Brevet FR2512013A1 — publié le 19830304

La présente invention a essentiellement pour objet un procédé perfectionné de production d'éthylène purifié à partir d'un condensat d'hydrocarbures enrichi en hydrocarburesà deux atomesde carbone.(C2). Elle vise également une installation de production d'éthylène purifié pour la mise en oeuvre de ce procédé On connaît déjà des installations de production d'éthylène mettant en oeuvre le procédé de vapocraquage. Ces installations comprennent entre autrelune colonne de dééthanisation et une section de superfractionnement de l'éthylène qui permet de produire de l'éthylène à haute pureté à partir d'un condensat d'hydrocarbures enrichi enhydrocarbures à deux atomes de carbone, et dans lequel l'acétylène a été avantageusement éliminé par un procédé convenable tel que par exemple une hydrogénation selective, une extraction par solvant ou analogue. Ces unités comprennent un certain nombre d'appareils, tels que par exemple divers compresseurs qui exigent une fourniture d'énergie importante pour assurer leur entre nement. La consommation d'énergie de ces divers appareils dépend évidemment de nombreux facteurs,tels quelacapacité de l'unité de fabrication, le procédé adopté, les conditions d'environnement, etc... Toutefois, les unités actuelles de production d'éthylène demeurent, d'une manière générale de grosses consommatrices d'énergie. Ainsi, l'un de ces appareils permet de fournir des frigories dans un domaine de température compris entre -450C et +450C, nécessaires en particulier pour la réfrigération des fluides dans les sections de dééthanisation et de superfractionnement d'éthylène de l'installation. En effet, une étude des consommations énergétiques dans une installation de vapocraquage fait apparaître que 30 à 40 % environ de la puissance consommée par cet appareil correspond à la consommation en frigories de la section de superfractionnement de l'éthylène. La présente invention a donc pour but notamment de remédier à cet inconvénient en proposant un procédé et une installation perfectionnée de production d'éthylène purifié qui permettent une réduction notable de la consommation d'énergie de cet appareil frigorifique, en d'autres termes la consommation en frigories de la section de superfractionnement de l'éthylène. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de l'éthylène, du type consistant à refroidir un condensat d'hydrocarbures enrichi en hydrocarbures à deux atomes de carbone (C2) pour en condenser au moins une partie, à envoyer ces hydrocarbures dans un séparateur de phase et à envoyer ces phases séparées dans une unité de récupération de l'éthylène, ce procédé étant caractérisé en ce qu' en vue de réduire notablement la consommation d'énergie de l'unité de récupératinn d'éthylène, on envoie lesdites phases séparées dans une première colonne de fractionnement dite "à basse pression", on alimente une seconde colonne de fractionnement dite " à haute pression" avec au moins une partie d'une fraction liquide intermédiaire entre la fraction la et la ctioe etlafractiondefad de fail-oeladite première colonne de fkactirmnanerrt, et an condense au moins partiellement la fraction de tête de ladite seconde colonne de fractionnement par un échange de chaleur avec au moins une partie du fluide de reflux de ladite première colonne circulant dans le système de rebouillage associé à cette première colonne de fractionnement. Selon une atre caractéristique du procédé de l'invention, on élimine sensiblement entièrement les produits légers, en d'autres termes les produits à point d'ébullition inférieur à celui de l'éthylène, dans la première colonne de fractionnement dite à basse pression. En outre, pour diminuer encore la consommation d'énergie, on effectue un échange de chaleur entre les produits de fond de la première colonne de fractionnement et/ou de la seconde colonne de fractionnement, et les produits de tête de la première colonne de fractionnement comprenant sensiblement de l'éthylène à la pureté désirée, et/ou la coupe . d'hydrocarbures alimenti dans la seconde colonne de fractionnement. Avantageusement, on effectue un échange de chaleur supplémentaire entre les produits de fond d'une au moins des première et seconde colonnes de fractionnement, et les impuretés légères ou produits à point d'ébullition inférieur au point d'ébullition de l'éthylènejextraitsde la première colonne de fractionnement dite à basse pression. Ainsi, par un choix judicieux des pressions de fonctionnement des première