CA1146724A - Procede et installation cryogeniques de separation d'air avec production d'oxygene sous haute pression - Google Patents
Procede et installation cryogeniques de separation d'air avec production d'oxygene sous haute pressionInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé cryogénique de séparation d'air. De l'oxygène liquide à basse pression est comprimé à la haute pression et vaporisé et réchauffé en échange thermique avec un premier fluide à pression élevée et un second fluide à pression intermédiaire soutiré et détendu dans une turbine. Application à la production d'oxygène sous haute pression.
Description
La présente invention concerne un procédé et une ins-tallation cryogéniques de séparation d'air avec production d'oxygène sous haute pression.
De façon classique, la production d'oxygène sous haute pression, par exemple sous 40 bars, est réalisée par simple compression d'o~ygène gazeux délivré par la zone aval basse pression d'une installation cryogénique de s~paxation d'air comportant une zone amont à moyenne pression et une zone aval à basse pression. Cette compression de l'oxygène à l'état ga-zeux est onéreuse, et le materiel de compression délicat etdangereux.
On a également proposé de produire l'oxygène à la sortie de la zone aval basse pression sous forme d'une frac-tion à l'état liquide sous basse pression, que l'on comprime à l'état liquide de la dite pression à la haute pression et que l'on soumet à un réchauffement complet par échange ther-mique à contre-courant avec des fluides dont l'un, ou premier fluide, est de l'air sous pression, qui est à pression élevée de l'ordre de ladite haute pression, et dont une partie est détendue à la pression moyenne avant d'etre introduite au moins en par~ie liquide dans au moins une zone de séparation, et dont l'autre, ou second fluide, qui est de l'air à pression intermé-diaire, est introduit à l'état gazeux dans ladite zone de sé-paration.
Ce procédé présente l'avantage, par rapport au pr~mier proc~d~ rappele plus haut, d'~viter la mise en oeuvre d'un compresseur d'oxygène, mais présente l'inconvénient de conduire à une consomma-tion globale d'énergie plus élevée dès lors que la pression de production de l'oxygène est élevée. Ce second pro-céd~ ne peut etre acceptable du point de vue énergétique que sila température de vaporisation de l'oxygène reste inférieure à
celle de l'air haute pression se condensant en contre-courant de la vaporisation de cet oxygène. De ce fait, une pression de l'oxygène aussi modér~e ~ue 15-20 bars nécessite une pression d'air atteignant d~jà 50-60 bars. Pour de nombreuses applica-tions, la pression de l'oxygène se situe entre 40 et 100 bars, en sorte que la condition énoncée ci-dessus ne peut plus être remplie, le mat~riel utilisé, notamment les échangeurs, ne permettant pas de monter la pression de l'air sensiblement au-delà de ces niveaux de pression.
La présente invention vise un procédé qui permet d'ob-tenir de façon éccnomique, de l'oxygène sous haute pression par compression d'une fraction d'oxygène à l'~tat liquide et ce r~sultat est obtenu en ce qu'on assure à une température in-termédiaire entre les températures chaude et froide dudit échan-ge thermique une détente du second fluide à la pression moyen-ne dans une turbine~
Plus présicément, la présente invention vise un pro-cédé cryog~nique de séparation d'air avec production d'oxygène sous haute pression, du genre où l'on sépare de l'air une zone de s~paration cryog~nique comportant une zone amont à moyenne pression et une zone aval à basse pression en au moins une fraction riche en azote et en au moins une fraction riche en oxygène à l'~tat liquide sous basse pression, où l'on comprime ladite fraction d'oxygène à l'~tat liquide de ladite pression à ladite haute pression, où l'on soumet ladite frac-tion d'oxygène liquide sous haute pression à un r~chauffement complet par échange thermique à contre-courant avec des fluides, dont l'un, ou premier fluide, comprent au moins un des deux constituants principaux de l'air, et est pendant ledit échange sous pression élevée, de l'ordre de ladite haute pression, puis est détendu à ladite pression moyenne avant d'être intro-'7~2~
duit au moins en partie à l'état liquide dans au moins une zonede séparation et dont l'autre ou second fluide qui est de l'air a pression intermédiaire nettement supérieure a ladite pression moyenne, mais également nettement inférieure à ladite haute pression, est introduit à l'état gazeux dans ladite zone amont de s~paration, caractérisé en ce qu'on assure à une température intermédiaire entre les températures chaude et froide dudit échange thermique, une détente dudit second fluide à la pres-sion moyenne dans une tur~ine~
Dans tme forme de réalisation avantageuse, le premier fluide sous pression élevée est lui-meme de l'air et dans une variante de réalisation ce premier fluide sous pression élevée est de l'azote en circuit fermé. La pression intermediaire du deuxième fluide est comprise entre 8 et 20 bars et de pr~féren-ce de 1'ordre de 15 bars, alors que la haute pression de l'oxy-gène est comprise entre 15 et 100 bars et de préférence de l'or-dre de 65 à 40 bars.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple en r~férence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue schématique d~une installation de s~paration d~air selon l'invention, la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation.
