Brevet FR2495606A1 — publié le 19820611

La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés à un procédé de production de certains produits de réaction bruts tels que le méthanol en phase liquide, et concerne plus particulièrement un procédé utilisant les gaz de vidange qui se présentent généralement a l'étape de synthèse du procédé afin d'augmenter le rendement global de celui ci. Normalement, un procédé de synthèse pour produire du méthanol comprend les étapes de reformage (ou "reforming'), de récupération d'énergie, de compression et de réaction de synthèse. En général, on évacue un gaz de vidange ou de "purge" a l'étape de la réaction de synthèse et on l'utilise par la suite comme carburant pour l'étape de reformage. Selon la présente invention, on fait initialement passer ce eaz de vidange dans un détendeur afin de produire de l'énergie mécanique, puisai l'utilise comme carburant pour produire de l'énergie électrique et finalement comme source de chaleur pour produire de la vapeur, préchauffer les courants d'alimentation ou chauffer les réactants à l'étape de reformage.Etant donné que ce procédé utilise à la fois l'énergie potentielle présente dans les gaz de vidange sous pression et l'éner- gie chimique de ces mêmes gaz, il est clair que lton fait une utilisation plus rentable de l'énergie totale des gaz de vidange. En conséquence, les caractéristiques et avantages de l'invention sont mis en oeuvre dans un procédé perfectionné pour produire des produits de réactions bruts, procédé qui comprend les etapes de reformage, de récupération d'énergie, de compression et de réaction de synthèse. Selon l'invention, on évacue de l'étape de réaction de synthèse un gaz de vidange à haute pression et on le fait passer dans un détendeur afin d'en récupérer de l'énergie. On brule ensuite ce gaz de vidange détendu afin d'obtenir des gaz de combustion ou d'échappement chauds auxquels on fait également subir une détente avant de les diriger vers l'étape de reformage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels La Fig. I est une représentation synoptique d'un procédé de synthèse du méthanol conforme à l'invention ; et, La Fig. 2 est une représentation schématique d'une variante de réalisation de l'invention. En se référant à la Fig. 1, on voit le schéma d'organisation 10 d'un procédé typique de production d'un produit de réaction brut. Dans un mode de réalisation préféré de ce procédé, celui-ci est mis en oeuvre pour produire du méthanol à partir d'un gaz naturel. Toutefois, il est bien évident qu'on pourrait également utiliser d'autres substances de repart, du naphta par exemple, et obtenir d'autres produits bruts tels que de l'ammoniac, par exemple. Selon ce procédé, on envoie un courant de gaz naturel, au travers d'un conduit 19, dans un préchauffeur 14 logé dans la section de convection 16 d'un reformeur primaire 18. Ensuite, le gaz naturel ainsi préchauffé est dirigé par un conduit 20 vers un désulfuriseur 22. Un courant d'hydrogène arrivant par un conduit 24 est-aiouté au courant de gaz naturel préchauffé en un point 26 situé en amont du désulfuriseur 22. Le courant mixte de gaz naturel et d'hydrogène est évacué du désulfuriseur 22 et introduit dans un courant de vapeur d'eau arrivant d'un conduit 27. Le courant mixte de gaz naturel, d'hydrogèn et de vapeur est ensuite introduit dans un second préchauffeur 28 disposé dans la section de convection i6.Le courant mixte ainsi préchauffé est ensuite dirigé par un conduit 29, à travers une série de tubes de reformage 30 remplis avec un catalyseur approprié, par exemple, à base de nickel, dans le four 32 du reformeur primaire 18. Pendant le passage du courant gazeux mixte dans les tubes 30, le gaz naturel, l'hydrogène et la vapeur d'eau réagissent en produisant un courant degaz de synthèse composé de monoxyde de carbone, de bioxyde de carbone et