Brevet FR2285450A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne un procédé pour séparer l'éthane et les hydrocarbures plus lourds du gaz naturel liquéfié, en obtenant un gaz enrichi en méthane ae pouvoir calorifique déterminé à l'avance. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé dans lequel on effectue la séparation désirée en pompant le gaz naturel liquéfié sous pression élevée, en vaporisant une majeure partie du gaz naturel liquéfié sous pression et en l'introduisant dans la section moyenne drune zone de rectification maintenue sous pression élevée, en introduisant une petite portion du gaz naturel liquéfié sous pression au sommet de la zone de rectification sous forme d'un liquide de reflux sous-refroidi en produisant le gaz enrichi en méthane sous pression élevée. On a proposé de nombreux procédés pour éliminer les hydrocarbures en C2 et plus par rectification du gaz naturel liquéfié. Cependant, comme on a de plus en t. lus tendance à stocker et à transporter le gaz naturel sous forme d'un liquide'qu'on peut facilement vaporiser et injecter dans un système de pipelines pour distribuer au gaz combustible de pouvoir calorifique déterminé, on rechercne de plus en plus à réduire les investissements de capitaux et le coût opératoire des installations aestinées à revaporiser le gaz naturel liquéfié et fournir un gaz enrichi en méthane ayant un pouvoir calorifique déterminé. On recherche de plus en plus ces installations par suite de l'importation croissante du gaz naturel liquéfié que l'on doit pouvoir rendre interchangeable avec le gaz combustible domestique dans un système de distribution donné. Le brevet des Stats-Unis d'Amériaue n" 2 952 984 décrit un procédé qui semble plus simple et plus économique que beaucoup d'autres procédés préalablement proposés. Dans ce procédé, on pompe le gaz naturel liquéfié dans ie milieu d'une colonne de rectification haute pression et on obtient un liquide de reflux en condensant une partie des vapeurs quittant la colonne par échange de chaleur indirect avec le gaz naturel liquéfié introduit dans la colonne. Ce procédé nécessite un équipement important a'échange de chaleur et de canalisations, un séparateur vapeur-liquide et une colonne de rectification de grand diamètre. L'invention a pour objet ae rendre encore plus simple l'installation de séparation des hydrocarbures en C2 et plus du gaz naturel liquéfié, et de rendre cette opération plus économique. L'invention a également pour objet un système haute pression pour fournir du gaz enrichi en méthane sous une pression supérieure & celle existant dans la colonne de rectification, sans utiliser d'énergie de compression provenant d'une source extérieure. Selon l'invention, on comprime du gaz naturel liquéfié renfermant de l'éthane, du propane et des hydrocarbures plus lourds, on vaporise par chauffage une majeure partie du gaz naturel liquéfié sous pression et on l'introduit dans la section moyenne d'une colonne de rectification maintenue sous pression élevée, on introduit une petite portion du gaz naturel liquéfié au sommet de la colonne, sous forme d'un liquide de reflux sous-refroidi et on effectue la séparation désirée de l'éthane et des hydrocarbures plus lourds au yaz naturel liquéfié, en obtenant comme produit de tête de distillation, un gaz enrichi en métnane en réglant la chaleur de ré-ébullition fournie au bas de la colonne en relation avec la quantité de liquide de reflux sous-refroidi pénétrant au sommet de la colonne.On préleve le liquide enrichi en éthane et en hydrocarbures plus lourds par le bas de la colonne. Une des caractéristiques de l'invention est que le gaz naturel liquéfié est pratiquement à la pression atmosphérique, et est rectifié sous une pression élevée permettant de fournir. du gaz. enrichi en méthane de pouvoir calorifique désiré à un système de transmission et de distribution par pipeline sous pression avec une consommation minimale d'énergie provenant d'une source extérieure. Par conséquent, la pression maintenue dans la colonne de rectification est, dans chaque cas particulier, déterminée en fonction de la pression de distribution requise du gaz enrichi en méthane apporté