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EP1447634A1 - Procédé et installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote par distillation cryogénique de l'air - Google Patents

Procédé et installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote par distillation cryogénique de l'air Download PDF

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Publication number
EP1447634A1
EP1447634A1 EP04300066A EP04300066A EP1447634A1 EP 1447634 A1 EP1447634 A1 EP 1447634A1 EP 04300066 A EP04300066 A EP 04300066A EP 04300066 A EP04300066 A EP 04300066A EP 1447634 A1 EP1447634 A1 EP 1447634A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
exchange line
turbine
high pressure
heat exchange
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP04300066A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1447634B1 (fr
Inventor
Lasad l'Air Liquide SA Jaouani
Bao l'Air Liquide SA Ha
Ovidiu l'Air Liquide SA Balog
Maurice l'Air Liquide SA Grenier
Xavier l'Air Liquide SA Pontone
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP1447634A1 publication Critical patent/EP1447634A1/fr
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    • F25J3/04818—Start-up of the process
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    • F25J2290/62—Details of storing a fluid in a tank

Definitions

  • the present invention relates to a production process under gaseous form and under high pressure of at least one fluid selected from oxygen, argon and nitrogen, in which air is distilled, said fluid in the liquid state at high pressure, it is vaporized and heated under this high pressure in the heat exchange line of the installation.
  • high pressure means higher than about 10 bar for oxygen, argon and nitrogen
  • “Blower” means a compressor having a single compression stage.
  • the pressures in question are absolute pressures.
  • EP-A-0504029 discloses a process in which all air is compressed at high pressure in a blower, part of the air at high pressure is relaxed in a Claude turbine (ie, a Claude turbine that opens in the medium pressure column) and the rest of the air exchange of the heat with liquid oxygen being vaporized in the line exchange.
  • a Claude turbine ie, a Claude turbine that opens in the medium pressure column
  • EP-A-0644388 discloses a method in which part of the air is compressed at medium pressure and sent to the middle column pressure of a double column while the rest of the air is overpressed to ambient temperature. Part of the overpressed air is then compressed in a cold booster.
  • the air out of the heat exchange line is at the entrance of the blower at room temperature because there is very little gas colds that are warming in the exchange line.
  • the air out of the heat exchange line is at the entrance of the blower at room temperature because there is very little gas colds that are warming in the exchange line.
  • An object of the invention is to allow a quick start of the device without risk of damage to the exchange line.
  • a production method under gaseous form and under high pressure of at least one fluid selected from oxygen, argon and nitrogen in an air separation apparatus wherein we compress all the air intended for the distillation in a compressor, we purify compressed air, it overpresses at least a first part of the air to a high pressure, we send the compressed air and purified in a line of exchange thermal system where it cools, the compressed air is separated, purified and cooled in a system of columns of the installation comprising at least a distillation column, a fluid in the liquid state is withdrawn from a column of system of columns, said fluid is brought to the liquid state at high pressure, it is vaporized by heat exchange with air and the liquid is heated up vaporized under this high pressure in the heat exchange line of the installation relaxes at least a portion of the compressed air in a turbine the pressure is raised to a second pressure, the relaxed air being then sent to a column of the column system, in operation normal, with the supercharged air being cooled to
  • oxygen covers fluids containing at least 60 mol%. oxygen, preferably at least 80 mol%. of oxygen
  • argon covers fluids containing at least 90 mol%. argon, preferably at minus 95 mol% argon
  • nitrogen covers fluids containing minus 80 mol%. nitrogen, preferably at least 90 mol%. nitrogen.
  • an installation of production in gaseous form and under high pressure of at least one fluid selected from oxygen, argon and nitrogen, of the type comprising a system of air distillation columns, a booster for overpressing at least one part of the feed air or a cycle gas up to a high pressure, a heat exchange line putting in heat exchange relation the air incoming and withdrawn fluids from the column system, of which said fluid (s) in liquid form withdrawn from the distillation apparatus and compressed by a pump, and a turbine whose input is connected to the output of the booster by means which cross the heat exchange line and characterized in that the inlet of the turbine is also connected to the output of the booster by means that do not cross the heat exchange line.
  • the inlet of the turbine and the outlet of the booster are connected through cooling means.
  • the air sent to the booster can consist of at least a part incoming air during cooling.
  • the inlet temperature of the turbine is warmer as the inlet temperature of the cold booster.
  • the air distillation plant shown in Figure 1 comprises essentially an air compressor 1, an air cleaning apparatus 2, a turbine-booster assembly 3, comprising an expansion turbine 4 and a booster 5 whose shafts are coupled, a heat exchanger 6 constituting the thermal exchange line of the installation and of which the cold part serves as the subcooler; a double distillation column 7 comprising a medium pressure column 8 and a low pressure column 9, with a vaporizer-condenser 10 connecting heat exchange the overhead gas of the medium pressure column and the bottom liquid of the low pressure column; a liquid oxygen tank 11 whose bottom is connected to a pump 12; and a tank of liquid nitrogen 13 whose bottom is connected to a pump 14.
  • This installation is intended to provide, via a pipe 15, gaseous oxygen under a high pressure, which can be between 5 and 50 bar abs, preferably between 10 and 50 bar abs.
  • liquid oxygen withdrawn from the tank of column 9, via a pipe 16, and stored in the tank 11, is brought to the high pressure by the pump 12 in the liquid state, then vaporized and heated under this high pressure in passages 17 of the exchanger 6.
