Brevet FR2418770A1 — publié le 19790928

La présente invention concerne un procédé de traitement d'un gaz de purge d'une installation de synthèse d'ammoniac, mettant en oeuvre une opération de reforming d'hydrocarbures a la vapeur. Ainsi qu'on le sait, la synthèse de l'ammoniac s'effectue avec un rendement d'autant plus grand que la pression est élevée. Pour éviter l'accumulation de gaz inerte (argon, hélium et méthane) dans la boucle de synthèse, qui tend à diminuer la pression partielle du mélange de synthèse azote-hydrogène, on procède généralement à une purge continue de la boucle. Ainsi, pour une unité produisant 1.000 T/j d'ammoniac, de l'ordre de 8.000 Nm3/h d'un gaz contenant environ 60 % d'hydrogène sont extraits de la boucle de synthèse et utilisés comme gaz combustible. Le coût toujours croissant de l'énergie et des matières premières conduit à proposer le recyclage de l'hydrogène contenu dans le gaz de purge, après extraction des gaz inertes (argon, hélium et méthane), à l'entrée de la bouche de synthèse pour augmenter la production d'ammoniac ou encore, à production constante d'ammoniac, pour diminuer la consommation des matières premières. On a déjà proposé un procédé cryogénique d'extraction de l'hydrogène d'un gaz de purge par condensation partielle à au moins deux niveaux de pression, dont l'un par exemple est compris entre 35 et 170 atm. et l'autre entre 14 et35 atm., la tenue en froid étant assurée par la détente libre du gaz. Un tel procédé ne permet cependant pas de récupérer l'hydrogène extrait du gaz de purge en totalité à la pression d'aspiration du compresseur de la boucle de synthèse, généralement comprise entre 25 atm. et 40 atm. On a également proposé un procédé cryogénique d'extraction de l'hy- drogène d'un gaz de purge par simple condensation partielle à la pression d'aspiration du compresseur, la tenue en froid étant alors assurée soit par détente avec travail extérieur d'une partie du gaz de purge, soit à l'aide d'un cycle azote auxiliaire. Ce procédé conduit cependant à une installation complexe et coûteuse lorsqu'on utilise un cycle azote auxiliaire, à un rendement faible en hydrogène dans le premier cas, car la partie détendue à pression basse est irrécupérable pour la synthèse, la mise en oeuvre d'un autre compresseur serait trop onéreuse. La présente invention vise à obtenir, par des moyens simples et peu coûteux, un excellent rendement de réutilisation de l'hydrogène du gaz de purge. Selon l'invention, dans un procédé du genre où le traitement du gaz de purge comprend une opération préliminaire d'extraction d'ammoniac, puis une opération de fractionnement par condensation partielle dans un échangeur, avec formation au bout froid d'une fraction vapeur enrichie en hydrogène et d'une fraction résiduaire liquide enrichie en argon et méthane et circulation à échange thermique dans ledit échangeur de ladite fraction gazeuse et de la dite fraction liquide qui est détendue, ladite fraction gazeuse enrichie en hydrogène est maintenue, aux pertes de charge près, à sa pression d'entrée, pour être recyclée dans la boucle de synthèse à la pression d'aspiration du compresseur de synthèse, tandis que ladite fraction liquide est d'abord détendue à une première pression basse, dite de vaporisation, où ladite fraction est vaporisée en échange thermique à contre-courant avec le gaz de purge en cours de refroidissemen=. jusqu a condensation partielle, puis est ensuite détendu à une seconde pression basse dans une turbine de détente avec travail extérieur avant d'etre réchauffé en échange thermique à contre-courant avec le gaz de purge. On assure ainsi la tenue en froid du dispositif par soutirage hors de l'échangeur de ladite fraction résiduaire, après sa vaporisation, au niveau adequat de température et par réinjection de cette fraction une fois refroidie. