EP0641983B1 - Procédé et installation de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression - Google Patents

Procédé et installation de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression Download PDF

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EP0641983B1
EP0641983B1 EP94401839A EP94401839A EP0641983B1 EP 0641983 B1 EP0641983 B1 EP 0641983B1 EP 94401839 A EP94401839 A EP 94401839A EP 94401839 A EP94401839 A EP 94401839A EP 0641983 B1 EP0641983 B1 EP 0641983B1
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the invention aims to allow a reduction in the production of liquid for a given production capacity of oxygen and / or nitrogen gas under pressure, without increasing the specific energy of each production.
  • the subject of the invention is a process of the aforementioned type, characterized in that said part of the air is only released to an intermediate pressure, the turbined air is partially heated in the line of heat exchange by heat exchange with air which cools, then it is expanded in a second turbine to medium pressure and introduced into the medium pressure column.
  • the invention also relates to an installation intended for the implementation of such a method.
  • This installation of the type comprising a low pressure column operating under a pressure known as low pressure, and a medium pressure column operating under a pressure known as medium pressure; compression means for bringing all of the air to be distilled to at least one high pressure much higher than the medium pressure, these means comprising a main air compressor; means for withdrawing from the double column and pumping at least one liquid product resulting from the distillation; a heat exchange line bringing the air and said liquid product into heat exchange relationship; and an expansion turbine for part of this air, the intake of this turbine being connected to an intermediate point of the heat exchange line, is characterized in that the heat exchange line comprises partial heating passages, the inlet of which is connected to the exhaust of said turbine, and in that the installation includes a second expansion turbine whose inlet is connected to the outlet of these heating passages and whose exhaust is connected to the medium pressure column.
  • the installation shown in the drawing is intended to produce gaseous oxygen at a high pressure of approximately 10 to 100 bars, liquid oxygen and liquid nitrogen.
  • This installation essentially comprises: a main air compressor 1; a pre-cooler 2; an adsorption purification device 3; a fan-turbine assembly comprising a fan 4 and two turbines 5, 6 whose wheels are fixed on the same shaft; an atmospheric or water cooler 7 for the fan; a heat exchange line 8; a double distillation column 9 comprising a medium pressure column 10 and a low pressure column 11 coupled by a vaporizer-condenser 12 which brings the nitrogen at the top of column 10 into heat exchange relationship and liquid oxygen from the bottom of column 11; a liquid oxygen pump 13; a storage 14 of liquid oxygen at atmospheric pressure; a storage 15 of liquid nitrogen at atmospheric pressure; a separator pot 16; and a sub-cooler 17.
  • column 11 is under a pressure slightly higher than atmospheric pressure and column 10 under the corresponding pressure of approximately 5 to 6 bars.
  • All of the air to be distilled is compressed in 1, pre-cooled in 2 to + 5 to + 20 ° C, purified in water and in CO2 in 3 and boosted in 4 at high pressure. After pre-cooling in 7 and then partial cooling in passages 18 of the heat exchange line to an intermediate temperature T1, part of the air under high pressure continues to cool in passages 19 of the heat line. heat exchange, is liquefied and then divided into two fractions. Each fraction is expanded in a respective expansion valve 20, 21, then introduced into the respective column 10, 11.
  • T1 can be chosen to be around 10 ° C lower than the oxygen vaporization temperature, and T2 close to the knee for liquefying air under high pressure, this knee being below the vaporization temperature of oxygen and also below T1.
  • Liquid oxygen is withdrawn from the tank of column 11. A fraction goes directly to storage 15, via a pipe 24, while the rest is brought by pump 13 to the desired high production pressure, then vaporized and reheated at ambient temperature in passages 25 of the heat exchange line before being recovered via a pipe 26.
  • liquid nitrogen at medium pressure drawn off at the top of column 10 is sub-cooled at 17, expanded at atmospheric pressure in an expansion valve 27, and introduced into the separator pot 16.
