Brevet FR2219919A1 — publié le 19740927

La présente invention a pour objet un procédé et une installation de séparation d'un mélange gazeux, et elle vise, plus particulièrement, un procédé et une installation pour obtenir une fraction à pression-sur-critique renfermant du méthane et des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, à partir d'un mélange de gaz liquéfié renfermant, outre le méthane et lesdits composants, de l'éthane et des hydrocarbures à point d'ébullition supérieur à celui de l'éthane. Pour approvisionner une pluralité de consommateurs en gaz naturel dont la plus grande partie est normalement formée de methane et qui contient en outre d'une part de faibles quantites de gaz à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, tels azote et hélium, et d'autre part des hydrocarbures à point d'ebullition plus élevé tels que éthane, propane et butane, on transporte en général d'abord le gaz naturel en un lieu proche de celui de consommation puis on en provoque la vapoirisation, le réchauffage et l'injection dans un réseau de distribution sous la pression requise. Afin de régler à une valeur convenable le pouvoir calorifique du gaz naturel à injecter dans le réseau de distribution, et le cas échéant également afin de pré parer des matières premières servant à l'élaboration d'autres composés, ainsi par exemple l'éthane peut servir de matière de départ pour la fabrication de l'éthylène, il convient de séparer du gaz naturel les hydrocarbures à pointsd'ébullition les plus élevés. On connaît déjà de nombreux procédés de rectification dans lesquels la pression de gaz naturel liquéfié est portée par pompage à la pression régnant dans une colonne de separation dans laquelle ce gaz liquéfié est ensuite rectifié sous cette pression. Toutefois, comme une rectification ne peut être effectuée qu'à une pression inférieure à la pression critique, il est nécessaire de comprimer la fraction gazeuse riche en méthane qui est obtenue dans la rectification, lorsque la pression requise dans le réseau de distribution est très élevée, c'est-à-dire lorsque cette pression se situe, par exemple, déjà dans la plage sur-critique. Cette opération présente l'inconvénient d'entraîner une consommation d'énergie et est, par conséquent, onéreuse. La présente invention a pour objet un procédé économique quant à la consommation d'énergie, permettant d'obtenir une fraction à pression sur-critique, riche en méthane et renfermant des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, à partir d'un mélange de gaz liquéfié, renfermant, outre le méthane et lesdits composants à point d'ébullition inférieur , de l'éthane et des hydrocarbures à point d'ébullition plus élevé Le procédé faisant l'objet de la présente invention est caractérisé en ce que le mélange de gaz liquéfié est porté par pompe a la pression sur-critique, en ce qu'il est réchauffé par échange de chaleur avec un ou plusieurs fluides de réchauffage, et en ce que l'on sépare ensuite dudit mélange l'éthane et les hydrocarbures à point d'ébullition plus élevé que celui de l'éthane soit par adsorption au moyen d'une substance au masse adsorbante solide soit par absorption au moyen d'une substance ou masse absorbante liquide. Dans le procédé selon l'invention, le mélange de gaz est porté à la pression finale élevée requise avant même la séparation des hydrocarbures à point d'ebullition élevé , cette pression finale requise se situe, par exemple, entre 70 et 150 ata. Cette façon de procédér, permet d'économiser de l'énergie, car l'énergie requise pour pomper un liquide est inférieure à l'énergie requisepour la compression d'une quantite de gaz correspondante. Après ce pompage et le réchauffage du mélange de gaz à une température convenable, on sépare les hydrocarbures à point d'ébuliition plus élevé , soit par adsorption dans une installation d'adsorption, soit par absorption dans une col on ne de lavage, de sorte que la chaleur d'adsorption ou de dissolution qui s'est dégagée pendant cette phase puisse facilement être compensée par le froid du mélange de gaz liquéfie, et que par conséquent la séparation elle-même ne requiert pratiquement aucun apport d'énergie supplémentaire. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la régénération des masses adsorbantes ou absorbantes est effectuée par une détente étagée de la masse adsorbante ou absorbante intéressée, et la fraction encore riche en composants à point d'ébullition les plus bas, obtenue après la première détente est à nouveau liquéfiéccpar échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfié, puis ensuite réintroduite dans l'installation d'adsorption ou dans la colonne de lavage. Les fractions obtenues dans la seconde phase de détente, et qui renferment notamment de l'éthane et des hydrocarbures à point d'ébullition supérieur à celui de l'éthane, sont également reliquéfiées par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfié et introduites dans des récipients d'emmagasinage sépares, d'ou on peut les prélever suivant les besoins; elles peuvent former des matières pre mières pour la pétrochimie ou être employées pour compenser des variations du pouvoir calorifique du mélange de gaz liquéfié traité. Afin de séparer les hydrocarbures à point d'ébullition supérieur qui, après une derniere phase de détente à une pression sensiblement égale à la pression atmospherique, sont encore adsorbés par les masses adsorbantes ou absorbées par les masses absorbantes, une partie des fractions riches en méthane et en composants à point d'ébullition inférieur qui ont éte produites dans la séparation est employée pour le lavage ou l'élution de ces masses, les mélanges de gaz provenant de ce lavage ou de cette élution étant reliquéfiés par échange de chaleur avec le melange de gaz liquéfié initial, puis comprimés et ramenés au contact desdites masses adsorbantes ou absorbantes. Ce procédé est avantageux car comme tous les produits intermédiaires impurs obtenus dans la détente étagée sont reliquéfiés sans consommation d'énergie supplémentaire, et ensuite ramenés vers la masse adsorbante ou absorbante, les pertes de gaz sont pratiquement nulles On peut améliorer la régénération das masses adsorbante ou absorbante en procédant à un réchauffage supplémentaire; cette régénération peut également etre obtenue exclusivement par réchauffage, cependant que l'efficacité d'adsorption ou d'absorption peut être augmentée par un refroidissement supplémentaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des figures jointes, données dans un but non limitatif, et qui représentent plusieurs modes de réalisation de l'invention. La fig. 1 illustre schématiquement le procédé selon S'invention, la séparation des hydrocarbures à point d'ébullition supérieur étant effectuée par adsorption, et La fig. 2 montre un autre mode de réalisation dans lequel la séparation des hydrocarbures à point d'ébullition supérieur est effectuée par absorption. Dans le mode de mise en oeuvre du procède représenté sur la fig. 1, du gaz naturel liquéfié, contenant dans l'exemple représente principalement du methane et une faible quantité d'éthane, et provenant d'un recipient d'emmagasinage 1, est porté à une pression de l'ordre de 100 ata au moyen d'une pompe 2; on réchauffe ensuite le gaz naturel dans des échangeurs de chaleur 3 et 4 par échange de chaleur avec des produits résultant de la séparation, et dans l'échangeur de chaleur 5 par échange de chaleur avec un fluide de chauffage suppleentairei le gaz naturel est ainsi chauffé à une température d'environ 240"K et amené ensuite dans l'adsorbeur 7 d'une installation d'adsorption 7-13 par l'intermédiaire de la vanne 6 qui, pendant cette phase, est en position ouverte. L'adsorbeur 7 contient une masse adsorbante constituée, par exemple par du charbon actif; cette masse adsorbe d'une manière préférentielle l'éthane contenu dans le gaz naturel, si bien qu'on peut évacuer, par la vanne 10 ouverte et-le conduit 11, du méthane sensiblement pur, ce methane pouvant ensuite, apres un réchauffage supplémentaire dans un échangeur de chaleur 12 à une température sensiblement égale à la température ambiante, être injecté dans un réseau de distribution (non représenté sur le dessin). Pendant cette phase de fonctionnement de l'adsorbeur 7, que l'on peut appeler phase d'adsorption proprement dite, on procède à la régénération de la masse adsorbante contenue dans l'adsorbeur 13 branché en parallèle avec l'adsorbeur 7, cette régénération étant effectuée par detentes étagées à l'aide du détendeur 14. Lors de la premiere phase de détente, au cours de laquelle la pression est ramenée à environ 40 ata, on obtient une fraction composée sensiblement de me- thane et d'éthane.Cette fraction est amenée, par l'intermédiaire de la vanne 15 ouverte dans l'échangeur de chaleur 4 où elle est liquéfiée par échange de chaleur avec du gaz naturel à réchauffer; la fraction intéressée est ensuite ramenée à une pression d'environ 100 ata, au moyen d'une pompe 16, et mélangée à nouveau au gaz naturel, au niveau de l'embranchement 17. Dans la seconde phase de détente de l'adsorbeur 13, la pression est ramenée à une valeur d'environ 2 