  • All of the air to be distilled is compressed by the compressor 1 to a pressure greater than the pressure of the medium pressure column 8 but lower than the high pressure. Then the air pre-cooled to 18 and cooled to neighborhood of the ambient temperature in 19 is purified in one of adsorption bottles and overpressed all at high pressure by the booster 5, which is driven by the turbine 4.
  • valve V1 If the inlet or outlet temperature of the turbine 4 becomes too low following start-up or changeover, the opening of valve V1 is triggered, and at least some of the air overpressed and cooled passes directly to the inlet of the turbine 4 without passing through the exchanger 6. This avoids to damage the turbine.
  • valve V1 closes by again and all the air goes to the hot end of the exchanger.
  • the installation shown in Figure 2 is intended to produce oxygen gas under a high pressure, for example between 10 and 50 bar, particularly of the order of 40 bar It essentially comprises a double distillation column 7 consisting of a medium pressure column 8, operating at about 6 bar, and a low pressure column 9, operating at a pressure slightly above 1 bar, a line heat exchange 6, which is integrated cold end subcooler, a liquid oxygen pump 12, a cold blower 5A and a turbine 4 of which the wheel is mounted on the same shaft as that of the cold blower and a oil brake 49.
  • a double distillation column 7 consisting of a medium pressure column 8, operating at about 6 bar, and a low pressure column 9, operating at a pressure slightly above 1 bar
  • a line heat exchange 6 which is integrated cold end subcooler
  • a liquid oxygen pump 12 a cold blower 5A and a turbine 4 of which the wheel is mounted on the same shaft as that of the cold blower and a oil brake 49.
  • the pump 12 draws liquid oxygen at about 2 bar from the tank of the column 9, the door to a pressure greater than the pressure of desired production, for example 40 bars, and introduced into passages 17 of vaporization-oxygenation of the exchange line.
  • the air to be distilled, compressed, cooled and purified in a conventional way arrives at about 16.5 bars via a pipe and enters passages 30 of air cooling of the exchange line 6.
  • the air conveyed by the pipe 43 and not deflected by the pipe 41 continues its cooling in the exchange line and leaves it upstream of the sousrefroidisseur. He is then relaxed at the average pressure in a expansion valve 27 and sent to the distillation columns, in particular in column of the column 8.
  • the blower 5A which ensures the pressure is driven by the turbine 4, so that no external energy is needed.
  • the amount of cold produced by this turbine may be slightly greater than the heat of compression, and the surplus contributes to maintaining cold installation.
  • a balance or all of the frigories can be provided by relaxation air or nitrogen at medium pressure in another turbine (not shown).
  • the or each cold blower can compress a gas other than the air circulating in the heat exchange line, in particular the cycle nitrogen preheated to room temperature, compressed and being cooled.
  • the installation comprises a valve V1 on a pipe 45 connecting the output of the blower 5A and the pipe 41 bringing air to the inlet of the turbine 4 and a valve V2 on the pipe 39 connecting the outlet of the fan 5A and the inlet of the exchanger of the pipe 39.
  • the air to be distilled reaches about 16.5 bar and enters cooling passages of air from the exchange line.
  • the air (or possibly some of the air) is out of line exchange via a pipe 37 at a temperature that can reach 90 ° C and brought to the suction of the cold blower 5A. This one overpresses this air between 20 and 26 bar and a temperature up to 120 ° C, the valve V1 being open and the valve V2 closed, the compressed air is sent by the pipes 45, 41 directly to the inlet of the turbine 4 without cooling in the exchange line 6. The relaxed air is then sent to the bottom of the column medium pressure 8.
  • the temperature measuring means detect whether the inlet temperature of the turbine 4 and / or the outlet of the air blower from the blower 5A falls below a predetermined threshold and if the temperature is low enough, the valve V2 opens and the valve V1 is closes so that the supercharged air in 5A is sent to line 39, then to exchange line 6, before being divided in two and sent partly to the turbine 4 and partly to the tank of the medium pressure column 8
  • This Valve arrangement corresponds to stable operation.
  • closing the valve V1 and opening the valve V2 can be triggered a certain time after the implementation operation of the main compressor.
  • Valves V1, V2 can also have the same operation than in Figure 1, that is, if the inlet temperature of the turbine and / or outlet of the blower becomes too low, a hot air shipment to the turbine can be initiated by opening the valve V1 so that the air passes directly from the blower to the turbine through line 45.
  • Control of the tank level (LIC) of the medium pressure column 8 or the low pressure column 9 can be made by acting on the speed of the turbine 4 via a SIC (indicator and cruise control).
  • the speed of rotation can also be fixed for the installation to operate in excess of cooling capacity.
  • the excess of cold is eliminated by any line liquid (nitrogen, oxygen or argon) from the cold box, for example by opening the valve V3.
  • the liquid line must have an automatic valve whose opening and the closure are related to tank level thresholds of the low column pressure 9.
  • the Claude 4 turbine, and possibly the cold blower 5A can be coupled to a device for adsorbing energy other than an oil brake 49, such as an alternator or generator.
  • the invention also applies to the case where only a part of the air is overpressed as seen in Figures 6, 8, 10 and 11 of EP504029 and in EP-A-0644388 and FR-A-2688052.
  • the liquid lifts 23, 24 and the productions 15, 29 of the column low pressure 9 are identical to those previously described.
  • Compressed air at medium pressure is purified and then cools in the exchange line 6 before being sent to the medium pressure column 8.
  • Medium pressure nitrogen is withdrawn at the top of the middle column pressure 8, warmed in the exchange line 6 to the hot end and then compressed in a compressor 54. All or a portion of the compressed nitrogen is cooled by a cooler 47 and enters the exchange line.