En se référant à la figure 1, une installation cryog~nique de séparation d'air comprend une zone amont de s~paration 2 forrnée par une colonne "moyenne pression" 3 et une zone aval de la séparation 4 formée par une colonne "basse pression" 5, superposée à la colonne 3 avec interpo-sition d'un vaporiseur-condenseur 6. La colonne moyenne pression 3 est alimentée en air à séparer sous moyenne pres-sion, par exemple de l'ordre de 6 bars, par une conduite 10 i72~
raccord~e à la sortie d'un détendeur 11, dont l'en-tr~e est raccordée par une canalisation 12 au second ~tage 13 d'un ensemble de compression 14, comprenant ëgalement un premier é-tage 15 dont l'aspiration 16 est alimentée en air a la pression atmosphérique~ Par exemple, le premier ~tage de compression 15 comprime l'air atmosphérique à une pression de l'ordre de 15 bars, tandis que le second étage de compression assure une compression finale de 15 bars à 50 bars~ La conduite 12 vé-hiculant llair à 50 bars comprend des passages d'échange ther-mique 20 s'~tendant depuis une extrémité chaude 21 jusqu'àune extrémité la plus froide 22 d'un échangeur 23. On note qu'une partie de l'air dans la canalisation 12 est dérivée en 12' et après détente à la basse pression en 11' ~ntroduit dans la colonne basse pression 5.
Une partie de l'air comprimé à la sortie de l'~tage de compression 15 est d~rivée par une conduite 25 vers des passages 26, s'étendant dans l'échangeur 23 depuis une extré-mité chaude 21 jusqu'à un niveau 27 situé à distance à la fois de l'extrémit~ chaude 21 et de l'extrémité froide 22, donc à
une temp~rature intermédiaire entre la température chauae de l'extrémit~ 21 et la température froide de l'extrémité 22.
Ces passages d'échange thermique débouchent dans ~ne canali-sation de transfert 28 vexs une turbine de détente 29 freinée par un disposi~if, l'échappement de cette turbine 29 communi-quant avec une conduite 30 débouchant directement à un niveau bas de la colonne moyenne pression 3, De façon habituelle, la fraction riche en oxygène condensée en cuve de la colonne moyenne pression 3 est trans-férée, par une canalisation 40, le cas échéant après sous-re-froidissement dans un échangeur 41 vers un dispositif de d~-tente 42 avant d'etre introduit, à un niveau intermédiaire, dans la colonne basse pression 4. De même, du liquide pauvre, Yl '72~
qui comprend essentiellement cle l'azote, est pr~levé en un niveau interm~diaire de la colonne moyenne pression et est transf~ré par une canalisation 43 vers l'échangeur de sous-xe-froidissement 41 avant d'être détendu dans le dispositif de d~tente 45 et introduit en 46 en tête de la colonne basse pression.