  • the phase liquid is sent to storage 15, while the vapor phase is combined with impure nitrogen at the head of column 11, then the mixture is heated at 17 then in passages 28 of the heat exchange line and discharged from the installation as WN2 waste gas via line 29.
  • the invention also applies to the production of nitrogen gas under high pressure, brought by a pump (not shown) to the desired high pressure and then vaporized in the heat exchange line, and / or to the production of oxygen. and / or nitrogen under several pressures, using several high air pressures.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel :
    • on distille de l'air dans une double colonne de distillation comprenant une colonne basse pression fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression dite moyenne pression ;
    • on comprime la totalité de l'air à distiller jusqu'à au moins une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression ;
    • on refroidit l'air comprimé dans une ligne d'échange thermique jusqu'à une température intermédiaire, et on en détend une partie dans une turbine avant de l'introduire dans la colonne moyenne pression ;
    • on liquéfie l'air non turbiné dans la ligne d'échange thermique, puis on l'introduit, après détente, dans la double colonne ; et
    • on amène au moins un produit liquide soutiré de la double colonne à la pression de production, et on vaporise ce produit liquide dans la ligne d'échange thermique par échange de chaleur avec l'air, la température de liquéfaction de l'air étant inférieure à la température de vaporisation du produit liquide.
  • Les pressions dont il est question dans le présent mémoire sont des pressions absolues. De plus, l'expression "liquéfaction" doit être entendue au sens large, c'est-à-dire incluant la pseudo-liquéfaction dans le cas de pressions supercritiques.
  • Un procédé du type ci-dessus est décrit dans FR-A-2.674.011. Dans ce procédé, la production gazeuse sous pression s'accompagne inévitablement d'une production de liquide, laquelle n'est pas souhaitable dans toutes les applications industrielles.
  • L'invention a pour but de permettre une réduction de la production de liquide pour une capacité de production donnée d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression, ce sans augmentation de l'énergie spécifique de chaque production.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on ne détend ladite partie de l'air que jusqu'à une pression intermédiaire, on réchauffe partiellement l'air turbiné dans la ligne d'échange thermique par échange de chaleur avec de l'air qui se refroidit, puis on le détend dans une seconde turbine jusqu'à la moyenne pression et on l'introduit dans la colonne moyenne pression.
  • Dans des modes de mise en oeuvre de ce procédé :
    • ladite température intermédiaire est inférieure, notamment d'environ 10°C, à la température de vaporisation dudit produit liquide ;
    • la température d'admission de la seconde turbine est voisine du genou de liquéfaction de l'air.
  • L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation, du type comprenant une colonne basse pression fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression fonctionnant sous une pression dite moyenne pression ; des moyens de compression pour amener la totalité de l'air à distiller à au moins une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression, ces moyens comprenant un compresseur principal d'air ; des moyens de soutirage de la double colonne et de pompage d'au moins un produit liquide résultant de la distillation ; une ligne d'échange thermique mettant en relation d'échange thermique l'air et ledit produit liquide ; et une turbine de détente d'une partie de cet air, l'admission de cette turbine étant reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, est caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique comprend des passages de réchauffement partiel dont l'entrée est reliée à l'échappement de ladite turbine, et en ce que l'installation comprend une seconde turbine de détente dont l'admission est reliée à la sortie de ces passages de réchauffement et dont l'échappement est relié à la colonne moyenne pression.
  • Suivant des modes particuliers de réalisation de cette installation :
    • les deux turbines sont calées sur le même arbre;
    • l'arbre des deux turbines est solidaire de la roue d'une soufflante de surpression de l'air issu du compresseur principal d'air.
  • Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la figure unique représente schématiquement une installation de production d'oxygène gazeux sous pression conforme à l'invention.