  • the nitrogen returned to the exchange line comes out of it at a temperature intermediate to be overpressed in a booster 5B coupled to the same shaft than a 5B turbine.
  • a valve V2 is open on a pipe 39 which brings back the pressurized nitrogen in the exchange line to be cooled and the valve V1 on a pipe 45 is closed.
  • valve V1 opens and the valve V2 closes so that the compressed nitrogen in the booster 5B arrives at the inlet of the turbine 4B without being cooled in the line exchange. It is also possible to adjust the valves so that part of the pressurized nitrogen arrives at the inlet of the turbine after cooling in the trading line while the rest of the pressurized nitrogen arrives at the inlet turbine 48 without cooling.
  • the column system may comprise a single column, a double column or triple column with or without a column of mixture argon, a mixing column or any other type of separation column of a gas of the air.

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Abstract

Dans un procédé de production d'un gaz haute pression dans un appareil de séparation d'air, on comprime tout l'air destiné à la distillation dans un compresseur (1), on épure (2) l'air comprimé, on surpresse (5) au moins une première partie de l'air jusqu'à une pression élevée, on envoie l'air comprimé et épuré dans une ligne d'échange thermique (6) de l'appareil où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes de l'appareil comprenant au moins une colonne de distillation (8,9), on soutire un fluide (16) à l'état liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression (12), on le vaporise par échange de chaleur (6) avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation, on détend au moins une partie de l'air surpressé dans une turbine de détente (4) depuis la pression élevée à une deuxième pression, l'air détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes et pendant le début de la mise en fonctionnement de l'appareil de séparation d'air et/ou afin de réguler la température d'entrée de la turbine et/ou pendant un changement de marche, de l'air surpressé à la pression élevée est envoyé (45) en amont de la turbine de détente (4) sans passer par la ligne d'échange (6). <IMAGE>

Description

La présente invention est relative à un procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel on distille de l'air, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise et on le réchauffe sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation.
Dans le présent mémoire, on entend par « haute pression » une pression supérieure à environ 10 bars pour l'oxygène, l'argon et l'azote, et par « soufflante » un compresseur ayant un seul étage de compression. De plus, les pressions dont il est question sont des pressions absolues.
Dans le cas où l'on produirait de l'oxygène, ces procédés, dits « à pompe », présentent l'avantage de supprimer le compresseur d'oxygène, qui est une machine coûteuse, posant de sérieux problèmes de fiabilité et ayant des coûts de maintenance élevés.
EP-A-0504029 décrit un procédé dans lequel tout l'air est comprimé à une pression élevée dans une soufflante, une partie de l'air à pression élevée est détendue dans une turbine Claude (à savoir, une turbine Claude qui débouche dans la colonne moyenne pression) et le reste de l'air échange de la chaleur avec de l'oxygène liquide en cours de vaporisation dans la ligne d'échange.
Dans ce genre d'appareil, il est souhaitable d'avoir un moyen d'éviter que l'entrée de la turbine devienne trop froide, par exemple en cas de changement de marche.
FR-A-2688052 décrit un procédé dans lequel :
  • à une température intermédiaire voisine de la température de vaporisation dudit fluide, ou de sa température de pseudo-vaporisation si la haute pression est supercritique, on sort de la ligne d'échange thermique de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière ;
  • on comprime cet air dans une soufflante ;
  • on le réintroduit dans la ligne d'échange thermique et on effectue au moins une détente d'un gaz de cycle dans une turbine.
EP-A-0644388 décrit un procédé dans lequel une partie de l'air est comprimée à la moyenne pression et envoyée dans la colonne moyenne pression d'une double colonne alors que le reste de l'air est surpressé à température ambiante. Une partie de l'air surpressé est comprimée ensuite dans un surpresseur froid.
Pendant le démarrage des appareils selon EP-A-0644388 et FR-A-2688052, l'air sorti de la ligne d'échange thermique se trouve à l'entrée de la soufflante à la température ambiante du fait qu'il y a très peu de gaz froids qui se réchauffent dans la ligne d'échange. Suite à la compression, il se retrouve à une température qui peut aller jusqu'à 120°C, comparé à la température d'environ -120°C quand l'appareil est en fonctionnement stable. Ceci peut endommager la ligne d'échange qui n'est pas conçue pour supporter des températures aussi élevées.
Un but de l'invention est de permettre un démarrage rapide de l'appareil sans risque de dommage à la ligne d'échange.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote dans un appareil de séparation d'air, dans lequel on comprime tout l'air destiné à la distillation dans un compresseur, on épure l'air comprimé, on surpresse au moins une première partie de l'air jusqu'à une pression élevée, on envoie l'air comprimé et épuré dans une ligne d'échange thermique de l'installation où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes de l'installation comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide à l'état liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation, on détend au moins une partie de l'air surpressé dans une turbine de détente de la pression élevée à une deuxième pression, l'air détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes, en fonctionnement normal, l'air surpressé étant refroidi jusqu'à la température d'entrée de la turbine dans la ligne d'échange en amont de la turbine de détente, caractérisé en ce que pendant le début de la mise en fonctionnement de l'appareil de séparation d'air et/ou afin de réguler la température d'entrée de la turbine, au moins une partie de l'air surpressé à la pression élevée est envoyée en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange.
Le mot « oxygène » couvre les fluides contenant au moins 60 % mol. d'oxygène, de préférence au moins 80 % mol. d'oxygène, le mot « argon » couvre les fluides contenant au moins 90 % mol. d'argon, de préférence au moins 95 % mol. d'argon, et le mot « azote » couvre les fluides contenant au moins 80 % mol. d'azote, de préférence au moins 90 % mol. d'azote.
