Brevet FR2076002A1 — publié le 19711015

L'invention est relative à un procédé pour améliorer l'orientation de la température dans un transmetteur de chaleur entre de l'azote hautement comprimé et un mélange d'hydrogène/azote soutiré de la tête d'une colonne de lavage, lors de la réalisation de gaz de synthèse d'ammoniac, procédé au cours duquel l'azote est introduit à l'état liquéfié et comme liquide de lavage dans la colonne de lavage. On connaît un procédé dans lequel l'azote hautement comprimé est refroidi dans un transmetteur de chaleur en contre-courant avec un mélange d'hydrogène/azote soutiré de la colonne de lavage. Un courant partiel de l'azote hautement comprimé est dévié dans le transmetteur de chaleur, il est détendu avec travail extérieur et est liquéfié en contre-courant avec l'azote d^G-avage souillé qui s'évapore. Ensuite, ce courant partiel est amené par une pom-15 pe à la pression de la colonne de lavage et est réuni à l'azote hautement comprimé résiduel qui a été refroidi davantage dans le transmetteur de chaleur et a été étranglé par une soupape à la pression de la colonne de lavage. Ce type de procédé n'exige qu'une faible consommation d'énergie. 20 Cependant, la différence de température entre l'azote haute ment comprimé et le mélange d'hydrogène/azote dans le transmetteur de chaleur n'est pas la plus avantageuse. Du fait que la chaleur spécifique de l'azote hautement comprimé dépend de la température, il se produit, sous la déviation d'un courant partiel de 25 l'azote â liquéfier dans le transmetteur de chaleur, une orientation courbe de l^fcourbe de refroidissement de l'azote dans le diagramme Q-T, tandis que la courbe du mélange d'hydrogène/azote qui se réchauffe est orientée presque en ligne droite. Dans le diagramme Q-T dans lequel, au-dessus de la température, sont in-30 diquées les quantités de chaleur échangées, il se produit donc un point critique à proximité de la température de 140°K. Lorsqu'à ce point, on maintient une différence de température conforme au but, le diagramme Q-T s'entrebâille relativement fortement à d' autres points, ce qui fait que l'énergie est dévalorisée. 35 L'invention vise à modifier l'orientation de la courbe de réchauffage du mélange d'iiydrogène/azote dans le diagramme Q-T, de manière à empêcher que les deux courbes ne s'entrebâillent trop fortement. L'invention propose un procédé pour améliorer l'orientation OOP Y 70 45738 2 2076002 de la température dans un transmetteur de chaleur entre l'azote hautement comprimé et un mélange d'hydrogène/azote, soutiré de la tête d'une colonne de lavage, lors de la réalisation de gaz de synthèse d'ammoniac, procédé au cours duquel l'azote est liquéfié 5 et est introduit comme liquide de lavage dans la colonne de lavage, alors qu'une partie de l'azote hautement comprimé se détend avec travail extérieure après un pré-refroidissement dans line machine d'expansion jusqu'à une température proche de la saturation et à une pression qui est essentiellement inférieure à la pression 10 de la colonne delavage, cette partie est ensuite liquéfiée en contre-courant avec lTazote souillé qui s'évapore, elle est amenée par une pompe à la pression de la colonne de lavage et est réunie à l'azote hautement comprimé résiduel et refroidi davantage, en azote de lavage. 15 Conformément à l'invention, l'amélioration est obtenue du fait qu'au mélange d'hydrogène/azote refluant de la colonne de lavage à travers le transmetteur de chaleur, on ajoute de l'azote à une température qui est inférieure à la température critique de l'azote. 20 L,azote ajouté est détendu à la pression partielle de l'azote de mélange d'hydrogène/azote en produisant ainsi du froid. De ce fait, le diagramme Q-T est considérablement amélioré. Etant donné que l'addition.d'azote au courant do produit de la colonne de lavage est de toute façon nécessaire pour la réalisation de gaz de 25 synthèse d'ammoniac, il est particulièrement avantageux de prévoir cette addition déjà su* une basse température afin d'améliorer le diagramme Q-T. Il est également déjà connu d'exploiter la détente d'azote liquide à sa pression partielle, dans un mélange gazeux d'hydrogè-30 ne/azote, pour la production de froid dans un procédé pour la réalisation.de gaz de synthèse d'ammoniac. Cependant, dans ce cas, cette mesure sert exclusivement à la production de froid du côté gaz brut afin de^ouvoir liquéfier plus facilement l'azote gazeux se trouvant sous une faible pression. Par contre, dans le procédé 35 conforme à l'invention, la détente de l'azote à sa pression partiel^ le s'effectue du côtéfeaz produit. la production du froid n'est donc pas le but propre, mais seulement xm effet secondaire, étant donné que lorsqu'il s'agit du procédé sur lequel est basée 1'invention,il est possible de produire sans difficulté suffisamment de froid. 