  • L'installation représentée au dessin est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une haute pression de 10 à 100 bars environ, de l'oxygène liquide et de l'azote liquide.
  • Cette installation comprend essentiellement: un compresseur principal d'air 1; un pré-refroidisseur 2; un appareil 3 d'épuration par adsorption; un ensemble soufflante-turbines comprenant une soufflante 4 et deux turbines 5, 6 dont les roues sont calées sur le même arbre; un réfrigérant atmosphérique ou à eau 7 pour la soufflante; une ligne d'échange thermique 8; une double colonne de distillation 9 comprenant une colonne moyenne pression 10 et une colonne basse pression 11 couplées par un vaporiseur- condenseur 12 qui met en relation d'échange thermique l'azote de tête de la colonne 10 et l'oxygène liquide de cuve de la colonne 11; une pompe d'oxygène liquide 13; un stockage 14 d'oxygène liquide à la pression atmosphérique; un stockage 15 d'azote liquide à la pression atmosphérique; un pot séparateur 16; et un sous-refroidisseur 17.
  • En fonctionnement, la colonne 11 est sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique et la colonne 10 sous la pression correspondante de 5 à 6 bars environ.
  • La totalité de l'air à distiller est comprimé en 1, pré-refroidi en 2 vers + 5 à + 20°C, épuré en eau et en C02 en 3 et surpressé en 4 à la haute pression. Après pré-refroidissement en 7 puis refroidissement partiel dans des passages 18 de la ligne d'échange thermique jusqu'à une température intermédiaire T1, une partie de l'air sous la haute pression poursuit son refroidissement dans des passages 19 de la ligne d'échange thermique, est liquéfiée puis divisée en deux fractions. Chaque fraction est détendue dans une vanne de détente respective 20, 21, puis introduite dans la colonne 10, 11 respective.
  • A la température T1, le reste de l'air sous la haute pression est sorti de la ligne d'échange thermique, turbiné en 5 à une pression intermédiaire, réintroduit dans la ligne d'échange thermique, réchauffé partiellement dans des passages 22 de celle-ci, jusqu'à une température intermédiaire T2 qui peut être ou non égale à T1, sorti de nouveau de la ligne d'échange thermique, turbiné en 6 à la moyenne pression et introduit en cuve de la colonne 10.
  • On peut notamment choisir T1 inférieure d'environ 10°C à la température de vaporisation de l'oxygène, et T2 voisine du genou de liquéfaction de l'air sous la haute pression, ce genou étant au-dessous de la température de vaporisation de l'oxygène et également au-dessous de T1.
  • De façon habituelle, du "liquide riche" (air enrichi en oxygène) soutiré en cuve de la colonne 10 et du "liquide pauvre" (azote à peu près pur) soutiré dans la région supérieure de cette colonne sont, après sous-refroidissement en 17 et détente dans des vannes de détente respectives 22 et 23, introduits à un niveau intermédiaire et en tête, respectivement, de la colonne 11.
  • De l'oxygène liquide est soutiré en cuve de la colonne 11. Une fraction va directement dans le stockage 15, via une conduite 24, tandis que le reste est amené par la pompe 13 à la haute pression de production désirée, puis vaporisé et réchauffé à la température ambiante dans des passages 25 de la ligne d'échange thermique avant d'être récupéré via une conduite 26.
  • Par ailleurs, de l'azote liquide sous la moyenne pression, soutiré en tête de la colonne 10, est sous-refroidi en 17, détendu à la pression atmosphérique dans une vanne de détente 27, et introduit dans le pot séparateur 16. La phase liquide est envoyée dans le stockage 15, tandis que la phase vapeur est réunie à l'azote impur de tête de la colonne 11, puis le mélange est réchauffé en 17 puis dans des passages 28 de la ligne d'échange thermique et évacué de l'installation en tant que gaz résiduaire WN2 via une conduite 29.
  • Des calculs effectués sur la base d'une production de 248 tonnes par jour d'oxygène à 99,5% de pureté sous 40 bars, ont montré qu'on pouvait abaisser la haute pression d'air à 25,5 bars, contre 30 bars pour la configuration à une seule turbine du FR-A-2 674 011 précité. Dans les mêmes conditions, le ratio liquide/capacité de séparation en oxygène passe de 30% à 22%, et l'énergie spécifique de chaque production reste inchangée.
  • L'invention s'applique également à la production d'azote gazeux sous haute pression, porté par une pompe (non représentée) à la haute pression désirée puis vaporisé dans la ligne d'échange thermique, et/ou à la production d'oxygène et/ou d'azote sous plusieurs pressions, en utilisant plusieurs hautes pressions d'air.