Suivant d'autres caractéristiques facultatives :
  • à une température intermédiaire de la ligne d'échange, on sort de la ligne d'échange thermique au moins une partie de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière ;
  • on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression entre 5 et 50 bars, de préférence entre 10 et 50 bars ;
  • on surpresse l'air à la température intermédiaire dans une soufflante froide jusqu'à la pression élevée ;
  • on réintroduit l'air surpressé dans la ligne d'échange thermique ;
  • on envoie une première partie de l'air surpressé à une colonne du système de colonnes et on envoie une deuxième partie de l'air surpressé à une turbine de détente, l'air détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes ;
  • pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation et/ou quand la température à l'entrée de la turbine tombe en dessous d'un seuil prédéterminé et/ou pendant un changement de marche, au moins une partie de l'air sorti de la ligne d'échange et surpressée dans la soufflante froide est envoyée en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange ;
  • on sort tout l'air entrant en cours de refroidissement, on le surpresse dans la soufflante froide et on le réintroduit dans la ligne d'échange ;
  • pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation, tout l'air sorti de la ligne d'échange et surpressé dans la soufflante froide est envoyé en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange ;
  • quand la température de l'air surpressé dans la soufflante froide est réduite à une température prédéterminée ou après un temps prédéterminé, on n'envoie plus d'air surpressé en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange ;
  • la température d'entrée de la soufflante froide est inférieure à la température d'entrée de la turbine de détente ;
  • au moins une partie de l'air est comprimée jusqu'à la pression élevée, l'air à la pression élevée est envoyé au bout chaud de la ligne d'échange, une partie de l'air est sortie de la ligne d'échange à une température intermédiaire et détendue dans la turbine et le reste de l'air poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange et dans lequel, pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation et/ou si la température à l'entrée de la turbine tombe en dessous d'un seuil prédéterminé et/ou en cas de changement de marche, de l'air est envoyé directement du surpresseur à l'entrée de la turbine sans avoir été refroidi dans la ligne d'échange ;
  • tout l'air est comprimé dans le compresseur et le surpresseur jusqu'à la pression élevée ;
  • seule une partie de l'air est surpressée dans une surpresseur jusqu'à la pression élevée.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel, en fonctionnement stable, on comprime de l'air dans un compresseur, on épure l'air comprimé et on l'envoie dans une ligne d'échange thermique de l'installation où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes de l'installation comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide à l'état liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation :
  • à une température intermédiaire de la ligne d'échange, on sort de la ligne d'échange thermique un débit d'azote comprimé en cours de refroidissement dans cette dernière ;
  • on surpresse l'azote à la température intermédiaire dans une soufflante froide jusqu'à la première pression ;
  • on réintroduit l'azote surpressé dans la ligne d'échange thermique ;
  • on envoie une première partie de l'azote surpressé à une colonne du système de colonnes et on envoie une deuxième partie de l'azote surpressé à une turbine de détente, l'azote détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes ;
caractérisé en ce que, pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation et/ou quand la température à l'entrée de la turbine tombe en dessous d'un seuil prédéterminé et/ou pendant un changement de marche, au moins une partie de l'azote sortie de la ligne d'échange et surpressée dans la soufflante froide est envoyée en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, du type comprenant un système de colonnes de distillation d'air, un surpresseur pour surpresser au moins une partie de l'air d'alimentation ou d'un gaz de cycle jusqu'à une pression élevée, une ligne d'échange thermique mettant en relation d'échange thermique l'air entrant et des fluides soutirés du système de colonnes, dont ledit (lesdits) fluide(s) sous forme liquide soutiré(s) de l'appareil de distillation et comprimé par une pompe, et une turbine dont l'entrée est reliée à la sortie du surpresseur par des moyens qui traversent la ligne d'échange thermique et caractérisée en ce que l'entrée de la turbine est également reliée à la sortie du surpresseur par des moyens qui ne traversent pas la ligne d'échange thermique.
Selon d'autres aspects facultatifs, l'installation comprend :
  • une soufflante froide, des moyens pour alimenter cette soufflante froide avec de l'air ou un gaz de cycle en cours de refroidissement prélevé à un niveau de température intermédiaire dans la ligne d'échange thermique, des moyens pour réintroduire l'air surpressé ou le gaz de cycle surpressé dans des passages de la ligne d'échange thermique reliés à la turbine l'entrée de la turbine étant également reliée à la sortie de la soufflante froide par des moyens qui ne traversent pas la ligne d'échange thermique ;
  • des moyens pour envoyer tout l'air destiné à être distillé à la soufflante froide ;
  • des moyens de détection de la température de l'air ou du gaz de cycle entrant dans la turbine ou sortant de la soufflante froide en amont de la ligne d'échange thermique ;
  • des moyens pour ouvrir et fermer les conduites reliant l'entrée de la turbine avec la sortie de la soufflante froide en passant par les passages de la ligne d'échange et sans passer par les passages de la ligne d'échange ;
  • l'entrée de la turbine est reliée à la sortie de la soufflante froide par des moyens qui ne traversent pas la ligne d'échange thermique et qui ne comprennent pas de moyen de refroidissement ;
  • des moyens pour comprimer tout ou une partie de l'air destiné à la distillation à la pression élevée en amont de la ligne d'échange (6), des moyens pour envoyer l'air à la pression élevée depuis le surpresseur jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange.
Dans le cas où l'on utiliserait un surpresseur chaud, de préférence l'entrée de la turbine et la sortie du surpresseur sont reliées à travers des moyens de refroidissement.