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui est à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique est une vue schématique d'une installation selon r invention. Cette installation comprend un échangeur de condensation partielle I équipé de trois séries de passages 11, 12, 13 s'étendant selon la longueur de l'échangeur 1. La série de passages 11 reçoit le gaz de purge à traiter et s'étend depuis une extremite d'entrée haute 20 jusqu'à une extrêmite de sortie basse 21 ; I'extPemité d'entrée 20 est raccordée par une conduite 22 à vanne 23 à un conduit commun de sortie 24 à vannes 25 et 26 de deux adsorbeurs 27 et 28 dont les entrées sont raccordées à un conduit commun d'alimentation 29 à vannes 30 et 31, lui-neme raccordé par un conduit 32 à une colonne d'extraction d'ammoniac 33 équipée d'une conduited'alimentation en gaz de purge 34, d'une conduite d'alimentation en eau de lavage 35 et d'une conduite d'evacuation de l'eau amnoniacale 36. A leur sortie 21, la série de passages 11 de l'échangeur I est raccordée à un séparateur 40 équipé d'un conduit haut d'évacuation d'une fraction vapeur 41 et d'un conduit bas d'évacuation d'une fraction liquide 42. Le conduit d'évacuation de la fraction vapeur 41 est raccordé à l'extrémité basse d'entrée 43 de la série de passage 12, dont une extrémité haute de sortie 44 est raccordoeà une conduite de production de gaz à haute teneur d'hydrogène 45. Le conduit d'évacuation de la fraction liquide 42 incorpore une vanne de détente 46 et aboutit à un séparateur 47 équipé d'un conduit de transfert de phase liquide 48 et d'un conduit de transfert de phase vapeur 49 vers une extrémité d'entrée basse 50 de la série de passages 13, qui est équipée d'une boîte de redistribution des dites phases liquide et vapeur. En une zone intermediaire entre l'extrémité d'entrée 50 et une extrémité de sortie haute 51, les passages 13 sont interrompus et raccordés à des conduites d'alimentation 32 et de soutirage 53 d'une turbine de détente à travail extérieur 54. L'extrémité de sortie 51 des passages 13 est raccordée à une conduite d'évacuation des résiduaires 55, sur laquelle est branchée une conduite 56 de régénération des adsorbeurs 27 et 28 à vannes 57 et 58, le gaz de régénération étant évacué par une conduite 59 à vannes 60 et 61 (qui peut d'ailleurs être raccordée à la conduite principale des résiduaires 55), en sorte que pendant qu'un adsorbeur (27) épure le gaz à traiter arrivant par la conduite 32 (vannes 30 et 25-ouvertes, vannes 57 et 60 fermées), l'autre adsorbeur (28) est en régénération avec balayage par le gaz résiduaire (vannes 26 et 31 fermées, vannes 58 et 61 ouvertes). Le fonctionnement de l'installation est le suivant (on indique la nature des gaz et, entre parenthèses, les quantités). Un débit de gaz de purge (6816 Nm3) constitué de Hydrogène H2 - (4185nom3) Azote N2 - tel397 Nm3) Argon A - ( 334 Nm3) Méthane CH4 - ( 784 Nm3) Ammoniac NH3 - ( 116 Nm3) est soutiré en permanence de la boucle de synthèse, est détendu à la pression de travail de l'installation de traitement et parvient à la température de 300C et à la pression de 40 bars effectifs par la conduite 34 dans la colonne de lavage 33, où l'ammoniac est extrait, par lavage à l'eau, puis dans l'un des adsorbeurs de dessination 27 ou 28, où l'eau est piégée, en sorte qu'un débit (6700 Nm3) de gaz constitué de H2, N2, A et CH4 (avec les débits indiqués ci-dessus) est transféré par la conduite 22 à la série de passages 11 de l'échangeur 1 où ce gaz se condense partiellement par échange thermique avec les fluides (détaillés plus loin) circulant à contre-courant dans les séries de passages 12 et 13. Le gaz à traiter, partiellement condensé dans les passages 11, parvient dans le séparateur 40 à la température de - 1800C.De là > un débit de gaz enrichi en hydrogène constitué de H2 - 4085 Nm3 N2 - 517 Nm3 A - 57 Nm3 CH4 - 47 Nm3 est transféré par la conduite 4) dans les passages 12 où ce gaz se réchauffe pour être disponible dans la conduite de recyclage 45 à la température de 270C et à la pression d'entrée du compresseur de la boucle de synthèse d'ammoniac, en sorte que ce débit de gaz enrichi en hydrogène et substantiellement épuré en argon et en méthane est réutilisé. La fraction liquide du séparateur 0 est extraite sous forme d'un débit liquide constitué de : H2 - 100 Nm3 N2 - @@0 Nm3 A - 277 Nm3 CH4 - 737 Nm3 qui est détendu en 46 à une première pression basse (2,5 bars effectifs) avant de pénétrer dans les passages 13. En une zone intermédiaire entre l'entrée 50 et la sortie 51, le gaz amené à subir une deuxième détente (de 2,5 à 1,5) dans