et seconde colonnes, et du débit d'alimentation de la seconde colonne, on obtiendra un équilibre thermique des deux colonnes de fractionnement d'éthylène qui sont ainsi intégrées pour réaliser une distillation thermocouplée, et des températures telles qu'on récupérera, au niveau du système de rebouillage de la première colonne de fractionnement les frigories disponibles dans cette première colonne de fractionnement pour les transférer notamment à l'éthylène produit, et on récupèrera également au niveau des échanges de chaleur complémentaires les frigories disponibles dans les différentes fractions soutirées de la première colonne pour les restituer au niveau du vaporisateur de recyclage d'éthane selon des procédés convenionnels très bien connus. On précisera ici que dans une installation conforme à l'invention, la pression effective et la température de fonctionnement du fond de la colonne de fractionnement dite basse pression sont respectivement comprises entre environ 15x1#et25x1# ?etetentre envi##ron-150C et + 30C, tandis que la pression effective et la température de fonctionnement à la tête de la seconde colonne de fractionnement dite haute pression sont respectivement comprises entre environ 28x105 et 45x105 Pa et entre environ -13 et + SOC Par ailleurs, le débit d'alimentation de la seconde colonne de fractionnement est compris entre environ 25 % et 75 % du débit total d'alimentation du condensat enrichi en hydrocarbures à deux carbones dans la section de fractionnement, et de préférence compris entre environ 40 et 50 % , tandis que la teneur en éthylène du débit d'ali mentation de la seconde colonne à haut # haute pression est compris entre environ 85 % et 30 % en poids, et avantageusement entre environ 45 et 35 % en poids. Des valeurs préférentielles de températureszde débit d'alimentation et de la teneur en éthylène du flux d'alimentation de la seconde colonne seront données dans la description détaillée qui suit et dans laquelle on décrira d'autres caractéristiques et avantages de l'invention en se référant à la figure unique annexée, donnée uniquement à titre d'exemple, et illustrant schématiquement une unité de production d'éthylène conforme à l'invention. Selon un exemple de réalisation,et ensereportant à cette figure, une installation de production d'éthylène purifiée du type concerné par l'invention comprend essentiellement une première colonne de fractionnement 1 dite à basse pression et une seconde colonne de fractionnement 2 dite à haute pression, traitant chacune une partie d'un condensat d'hydrocarbures contenant essentiellement des. hydrocarbures à deux atomes de carbone (C2) et des impuretés de pointsd'ébullitionsplus bas que l'éthylène ou plus élevé que l'éthane. Ces deux colonnes de fractionnement 1, 2, représentent la section de superfractionnement de l'éthylène dans une installation de production d'éthylène, On décrira ci-après en détail les différents éléments de cette section de superfractionnement en même temps que son fonctionnement. Le condensat d'hydrocarbures enrichi en hydrocarbures à deux carbones peut être par exemple la fraction de tête d'une colonne de dééthanisation (non représentée) qui peut-être éventuellement traité pour éliminer ou transformer l'acétylène, par un procédé d'hydrogénation sélective, ou une extraction par solvant ou analogue. Le condensat d'hydrocarbures ainsi obtenu contient principalement de l'éthane et de l'éthylène accompagnés dtmpuretés légères et/ou lourdes à poin1:#d'ébullition respectivement plus bas et plus élevé que ceux de l'éthylène ou de l'éthane, tel que par exemple de I'hydro- gène, de l'oxyde de carbone, du méthane, du propylène. A titre d'exemple, ces impuretés sont présentes à des concentrations de l'ordre de 0,01 % en volume pour l'hydrogène, 0,005 % en volume d'oxyde de carbone, 0,5 % en volume de méthane et 0,3 % en volume de propylène, le reste du mélange étant de l'éthane et de l'éthylène0 C'est ce mélange D d'hydrocarbures qu'on introduit par la conduite 3 dans un échangeur de chaleur 4 où il reçoit des frigories d'un fluide réfrigérant qui se vaporise, tel que par exemple du propylène ou du propane, Ce mélange d'hydrocarbures D est disponible à une pression effective comprise par exemple entre environ 17x105 Pa et 28x105 Pa, et par exemple à 25x105Pa. Dans cet échangeur, le mélange d'hydrocarbures D est condensé partiellement de sorte que la phase liquide condensée représente 25 à 75 O/o du poids total du mélange D et par exemple 40 O/o' en poids. On