L'air envoyé au surpresseur peut être constitué par au moins une partie de l'air entrant en cours de refroidissement.
Optionnellement :
  • ledit gaz de cycle est constitué par de l'azote réintroduit dans la ligne d'échange thermique, qui est sorti de cette demière à une température intermédiaire inférieure à la température d'entrée de la turbine ;
  • on produit en outre de l'oxygène, de l'argon ou de l'azote sous une pression intermédiaire par pompage et vaporisation-réchauffement dans la ligne d'échange thermique, la pression intermédiaire permettant d'assurer la vaporisation par condensation d'un gaz circulant dans cette ligne d'échange thermique.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel, en fonctionnement stable, on comprime de l'air dans un compresseur, on épure l'air comprimé et on l'envoie dans une ligne d'échange thermique de l'installation où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes de l'installation comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide à l'état liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation :
  • à une température intermédiaire, on sort de la ligne d'échange thermique au moins une partie de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière ;
  • on surpresse l'air à la température intermédiaire dans un surpresseur froide ;
  • on réintroduit l'air surpressé dans la ligne d'échange thermique ;
  • on envoie une première partie de l'air surpressé à une colonne du système de colonnes et on envoie une deuxième partie de l'air surpressé à une turbine de détente, l'air détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes ;
caractérisé en ce que tout l'air destiné à la distillation est surpressé dans la surpresseur froid.
De préférence, la température d'entrée de la turbine est plus chaude que la température d'entrée du surpresseur froide.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les Figures 1, 2 et 3 représentent schématiquement des installations de production d'oxygène gazeux sous pression conformes à l'invention.
L'installation de distillation d'air représentée à la Figure 1 comprend essentiellement un compresseur d'air 1, un appareil d'épuration d'air 2, un ensemble turbine-surpresseur 3, comprenant une turbine de détente 4 et un surpresseur 5 dont les arbres sont couplés, un échangeur de chaleur 6 constituant la ligne d'échange thermique de l'installation et dont la partie froide sert le rôle de sousrefroidisseur ; une double colonne de distillation 7 comprenant une colonne moyenne pression 8 et une colonne basse pression 9, avec un vaporiseur-condenseur 10 mettant en relation d'échange de chaleur le gaz de tête de la colonne moyenne pression et le liquide de cuve de la colonne basse pression ; un réservoir d'oxygène liquide 11 dont le fond est relié à une pompe 12 ; et un réservoir d'azote liquide 13 dont le fond est relié à une pompe 14.
Cette installation est destinée à fournir, via une conduite 15, de l'oxygène gazeux sous une haute pression, qui peut être entre 5 et 50 bars abs, de préférence entre 10 et 50 bars abs.
Pour cela, de l'oxygène liquide soutiré de la cuve de la colonne 9, via une conduite 16, et stocké dans le réservoir 11, est amené à la haute pression par la pompe 12 à l'état liquide, puis vaporisé et réchauffé sous cette haute pression dans des passages 17 de l'échangeur 6.
La totalité de l'air à distiller est comprimé par le compresseur 1 à une pression supérieure à la pression de la colonne moyenne pression 8 mais inférieure à la pression élevée. Puis l'air prérefroidi en 18 et refroidi au voisinage de la température ambiante en 19 est épuré dans l'une des bouteilles d'adsorption et surpressé en totalité à la pression élevée par le surpresseur 5, lequel est entraíné par la turbine 4.
Tout l'air surpressé est refroidi par un refroidisseur à eau 47 et en fonctionnement normal envoyé à travers la vanne V2, qui est ouverte, au bout chaud de l'échangeur 6, la vanne V1 restant fermée. L'air se refroidit dans l'échangeur 6 et une partie de l'air à une température intermédiaire est détendue dans la turbine 4 avant d'être envoyée à la colonne moyenne pression 8. Le reste de l'air se refroidit dans l'échangeur 6 jusq u'au bout froid et est envoyé à la colonne basse pression et/ou à la colonne moyenne pression.
Si la température d'entrée ou de sortie de la turbine 4 devient trop basse suite au démarrage ou à un changement de marche, l'ouverture de la vanne V1 est déclenchée, et au moins une partie de l'air surpressé et refroidi passe directement à l'entrée de la turbine 4 sans passer par l'échangeur 6. Ceci évite d'endommager la turbine.
Une fois la température de la turbine rétablie, la vanne V1 se ferme de nouveau et tout l'air passe au bout chaud de l'échangeur.
L'installation représentée à la Figure 2 est destinée à produire de l'oxygène gazeux sous une pression élevée, par exemple entre 10 et 50 bars, particulièrement de l'ordre de 40 bars Elle comprend essentiellement une double colonne de distillation 7 constituée d'une colonne moyenne pression 8, fonctionnant sous environ 6 bars, et d'une colonne basse pression 9, fonctionnant sous une pression légèrement supérieure à 1 bar, une ligne d'échange thermique 6, auquel est intégré un sous-refroidisseur au bout froid, une pompe à oxygène liquide 12, une soufflante froide 5A et une turbine 4 dont la roue est montée sur le même arbre que celle de la soufflante froide et d'un frein d'huile 49.