d'hydrogène. Généralement, une partie du gaz naturel ne réagit pas avec une partie de la vapeur, ce qui explique que la courant de gaz obtenu à la fin de l'étape de reformage contient du monoxyde de carbone, du bioxyde de carbone, de l'hydrogène, de la vapeur et une certaine quantité de gaz naturel n'ayant pas réagi.Ce gaz sort du reformeur 18 à une température d'environ 8150 C et gagne une chaudière de récupération de chaleur 36 par un conduit 34. Dans la chaudière 36, une partie de la chaleur du courant de gaz de synthèse est absorbée par l'eau circulant dans celle-ci, produisant ainsi de la vapeur qui est extraite de la chaudière 36 par un conduit 38. Une partie de la vapeur évacuée par le conduit 38 est injectee par le conduit 27 au courant préchauffé de gaz naturel et d'hydrogène. Le reste de la vapeur estdirigé,parun conduit 40,dans undétendeur 42; après la déente,lavapeur et a1LTée dans un conduit 44 où elle se mélange à de l'eau de complément introduite par un conduit 46.Ensuite, la vapeur détendue et l'eau de complément passent dans un réchauffeur d'eau d'entrée ou d'alimentation 48 avant d'être recyclées vers la chaudière 36 par un conduit 49. Après son passage dans la chaudière de récupération 36, le gaz de synthèse est évacué à une température d'environ 2320 C, puis passe dans le réchauffeur d'eau 48 dans lequel il abandonne une autre partie de sa chaleur à l'eau d'alimentation de la chaudiere par un échange de chaleur indirect. A la sortie du réchauffeur 48, la température du gaz de synthèse est d'environ 2180 C. Le gaz de synthèse se rend ensuite, par un conduit 50, dans une seconde chaudière de récupération de chaleur 52 où a lieu une récupération supplémen taire de calories. Bien que ce n'ait pas été représenté, on comprend aisément que cette chaudière pourrait produire de la vapeur qui serait utilisée ultérieurement aux fins de purification du produit de réaction brut.Le gaz de synthèse est évacué de la seconde chaudière de récupération 52 à une température d'environ 171 OC. Il est ensuite dirigé, par un conduit 53, dans un refroidisseur 54 dans lequel sa température est abaissée à environ 40-45 C. Il va de soi qu'un ventilateur pourrait aussi être utilisé pour refroidir le gaz de synthèse à cette température, auquel cas ce ventilateur pourrait etre disposé en amont ou en aval du refroidisseur 54. Le gaz de synthèse sortant du refroidisseur 54 à une température d'environ 40-459 C est à une pression d'environ 28.105Pa. Ce gaz est dirigé, par un conduit 55, vers un compresseur 56 qui éleve sa pression aux environs de 105.105Pa. Une certaine quantité d'hydrogène est soutirée du courant de gaz en aval du compresseur 56 et est dirigée, par le conduit 24 vers le point 26 afin d'entre additionnée au courant d'alimentation. Ensuite, le gaz de synthèse traverse un conduit 58 pour gagner un second étage de compression constitué par le compresseur 60, dans lequel il est comprimé à une pression d'environ 112.105Pa.Le gaz de synthèse comprimé est ensuite introduit dans un réacteur 62 dans lequel le noxyde de carbone, le bioxyde de carbone et lthydrogene réagissent pour produire un gaz-produit qui contient du méthanol. Ce produit en phase gazeuse est évacué du réacteur 62 par un conduit 64 qui le dirige vers un condenseur partiel 66 dans lequel la majeure partie du méthanol qu'il contient est condensée en une phase liquide. Ensuite, tout le courant de produit est introduit dans un tambour-séparateur 68. Dans le tambour 68, le méthanol liquide est séparé de la fraction gazeuse du produit de réaction brut et est évacué par un conduit 70. Le méthanol liquide est ensuite comprimé dans un compresseur 72 avant d'être finalement évacué, en tant que produit liquide brut par un conduit 74. La partie gazeuse du produit de réaction brut est évacuée du tambour 68 par un conduit 76. Une partie de ce produit