En cuve de la colonne basse pression se forme une fraction d'oxygène liquide 47 dont une paxtie principale est dérivée dans une conduite 48 pour être comprimée a haute pression par une pompe 49 avant d'être introduit dans des pas-sages d'échange thermique 50 s'étendant depuis l'extrémité
froide 22 jusqu'à l'extrémité chaude 21 de l'échangeur 23, ces passages 50 communiquant, à la sortie, avec une conduite de distribution d'oxygène sous haute pression 51.
Une autre partie de la fraction d'oxygène liquide, de débit plus faible, est dériv~e par une canalisation 54 vers l'échangeur de sous-refroidissement: 410 pour être transféré par une canalisation 55 vers un stockage non représenté d'oxygène liquide sous-refroidi~
On notera également qu'une fraction d'azote liquide est pr~leve en tête de la colonne moyenne pression 3 par une canalisation 56 pour être sous-refroidie dans l'échangeur 41 avant d'ê~re détendue dans un dispositif de d~tente 57 et de parvenir à un s~parateur 58 comprenant une canalisation de soutirage en cuve 59 pour une fraction liquide et une cana-lisation de soutirage en tête 60 pour une fraction gazeuse~
Cette canalisation 60 pour la fraction gazeuse est d'ailleurs raccordée à une canalisation 61 d'azote gazeux is-su en tête de la colonne basse pression pour former une ca-nalisation commune gazeuse 62 vers des passages de réchauffe-ment 63 dans l'échangeur de sous-refroidissement 41, la sortie de ces passages 63 communiquant par une canalisation 64 avec des passages de réchauffement 65 s'étendant sur toute la lon-gueur de l'echangeur 23 pour assurer dans une canalisation de sortie 66, le regroupement d'azote impur à l'état gazeux et sous basse pression.
Le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrite est le suivant:
L'air comprimé successivement en 15 et en 13 sous haute pressi.on, en s'engageant dans les passages 20 de l'échan-geur 23 assure essentiellement le réchauffement avec vaporisa-tion de l'oxygène liquide introduit dans les passages 50 et le réchauffement final de l'azote impur introduit dans les pas-sages 65. Au contraire, l'air sous pression intermédiaire ob-tenu directement à la sortie de l'étage de compression 15 et introduit dans les passages de refroidissement 26 s'~chappe de l'échangeur 23 à une température qui n'est pas trop basse et qui, compte tenu de la pression intermédiaire relativement basse à laquelle cet air a été préalablement porté, assure le maintient en froid de l'installation de séparation cryo-génique grâce à la détente dans le turbine 29 tout en semaintenant à l'état gazeux indispensable à une tenue mécani-que correcte de la turbine 29.
A titre d~exemple, on rapporte ci-dessous les ré-sultats obtenus avec un débit global d'air de loOOO ~m3, une pression de S0 bars à la sortie du deuxième étage de compres~
sion 15, une pression intermédiaire à la sortie du premier étage de compression 13 successivement de 10, 12 et 15 bars~
le débit d'oxygène vaporisé étant toujours à 40 bars~
Pression intennédiaire ~sortie étage 15) 10 bars 12 bars 15 bars Température admission turbine (29)- 123C - 123C - 134C
Production o~ygene sous 40 bars 196 Nm3191 N~l3 185 Mm D~bit d'air à 50 bars ~Nm3) 426 Mm3 374 Nm3 301 Mm3 Production oxygène liqui.de (via 54) 14 Nm3 19 Nm3 25 Mm Energie spécifique* de 1'oxygène gazeux comprlm~ à 40 bars 105 %102 % 100,7 %
* La valeur de référence (100%) est celle obtenue pour de l'oxygène à 40 bars, produit à la pression atmosphérique avec un appareil du type habituel, puis comprimé par turbocompres-seur.
Il est bien entendu que les valeurs du tableau (105;
102, 100,7%) tiennent compte d'une déduction sur la consomma-tion d'énergie de l'appareil de celle correspondant à la li-quéfaction de la part d'oxygène produite à l'~tat liquide (14, 19; 25 N~3).