On reconnaít sur le dessin les conduites classiques de la double colonne, à savoir : une conduite 23 de « liquide riche » (air enrichi en oxygène) recueilli en cuve de la colonne 8 qui remonte en un point intermédiaire de la colonne 9, après sous-refroidissement en 6 et détente à la basse pression dans une vanne de détente ; une conduite 24 de « liquide pauvre » (azote à peu près pur) soutiré en tête de la colonne 8 qui remonte en tête de la colonne 9, après sous-refroidissement en 6 et détente à la basse pression dans une vanne de détente, et une conduite 26 de production d'azote impur, constituant le gaz résiduaire de l'installation, cette conduite traversant le sous-refroidisseur en 6 puis se raccordant à des passages 28 de réchauffement d'azote de la ligne d'échange 6. L'azote impur ainsi réchauffé jusqu'à la température ambiante est évacué de l'installation via une conduite 29.
La pompe 12 aspire l'oxygène liquide sous environ 2 bars provenant de la cuve de la colonne 9, le porte à une pression supérieure à la pression de production désirée, par exemple 40 bars, et l'introduit dans des passages 17 de vaporisation-réchauffement d'oxygène de la ligne d'échange.
L'air à distiller, comprimé, refroidi et épuré de manière classique, arrive à environ 16,5 bars via une conduite et pénètre dans des passages 30 de refroidissement d'air de la ligne d'échange 6.
En fonctionnement stable, à une température intermédiaire T1, inférieure à la température ambiante et proche de la température TV de vaporisation de l'oxygène (ou de pseudo-vaporisation si la pression de production de l'oxygène est super-critique), une partie de cet air est sortie de la ligne d'échange via une conduite 37 et amenée à l'aspiration de la soufflante froide 5A. Celle-ci porte cet air à 26 bars et, via une conduite 39, l'air ainsi surpressé est renvoyé dans la ligne d'échange 6, à une température T2 supérieure à T1, et poursuit son refroidissement dans des passages d'air surpressé de cette dernière. Une partie de l'air véhiculé par les passages est de nouveau sortie de la ligne d'échange à une deuxième température intermédiaire T3 supérieure à T1 via la conduite 41, et détendue à la moyenne pression (6 bars) dans la turbine 4. L'air qui s'échappe de cette turbine sous forme diphasique peut être envoyé dans un séparateur de phase ou est directement envoyé en cuve de colonne 8.
L'air véhiculé par la conduite 43 et non dévié par la conduite 41 poursuit son refroidissement dans de la ligne d'échange et en sort en amont du sousrefroidisseur. Il est ensuite détendu à la moyenne pression dans une vanne de détente 27 et envoyé aux colonnes de distillation, en particulier en cuve de la colonne 8. La soufflante 5A qui assure la surpression est entraínée par la turbine 4, de sorte qu'aucune énergie extérieure n'est nécessaire. La quantité de froid produite par cette turbine peut être légèrement supérieure à la chaleur de compression, et l'excédent contribue au maintien en froid de l'installation. Un solde ou la totalité des frigories peut être fourni par détente d'air ou d'azote à la moyenne pression dans une autre turbine (non-illustrée).
En variante encore, la ou chaque soufflante froide peut comprimer un autre gaz que l'air circulant dans la ligne d'échange thermique, notamment de l'azote de cycle préalablement réchauffé jusqu'à la température ambiante, comprimé et en cours de refroidissement.
Ici l'installation produit de l'oxygène liquide dans le stockage 11.
L'installation comprend une vanne V1 sur une conduite 45 reliant la sortie de la soufflante 5A et la conduite 41 amenant l'air vers l'entrée de la turbine 4 et une vanne V2 sur la conduite 39 reliant la sortie de la soufflante 5A et l'entrée de l'échangeur de la conduite 39.
En début de mise en fonctionnement de l'installation, l'air à distiller arrive à environ 16,5 bars et pénètre dans des passages 30 de refroidissement d'air de la ligne d'échange.
L'air (ou éventuellement une partie de l'air) est sorti de la ligne d'échange via une conduite 37 à une température qui peut atteindre 90°C et amenée à l'aspiration de la soufflante froide 5A. Celle-ci surpresse cet air entre 20 et 26 bars et une température pouvant aller jusqu'à 120°C, la vanne V1 étant ouverte et la vanne V2 fermée, l'air comprimé est envoyé par les conduites 45, 41 directement à l'entrée de la turbine 4 sans se refroidir dans la ligne d'échange 6. L'air détendu est ensuite envoyé en cuve de la colonne moyenne pression 8. Alternativement ou additionnellement, en début de fonctionnement des moyens de mesure de température détectent si la température d'entrée de la turbine 4 et/ou de la sortie de la soufflante de l'air provenant de la soufflante 5A passe en dessous d'un seuil prédéterminé et si la température est suffisamment basse, la vanne V2 s'ouvre et la vanne V1 se ferme de sorte que l'air surpressé en 5A est envoyé à la conduite 39, ensuite à de la ligne d'échange 6, avant d'être divisé en deux et envoyé en partie à la turbine 4 et en partie à la cuve de la colonne moyenne pression 8 Cette disposition des vannes correspond au fonctionnement stable.
Alternativement, la fermeture de la vanne V1 et l'ouverture de la vanne V2 peuvent être déclenchées un certain temps après la mise en fonctionnement du compresseur principal.
Les vannes V1, V2 peuvent également avoir le même fonctionnement que dans la Figure 1, c'est-à-dire que si la température d'entrée de la turbine et/ou de sortie de la soufflante devient trop basse, un envoi d'air chaud vers la turbine peut être initié en ouvrant la vanne V1 pour que l'air passe directement de la soufflante vers la turbine à travers la conduite 45.