gazeux est recyclée par un conduit 78 et mélangée au gaz de synthèse comprimé entrant, en un point 80 situé en amont du compresseur 60 ; la partie du produit gazeux passant par le conduit 78 représente approximativement 90 Z du produit gazeux évacué du tambour 68 et est généralement qualifié "gaz de recyclage". Le reste du produit gazeux provenant du tambour 68 passe par un conduit 82 ; cette fraction du produit gazeux est généralement appelée "gaz de vidange". Ce gaz de vidange contient de I'hydrogène, du monoxyde de carbone, du bioxyde de carbone, de la vapeur d'eau, du méthanol gazeux et du gaz naturel n'ayant pas réagi.Normalement, on envoie ce gaz de vidange dans le four du reformeur primaire 18 où il est utilisé comme combustible afin de produire la chaleur nécessaire pour promouvoir la réaction éntre le gaz naturel et la vapeur d'eau dans les tubes de reformage 30. Selon la présente invention, on dirige le gaz de vidange, par un conduit 82, vers un détendeur 84, dans lequel sa pression est ramenée d'en 7 viron 10 Pa à environ 15.105Pa. Le détendeur 84 entraîne un ou plusieurs compresseurs annexes, tels que le compresseur 86 associé à une turbine à gaz 88. te gaz de vidange ainsi détendu est alors dirigé vers la chambre de combustion 90 de la turbine à gaz dans laquelle il est brûlé avec un gaz contenant de l'oxygène, tel que l'air. Les gaz brûlés chauds qui sortent de la chambre de combustion 90 de la turbine à gaz sont détendus dans la chambre de détente 94 de la turbine à gaz qui entraîne une génératrice 96, produisant ainsi de l'énergie électrique. Les gaz d'échappement détendus sont évacués de la chambre 94 par un conduit 98.Tout ou partie des gaz de combustion peut être envoyé par un conduit 100 dans un préchauffeur 102. Dans le préchauffeur 102 a lieu un échange de chaleur indirect entre les gaz de combustion et l'air qui a été comprimé dans le compresseur 86, et qui est dirigé par un conduit 104, vers la chambre de combustion 90, préchauffant ainsi l'air qui alimente cette dernière avant son introduction. Les gaz de combustion sont ensuite renvoyés, par un conduit 106, dans le conduit 98, où ils se mélangent au reste des gaz de combustion circulant dans le conduit 98. Les gaz d'échappement ou de combustion peuvent ensuite être envoyés directement dans le reformeur primaire ou bien tout ou partie de ceux-ci peut auparavant passer dans une chaudière de récupération de chaleur 108. Les gaz de combustion abandonnent ainsi une partie de leur chaleur pour engendrer, dans la chaudiere 108, de la vapeur qui est évacuée par le conduit 110 et utilisée pour actionner un détendeur de vapeur 112. Le détendeur 112 entraîne une génératrice 114 qui produit de l'énergie électrique. La vapeur détendue est recyclée dans la chaudière 108 par un conduit 116. Les gaz de combustion, s'ils ne sont pas passés dans la chaudière de récupération 108, ou après avoir traversé celle-ci > sont ensuite dirigés, par un conduit 118, vers l'étape de reformage du procédé.Un embranchement 119 est prévu pour établir une liaison entre le conduit 118 et le four du reformeur primaire 18. Etant donné que les gaz d'échappement ou de combustion sont riches en oxygène, tout ou partie de ceux-ci peut être utilisé pour fournir de l'oxygene préchauffé au four du reformeur 18 afin d'être brûlé dans celui-ci avec le carburant introduit par un conduit 120. La partie restante des gaz de combustion circulant dans le conduit 118 est introduite dans la section de convection 16 afin quelle puisse encore abandonner de la chaleur aux courants circulant dans les préchauffeurs 14 et 28. Finalement les gaz d'échappement ou de combustion sont évacués du reformeur 18 par un conduit 122. En se référant à la Fig. 2, or. voit un autre mode de réalisation de 1 invention dans lequel le détendeur 84 entraîne un compresseur à liquide 72 au lieu du compresseur 