Une pression intermédiaire de plus de 15 bars n'a pas été envisagée dans ce cas, car elle conduirait à l'appari-tion d'une phase liquide dans la turbine.
En prenant en considération la seule énergie spéci fique de l'oxygène à 40 bars, on est conduit à choisir comme pression intermédiaire la valeur la plus élevée avant appari-tion de liquide dans la turbine, soit ici 15 bars. Cependant, ce choix n'est justifié que s'il y a utilisation de la totali-té du liquide produit ~dans ce cas 25 Mm3) étant entendu que ce liquide a éte pris en compte pour le calcul de llénergie spécifique. Si les besoins en liquide ne sont que de 19 Nm3, il faudra choisir une pression intermédiaire de 12 bars seule-ment.
~ se référant à la figure 2, on décrit une variante de réalisation dans laquelle on utilise un cycle azote 72~
auxiliaire~ On retrouve ici une installation de s~paration avec une colonne moyenne pression 3 et une colonne basse pres-sion 50 Ici, dans l'~changeur 123 (du même type que l'~chan-geur 23 de la figure 1~, on retrouve des passages de réchauf-fement avec vaporisation de l'oxygène liquide 150 (analogue aux passages 50 de la figure 1), des pa.ssages de r~chauffement de l'azote impur 165 ~analogues aux passages 65 de la figure 1) des passages de refroidissement pour un premier fluide sous pression élevée 120 (analogues aux passages 20 de la figure 2) et des passages de refroidissement 126 pour un second fluide, qui est également de l'air, 90US pression intermédiaire ana-losues aux passages 26 de la figure 1.
Ici, le premier fluide est, non plus de l'air, comme dans la figure 1, mais de l'azote qui est soutiré à pression moyenne en tete de la colonne moyenne pression 3 par une con-duite 70 pour ~etre introduit dans des passages supplémentaires 71 de l'échangeur 123, puis être dirig~ via une conduite 72 vers un compresseur 73 élevant la pression de l'azote de la moyenne pression (par exemple 6 bars) à la pression élevée par exemple S0 bars~0 L'azote ainsi comprimé pas~e dans les passages 120 de l'échangeur 123, puis est détendu dans un dispositif de détente 111 pour être réintroduit en tête de colonne moyenne pression 3. Au contraire, tout le débit d'air à s~parer est ici comprim~ par le compresseur 115 avant de passer dans les passages 126, la turbine de détente 29 et via la conduite 30 en cuve de la colonne moyenne pression 3.
De façon classique, la production d'oxygène sous haute pression, par exemple sous 40 bars, est réalisée par simple compression d'o~ygène gazeux délivré par la zone aval basse pression d'une installation cryogénique de s~paxation d'air comportant une zone amont à moyenne pression et une zone aval à basse pression. Cette compression de l'oxygène à l'état ga-zeux est onéreuse, et le materiel de compression délicat etdangereux.
On a également proposé de produire l'oxygène à la sortie de la zone aval basse pression sous forme d'une frac-tion à l'état liquide sous basse pression, que l'on comprime à l'état liquide de la dite pression à la haute pression et que l'on soumet à un réchauffement complet par échange ther-mique à contre-courant avec des fluides dont l'un, ou premier fluide, est de l'air sous pression, qui est à pression élevée de l'ordre de ladite haute pression, et dont une partie est détendue à la pression moyenne avant d'etre introduite au moins en par~ie liquide dans au moins une zone de séparation, et dont l'autre, ou second fluide, qui est de l'air à pression intermé-diaire, est introduit à l'état gazeux dans ladite zone de sé-paration.