ata et l'on retire de l'adsorbeur 13 une fraction formée sensiblement d'éthane; cette fraction est amenée, par l'intermédiaire de la vanne 18, maintenant ouverte, à l'échangeur de chaleur 3 où elle est liquéfiée par échange de chaleur avec du gaz naturel à rechauffer, ladite fraction etant ensuite conduite dans un récipient d'emmagasinage 19. Afin de séparer de la masse adsorbante les quantités d'ethane qu'elle peut encore contenir, l'adsorbeur 13, dont la pression est devenue sensiblement égale à la pression atmospherique après une troisième phase de detente, est lavé à l'aide d'une partie de la fraction riche en méthane provenant de l'adsorbeur 7 et qui s'écoule dans les conduits. 21, 22 et 23 et à travers les vannes ouvertes 24, 25 et 26; cette fraction peut, le cas échéant, être réchauffée dans un échangeur de chaleur 20.Le mélange de méthane et d'éthane ainsi obtenu est amené par l'intermédiaire de la vanne 15 ( nouveau ouverte), à l'échangeur de chaleur 4 où il est liquéfié; on porte la pression de ce mélange à une valeur d'environ 100 ata au moyen de la pompe 16 et on l'additionne à nouveau au gaz naturel liquéfié, au niveau de l'embranchement 17. Dans le mode'de mise en oeuvre représenté schématiquement sur la figure 2, la séparation des hydrocarbures à point d'ébullition élevé contenus dans le gaz naturel n'est pas effectuée par adsorption, comme c'est le cas dans le mode de réalisation précédemment décrit, mais par absorption. Il ressort de la figure 2 que le gaz naturel liquéfié renfermé dans le récipient d'emmagasinage 31 et également composé de méthane et d'une faible quantité d'ethane, est porté à une pression d'environ 120 ata au moyen de la pompe 32; il est ensuite réchauffé à environ 220"K dans les échangeurs de chaleur branchés en parallèle 33, 34, 35 et 36 par échange de chaleur avec des produits résultant de la séparation, et dans l'échangeur de chaleur 37 par échange de chaleur avec un fluide de réchauffage supplémentaire; le gaz naturel est alors amené vers la partie supérieure de la colonne de lavage 38 pour être soumis à un lavage à l'aide de méthanol.La fraction riche en méthane obtenue pendant cette phase, et que l'on obtient à la partie supérieure de ladite colonne est évacuee par le conduit 39 et réchauffée pour être portée sensiblement à la température ambiante dans 1 'échangeur de chaleur 51; cette fraction peut alors être ensuite directement injectée dans une conduite de distribution (non représentée) sous une pression d'environ 100 ata. La régénération du méthanol qui estsurtout-chargé d'éthane et qu'on obtient dans la partie inférieure de la colonne de lavage, est également effectuée par détente étagée. Lors de la premiere phase de détente dans la vanne 40, qui est réglée pour amener la pression à environ 40 ata, il se produit surtout un dégagement du méthane qui se trouvait encore en solution; ce méthane est évacué en tête du séparateur 41 puis liquéfié dans 1 'échangeur de chaleur 33 et introduit à nouveau dans la colonne de lavage 38, le cas échéant apres réchauffage dans l'échangeur de chaleur 43. La fraction liquide obtenue dans le séparateur 41, composée essentiellement d'éthane et de méthanol, subit une seconde phase de détente dans la vanne 44, reglée pour que la pression atteigne environ 2 ata. L'éthane gazeux obtenu au cours de cette phase de détente est évacué en tête du separateur 45, liquéfié dans l'echan- geur de chaleur 34 et introduit dans un récipient d'emmagasinage 46. Les hydrocarbures subsistant dans la fraction liquide recueillie en cuve du separateur 45 sont separés du méthanol dans la tour d'extraction 47, après détente de la fraction liquide dans le détendeur 53 à une pression sensiblement egale à la pression atmosphérique, cette séparation étant effectuée à l'aide d'une partie de la fraction riche en méthane, obtenue à la partie supérieure de ladite colonne préalablement détendue dans la vanne 40; les hydrocarbures ainsi sépares sont ensuite liquéfiés dans l'échangeur de chaleur 35, comprimés au moyen de la pompe 49 et réintroduits dans la colonne 38. Le méthanol retiré en cuve de la tour d'extraction 47 ne contient plus d'hydrocarbures; ce méthanol est à nouveau retourne à la partie supérieure de la colonne 38, au moyen de la pompe 50, -après refroidissement préalable dans l'échangeur 36. Le serpentin de chauffage 52 disposé en cuve de la colonne 38 permet au méthane dissous dans le fluide de lavage d'être séparé. De ce fait, on peut diminuer à volonte la quantité de méthane obtenue dans le séparateur 41. Dans les deux modes de mise en oeuvre illustrés, respectivement, par la fig.l et la fig 2, le froid nécessaire pour dissiper la chaleur d'adsorption ou de dissolution est fourni par le gaz naturel liquéfié, de sorte que les processus de séparation eux-mêmes ne requièrent pratiquement pas d'apport d'énergie supplé- mentai re. L'éthane séparé et emmagasiné peut être utilisé, selon les conditions particulières, soit pour régler le pouvoir calorifique du gaz naturel à la valeur voulue, soit en tant que matière première pour la pétrochimie, par exemple. pour la fabrication de l'éthylène. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et representes. Elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s 'écarte de l'esprit de l'invention. Par "ata" on entend dans la présente description et dans les revendications auxquelles elles donnent lieu "atmosphère absolue". REVENDZCATIOS 1.- Procédé pour obtenir une fraction à pression sur-critique renfermant du méthane et des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, à partir d'un mélange de gaz liquéfié renfermant, outre le méthane et lesdits composants, de l'éthane et des hydrocarbures à point d'ébullition supérieur à celui de l'éthane, ce procéde étant caractérisé en ce que le mélange de gaz liqué- fié est porté par pompe à la pression sur-critique, en ce qu'il est réchauffé par échange de chaleur avec un ou plusieurs fluides de rechau ffage, et en ce que l'on sépare ensuite dudit mélange l'éthane et les hydrocarbures à point d'ébulli- tion plus élevé que celui de l'éthane par adsorption au moyen d'une substance ou masse adsorbante solide, ou par absorption au moyen d'une substance ou masse absorbante liquide. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise une masse adsorbante solide, caractérisé en ce que la régénération de ladite masse adsorbante est effectuée par détente étagée. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce que la fraction riche en méthane et contenant des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, obtenue après la première phase de détente1 est liquéfiée par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfié puis est ensuite ramenée sur ladite masse adsorbante. 4.- Procédé selon une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la fraction riche en éthane et en hydrocarbures à point d'ébullition plus élevé que l'éthane obtenue après une seconde phase de détente, est liquefiee par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfié, puis est ensuite emmagasinée dans un récipient adéquat. 5.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on parachève la régénération de la substance adsorbante dont la pression est devenue sensiblement égale à la pression atmosphérique apres une phase de détente supplementaire, en utilisant en tant qu'éluant une partie de la fraction riche en méthane et en composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane produite, puis en ce que l'on liquéfie le mélange de gaz obtenu après cette élution par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfie, et reunit le mélange liquéfié ainsi obtenu au courant de gaz liquéfié à traiter. 6.- Procédé selon une quelconque des revendications. 1 à 5, caractérisé en ce que l'adsorbeur est refroidi pendant la phase d'adsorption proprement dite et en ce que l'adsorbeur est rechauffe pendant la régénération. 7.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise une substance absorbante liquide dans une colonne de lavage, caractérise en ce que la régénération de la substance de lavage recueillie dans la partie inférieure de la colonne est effectuée par détente étagée. 8.- Procedé selon la revendication 7,caractérisé en ce que la fraction riche en méthane et contenant des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, obtenue après la première phase de détente, est liquefiée par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfié, puis est ensuite ramenée dans la colonne de lavage précitée. 9.- Procédé selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la fraction riche en éthane et en hydrocarbures à point d'ébullition plus elevé que l'éthane, obtenue apres une seconde phase de détente, est liquéfiée par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquefié, puis est ensuite emmagasinée dans un récipient adéquat. 10.- Procedé selon une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'on paracheve la régénération de la substance absorbante dont la pression est devenue sensiblement égale à la pression atmosphérique après une phase de détente supplémentaire en utilisant en tant qu'agent de lavage une partie de la fraction riche en méthane et en composants à bas point d'ébullition inferieur à celui du méthane produite, puis en de que l'on liquéfie le mélange de gaz obtenu après ce lavage par échange de chaleur avec le mélange de gaz liquéfié et le ramène alors à la colonne de lavage. 