au système de distrzbution. Dn général, plus la pression de distribution du gaz doit être élevée, plus la pression de la colonne de rectification est élevée. Cependant, on doit maintenir la pression dans la colonne à une valeur légèrement inférieure à la pression critique du gaz dans la colonne. Par exemple, il est souhaitable de maintenir la pression maximale dans la colonne à environ 1,4 bar ou un peu plus, en-dessous de la pression critique du gaz qu'elle renferme. a pression critique dépend de la composition du gaz naturel liquéfié et de la composition désirée des deux courants de produits de rectification. Lorsque la pression de distribution désirée du gaz enrichi en méthane est voisine ou supérieure à la pression existant dans la colonne de oectification, le gaz enrichi en méthane quittant la colonne de rectification est comprimé par le travail fourni par la détente de la majeure partie vaporisée du gaz naturel liquéfié sous pression, avant son introduction dans la colonne. En pratique, la pression manométrique maximale dans la colonne de rectification est comprise dans la gamme d'environ 34,5 à 37,9 bars. La composition du gaz naturel liquéfié peut varier de façon considérable d'une source à l'autre, mais généralement le gaz renferme au moins 75 % de méthane en proportions molaires ou en volumes gazeux. Il est plus fréquent que la teneur en méthane du gaz naturel liquéfié soit d'au moins 85 SE L'azote et les autres gaz ayant des points d'ébullition inférieurs à celui du méthane, sont généralement présent dans de faibles proportions inférieures à environ 5 O,c du total. Souvent, la teneur totale en gaz de point d'ébullition inférieur est inférieure à 2 Xt La teneur totale en éthane, propane, butane et autres hydrocarbures mélangés au méthane dans le gaz naturel liquéfié, est géné- ralement d'au moins 5 % et peut atteindre 25 %.Dans ces hydrocarbures, 1' éthane prédomine généralement La petite portion de gaz naturel liquéfié sous pression qu'on introduit au sommet de la colonne de rectification sous forme d'un liquide de reflux sous-refroidi, sans la chauffer, sauf sous l'action des pertes de chaleur accidentelles et de la chaleur provoquée par le pompage du gaz naturel liquéfié, est généralement comprise dans la gamme d'environ 10 à 35 % de la totalité du gaz naturel liquéfié subissant la rectification. Dans la plupart des cas, la petite portion de gaz naturel liquéfié qu'on utilise comF me liquide de reflux sous-refroidi est comprise dans la garnie d'environ 15 à 25 % du gaz naturel liquéfié introduit dans la colonne de rectification. On obtient une simplification de l'appareil en introduisant une petite portion du gaz naturel liquéfié sous pression, directement au sonnet de la colonne de rectification sous forme d'un liquide de reflux, car on élimine ainsi le condenseur, le séparateur vapeur-liquide et la pompe de renvoi du liquide comme courant de reflux dans la colonne de rectification qu 'on utilise généralement. Une autre caractéristique de l'inven, tion est que la petite portion du gaz naturel liquéfié sous pression, pénétrant au sommet de la colonne de rectification sous forme d'un liquide de reflux, est fortement sous-refroidie par rapport à la vapeur quittant le sommet de la colonne.Généralement, ce liquide de reflux est sous-refroidi d'au moins environ 280C, et de préférence d'au moins 560C en dessous de la température de la vapeur quittant le sommet de la colonne de rectification. Plus le degré de sous-refroidissement du liquide de reflux est important, plus la portion ou quantité de liquide de reflux nécessaire pour obtenir la rectification désirée est faible. Ceci est nettement avantageux, car on peut détendre la portion principale du gaz naturel liquéfié sous pression qui est ainsi accrue, pour obtenir une quantité supérieure de travail utilisée pour comprimer le gaz enrichi en méthane à une pression élevée, supérieure à la pression de rectification. On cnauffe la majeure partie restante du gaz naturel liquéfié sous pression, à une température correspondant à la température de la section moyenne de la colonne de rectification où l'on introduit cette portion principale. Cependant, lorsque