Ce procédé présente l'avantage, par rapport au pr~mier proc~d~ rappele plus haut, d'~viter la mise en oeuvre d'un compresseur d'oxygène, mais présente l'inconvénient de conduire à une consomma-tion globale d'énergie plus élevée dès lors que la pression de production de l'oxygène est élevée. Ce second pro-céd~ ne peut etre acceptable du point de vue énergétique que sila température de vaporisation de l'oxygène reste inférieure à
celle de l'air haute pression se condensant en contre-courant de la vaporisation de cet oxygène. De ce fait, une pression de l'oxygène aussi modér~e ~ue 15-20 bars nécessite une pression d'air atteignant d~jà 50-60 bars. Pour de nombreuses applica-tions, la pression de l'oxygène se situe entre 40 et 100 bars, en sorte que la condition énoncée ci-dessus ne peut plus être remplie, le mat~riel utilisé, notamment les échangeurs, ne permettant pas de monter la pression de l'air sensiblement au-delà de ces niveaux de pression.
La présente invention vise un procédé qui permet d'ob-tenir de façon éccnomique, de l'oxygène sous haute pression par compression d'une fraction d'oxygène à l'~tat liquide et ce r~sultat est obtenu en ce qu'on assure à une température in-termédiaire entre les températures chaude et froide dudit échan-ge thermique une détente du second fluide à la pression moyen-ne dans une turbine~
Plus présicément, la présente invention vise un pro-cédé cryog~nique de séparation d'air avec production d'oxygène sous haute pression, du genre où l'on sépare de l'air une zone de s~paration cryog~nique comportant une zone amont à moyenne pression et une zone aval à basse pression en au moins une fraction riche en azote et en au moins une fraction riche en oxygène à l'~tat liquide sous basse pression, où l'on comprime ladite fraction d'oxygène à l'~tat liquide de ladite pression à ladite haute pression, où l'on soumet ladite frac-tion d'oxygène liquide sous haute pression à un r~chauffement complet par échange thermique à contre-courant avec des fluides, dont l'un, ou premier fluide, comprent au moins un des deux constituants principaux de l'air, et est pendant ledit échange sous pression élevée, de l'ordre de ladite haute pression, puis est détendu à ladite pression moyenne avant d'être intro-'7~2~
duit au moins en partie à l'état liquide dans au moins une zonede séparation et dont l'autre ou second fluide qui est de l'air a pression intermédiaire nettement supérieure a ladite pression moyenne, mais également nettement inférieure à ladite haute pression, est introduit à l'état gazeux dans ladite zone amont de s~paration, caractérisé en ce qu'on assure à une température intermédiaire entre les températures chaude et froide dudit échange thermique, une détente dudit second fluide à la pres-sion moyenne dans une tur~ine~
Dans tme forme de réalisation avantageuse, le premier fluide sous pression élevée est lui-meme de l'air et dans une variante de réalisation ce premier fluide sous pression élevée est de l'azote en circuit fermé. La pression intermediaire du deuxième fluide est comprise entre 8 et 20 bars et de pr~féren-ce de 1'ordre de 15 bars, alors que la haute pression de l'oxy-gène est comprise entre 15 et 100 bars et de préférence de l'or-dre de 65 à 40 bars.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit à titre d'exemple en r~férence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue schématique d~une installation de s~paration d~air selon l'invention, la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation.
En se référant à la figure 1, une installation cryog~nique de séparation d'air comprend une zone amont de s~paration 2 forrnée par une colonne "moyenne pression" 3 et une zone aval de la séparation 4 formée par une colonne "basse pression" 5, superposée à la colonne 3 avec interpo-sition d'un vaporiseur-condenseur 6. La colonne moyenne pression 3 est alimentée en air à séparer sous moyenne pres-sion, par exemple de l'ordre de 6 bars, par une conduite 10 i72~
raccord~e à la sortie d'un détendeur 11, dont l'en-tr~e est raccordée par une canalisation 12 au second ~tage 13 d'un ensemble de compression 14, comprenant ëgalement un premier é-tage 15 dont l'aspiration 16 est alimentée en air a la pression atmosphérique~ Par exemple, le premier ~tage de compression 15 comprime l'air atmosphérique à une pression de l'ordre de 15 bars, tandis que le second étage de compression assure une compression finale de 15 bars à 50 bars~ La conduite 12 vé-hiculant llair à 50 bars comprend des passages d'échange ther-mique 20 s'~tendant depuis une extrémité chaude 21 jusqu'àune extrémité la plus froide 22 d'un échangeur 23. On note qu'une partie de l'air dans la canalisation 12 est dérivée en 12' et après détente à la basse pression en 11' ~ntroduit dans la colonne basse pression 5.
