Brevet FR2137412A1 — publié le 19721229

bfin de pouvoir alimenter un pipeline, par lequel du gaz naturel de haut pouvoir calorifique est distribue aux coneommateurs, à partir des sources fournissant du gaz riche en azote, la teneur en azote de ce gaz doit 8tre abaissée. Si l'on soumet la totalité du gaz à un processus de séparation de l'azote, le pouvoir calorifique des fractions obtenues peut, dans le oadre de ce procédé, être réglé de manière à avoir une valeur déterminée. Une autre possibilité consiste à ne traiter qu'une partie du gaz riche en azote, à le débarasser de façon pratiquement complbte de azote et puis à le mélanger avec du gaz naturel de la composition initiale, dans la proportion nécessaire pour l'amener au pouvoir, calorifique voulu. Dans tous les cas, les fractions obtenues lors de la séparation de l'azote doivent être mises à disposition sous une pression permettant de les alimenter dans le pipeline. La séparation de l'azote du gaz naturel s'effectue généralement par rectification à basse température. Le C02 contenu dans le gaz naturel est séparé selon un procédé connu (Eydrocarbon Processing, avril 1970, pages 86 à 88) dans la partie inférieure d'une colonne de pression moyenne en mélange avec du méthane et des hydrocarbures en C2 et supérieure comme iractionde haut point d'ébullition et renvoyé de l'installation sous la m & me-pression. Butant donné que lors de la rectificationfle C02 s'enrichit peu en méthane dans la vapeur aux pressions élevées et dans l'intervalle des conéntrations élevées de méthane, on a besoin pour la rectification de C02 d'une grande quantité de liquide en circulation exempt de 002. Dans le procédé connu; par obtient ce liquide en partie de manière telle qu'un courant partiel de gaz brut refroidi est décomposé dans une colonne de séparation prélimi- naire fonctionnant à une pression inférieure à la pression finale du compresseur de gaz brut, en une fraction de tête exempte de C02 et une fraction de fond contenant du C02. Les deux fractions sont détendues et introduites dans la colonne de pression moyenne à la hauteur correspondante à leur composition. La fraction de tête de la colonne de rectification préliminaire fournit du liquide de reflux exempt de C02, qui avec le liquide de reflux supplémentaire du fragment de rectification se situant au-dessus, assure la rete- nue de C02 montant.De cette manière, on est assuré qu'on peut prélever en ce point de la colonne de pression moyenne du liquide pour la décomposition dans la colonne de basse pression subséquente sans qu'il y ait danger de blocage de ltémporateur de la colonne par du C02 entraîné. La vapeur exempte de C02 et enrichie en azote qui monte de la partie inférieure de la colonne de pression moyenne est rectifiée dans la partie supérieure de la même colonne. On prélève du liquide contenant de l'azote à la tête de la colonne et on l'envoie au niveau de basse pression comme liquide de reflux. Cet azote liquide est obtenu, comme le liquide de reflux pour le fragment supérieur de la pression moyenne, par évaporation du produit de fond de la colonne de basse pression,,c'est-à-dire, du méthane liquide se trouvant environ à la pression atmosphérique. De la même manière, le liquide de reflux supplémentaire doit, en outre, être mis à la disposition du fragment de rectification infé rieur servant à la séparation de C02. 2 le liquide provenant de la co- lonne de rectification préliminaire, seul, ne suffit pas, comme on l'a déjà indiqué.Le méthane produit doit ainsi entre complètement évaporé dans le fond de la colonne de basse pression afin qu'il y ait suffisamment de liquide de reflux à la disposition de la rectification. les inconvénients du procédé connu résident ainsi en ce qu'une partie du gaz brut doit être prédécomposé dans une colonne séparée et que le méthane obtenu dans l'installation de basse température ne peut être mis à disposition que sous forme de gaz à la pression atmosphérique, de sorte qu'il doit être comprimé à partir de cette pression à la pression finale nécessaire. L'invention concerne un procédé pour la séparation de l'azote du gaz naturel par rectification à basse température où le C02 contenu dans le gaz naturel avec les hydrocarbures en C2 et supérieur et une partie du méthane. est séparé par rectification à une pression moyenne