u un cycle azote, dit cycle de soutien de rectification, qui est utilisé en meme temps pour assurer la vapo-risation de l'oxyg~ns impur : une partie de l'azote produit en tete de la colonne 3 (la~uelle, dans ce cas, poss~de en tete un "minaret" 30 gui est alimenté ~ son sommet par de l'azote liqulde pur provenant du Yapori-seur-condenseur supérieur 9 et gui, par suite, produit de l'azote pur sous la basse pression) est, après ré-chauffement dans la ligne d'échange~ aomprimée par un compresseur 31 ~ la moyenne pression. Cet azote moyenne pression, réuni à un courant d'azote moyenne pression prélevé sur la conduite 16, est comprimé de nouveau par un compresseur 33 à une pression de vaporisation dè
l'oxygène impur comprimé par la pompe 23, liquéfié dans la ligne d'échange, p.uis, après détente dans une vanne de détente 34, introduit en reflux en tête de la colonne MP.
I.'installation de la Figure 4 comporte également une colonne BP 3 à minarat 30. Toutefois, contrairement au cas précédent, c'est de l'air haute s 2~3.3~

pression, surpresse à une pression de vaporisation de l'oxygène impur par un surpresseur 35, qui assure la vaporisation de l'o~ygène impur dans la ligne d'échange
4. Dans cet exemple, cet air est, apres liqué~action et d~tente dans une vanne de déten-te 36 et dans.la vanne de détente 13, répartl entre les deux colonnes 2 et 3. Par consequent, le compresseur 33 et la vanne de détenta 34 de la Figure 3 sont supprimés.
De plus, l'azote issu du compresseur 31, comprim~ ~ une pression sup~rieure à la moyenne pression, alimente sous forme gazeuse, après refroidissement dans la ligne d'échange, le vaporiseur-condenseur inférieur 8, et l'azote liquide resultant est, après détente dans une vanne de détente 37, réuni à l'azo-te liquide moyenne pression issu du vaporiseur-condenseur supérieur 9. Ceci présente l'avantage de permettre un réglage de la température de cuve de la colonne BP, et donc de la -pression de cette colonne, par réglage de la pression de l'azote alimentant le vaporiseur-condenseur 8. Cette pression d'azote peut etre choisie entre la moyenne pre~sion et la pression pour laquelle l'azote se condense au bout froid de la ligne d'échange.

' .

.

' . ' ~

Claims (15)

1. Procédé de production d'oxygène impur par distillation d'air dans une installation de distillation d'air à double colonne, la double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, caractérisé en ce que:
- on fait fonctionner la colonne moyenne pression sous une pression supérieure à 6 bars absolus environ;
- on condense dans le condenseur de cuve de la colonne basse pression un premier gaz de vaporisation moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne pression; et - on condense de l'azote de tête de la colonne moyenne pression, que l'on envoie ensuite en reflux en tête de la colonne moyenne pression, à un niveau de la colonne basse pression situé au-dessus dudit condenseur de cuve.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait fonctionner la colonne moyenne pression à une pression au moins égale à 9 bars absolus environ.
3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier gaz de vaporisation est un gaz soutiré à un niveau intermédiaire de la colonne moyenne pression.
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier gaz de vaporisation est de l'air moyenne pression.
5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier gaz de vaporisation est de l'azote à peu près pur ou impur comprimé à une pression supérieure à celle de la colonne moyenne pression.
6 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on condense un deuxième gaz de vaporisation, plus volatil que ledit premier gaz de vaporisation mais moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne pression, à un niveau intermédiaire entre ceux desdites condensations.
7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soutire l'oxygène impur sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression, on l'amène sous forme liquide à la pression de production désirée, et on le vaporise sous cette pression par condensation d'un troisième gaz de vaporisation.
8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le troisième gaz de vaporisation est de l'azote à peu près pur ou impur produit par la double colonne et comprimé à une pression de vaporisation de l'oxygène impur sous la pression de production.
9. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le troisième gaz de vaporisation est de l'air alimentant la double colonne, comprimé à une pression de vaporisation de l'oxygène impur sous la pression de production.
10. Installation de distillation d'air à
double colonne, la double colonne comprenant une colonne moyenne pression et une colonne basse pression, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour fournir a la colonne moyenne pression de l'air à distiller sous au moins 9 bars absolus environ, et en ce que la colonne basse pression comprend au moins deux vaporiseurs-condenseurs superposés, dont un vaporiseur-condenseur de cuve, des moyens pour alimenter ce vaporiseur-condenseur de cuve avec un premier gaz de vaporisation moins volatil que l'azote de tête de la colonne moyenne pression, des moyens pour alimenter le deuxième vaporiseur-condenseur avec de l'azote de tête de la colonne moyenne pression, et des moyens pour envoyer l'azote ainsi condensé en reflux en tête de la colonne moyenne pression.
11. Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce que la colonne basse pression comprend deux vaporisateur-condenseurs au-dessus du vaporiseur-condenseur de cuve, dont un vaporiseur-condenseur alimenté avec ledit azote de tête et un vaporiseur-condenseur intermédiaire alimenté avec un gaz moins volatil que cet azote de tête et plus volatil que ledit premier gaz de vaporisation.
12. Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce qu'au moins deux vaporiseurs-condenseurs de la colonne basse pression sont immédiatement superposés l'un à l'autre, sans moyens de distillation intermédiaires.
13. Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens de soutirage d'oxygène impur sous forme liquide de la cuve de la colonne basse pression, des moyens de compression de cet oxygène impur liquide à une pression de production, ainsi qu'un cycle à azote de soutien de rectification comprenant des moyens pour comprimer, liquéfier, détendre et introduire dans la colonne moyenne pression une fraction de l'azote à peu près pur ou impur produit par la double colonne.
14. Installation suivant la revendication 13, caractérisée en ce que lesdits moyens de compression sont adaptés pour comprimer ladite fraction d'azote à une pression de vaporisation de l'oxygène impur sous ladite pression de production.
15. Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un surpresseur d'air adapté pour amener une fraction de l'air à distiller à une pression de vaporisation de l'oxygène impur sous ladite pression de production.
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