Une partie de l'air comprimé à la sortie de l'~tage de compression 15 est d~rivée par une conduite 25 vers des passages 26, s'étendant dans l'échangeur 23 depuis une extré-mité chaude 21 jusqu'à un niveau 27 situé à distance à la fois de l'extrémit~ chaude 21 et de l'extrémité froide 22, donc à
une temp~rature intermédiaire entre la température chauae de l'extrémit~ 21 et la température froide de l'extrémité 22.
Ces passages d'échange thermique débouchent dans ~ne canali-sation de transfert 28 vexs une turbine de détente 29 freinée par un disposi~if, l'échappement de cette turbine 29 communi-quant avec une conduite 30 débouchant directement à un niveau bas de la colonne moyenne pression 3, De façon habituelle, la fraction riche en oxygène condensée en cuve de la colonne moyenne pression 3 est trans-férée, par une canalisation 40, le cas échéant après sous-re-froidissement dans un échangeur 41 vers un dispositif de d~-tente 42 avant d'etre introduit, à un niveau intermédiaire, dans la colonne basse pression 4. De même, du liquide pauvre, Yl '72~
qui comprend essentiellement cle l'azote, est pr~levé en un niveau interm~diaire de la colonne moyenne pression et est transf~ré par une canalisation 43 vers l'échangeur de sous-xe-froidissement 41 avant d'être détendu dans le dispositif de d~tente 45 et introduit en 46 en tête de la colonne basse pression.
En cuve de la colonne basse pression se forme une fraction d'oxygène liquide 47 dont une paxtie principale est dérivée dans une conduite 48 pour être comprimée a haute pression par une pompe 49 avant d'être introduit dans des pas-sages d'échange thermique 50 s'étendant depuis l'extrémité
froide 22 jusqu'à l'extrémité chaude 21 de l'échangeur 23, ces passages 50 communiquant, à la sortie, avec une conduite de distribution d'oxygène sous haute pression 51.
Une autre partie de la fraction d'oxygène liquide, de débit plus faible, est dériv~e par une canalisation 54 vers l'échangeur de sous-refroidissement: 410 pour être transféré par une canalisation 55 vers un stockage non représenté d'oxygène liquide sous-refroidi~
On notera également qu'une fraction d'azote liquide est pr~leve en tête de la colonne moyenne pression 3 par une canalisation 56 pour être sous-refroidie dans l'échangeur 41 avant d'ê~re détendue dans un dispositif de d~tente 57 et de parvenir à un s~parateur 58 comprenant une canalisation de soutirage en cuve 59 pour une fraction liquide et une cana-lisation de soutirage en tête 60 pour une fraction gazeuse~
Cette canalisation 60 pour la fraction gazeuse est d'ailleurs raccordée à une canalisation 61 d'azote gazeux is-su en tête de la colonne basse pression pour former une ca-nalisation commune gazeuse 62 vers des passages de réchauffe-ment 63 dans l'échangeur de sous-refroidissement 41, la sortie de ces passages 63 communiquant par une canalisation 64 avec des passages de réchauffement 65 s'étendant sur toute la lon-gueur de l'echangeur 23 pour assurer dans une canalisation de sortie 66, le regroupement d'azote impur à l'état gazeux et sous basse pression.