La régulation du niveau de cuve (LIC) de la colonne moyenne pression 8 ou la colonne basse pression 9 peut être faite en agissant sur la vitesse de la turbine 4 via un SIC (indicateur et régulateur de vitesse). La vitesse de rotation peut également être fixée pour que l'installation fonctionne en excédent de puissance frigorifique. L'excédent de froid est éliminé par n'importe quelle ligne liquide (azote, oxygène ou argon) de la boíte froide, par exemple en ouvrant la vanne V3. La ligne liquide doit avoir une vanne automatique dont l'ouverture et la fermeture sont liées à des seuils de niveau de cuve de la colonne basse pression 9.
De la manière décrite en US-A-5475980, la turbine Claude 4, et éventuellement la soufflante froide 5A, peu(ven)t être couplée(s) à un dispositif d'adsorption d'énergie autre qu'un frein d'huile 49, tel qu'un alternateur ou un générateur.
Les exemples des Figures 1 et 2 décrivent la vaporisation d'oxygène dans la ligne d'échange mais l'invention s'applique également au cas dans lesquels de l'azote liquide ou de l'argon liquide se vaporisent dans la ligne d'échange à la place de ou avec l'oxygène liquide.
L'invention s'applique également au cas dans lequel seule une partie de l'air est surpressé comme on le voit dans les Figures 6, 8, 10 et 11 de EP504029 et dans EP-A-0644388 et FR-A-2688052.
Dans la Figure 3, un cycle d'azote moyenne pression fournit les frigories requises pour la séparation.
Les remontées de liquide 23, 24 et les productions 15, 29 de la colonne basse pression 9 sont identiques à celles précédemment décrites.
De l'air comprimé à la moyenne pression est épuré et ensuite se refroidit dans la ligne d'échange 6 avant d'être envoyé à la colonne moyenne pression 8.
De l'azote moyenne pression est soutiré en tête de la colonne moyenne pression 8, réchauffé dans la ligne d'échange 6 jusqu'au bout chaud et ensuite comprimé dans un compresseur 54. Tout ou une partie de l'azote comprimé est refroidi par un refroidisseur 47 et rentre dans la ligne d'échange.
L'azote renvoyé à la ligne d'échange sort de celle-ci à une température intermédiaire pour être surpressé dans un surpresseur 5B couplé au même arbre qu'une turbine 5B.
En fonctionnement normal, une vanne V2 est ouverte sur une conduite 39 qui ramène l'azote surpressé dans la ligne d'échange pour y être refroidi et la vanne V1 sur une conduite 45 est fermée.
Au moment du démarrage et/ou pendant des changements de marche et/ou afin de réguler la température d'entrée de la turbine, la vanne V1 s'ouvre et la vanne V2 se ferme de sorte que l'azote comprimé dans le surpresseur 5B arrive à l'entrée de la turbine 4B sans avoir été refroidi dans la ligne d'échange. Il est également possible de régler les vannes de sorte qu'une partie de l'azote surpressé arrive à l'entrée de la turbine après refroidissement dans la ligne d'échange alors que le reste de l'azote surpressé arrive à l'entrée de la turbine 48 sans refroidissement.
Le système de colonnes peut comprendre une simple colonne, une double colonne ou une triple colonne avec ou sans une colonne de mixture d'argon, une colonne de mélange ou tout autre type de colonne de séparation d'un gaz de l'air.

Claims (17)

  1. Procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote dans un appareil de séparation d'air, dans lequel on comprime tout l'air destiné à la distillation dans un compresseur (1), on épure l'air comprimé, on surpresse au moins une première partie de l'air jusqu'à une pression élevée, on envoie l'air comprimé et épuré dans une ligne d'échange thermique (6) de l'appareil où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes (8, 9) de l'appareil comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide (16) à l'état liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique de l'installation, on détend au moins une partie de l'air surpressé dans une turbine de détente (4, 4B) depuis la pression élevée à une deuxième pression, l'air détendu (22) étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes, en fonctionnement normal l'air surpressé étant refroidi jusqu'à la température d'entrée de la turbine dans la ligne d'échange en amont de la turbine de détente,
    caractérisé en ce que, pendant le début de la mise en fonctionnement de l'appareil de séparation d'air et/ou afin de réguler la température d'entrée de la turbine et/ou pendant un changement de marche, au moins une partie de l'air surpressé à la pression élevée est envoyée en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel :
    à une température intermédiaire de la ligne d'échange (6), on sort de la ligne d'échange thermique au moins une partie de l'air en cours de refroidissement dans cette dernière ;
    on surpresse l'air à la température intermédiaire dans une soufflante froide (5A) jusqu'à la pression élevée ;
    on réintroduit l'air surpressé dans la ligne d'échange thermique ;
    on envoie une première partie (43) de l'air surpressé à une colonne (8, 9) du système de colonnes et on envoie une deuxième partie (41) de l'air surpressé à la turbine de détente (4), l'air détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes ;
    pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation et/ou pendant un changement de marche et/ou quand la température à l'entrée de la turbine tombe en dessous d'un seuil prédéterminé, au moins une partie de l'air sorti de la ligne d'échange et surpressé dans la soufflante froide est envoyée en amont de la turbine de détente sans passer par la ligne d'échange.
  3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'on sort tout l'air entrant en cours de refroidissement, on le surpresse dans la soufflante froide (5A) et on le réintroduit dans la ligne d'échange (6).
  4. Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation, tout l'air sorti de la ligne d'échange (6) et surpressé dans la soufflante froide (5A) est envoyé en amont de la turbine de détente (4) sans passer par la ligne d'échange.
  5. Procédé suivant la revendication 2, 3 ou 4, dans lequel quand la température de l'air surpressé dans la soufflante froide (5A) est réduite à une température prédéterminée ou après un temps prédéterminé, on n'envoie plus d'air surpressé en amont de la turbine de détente (4) sans passer par la ligne d'échange.