comme fraction de haut point d'ébullition, la partie exempte de C02 étant décomposée par rectification subséquente dont le dernier degré s'effectue à basse pression, en une fraction d'azote et une fraction de méthane qui subséquemment, après avoir cédé leur chaleur aux agents à refroidir sont renvoyées de l'installation, L'invention s'étend également à un dispositif pour la mise en application du procédé. L'objectif de l'invention est de modifier le procédé connu de manière que le méthane puisse être renvoyé de l'installation de basse température sous pression plus élevée par un dispositif plus simple et avec une dépense d'énergie plus faible. L'invention concerne à cet effet un procédé du type ci-dessus naractérisé en ce qu'on prélève du méthane liquide dans un palier de rectification fonctionnant à basse pression, on le porte à une pression modérée supérieure, mais moins élevée que la pression moyenne et on le chauffe, en ce qu'on détend le méthane conduit dans un circuit ouvert, qui a été dérivé du courant de méthane chauffé dans l'installation à la température ambiante et à nouveau refroidi et liquéfié à une pression supérieure à la pression moyenne, la détente ayant lieu dans le méthane liquide porté à la pression modérée en ce qu'on évapore le mélange des deux courants de méthane à la pression modérée par échange de chaleur avec le mélange de méthane et d'azote exempt de C02 qui est condensé à la pression moyenne et chauffé subséquemment et en ce qu'on introduit une partie du condensat ainsi formé en reflux pour la séparation de C02. Le procédé selon l'invention présente l'avantage que non seulement la fraction de haut point d'ébullition contenant du C02, mais également le méthane exempt de obtenu comme produit final peuvent etre livrés au moins partiellement sous pression élevée, de sorte que le coût de la condensation ultérieure est considérablement diminué. Le liquide de reflux nécessaire pour la séparation de CO 2-0H4 est fourni en quantité suffisante et peut, en outre, être adapté sans difficulté à des conditions de fonctionnement modifiées, par une diminution de la quantité de gaz en circulation. La colonne de séparation préliminaire est superflue. La pression minimale de la séparation de rectification de C02 est déterminée par deux conditions premièrement, la température d'ébullition de la fraction lourde contenant du C02 doit être si élevée que le C02 soit maintenu dans le fond de la colonne, en solution, et deuxièmement, le chauffage à la température ambiante doit s'effectuer à une pression où à chaque température, il y ait une quantité suffisante d'hydrocarbures pour empocher un dépôt solide de C 2 La hauteur de la pression minimale ainsi déterminée dépend de la teneur en C02 ainsi que de la quantité et du genre des hydrocarbures existants. Elle se trouve dans les conditions de l'exemple de réalisation de l'invention aux environs de 25 atmabs. Si la fraction de haut point d'ébullition contenant le C 2 doit être livrée à une pression plus élevée que celle-ci, il est opportun, d'après les calculs qui sont à la base de l'invention, de condenser si fort le gaz naturel qui doit être décomposé que la pression moyenne à laquelle le gaz est détendu et à laquelle s'effectue la séparation de C02, se situe légèrement audessus de la pression de livraison souhaitée de la fraction de haut point d'ébullition. La quantité d'énergie nécessaire pour la condensation élevée du gaz brut est dans ce cas étonnament plus faible que l'énergie nécessaire pour tout le processus, si la fraction de haut point d'ébullition est obtenue à pression plus basse et est amenée à l'état liquide à la pression voulue et est évaporée et chauffée à cette pression. Une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention consiste en ce que l'échange de chaleur entre le méthane qui s'évapore à la pression élevée et le mélange de CE4-N2 exempt de C02 qui se condense à la pression moyenne est intercalé dans le circuit de rectification à un point où la rectification du mélange de trois substances C02 - 0114 - N2 est terminée et la rectification du mélange de deux substances OR4 - N2 commence. Cette mesure signifie que le circuit de méthane n'est intercalé que pour l'obtention du liquide de reflux pour le fragment de rectification servant à la séparation de C02, mais n'a pas