Le fonctionnement de l'installation qui vient d'être décrite est le suivant:
L'air comprimé successivement en 15 et en 13 sous haute pressi.on, en s'engageant dans les passages 20 de l'échan-geur 23 assure essentiellement le réchauffement avec vaporisa-tion de l'oxygène liquide introduit dans les passages 50 et le réchauffement final de l'azote impur introduit dans les pas-sages 65. Au contraire, l'air sous pression intermédiaire ob-tenu directement à la sortie de l'étage de compression 15 et introduit dans les passages de refroidissement 26 s'~chappe de l'échangeur 23 à une température qui n'est pas trop basse et qui, compte tenu de la pression intermédiaire relativement basse à laquelle cet air a été préalablement porté, assure le maintient en froid de l'installation de séparation cryo-génique grâce à la détente dans le turbine 29 tout en semaintenant à l'état gazeux indispensable à une tenue mécani-que correcte de la turbine 29.
A titre d~exemple, on rapporte ci-dessous les ré-sultats obtenus avec un débit global d'air de loOOO ~m3, une pression de S0 bars à la sortie du deuxième étage de compres~
sion 15, une pression intermédiaire à la sortie du premier étage de compression 13 successivement de 10, 12 et 15 bars~
le débit d'oxygène vaporisé étant toujours à 40 bars~
Pression intennédiaire ~sortie étage 15) 10 bars 12 bars 15 bars Température admission turbine (29)- 123C - 123C - 134C
Production o~ygene sous 40 bars 196 Nm3191 N~l3 185 Mm D~bit d'air à 50 bars ~Nm3) 426 Mm3 374 Nm3 301 Mm3 Production oxygène liqui.de (via 54) 14 Nm3 19 Nm3 25 Mm Energie spécifique* de 1'oxygène gazeux comprlm~ à 40 bars 105 %102 % 100,7 %
* La valeur de référence (100%) est celle obtenue pour de l'oxygène à 40 bars, produit à la pression atmosphérique avec un appareil du type habituel, puis comprimé par turbocompres-seur.
Il est bien entendu que les valeurs du tableau (105;
102, 100,7%) tiennent compte d'une déduction sur la consomma-tion d'énergie de l'appareil de celle correspondant à la li-quéfaction de la part d'oxygène produite à l'~tat liquide (14, 19; 25 N~3).
Une pression intermédiaire de plus de 15 bars n'a pas été envisagée dans ce cas, car elle conduirait à l'appari-tion d'une phase liquide dans la turbine.
En prenant en considération la seule énergie spéci fique de l'oxygène à 40 bars, on est conduit à choisir comme pression intermédiaire la valeur la plus élevée avant appari-tion de liquide dans la turbine, soit ici 15 bars. Cependant, ce choix n'est justifié que s'il y a utilisation de la totali-té du liquide produit ~dans ce cas 25 Mm3) étant entendu que ce liquide a éte pris en compte pour le calcul de llénergie spécifique. Si les besoins en liquide ne sont que de 19 Nm3, il faudra choisir une pression intermédiaire de 12 bars seule-ment.
~ se référant à la figure 2, on décrit une variante de réalisation dans laquelle on utilise un cycle azote 72~
auxiliaire~ On retrouve ici une installation de s~paration avec une colonne moyenne pression 3 et une colonne basse pres-sion 50 Ici, dans l'~changeur 123 (du même type que l'~chan-geur 23 de la figure 1~, on retrouve des passages de réchauf-fement avec vaporisation de l'oxygène liquide 150 (analogue aux passages 50 de la figure 1), des pa.ssages de r~chauffement de l'azote impur 165 ~analogues aux passages 65 de la figure 1) des passages de refroidissement pour un premier fluide sous pression élevée 120 (analogues aux passages 20 de la figure 2) et des passages de refroidissement 126 pour un second fluide, qui est également de l'air, 90US pression intermédiaire ana-losues aux passages 26 de la figure 1.