la turbine 54 a une seconde pression basse (1,5 bars effectifs) assurant ainsi un apport frigorifique complémentaire, nécessaire à la tenue au froid de l'échangeur. Cette fraction liquide revaporisée et réchauffée à 270C constitue le gaz résiduaire qui forme combustible contribuant à l'opération de cracking des hydrocarbures, préparatoire à la synthèse d'ammoniac. En opérant de la façon indiquée plus haut, on obtient des rendements en hydrogène de 97,6 Z et en azote de 37 %. Les rendements d'extraction sont de 82,9 Z pour l'argon et de 94 Z pour le méthane. Selon une variante de réalisation indiqué en trait pointillé au dessin, on ménage une conduite de dérivation 61' à vanne de détente 60' entre la conduite de transfert 41 du gaz traité et la conduite de transfert du gaz résiduaire 42, en aval de la vanne de détente 46. On peut ainsi renvoyer une faible partie du gaz traité dans la conduite du gaz résiduaire, au détriment bien entendu du rendement en hydrogène, mais dans le but d'éliminer l'hélium dans le cas où le gaz de purge en contient, ou remonter si nécessaire la pression de sortie du gaz résiduaire. La présente invention s'applique essentiellement a la récupération et au recyclage de la partie utile du gaz de purge d'une installation de synthèse d'ammoniac. REVENDICATIONS 1. - Procédé de traitement d'un gaz de purge d'une installation de synthèse d'ammoniac, mettant en oeuvre une épuration de reforming d'hydrocarbures à la vapeur, où ledit gaz de purge contient une proportion importante d'hydrogène et d'azote et des proportions non négligeables d'argon, de méthane, d'ammoniac et d'hélium, du genre où le traitement du gaz de purge comprend une opération préliminaire d'extraction d'ammoniac, puis une opération de fractionnement par condensation partielle dans un échangeur, avec formation au bout froid d'une fraction vapeur enrichie en hydrogène et d'une fraction liquide enrichie en argon et méthane et circulation à échange thermique dans ledit échangeur de ladite fraction gazeuse et de ladite fraction liquide détendue, où au moins une partie substantielle de ladite fraction gazeuse enrichie en hydrogène est recyclée dans la boucle de synthèse et où ladite fraction liquide est détendue à une pression de vaporisation en échange thermi que-à contre-courant avec le gaz de purge en cours de refroidissement, caractérisé en ce que ladite fraction liquide vaporisée est, au cours dudit échange thermique, détendue à une seconde pression basse dans une turbine de détente avec travail extérieur avant d'être réchauffé en échange thermique à contrecourant avec le gaz de purge. 2.'- Procédé de traitement selon la revendication 1, où la première détente de la fraction liquide s'effectue avant l'entrée de ladite fraction liquide dans l'échangeur, caractérisé par une séparation des fractions liquide et vapeur de ladite fraction liquide détendue suivie d'une reconstitution homogène d'un fluide diphasique à l'entrée dudit échangeur. 3. - Procédé de traitement, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dérive une faible partie de la fraction vapeur enrichie en hydrogène que l'on détend et ajoute à la fraction liquide détendue à ladite première pression basse. 4. - Dispositif de traitement d'un gaz de purge issu d'une installation de synthèse d'ammoniac, du genre comportant un échangeur à condensation partielle présentant des passages pour ledit gaz de purge aboutissant à un séparateur de gaz traité et à contre-courant des passages de gaz traité raccordés à la partie vapeur dudit séparateur et des passages de gaz résiduaire raccordés aux parties vapeur et liquide d'un séparateur de gaz résiduaire lui-même raccordé par vanne de détente à la partie liquide dudit séparateur de gaz traité, caractérisé en ce que les passages de gaz résiduaires sont, dans l'échangeur, interrompus et raccordés à l'entrée et à la sortie d'une turbine de détente avec travail externe. 5. - Dispositif de traitement selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite de dérivation à vanne réglable de détente entre la conduite d'alimentation des passages de gaz traité et la conduite de raccordement des séparateurs de gaz traité et de gaz résiduaire, en aval de la vanne de détente.