besoin de fournir de liquide de reflux pour les fragments de rectification qui fonctionnent aux basses températures et servent uniquement à la séparation de CH4 - N2. La consommation d'énergie pour la rectification du mélange de deux substances CH4 N2 est couverte exclusivement par l'effet de Joule-Thomeon des milieux participant à cette rectification.La mesure indiquée présente ainsi l'avantage que la température à laquelle a lieu l'échange de chaleur avec le méthane évaporé à pression élevée et avec le mélange de CH4 N N2 exempt de C02 condensé peut être augmentée et partant élevée à la pression d'évaporation du méthane. Ainsi, la dépense pour la compression du gaz de circulation est abaissée ; mais avant tout, le méthane exempt de C02, peut être livré sous une pression encore plus élevée. Le procédé selon l'invention peut, ensuite, être mis en application de façon encore plus avantageuse en ce que, dans le méthane obtenu dans le palier de basse pression, est maintenu un reste d'azote, la diminution de pouvoir calorifique ainsi provoquée pouvant etre égalisée à une température élevée par une addition d'hydrocarbures lourds condensés lors du refroidissement préliminaire du gaz brut. Plus les hydrocarbures dont on dis pose sont élevés, d'autant plus élevdepeut être la teneur du reste en azote.La teneur en azote produit en premier lieu un déplacement du début de l'ébullition vers des températures plus basses. À l'extrémité froide de l'échangeur de chaleur, dans lequel a lieu l'évaporation, existe encore une différence de température suffisante, à une pression d'évporation relativement élevée du méthane. Cette mesure, également contribue à l'accroissement de la pression de dégagemment du méthane exempt de CO20 En liaison avec cela, il faut mentionner un autre avantage que fournit l'élévation déjà décrite de pression dans la fraction de rectification servant à la séparation de C021entreprise dans le but d'économiser une pompe pour la fraction de haut point d'ébullition.Cette démarche du procédé a également pour conséquenée que la pression et partant la température à laquelle s'effectue la condensation du mélange de méthane-azote exempt de C02 par échange de chaleur avec le méthane évaporé, est relevée. Cette mesure provoque donc également un accroissement possible de la pression de dégagement du méthane exempt de C02. Finalement, une réalisation de l'invention consiste en ce que le méthane introduit dans le circuit ouvert, après avoir été amené à une pression supérieure à la pression moyenne et avoir été refroidi, est'liquéfié par échange de chaleur avec le liquide du fond de la fraction de rectification effectuée à la pression moyenne. De cette manière, la quantité de vapeur de rectification dont on dispose dans le palier de la pression moyenne est 'considérablement augmentée, et la séparation de C02 CH4 est ainsi facilitée. Le dispositif pour la mise en application du procédé décrit est caractérisé en ce que d'une colonne de pression moyenne destinée à la séparation de C02 d'un mélange de méthane et d'azote, d'un point où la vapeur montant dans la colonne ne contient plus de C02, est dérivée une conduite pour un mélange gazeux de méthane-azote aui est reliée a l'extrémité chaude d'un échangeur de Chaleur, dont l'extrémité froide est reliée de nouveau, par une conduite proche du point de sortie de la première conduite, avec la colonne de pression moyenne, et que l'extrémité froide de cet échangeur de chaleur est reliée par une pompe au fond d'une colonne de basse pression faisant suite a une colonne de pression moyenne et par un dispositif de détente et un échangeur de chaleur, pour le refroidissement, la liquéfaction et le surrefroidis sement d'un agent de circulation dans un compresseur. Le procédé selon l'invention sera mieux compris en regard de la description ci-après et du dessin annexé représentant schématiquement un exemple de réalisation de l'invention. Le gaz brut est condensé dans un compresseur 1 à la pression de 48 at. abs. et fournit après séchage dans les adsorbeurs interchangeables 2, 68.000 Nta3/h de gaz dont la composition est la suivante : 14,4 % en moles de N2 + He t 81,4 % en moles de CH4 ; 2,6 % en moles de C2H6 ; 0,4 % en mole de C3Re ; 0,2 % en mole de C4H10 ; 0,9 % en mole de C02 ; 0,1 % en mole d' hydrocarbures en C5 et