Ici, le premier fluide est, non plus de l'air, comme dans la figure 1, mais de l'azote qui est soutiré à pression moyenne en tete de la colonne moyenne pression 3 par une con-duite 70 pour ~etre introduit dans des passages supplémentaires 71 de l'échangeur 123, puis être dirig~ via une conduite 72 vers un compresseur 73 élevant la pression de l'azote de la moyenne pression (par exemple 6 bars) à la pression élevée par exemple S0 bars~0 L'azote ainsi comprimé pas~e dans les passages 120 de l'échangeur 123, puis est détendu dans un dispositif de détente 111 pour être réintroduit en tête de colonne moyenne pression 3. Au contraire, tout le débit d'air à s~parer est ici comprim~ par le compresseur 115 avant de passer dans les passages 126, la turbine de détente 29 et via la conduite 30 en cuve de la colonne moyenne pression 3.
Claims (4)
sont définies comme il suit:
1. Procédé cryogénique de séparation d'air avec produc-tion d'oxygène sous haute pression, du genre où l'on sépare de l'air dans une zone de séparation cryogénique comportant une zone amont à moyenne pression (2) et une zone aval à
basse pression (4) en au moins une fraction riche en azote (61) (165) et en au moins une fraction riche en oxygène à l'état liquide sous basse pression (48) (150), où l'on comprime (en 49) ladite fraction d'oxygène à l'état liquide (48) (150) de ladite pression à ladite haute pression, où l'on soumet ladite fraction d'oxygène liquide sous haute pression (50) (150) à
un réchauffement complet (en 23) (en 123) par échange thermi-que à contre-courant avec des fluides, dont l'un (20) (120), ou premier fluide, comprend au moins un des deux constituants principaux de l'air, et est pendant ledit échange sous pression élevée, de l'ordre de ladite haute pression, puis est détendu (en 11) (en 111) à ladite pression moyenne avant d'être intro-duit (en 10) au moins en partie à l'état liquide dans au moins une zone de séparation (2) (4) et dont l'autre (25-26-27) (126) ou second fluide qui est de l'air à pression intermédiaire nettement supérieure à ladite pression moyenne, mais également nettement inférieure à ladite haute pression, est introduit à
l'état gazeux dans ladite zone amont de séparation (2), carac-térisé en ce qu'on assure à une température intermédiaire entre les températures chaude et froide dudit échange thermique, une détente dudit second fluide (26-273 (126) à la pression moyenne dans une turbine (29).
basse pression (4) en au moins une fraction riche en azote (61) (165) et en au moins une fraction riche en oxygène à l'état liquide sous basse pression (48) (150), où l'on comprime (en 49) ladite fraction d'oxygène à l'état liquide (48) (150) de ladite pression à ladite haute pression, où l'on soumet ladite fraction d'oxygène liquide sous haute pression (50) (150) à
un réchauffement complet (en 23) (en 123) par échange thermi-que à contre-courant avec des fluides, dont l'un (20) (120), ou premier fluide, comprend au moins un des deux constituants principaux de l'air, et est pendant ledit échange sous pression élevée, de l'ordre de ladite haute pression, puis est détendu (en 11) (en 111) à ladite pression moyenne avant d'être intro-duit (en 10) au moins en partie à l'état liquide dans au moins une zone de séparation (2) (4) et dont l'autre (25-26-27) (126) ou second fluide qui est de l'air à pression intermédiaire nettement supérieure à ladite pression moyenne, mais également nettement inférieure à ladite haute pression, est introduit à
l'état gazeux dans ladite zone amont de séparation (2), carac-térisé en ce qu'on assure à une température intermédiaire entre les températures chaude et froide dudit échange thermique, une détente dudit second fluide (26-273 (126) à la pression moyenne dans une turbine (29).
2. Procédé cryogénique de séparation selon la reven-dication 1, caractérisé en ce que le premier fluide est après détente introduit dans la zone de séparation (2) à moyenne pression.
3. Procédé cryogénique de séparation d'air selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression élevée du premier fluide (en 20) (120) est sensiblement supérieure à
la haute pression d'oxygène (en 50) (en 150).
la haute pression d'oxygène (en 50) (en 150).
4. Procédé cryogénique de séparation d'air selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression élevée du premier fluide (en 20) est sensiblement inférieure à la haute pression de l'oxygène (en 50) (en 150).
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