le gaz enrichi en méthane quittant le sommet de la colonne doit être introduit dans un système de pipelines fonctionnant à une pression supérieure à celle existant dans la colonne de rectification, on chauffe la portion principale du gaz naturel liquéfié sous pression à une température suffisamment élevée pour qu'il puisse entre à la fois vaporisé et détendu dans un moteur ou une turbine en fournissant du travail, puits pratiquement à la température de la section moyenne de la colonne de rectification où l'on introduit le gaz dilaté. Le travail fourni par cette dilatation de la portion principale vaporisée du gaz naturel liquéfié, est utilisé pour comprimer le gaz enrichi en méthane que l'on introduit ensuite dans le système de pipelines fonctionnant à une pression su-périeure à celle de la colonne de rectification. On doit comprimer le gaz naturel liquéfié à une pression au moins suffisamment élevée pour contrebalancer les chutes de pression qu'il rencontre en s'écoulant dans la chaudière et les canalisations et dans la colonne de rectification qui est généralement maintenue à une pression manométrique supérieure à 6,9 bars, et plus souvent supérieure à 20,7 bars.Lorsque 1a portion principale du gaz naturel liquéfié sous pression doit être détendue avec formation de travail, avant d'être introduite dans la colonne, on pompe le gaz naturel liquéfié à une pression supérieure, qui non seulement contrebalance les chutes de pression précédennent indiquées, mais également permet la détente du gaz naturel liquéfié vaporisé dans un moteur ou une turbine, pour produire la quantité de travail désirée pour la compression du gaz enrichi en méthane et l'introduction de la vapeur détendue dans la colonne de rectification maintenue à une pression légèrement inférieure à la pression critique du gaz qu'elle renferme.En d'autres termes, lorsque le gaz enrichi en méthane doit être introduit dans un syste me de distribution fonctionnant à une pression supérieure à la pression élevée existant dans la colonne de rectification, on doit pomper le gaz naturel liquéfié à une pression suffisamment élevée pour que le travail fourni par la détente de la portion principale vaporisée du gaz naturel liquéfié, de la pression de pom- page à la pression de rectification, soit égal au travail nécessaire pour comprimer le gaz enrichi en méthane de la pression de rectizicaion à la pression plus élevée du système de distrIbution, a chute de pression tonale rencontrée par le gaz naturel liquéfié s'écoulant à travers la chaudiere et la canalisation et dans la colonne de rectification, est généralement comprise dans la gamme d'environ 2,1 à 4,1 bars. Lorsque le gaz naturel liquéfié est détendu dans un moteur ou une turbine, la pression s'abaisse d'au moins 13,8 bars, et plus souvent d'au moins 27,6 bars invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite en regard des dessins annexés dans lesquels - la figure l représente un diagramme de fonctionnement selon lequel on soumet le gaz naturel liquéfié à une rectification, pour obtenir un gaz enrichi en méthane et on obtient ce gaz sous une pression supérieure à celle existant dans la colonne de rectification; et - la figure 2 représente un diagramme de fonctionnement selon lequel on rectifie le gaz naturel liquéfié pour fournir du gaz enrichi en méthane à un système de distribution fonctionnant sous une pression inférieure à la pression de rectification. Comme le montre la figure 1, on comprime du gaz naturel liquéfié à une température de -159,40C, sous une pression manométrique de 72,4 bars, puis on le divise de telle sorte que 76 ,0 du gaz naturel liquéfié s'écoulent à travers le serpentin de vaporisation 2 dans la cnauaiere 3 munie du brdleur 4.La vapeur chauffée à la vempérature de -23,30C, sous une pression manométrique de 6 & 9 bars, sort par la canalisaton 5 pour pénétrer dans le turbodétendeur 6 où la vapeur est détendue à une pression manométrique de 34,5 bars à la température de -62, 20C. La vapeur détendue quitte le détendeur 6 renfermant une petite quantité de liquide, et pénè- tre par la canalisation 7 dans la section moyenne de la colonne de rectification s. Les 24 % restants