supérieurs.Ce mélange de gaz est refroidi dans l'échangeur de chaleur 3 jusqu'à ce que les hydrocarbures en C5 et supérieurs soient pratiquement complètement condensés. Dans le sé- parateur 4, le liquide formé contenant é galement les hydrocarbures de bas point d'ébullition correspondant à leur concentration d'équilibre, est séparé. la partie non condensée est encore refroidie dans les échangeurs de chaleur 5 et 6 et est liquéfiée et détendue dans la soupape 7 de la colonne de pression moyenne 8 fonctionnant à 33 atmosphères.Une fraction de haut point d'ébullition contenant la totalité de C02, rassemblée dans le fond de cette colonne a la composition suivante : 3 5' en moles de N2 + He ; 91,5 5' en moles de CH4 1 3,6 % en moles de 02116 ;0,5 5' en mole de 03R ; 0,1 % en mole de C4H10 ; 1,3 % en mole de 002. Cette fraction est retirée de la colonne 8 avec 175 K par la conduite 9, est évaporée dans les échan- geurs de chaleur 5 et 3 et chauffée et livrée sous une pression de 32 at*abs À la tête de la colonne 8 est prélevée par la conduite 10 un mélange de vapeur exempt de C02 constitué de 36 % en moles de N2 et de 64 % en moles de CH4 ayant une température de 164 K et refroidi dans l'échangeur de chaleur Il à 151 K et en même temps partiellement liquéfié. Le liquide contient 68 ffi en moles de méthane et est rassemblé dans le séparateur 12 et chargé partiellement par la conduite 13 dans la colonne 8, comme liquide de reflux exempt de 002. La partie gazeuse est détendue par la conduite 14 dans la colonne 15 fonctionnant à la pression de 28 at mosphères. La température dans le fond de cette colonne se situe à 1480K; la teneur en N2 du liquide est égale à 30 % en moles. Le liquide restant est repris dans le séparateur 12 par la conduite 16 et refroidi avec le liquide du fond de la colonne 15 dans 1' échan- geur de chaleur 17 jusqu'à 1120 K et détendu dans la soupape 18 de la colonne de basse pression 19 fonctionnant à 1,5 atmosphère. Le liquide de reflux pour cette colonne est obtenu dans la colonne 15. De l'azote liquide nvec un reste de 5 % en moles de méthane ayant une température de 123 K est prélevé par la conduite 20 à la tOte de cette colonne et est chargé partiellement en reflux par la conduite 21 dans la colonne 15 et pour l'autre partie est refroidi dans l'échangeur de chaleur 22 jusqu'à 86 K et détendu en reflux dans la colonne 19.La fraction de méthane liquide rassemblée dans le fond de la colonne 19 contient encore 3 % en moles d'azote et est pratiquement exempte de 002. La teneur du résidu en C02 est de 50 ppm. nie est retiré à 1090109 K par la conduite 23, est refoulée dans la pompe 24 à 13 at. abs et chauffé dans l'échangeur de chaleur 17 à 146 K. Un courant de méthane pratiquement complètement liquéfié, qui a été condensé dans le compresseur 26 à 36 atmosphères, refroidi dans l'échangeur de chaleur 27 à 1600 K et détendu dans la sou- pape 28 à 13 atmosphères en prenant une température de 151 O K, est alimenté en 25, en quantité de 11.500 Nm3/h. Les deux courants de méthane réunis sont évaporés dans l'échangeur de chaleur 11 en contre courant du produit de tête à condenser de la colonne 8, exempt de C02, et chauffés à 1580 K, et, après un chauffage subséquent dans les échangeurs de chaleur 27, 5 et 3, renvoyés de l'installation à la température ambiante. Ensuite, le circuit de gaz est dérivé par la conduite 29 et à nouveau aspiré par le compresseur 26. La fraction de méthane exempte de 0O est reprise par la conduite 30, après que les hydrocarbures lourds rassemblés dans le séparateur 4 lui ont été ramenés par la soupape 31, pour régler le pouvoir calorifique. La teneur en C02 et hydrocarbures supérieurs du produit retiré par la conduite 30 est de 2 % en moles. La proportion de la fraction de haut point d'ébullition contenant du C02 prélevée par la conduite 9 par rapport à la fraction de méthane exempte de C02 retirée par la conduite 30 est d'environ 4 s 1. Le pouvoir calorifique du gaz brut est de 8 400 Kca1/Nm3, le pouvoir calorifique des deux fractions dse produits nammés est d'environ 9 500 Kcal/Nm . L'azote séparé quitte la tette de la colonne 9 sous forme de gaz avec une température de 830 K et une ooncentration de 99,5 % en moles. il est chauffé à la température ambiante dans les échangeurs de chaleur 22,17 ; 11,27, 5 et 3 et livré par la