11.- Procédé selon une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu on chauffe la cuve de la colonne de lavage. 12-.- Procédé selon la revendication 8, caracterise en ce que la fraction séparée après la première phase de détente est rechauffée apres sa nouvelle liquéfaction. 13.- Installation pour obtenir une fraction à pression sur-critique renfermant du méthane et des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane à partir d'un mélange de gaz liquéfié renfermant outre le méthane et lesdits com posants;de l'éthane et des hydrocarbures à point d'ébullition plus élevé que I'éthane, cette installation étant caractérisée en ce qu'un ensemble échangeur de chaleur-comportant au moins deux échangeurs de chaleur branchés en parallèle et un echangeur de chaleur branche en série avec ceux-ci est disposé entre la sortie d'une pompe associée à un récipient d'emmagasinage et l'entrée d'une installation d'adsorption commutable, lesdits échangeurs de chaleur branchés en parallèle présentant des sections pour le passage d'un mélange de gaz comprimé et des sections pour le passage des produits résultant de la séparation, les extrémites chaudes desdites sections pouvant être sélectivement mises en communication avec l'entrée de ladite installation d'adsorption ou être coupées de celle-ci, cependant que les extrémités froides desdites sections sont reliées, d'une part, à au moins un autre recopient d'emmagasinage, et, d'autre part, par l'intermédiaire d'une pompe, à l'extrémité froide de la section pour le passage du mélange gazeux comprimé dudit échangeur branché en série. 14.- Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que les sorties de ladite installation d'adsorption sont reliées entre elles par des conduits pouvant être obturés ou ouverts à volonté. 15.- Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que sur Tesdits conduits sont prévus des moyens de chauffage. 16.- Installation pour obtenir une fraction à pression sur-critique renfermant du méthane et des composants à point d'ébullition inférieur à celui du méthane, à partir d'un mélange de gaz liquéfié renfermant, outre le méthane et lesdits composants,de l'éthane et des hydrocarbures à point d'ébullition plus élevé que l'éthane, cette installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble échangeur de chaleur comprenant plusieurs échangeurs de chaleur branchés en paral lèle et un échangeur de chaleur branché en série, ledit ensemble étant disposé entre la sortie d'une pompe associée à un recipient d'emmagasinage et la tête d'une colonne de lavage, lesdits échangeurs comportant chacun une section pour le passage du mélange de gaz comprimé, en ce qu elle comporte en outre au moins deux séparateurs branches en série dont le premier est relié à la cuve de la colonne de lavage par l'intermédiaire d'une soupape d'étranglement, cependant que le second separateur est relié à la cuve du premier séparateur par l'intermédiaire d'une autre soupape d'étranglement, en ce qu'elle comporte une colonne d'extraction dont la tête est reliée par l'intermédiaire d'une troisième soupape d'étranglement à la cuve du second séparateur cependant que la cuve de la colonne d'extraction est reliée par l'intermédiaire d'une quatrième soupape d'étranglement à la tête de la colonne de lavage, en ce qu'elle comporte des conduits de connexion associés en partie à des pompes et reliant chacun par une des sections desdits échangeurs branchés en parallèle, d'une part la tête du premier séparateur à la cuve de la colonne de lavage, d'autre part la tête du premier separateur à la cuve de la colonne de lavage, et également la tête de la colonne d'extraction à la cuve de la colonne de lavage, et aussi la cuve de la colonne d'extraction à la tête de la colonne de lavage, et enfin la tête du second séparateur à un autre récipient d'emmagasinage. 17.- Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que la colonne de lavage comporte dans sa partie inférieure des moyens de chauffage. 18.- Dispositif selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que des moyens de chauffage sont prévus sur le conduit reliant la tête du premier séparateur à la cuve de la colonne de lavage, les dits moyens etant situés en amont de la section de passage dans un des échangeurs de chaleur branchés en parallèle.