70 45738 3 2076002 L'évaporation à la pression partielle est donc effectuée, en premier lieu, pour améliorer le diagramme Q-T et pour éviter une intersection des courbes de réchauffage et de refroidissement à environ 14û°I£. Pour l'addition de l'azote conforme à l'invention, on utilise, avantageusement, soit une partie de l'azote détendu avec travail extérieur, liquéfié et amené par la pompe à la pression de la colonne de lavage, soit une partie de l'azote hautement comprimé, refroidi davantage qui, par une sounape d'étranglement, est mélangé au mélange d'hydrogène/azote qui reflue. Dans tous les cas une partie de l'azote détendu avec travail extérieur peut être ramenée comme circuit de froid au transmetteur de chaleur et peut être introduite par un compresseur à nouveau dans le courant de l'azote hautement comprimé circulant vers le transmetteur de chaleur. Une forme d'exécution, donnée a titre d'exemple non limitatif, est représentée au dessin annexé, dans lequel : La fig. 1 est une forme Exécution de l'invention à l'appui d'un schéma du procédé. La fig. 2 représente le diagramme Q-T amélioré conformément à l'invention. Dans le procédé représenté à la fig. 1, 4640 kMole/h du gaz brut à épurer, essentiellement constitué par de 1'hydrogène, pénètrent sous une pression de 43 atm. et une température de -59°C, par le conduit 1, dans le transmetteur de chaleur 2. Ensuite ce gaz arrive à la colonne de lavage 3 où l'azote de lavage, introduit dans le haut par le conduit 4, ruisselle à la rencontre du dit gaz brut. Dans la colonne de lavage 3, les impuretés, essentiellement l'oxyde de carbone, l'argon et le méthane, sont éliminées par lavage et sont soutirées, avec l'azote de lavage, comme liquide de lavage souillé par le conduit 5 du fond da la colonne de lavage. De la tête de la colonne de lavage 3 on soutire, par le conduit 6, 4874 kMole/h de mélange hydrogène/azote pur comme gaz de production. Ce courant de r:az est divisé, une rsartie de 4470 IcIIole/h retourne par le conduit 7 au transmetteur de chaleur 2 et quifce ce dernier sous une pression d'environ 41,3 atm.. .et une température d'environ -62°G. Ensuite, on mélange à cette quantité et par le conduit 8, de l'azote gazeux venant du compresseur d' BAD ORIGINAL 70 45738 2076002 azote 9, et ce, en une quantité telle qu'on obtienne un nélange d'hydrogène et d'azote approprie pour la syntiissè d'âœnoniac. L'autre partie du gaz de "production, à savoir 404 Ic:*ole/à, circule par le conduit 10 vers le transmetteur de chaleur 11 du 5 coté gaz de production. Conformément à l'invention, à ce courant partiel on mélange, soûs une température inférieure à 140°IC, de l'azote présentant une température inférieure à là "température critique de/l 'azote, et ce, soit par le conduit 12, soit par le conduit. 13. Enfin, les deux courants de' gaz de production sont à 0 nouveau* réunis et circulent à travers le conduit 14, sous une pression de 40,5 atm. et une température de 30°C, vers l'installation de synthèse d'ammoniac. L'azote de lavage du compresseur d'azote 9, pénètre également dans l'installation en venant du compresseur d'azote 9 et est dé-5 vie par le conduit 15 du conduit 8. Cet azote pénètre dans le transmetteur de chaleur 11 dans lequel une partie de cet azote hautement comprimé est déviée par le c-onduit 16. Le courant partiel dévié est détendu avec travail extérieur dans la turbine 17et il est liquéfié dans le transmetteur de cha-0 leur 18 en contre-courant à l-'azote d^lavage souillé qui s'évapore sans pression, qui est soutiré par le conduit 5 du fond de la colonne de lavage et qui est détendu dans la soupape d'étranglement 19 à une faible surpression. L'azote