alimente la phase mixte issue du condenseur 4 par la conduite 3a dans un séparateur 5. Les phases liquides et gazeuses séparées sont envoyées respectivement par les conduites 7, 6 dans la première colonne de fractionnement 1 dite à basse pression dont la pression effective de fonctionnement du fond de la colonne est par exemple de 17x105 Pa. Cette première colonne de fractionnement 1 permet de produire de l'éthylène Ey à un degré de pureté élevé et en fond de l'éthane Ea à la spécification requise. Les gaz d'hydrocarbures recueillis en tête de cette colonne 1 sont recyclés dans cette colonne 1 en passant dans un circuit comprenant une conduite 8, un échangeur de chaleur 9 (décrit ultérieurement),un autre échangeur de chaleur 10 dans lequel le fluide réfrigérant est un fluide extérieur tel que le propylène, l'ammoniaque ou analogue, un séparateur de phases ou ballon de recette 11, ét une conduite 12 comprenant une pompe de recyclage 13. La phase gazeuse constituée par les vapeurs d'hydrocarbures légers et de l'éthylène, contenue dans le ballon séparateur Il est éliminée par la conduite 14, et peut être avantageusement retraitée par des procédés connus. En fait, la section de tête de la colonne 1 située audessus de la conduite 15 de soutirage d'éthylène à haute pureté permet de concentrer les hydrocarbures légers et à les éliminer du ballon séparateur 11. L'éthylène Ey à haute pureté est soutiré par la conduite 15 et, est envoyé par une pompe 16 à travers un échangeur de chaleur 17 dans un ballon séparateur d'éthylène 18. Avantageusement, dans 1' échangeur de chaleur 17 les frigories de l'éthylène produit par la première colonne de fractionnement 1 sont transférées à l'éthane Ea produit en fond des colonnes de fractionnement 1 et 2. L'éthane produit en fond de la première colonne de fractionnement est soutiré dans la conduite 19 à travers l'échangeur de chaleur 17 précité. En outre, la colonne de fractionnement 1 comprend un système de rebouillage cnnstitué par une conduite 20 permettant de soutirer une partie des produits liquides de fond de cette première colonne dans un échangeur de chaleur 21 constituant le rebouilleur de la première colonne de fractionnement puis à recycler les hydrocarbures dans la colonne 1 par le conduit 22. Selon l'invention, une conduite 23 permet de soutirer latéralement, à une zone intermédiaire déterminée de la colonne 1, un mélange liquide d'hydrocarbures L qui est envoyé par la pompe 24 à travers un changeur de chaleur 25 comme liquide d'alimentation de la seconde colonne de fractionnement 2 dite à haute pression par la conduite 26. On notera ici, que selon l'invention, il est nécessaire de faire transiter l'alimentation de la seconde colonne de fractionnement 2 à travers la première colonne dite à basse pression 1, pour alimenter cette caponne avec un mélange d'hydrocarbures L ne contenant plus d'impuretés légères tel que l'hydrogène , l'oxyde de carbone ou le méthane, qui sont élminéespar la conduite 14 comme décrit précédemment. Une des caractéristiques importante de l'invention est que le circuit chauffant du rebouilleur 21 du système de rebouillage associé à la première colonne de fractionnement 1 est constitué par la conduite 27 reliée à la tête de la seconde colonne de fractionnement 2, pour amener le produit de tête de cette colonne 2 constitué déthylène Byà un degré de pureté requis, dans le rebouilleur 21 pour y être condensé de préférence totalement. Par exemple ,les gaz Ey provenant de la tête de la colonne 2 sont à une température d'environ 60C, ils cèdellt de la chaleur au liquide du circuit de rebouillage 20 qui se trouve à une température de l'ordre de -100C. Ainsi, les gaz de tête de la colonne 2 sont condensés totale- ment à une température de -6 C environ avant d'être introduit dans le ballon de recette d'éthylène 180 Le fonctionnement et l'alimentation de la seconde colonne de fractionnement 2 dite à haute pression sont choisis de sorte que le produit obtenu en tête de cette colonne soit de l'éthylène à haute pureté ayant les mêmes spécifications que l'éthylène à haute pureté soutiré dans le conduit 15 de la première colonne 1 et envoyé dans le même ballon séparateur 18 par la pompe 16, et de plus pour avoir une condensation de préférence sensiblement totale de ces produits de tête dans le rebouilleur 21 associé à la première colonne 1. Une partie de la phase-liquide contenue dans le ballon séparateur 18 est envoyée comme flux de reflux de la colonne de fractionnement 2 par une pompe 29 à