86. Il est bien évident que le détendeur 84 pourrait être utilisés pour entraîner d'autres appareils annexes de compression, compte-tenu du fait que l'idée principale de l'invention reside dans l'utilisation de l'énergie potentielle des gaz de vidange sous pression, ainsi que de leur énergie chimique pour augmenter le rendement global du procédé. L'exemple suivant, qui n'a bien entendu aucun caractère limitatif, fera mieux comprendre les particularités de l'invention. EXEMPLE. Dans cet exemple, les gaz de vidange sont évacués du tambour 68 à une pression manomètrique d'environ 1û7Pa qui est réduite à environ 15.105Pa. Dans le cas d'une installation produisant 500 MT/jour de méthanol, les gaz de vidange ont une valeur calorifique nette d'environ 11,7.106 J/m3. Ce gaz peut être brûlé dans la turbine 88 en produisant approximativement 40 mégawatts d'électricité au moyen de la génératrice 96. Les gaz d'échappement de la turbine sont à une température d'environ 5400C et peuvent être utilisés pour produire un mégawatt supplémentaire à l'aide de la génératrice 114. Du fait qu'on alimente généralement les turbines à gaz avec un certain excès d'air afin de maintenir la température des gaz d'échappement audessous d'un certain seuil supérieur imposé par les matériaux dont leurs composants sont fait, (environ 11000C), leurs gaz d'échappement sont riches en oxygène. Un tel courant de gaz préchauffé riche en oxygène peut être introduit dans le four 32 aux fins de combustion avec un carburant arrivant par le conduit 120, ou bien peut etre dirigé vers la section de convection 16 afin de chauffer les courants d'alimentation circulant dans les préchauffeurs 14, 28. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples de réalisation représentés et décrits sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire un produit de réaction brut comportant des etapes de reformage, de récupération d'énergie, de compression et de réaction de synthèse, caractérisé en ce qu'il consiste a) à évacuer un gaz de vidange à une pression élevée de l'étape de réaction de synthèse b) à faire passer ce gaz de vidange dans un détendeur (84) afin d'en récupérer l'énergie potentielle ; c) à bruler le gaz de vidange après détente avec un gaz contenant de l'oxygène afin d'obtenir un gaz de combustion chaud ; d) à détendre ce gaz de combustion chaud afin d'en récupérer de l'énergie * et, e) à faire passer le gaz de combustion chaud détendu dans l'étape de reformage aux fins d'utilisation dans celle-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce qu'il consiste- égalemeut à faire passer une partie du gaz de combustion chaud détendu dans un échangeur de chaleur indirect (102) afin de préchauffer le gaz contenant de l'oxygène avant de bruler ce dernier avec le gaz de vidange 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer le gaz de combustion chaud détendu dans une chaudiere de récupération de chaleur (108) avant de le diriger vers l'étape de reformage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que I)étape de passage du gaz de combustion chaud détendu dans l'étape de reformage consiste à l'introduire en tant que reactant dans le four (32) d'un reformeur (18) afin de le bruler dans ce dernier avec un combustible. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de passage du gaz de combustion chaud détendu consiste à l'introduire dans la section de convection (]6) d'un four de reformeur afin de préchauffer les courants d'alimentation de ce dernier. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste a) à faire passer le gaz de combustion chaud détendu dans un échangeur de chaleur indirect (102) afin de préchauffer le gaz contenant de l'oxygène avant la combustion de ce dernier avec le gaz de vidange b) à faire passer le gaz de combustion chaud détendu dans une chaudière de récupération de chaleur (108) afin de chauffer un fluide vaporisable qui la traverse, avant de faire passer le gaz de combustion chaud dans l'étape de reformage, et en ce que l'étape de passage du gaz de combustion chaud détendu dans l'étape de reformage consiste à faire passer une partie de ce gaz dans le four (32) d'un reformeur (18) afin de le brûler avec un carburant, et à faire passer le reste dudit gaz dans la section de convection (16) du reformeur (18) afin de chauffer les courants d' alimentation de celui-ci. 7. Procédé pour produire du méthanol à partir d'un gaz naturel comportant des étapes de reformage, de récupération d'énergie, de compression et de réaction de synthèse, caractérisé en ce qu'il consiste a) à évacuer un gaz de vidange à une pression élevée de 11 étape de réaction de synthèse b) à faire passer ce gaz de vidange dans un détendeur (84) afin d'en récupérer l'énergie potentielle ; c) à brûler le gaz de vidange détendu avec un gaz contenant de 1 1oxygène pour obtenir un gaz de combustion chaud ; d) à détendre le gaz de combustion chaud afin d'en récupérer de l'énergie ; et, e) à faire passer le gaz de combustion chaud détendu dans l'éta- pe de reformage aux fins d'utilisation dans celle-ci. 8. Procédé pour produire un produit de réaction brut, caractérisé en ce qu'il consiste a) à préchauffer un courant renfermant un gaz naturel et de la vapeur ; b) à faire passer ce courant préchauffé dans un certain nombre de tubes de reformage (30), par catalyse en série1 disposés dans le four (32) d'un reformeur (18) ;; c) à bruler dans le four (32) du reformeur (18) un combustible ou un carburant avec un gaz contenant de l'oxygène afin de chauffer le courant traversant lesdits tubes (30), une partie du gaz naturel réagissant avec une partie de la vapeur à l'intérieur de ces tubes pour former du monoxyde de carbone, du bioxyde de carbone et de l'hydrogène 1 d) à évacuer des tubes de reformage (30), à une température élevée, un courant gazeux comprenant du monoxyde de carbone, du bioxyde de carbone, de l'hydrogène, du gaz naturel et de la vapeur e) à faire passer ce courant gazeux dans un échangeur de chaleur (48) afin d'abaisser sa température et en récupérer de l'énergie calorifique f) à comprimer le courant gazeux g) à faire passer le courant gazeux comprimé dans un réacteur de synthèse (62) ou le monoxyde de carbone et le bioxyde de carbone réagissent avec l'hydrogène pour produire du méthanol h) à évacuer le courant de produit gazeux résultant issu de réacteur de synthèse (62), ce produit renfermant du méthanol, de la vapeur, du monoxyde et du bioxyde de carbone, de l'hydrogène et du gaz naturel i) à refroidir le courant de produit gazeux résultant de telle sorte que la majeure partie du méthanol se condense en une phase liquide ; j) à séparer le méthanol ainsi condensé de la phase gazeuse restante du courant de produit résultant refroidi ;; k) à recycler la majeure partie de ladite phase gazeuse restante pour l'ajouter audit courant gazeux avant d'introduire celui-ci dans le réacteur de synthèse (62) ; 1) à faire passer la partie mineure restante de ladite phase gazeuse restante dans un détendeur (84) dans lequel sa pression est réduite ; m) à bruler ladite phase restante détendue avec un gaz contenant de ltoxygane afin d'obtenir un gaz de combustion chaud ; n) à détendre ce gaz de combustion chaud ; et, o) à faire passer le gaz de combustion chaud détendu dans le reformeur (18). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en-ce que l'étape de passage du gaz de combustion chaud détendu dans le reformeur (18) consiste à le faire passer dans le four (32) de celui-ci aux fins de combustion avec un combustible ou un carburant. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de passage du gaz de combustion chaud détendu dans le reformeur (18) consiste à le faire passer dans une section de convection (16) de celui-ci.