  6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel la température d'entrée de la soufflante froide (5A) est inférieure à la température d'entrée de la turbine de détente (4).
  7. Procédé selon la revendication 1 dans lequel au moins une partie de l'air est comprimée jusqu'à la pression élevée, l'air à la pression élevée est envoyé au bout chaud de la ligne d'échange (6), une partie de l'air est sorti de la ligne d'échange à une température intermédiaire et détendue dans la turbine (4) et le reste de l'air poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange (6) et dans lequel pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation et/ou si la température à l'entrée de la turbine tombe en dessous d'un seuil prédéterminé, au moins une partie de l'air surpressé est envoyé directement d'un surpresseur (5) qui sert à surpresser au moins une partie de l'air jusqu'à la pression élevée jusqu'à l'entrée de la turbine (4) sans avoir été refroidi dans la ligne d'échange.
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel tout l'air est comprimé dans le compresseur (1) et le surpresseur (5) jusqu'à la pression élevée ou seule une partie de l'air est surpressée dans un surpresseur (5) jusqu'à la pression élevée.
  9. Procédé de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, dans lequel, en fonctionnement stable, on comprime de l'air dans un compresseur (1), on épure l'air comprimé et on l'envoie dans une ligne d'échange thermique (6) de l'installation où il se refroidit, on sépare l'air comprimé, épuré et refroidi dans un système de colonnes (8, 9) de l'installation comprenant au moins une colonne de distillation, on soutire un fluide (16) à l'état liquide d'une colonne du système de colonnes, on amène ledit fluide à l'état liquide à la haute pression, on le vaporise par échange de chaleur avec de l'air et on réchauffe le liquide vaporisé sous cette haute pression dans la ligne d'échange thermique (6) de l'installation :
    à une température intermédiaire de la ligne d'échange, on sort de la ligne d'échange thermique un débit d'azote comprimé en cours de refroidissement dans cette dernière ;
    on surpresse l'azote à la température intermédiaire dans une soufflante froide (5B) jusqu'à la première pression ;
    on réintroduit l'azote surpressé dans la ligne d'échange thermique ;
    on envoie tout ou une partie de l'azote surpressé à une turbine de détente (4B), l'azote détendu étant ensuite envoyé à une colonne du système de colonnes,
    caractérisé en ce que, pendant le début de la mise en fonctionnement de l'installation et/ou quand la température à l'entrée de la turbine tombe en dessous d'un seuil prédéterminé et/ou pendant un changement de marche, au moins une partie de l'azote sortie de la ligne d'échange et surpressée dans la soufflante froide (5B) est envoyée en amont de la turbine de détente (4B) sans passer par la ligne d'échange.
  10. Installation de production sous forme gazeuse et sous haute pression d'au moins un fluide choisi parmi l'oxygène, l'argon et l'azote, du type comprenant un système de colonnes de distillation d'air (8, 9), un surpresseur (5, 5A, 5B) pour surpresser au moins une partie de l'air d'alimentation ou d'un gaz de cycle jusqu'à une pression élevée, une ligne d'échange thermique (6) mettant en relation d'échange thermique l'air entrant et des fluides soutirés du système de colonnes, dont ledit (lesdits) fluide(s) sous forme liquide soutiré(s) de l'appareil de distillation et comprimé par une pompe, et une turbine (4, 4B) dont l'entrée est reliée à la sortie du surpresseur par des moyens qui traversent la ligne d'échange thermique et caractérisée en ce que l'entrée de la turbine est également reliée à la sortie du surpresseur (5, 5A, 5B) par des moyens (45) qui ne traversent pas la ligne d'échange thermique.
  11. Installation selon la revendication 10 comprenant une soufflante froide (5A, 5B), des moyens pour alimenter cette soufflante froide avec de l'air ou un gaz de cycle en cours de refroidissement prélevé à un niveau de température intermédiaire dans la ligne d'échange thermique (6), des moyens pour réintroduire l'air surpressé ou le gaz de cycle surpressé dans des passages de la ligne d'échange thermique reliés à la turbine (4, 4B), l'entrée de la turbine étant également reliée à la sortie de la soufflante froide par des moyens (45) qui ne traversent pas la ligne d'échange thermique.
  12. Installation suivant la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (37) pour envoyer tout l'air destiné à être distillé à la soufflante froide.
  13. Installation suivant la revendication 11 ou 12 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de détection de la température de l'air ou du gaz de cycle sortant de la soufflante froide en amont de la ligne d'échange thermique.
  14. Installation suivant la revendication 11, 12 ou 13 comprenant des moyens (V1, V2) pour ouvrir et fermer les conduites reliant l'entrée de la turbine (4, 4B) avec la sortie de la soufflante froide (5A, 5B) en passant par les passages de la ligne d'échange et sans passer par les passages de la ligne d'échange.
  15. Installation selon l'une des revendications 11 à 14 caractérisée en ce l'entrée de la turbine étant reliée à la sortie de la soufflante froide par des moyens (45) qui ne traversent pas la ligne d'échange thermique et qui ne comprennent pas de moyen de refroidissement.
  16. Installation selon la revendication 10 comprenant des moyens (1, 5) pour comprimer tout ou une partie de l'air destiné à la distillation à la pression élevée en amont de la ligne d'échange (6) et des moyens pour envoyer l'air à la pression élevée depuis le surpresseur (5) jusqu'au bout chaud de la ligne d'échange.
  17. Installation selon la revendication 16 dans laquelle l'entrée de la turbine et la sortie du surpresseur sont reliées à travers des moyens de refroidissement (47).
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