conduite 32 à la pression atmosphérique. Le mode de fonctionnement décrit ci-dessus nta pas besoin d'être modifié lorsqu'on rattache à l'ins- tallation une production d'hélium. il est simplement nécessaire de chauffer légèrement l'azote liquide retiré par la conduite 20, avant de l'envoyer comme liquide de reflux sur les colonnes 15 et 19, et de retirer la fraction riche en hélium qui s'échappe. Bien entendu, l'invention n'est pas limirée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représent, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDiCÂT iONS 10) Procédé pour la séparation de l'azote du gaz naturel par rectification à basse température, dans lequel on sépare le C02 contenu dans le gaz naturel avec les hydrocarbures en C2 et supérieure et une partie du méthane, par rectification à une pression moyenne comme fraction de haut point d'ébullition et on décompose la partie exempte de C02, par rectification subséquente, dont le dernier degré s'effectue à basse pression, en une fraction d'azote et une fraction de méthane qui, sub séquemment, conne la fraction de haut point d'ébullition, après avoir cédé leur capacité frigorifique aux agents à refroidir, sont renvoyées de l'installation, procédé caractérisé en ce qu'on prélève du méthane liquide dans un palier de rectification fonctionnant à basse pression, on le porte à une pression supérieure, mais moins élevée que la pression moyenne, et on le chauffe en ce qu'on détend le méthane conduit dans un circuit ouvert, qui a été dérivé du courant de méthane chauffé dans l'installation à la température ambiante et à nouveau refroidi et liquéfié à une pression plus élevée que la pression moy-enne, la détente ayant lieu dans le méthane liquide porté à la pression élevée en ce qu'on évapore le mélange des deux courants de méthane à la pression modérée par échange de chaleur avec le mélange de méthane et d'azote exempt de C02 qui est condensé à la pression moyenne et chauffé subséquemment et en ce qu'on introduit une partie du condensat ainsi formé en reflux pour la séparation de C02. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce- qu'on condense le gaz naturel devant entre décomposé de façon assez forte pour que la pression moyenne. à laquelle le gaz est détendu et la séparation de C02 a lieu, soit située légèrement au-dessus de la pression de dégagement de la fraction de haut point d'ébullition. 30) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on intercale l'échan- geur de chaleur entre le méthane évaporé à la pression élevée et le mélange en un point de la rectification où la rectification du mélange de troie substances C 2 - CH4 - N2 est terminée et où la rectification de mélange de deux substances C - N2 commence. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le méthane obtenu dans le palier de basse pression, on maintient un reste de teneur en azote, la diminution du pouvoir calorifique ainsi provoquée étant égalisée par l'addition à température élevée d'hydrocarbures de haut point d'ébullition condensés lors du refroidissement préliminaire du gaz brut. 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on liquéfie le méthane introduit dans le circuit ouvert, après qu'il ait été porté à une pression supérieure à la pression moyenne et refroidi, la liquéfaction ayant lieu par échange de chaleur avec le liquide du fond du palier de rectification fonctionnant à la pression moyenne. 60) Dispositif pour la mise en application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dispositif caractérisé en ce que d'une colonne de pression moyenne -destinée à la séparation de do2 d'un mélange-de CE4 et N2, en un point où la vapeur montant dans la colonne ne contient plus de C02, une conduite est dérivée pour un mélange gazeux d'azoteméthane et est reliée à l'extrémité chaude d'un échangeur de chaleur, que son extrémité froide est à nouveau reliée par une conduite proche du point de sortie de la conduite précédente avec la colonne de pression moyenne et que l'extrémité froide de l'échangeur de chaleur est reliée par une pompe au fond, d'une colonne de basse pression faisant suite à une colonne de pression moyenne et par un dispositif de détente et échangeur de chaleur pour le refroidissement, la liquéfaction et le surrefroidissement d'un agent de circulation dans un compresseur.