Claims (7)

  1. Procédé de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type dans lequel :
    - on distille de l'air dans une double colonne de distillation (9) comprenant une colonne basse pression (11) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression (10) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression ;
    - on comprime (en 1, 4) la totalité de l'air à distiller jusqu'à au moins une haute pression d'air nettement supérieure à la moyenne pression ;
    - on refroidit l'air comprimé dans une ligne d'échange thermique (8) jusqu'à une température intermédiaire (T1), et on en détend une partie dans une première turbine (5) avant de l'introduire dans la colonne moyenne pression (10) ;
    - on liquéfie l'air non turbiné dans la ligne d'échange thermique, puis on l'introduit, après détente (en 20, 21), dans la double colonne ; et
    - on amène (en 13) au moins un produit liquide soutiré de la double colonne à la pression de production, et on vaporise ce produit liquide dans la ligne d'échange thermique (8) par échange de chaleur avec l'air, la température de liquéfaction de l'air étant inférieure à la température de vaporisation du produit liquide, caractérisé en ce qu'on ne détend ladite partie de l'air que jusqu'à une pression intermédiaire, on réchauffe partiellement (en 22) l'air turbiné dans la ligne d'échange thermique par échange de chaleur avec de l'air qui se refroidit, puis on le détend dans une seconde turbine (6) jusqu'à la moyenne pression et on l'introduit dans la colonne moyenne pression.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température intermédiaire (T1) est inférieure, notamment d'environ 10°C, à la température de vaporisation dudit produit liquide.
  3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la température (T2) d'admission de la seconde turbine est voisine du genou de liquéfaction de l'air.
  4. Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel l'air détendu dans la première turbine (5) est ensuite réchauffé par échange de chaleur avec l'air non turbiné destiné à la liquéfaction.
  5. Installation de production d'oxygène gazeux et/ou d'azote gazeux sous pression, du type comprenant une double colonne de distillation (9) comprenant une colonne basse pression (11) fonctionnant sous une pression dite basse pression, et une colonne moyenne pression (10) fonctionnant sous une pression dite moyenne pression, ces moyens comprenant un compresseur principal d'air (1); des moyens de compression (1, 4) pour amener la totalité de l'air à distiller à au moins une haute pression nettement supérieure à la moyenne pression ; des moyens (13) de soutirage de la double colonne et de pompage d'au moins un produit liquide résultant de la distillation ; une ligne d'échange thermique (8) mettant en relation d'échange thermique l'air et ledit produit liquide ; et une turbine (5) de détente d'une partie de cet air, l'admission de cette turbine étant reliée à un point intermédiaire de la ligne d'échange thermique, caractérisée en ce que la ligne d'échange thermique (8) comprend des passages de réchauffement partiel (22) dont l'entrée est reliée à l'échappement de ladite turbine (5), et en ce que l'installation comprend une seconde turbine de détente (6) dont l'admission est reliée à la sortie de ces passages de réchauffement et dont l'échappement est relié à la colonne moyenne pression (10).
  6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les deux turbines (5, 6) sont calées sur le même arbre.
  7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que l'arbre des deux turbines (5, 6) est solidaire de la roue d'une soufflante (4) de surpression de l'air issu du compresseur principal d'air (1).
EP94401839A 1993-09-01 1994-08-10 Procédé et installation de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression Expired - Lifetime EP0641983B1 (fr)

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FR9310417 1993-09-01
FR9310417A FR2709537B1 (fr) 1993-09-01 1993-09-01 Procédé et installation de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0641983A1 EP0641983A1 (fr) 1995-03-08
EP0641983B1 true EP0641983B1 (fr) 1997-04-16

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP94401839A Expired - Lifetime EP0641983B1 (fr) 1993-09-01 1994-08-10 Procédé et installation de production d'oxygène et/ou d'azote gazeux sous pression

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US (1) US5477689A (fr)
EP (1) EP0641983B1 (fr)
JP (1) JPH07151458A (fr)
CN (1) CN1102701A (fr)
CA (1) CA2131120A1 (fr)
DE (1) DE69402643T2 (fr)
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