liquéfié est amené par la pompe 20 à la pression de la colonne de lavage 3 et est introduit 25 dans cette dernière par le conduit 4. Conformément à l'invention, une partie de cet azote est déviée du conduit 4et est mélangée au moyen du conduit 12 au gaz de production dans le conduit 10. Le conduit 12 est représenté par des traits mixtes afin d'indiquer qu'il y a également d'autres 30 possibilités pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Par exemple, l'azote peut être ajouté également par le conduit 13. Dans ce cas, il s'agit d'un courant partiel de l'azote hautement comprimé venant du conduit 15 et qui traverse tout le transmetteur de chaleur 11 et est détendu par la soupape d'étran-35 glement 21 dans le courant de gaz de production dans le conduit 10. L'azote hautement comprimé résiduel est mélangé par l'intermédiaire du conduit 22 et de la soupape d'étranglement 23 à l'azote liquide dans le conduit 4. Pour la production de froid on prévoit un circuit de froid à 70 45738 5 2076002 l'azote. A cette fin, de l'azote détendu avec travail extérieur dans la turbine 17 est refroidi de cette manière, un courant partiel est dévié par le conduit 24, est ramené au transmetteur de chaleur, est comprimé en retour par le compresseur 25 et est à 5 nouveau mélangé à l'azote hautement comprimé dans le conduit 15. La fig. 2 illustre schématiquement l'influence sur le diagram me Q-T du procédé conforme à llnvention. L'introduction de l'azote liquide dans le courant de produit s'effectue au point désigné par A sous une température d'environ 125°K. De ce fait on obtient 10 un refroidissement et on empêche que la courbe de réchauffage a du courant de produit ne croise la courbe de refroidissement b de l'azote hautement comprimé dans la zone de température de 140°K sans que la diagramme Q-T ne s'entrebâille de trop à des températures plus chaudes. Le repère B désigne, dans le diagramme Q-T 15 le point où un courant partiel de l'azote hautement comprimé est dévié. Les quantités des courants partiels dans les conduits 10 et 12 ou 13 dépendent les unes des autres, la valeur du courant partiel dans le conduit 10 peut être quelconque dans certaines limi-20 tes. Il est possible de conduire tout le courant de gaz de production à travers le transmetteur de chaleur 11. 70 4b/ib u 2Û/t>u€2 REVENDICAT IONS 1.- Procédé "pour améliorer l'orientation de la température dans un transmetteur de chaleur entre de l'azote hautement comprimé et un mélange d'hydrogène/azote soutiré de la tête d'une colonne de lavage, lors de la réalisation de gaz de synthèse d1 5 ammoniac, procédé au cours duquel l'azote est liquéfié et est introduit comme liquide de lavage dans le colonne de lavage du fait qu'une partie de l'azote hautement comprimé, après un prérefroidissement dans une machine d'expansion jusqu'à une température proche delà saturation et jusqu'à une pression qui est 10 essentiellement inférieure à la pression de la colonne d^Lavage, est détendue avec travail extérieur, est liquéfiée en contre-courant à l'azote de lavage souillé qui s'évapore , est ensuite amenée par une pompe à la pression de la colonne de lavage eî est enfin réunie à 1 * azote hautement comprimé résiduel, refroidi 15 davantage, en azote de lavage, caractérisé en ce qu'au mélange d'hydrogène/azote refluant de la colonne de lavage à travers le transmetteur de chaleur, on mélange de l'azote sous une température qui est inférieure à la température critique pour l'azote. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce 20 qu'une partie de l'azote détendu avec travail extérieur, liquéfié et amené à la pression de la coinne de ]>avage par la pompe, est mélangée au mélange d'hydrogène/azote qui reflue. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie de l'azote hautement comprimé, refroidi davantage, 25 est mélangée par l'intermédiaire d'une soupape d'étranglement au mélange d'hydrogène/azote qui reflue. 4..- Procédé suivant les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'une partie de l'azote détendu avec travail extérieur est conduite en circuit à travers le 30 transmetteur de chaleur et est ramenée par l'intermédiaire d'un compresseur dans le courant de l'azote hautement comprimé circulant vers le dit transmetteur de chaleur.