du gaz naturel liquéfié sous pression, à la température de -151,10C, sous une pression manométrique de 72,4 bars, passent par la canalisation 9 et le robinet détendeur 10 pour être introduits sous forme d'un liquide de reflux sous-refroidi par l'ajutage 11 au sommet de la colonne 8. Un milieu de chauffage tel que de la vapeur traverse le serpentin de chauffage 12 dans le bas de la colonne 8 pour rebouillir le liquide qui se recueille dans le bas à la température de 26,70C. Ce liquide qui est constitué essentiellement d'éthane avec une petite proportion de propane et d'hydrocarbures plus lourds, quitte la colonne 8 par la canalisation 13 et constitue une matiere première utile pour une installation classique de séparation permettant de récupérer de l'éthane et du propane de puretés élevées. Le gaz enrichi en méthane quitte le sommet de la colonne 8 par la canalisation 14, à la température de - 84,40C, sous une pression manométrique de 34,5 bars et traverse le serpentin 15 au sommet de la chaudière 3. Le gaz, à la température de -28,90C et sous une pression manométrique de 32,7 bars, traverse la canalisation 16 pour pénétrer dans le turbocompresseur 17 qui est couplé au turbodétendeur 6 qui l'entraine. Le compresseur 17 fournit du gaz enrichi en méthane à la canalisation 18, sous une pression manométrique de 41,4 bars et à la température de -6,70C. La séparation qu'on obtient selon la rectification précédente apparaît dans le tableau suivant où les pourcentages de compositions sont des pourcentages molaires ou des pourcentages volumiques à l'état gazeux. Gaz naturel liquéfié Gaz enrichi en Liquide du fond méthane N2 0,20 0,21 0,00 90,60 97,28 0,82 C2H6 7,70 2,48 77,92 C3 + 1,50 0,03 21,26 liquide du fond ne constitue que 7 % du gaz naturel liquéfié (en pourcentage molaire) et le gaz enrichi en méthane constitue le reste du gaz naturel liquéfié apporté à la colonne de rectification. Le pouvoir calorifique du gaz naturel liquéfié est 3 de 9 729 mth/m3 standard, tandis que celui du gaz enrichi en mé- chante est de 9 124 mth,m3 standard. En utilisant le gaz naturel liquéfié décrit relativement à la figure 1, on alimente la pompe 21 de la figure 2 en pompant le gaz naturel liquéfié sous une pression manométrique de 37,9 bars à la température de -151,10C, On divise le gaz naturel liquéfié sous pression de telle sorte que 76 % traversent le serpentin 22 de la chaudière 23 munie d'un brûleur 24. La vapeur obtenue quittant le serpentin 22 à la température de -62, 20C est conduite par la canalisation 25 dans la section moyenne de la colonne de rectification 28 qui est maintenue sous une pression manométrique de 34,5 bars. Les 24 % restants du gaz naturel liquéfié sous pression s'écoulent à travers la canalisation 29 et le robinet détendeur 30 et sont introduits par l'ajutage 31 au sommet de la colonne 28. Un fluide de chauffage traverse le serpentin 31 dans le fond de la colonne 28. On prélève un liquide de fond utile, dans la colonne 28 par la canalisation 33. Le gaz enrichi en méthane quitte le sommet de la colonne 28 par la canalisation 34, à la température de -84,40C. Après avoir traversé le serpentin 35 de la chaudiere 23, le gaz à la température ambiante, s'écoule dans le pipeline 36 fonctionnant sous une pression manométrique de 32,7 bars. La séparation obtenue dans la figure 2 est la même que celle précédemment décrite relativement à la figure 1. Les différences essentielles entre les procédés qui viennent d'être décrits sont que, dans la figure 1, on fournit le gaz sous une pression manom6- trique de 41,4 bars tandis qu'on le fournit, dans la figure 2, sous une pression de 32,7 bars, tandis que la puissance consommde par la pompe de la figure 1 est environ égale au double de celle consommée par la pompe de la figure 2. L'invention est susceptible de recevoir diverses variantes et modifications évidentes pour l'homme de l'art, sans sortir de son cadre. Par exemple, on peut utiliser deux pompes dans la figure 1, une pompe portant la totalité de gaz naturel liquéfié à une pression juste suffisante pour que la petite portion puisse s'é- couler au sommet de la colonne, tandis qu'une seconde pompe plus petite peut élever seulement la pression de la portion principale à une valeur de 72,4 bars manométriques nécessaire au passage de cette portion principale à travers le serpentin 2 et le turbodé- tendeur 6 pour qu'elle pénètre dans la colonne 8. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour produire du gaz enrichi en méthane sous pression élevée, par rectification de gaz naturel liquéfié fourni sous une pression pratiquement égale à la pression atmosphérique et renfermant une petite portion d'hydrocarbures en C2 et plus, caractérisé en ce qu'il consiste à comprimer le gaz naturel liquéfié, à chauffer une portion principale du gaz naturel liquéfié comprimé pour réaliser la vaporisation, et à introduire le gaz naturel vaporisé dans la section moyenne d'une colonne de rectification sous pression élevée, à introduire une petite portion non chauffée constituant au moins 10 % du gaz naturel liquéfié sous pression au sommet de la colonne de rectification sous forme d'un liquide de reflux sous-refroidi, et à prélever le gaz enrichi en méthane sous pression élevée au sommet de la colonne de rectification. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit 10 à 35 % du gaz naturel liquéfié au sommet de la- colon- ne de rectification. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on introduit 15 à 25 % du gaz naturel liquéfié au sommet de la colonne de rectification. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide de reflux est à une température inférieure d'au moins 280C à celle de la vapeur quittant le sommet de la colonne de rectification. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide de reflux est à une température inférieure d'au moins 560C à celle de la vapeur quittant le sommet de la colonne de rectification. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colonne de rectification fonctionne sous une pression manométrique d'au moins 6,9 bars. 7 4 Procédé- selon la revendication 6, caractérisé en ce que la colonne de rectification fonctionne sous une pression manométrique d'au moins 20,7 bars.. 8 - Procédé selon l'une quelconque des-revendications précédentes caractérisé en ce que la pression dans la colonne de rectification est comprise entre 34,5 et 37,9 bars manométriques. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on comprime le gaz naturel liquéfié de façon à ce qu'au moins une portion principale de celui-ci atteigne une pression supérieure d'au moins 13,8 bars à la pression élevée existant dans la colonne de rectification, et en ce que cette portion principale, après avoir été chauffée pour provoquer la vaporisation et avant d'être introduite dans la colonne de rectification, est détendue avec production de travail, et en ce qu'on utilise ce travail produit pour comprimer le gaz enrichi en méthane prélevé au sommet ae la colonne de rectification, à une pression supérieure à la pression élevée existant dans la colonne de rectification. 10 - Appareil pour traiter du gaz naturel liquéfié fourni pra tiquement à la pression atmosphérique par rectification sous pression élevée et our produire un gaz enrichi en méthane provenant de cette rectification, dont la pression a été augmentée, carac tèrisé en ce cu'il consiste en un dispositif de pompage pour comrimer le gaz naturel lIquéfIé, un serpentin de vaporisation raccordé à la sortie du dispositif de pompage et à une entrée d'une section moyenne d'une colonne ae rectification, une canalisation munie de vannes raccordée à la sortie du dlspositir de pompage et au sommet de la colonne, constituant une Uérlvation du serpentin ae vaporIsation et un serpentin de chauffage raccordé au sommet de la colonne. 11 - Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le serpentin de vaporisation et le serpentin de chauffage sont disposés dans la même chambre de chauffage. 12 - Appareil selon l'une des revendications 1 ou 11, caractérisé en ce qu'll comporte un turbodétendeur couplé à un turbocompresseur, l'entrée du turbodétendeur étant raccordée au serpentin de vaporisation et la sortie du turbodétendeur étant raccordée à l'entrée de la colonne de rectification et l'entrée du turbocompresseur étant raccordée au serpentin de chauffage.