travers une conduite 28. Par ailleurs, le ballon séparateur 18 comprend une conduite 30 par laquelle est soutiré l'éthylène Ey à haute pureté produit dans les deux colonnes de fractionnement 1 et 2. La seconde colonne 2 à haute pression comprend un système de rebouillage constitué par un conduit 31 et un rebouilleur 32 pour récupérer de la chaleur d'un fluide chauffant tel que par exemple la chaleur de condensation d'une certaine quantité d'un fluide réfrigérant. On récupère l'éthane Ea produit en fond de la colonne 2 dite à haute pression à travers la conduite 33. Ce produit de fond récupère dans l'échangeur de chaleur 25 les frigories en excès du liquide L d'alimentation de la colonne 2 à haute pression, puis est mélangé dans la conduite 34 à l'éthane produit en fond de la colonne de basse pression et soutiré par le conduit 19.Ce mélange passe dans l'échangeur 17 où il récupère les frigories en excès disponibles deltéthylène à haute pureté produit par la colonne 1, l'éthylène pouvant être partiellement vaporisé dans cet échangeur de chaleur 170 La production totale d'éthane est alors disponible dans le conduit 35 et peut être recyclée comme charge partielle dans l'unité d'éthylène0 Cette récupération de frigories réalisée dans les échangeurs 25 et 17 permet un sous refroidissement des produits, de fond Ea des colonnes 1,2 notamment lorsque la température de l'éthane est abaissée à des températures de -300C par exemple. Cette récupération permet d'abaisser de manière très interessante et significative la consomma tion d'énergie dans la section de superfractionnement de l'éthylène, notamment par restitution de ces frigories dans le condenseur 9 aux gaz de tête de la première colonne 1. On a donc réalisé suivant l'invention un procédé et une installation de fractionnement d'éthylène qui permettent de récupérer les frigories disponibles dans une colonne de fractionnement pour les transférer par reflux dans une autre colonne de fractionnement, par un choix judicieux et approprié des pressions de fonctionnement des deux colonnes et du débit d'alimentation de la colonne à haute pression qui est alimentée par un liquide exempt d'impuretés légères. IL est ainsi possible de condenser totalement les produits de tête de la colonne à haute pression sans pour cela atteindre des pressions excessives de fonctionnement et ainsi de fournir la chaleur nécessaire aux systèmes de rebouillage de la première colonne à basse pression. L'ensemble de ces mesuresabouti' à une consommation de frigories très réduites au niveau du condenseur 10 et donc à une réduction de puissance de l'appareil de réfrigération externe. De plus, il n'est pas nécessaire de prévoir un condenseur de la fraction de tête de la seconde colonne consommant des frigories fournies par un appareil de réfrigération externe. A titre d'exemple, le tableau 1 montre de manière comparative, les différentes énergies consommées par les éléments d'une section de superfractionnement conventionnele à une seule colonne et d'une section de superfractionnement conforme à l'invention0 Dans cet exemple le condensat D a une teneur de 60 % en poids d'éthylène et est alimenté avec un débit de 2.246 kmoZeszh.Le débit du liquide d'alimentation de la seconde colonne eE de1.023 kmoles parheure (45,54 5'o de D) avec une teneur en éthylène de 38,2#en poids, le débit d'éthylène recueilli est de 1.326 kmoles par heure. Les températures et pressions de fonctionnement des colonnes sont égales à celles indiquées précé gemment. TABLEAU I Valeurs comparatives d'énergie pour obtenir 1 tonne d'éthylène à la pureté requise Système selon Système conventionnel l'invention à une seule colonne Charge thermique Condenseur 10 0.87 GJ 1,72 GJ rift que équivalente 150 kWh du Condenseur 10 Puissance frigo rifique de l'ensemble du 155 kWh système (pompage inclus) Volume à l'aspiration 1360 m3 2040 m3 du compresseur frigorifique Les données de ce tableau montrent de manière frappante la diminution de puissance frigorifique équivalente du condenseur 10 et de l'ensemble de la section de superfractionnement par rapport à la puissance frigorifique d'une installation conventionnelle0 De plus, le volume d'aspiration du compresseur frigorifique étant plus faible, il est plus facile de trouver du matériel standard pour équiper les unités de forte capacité construites conformément à l'invention. Le procédé de l'invention permet donc une réduction notable.et importante de la consommation d'énergie d'une unité de superfractionnement d'éthylène mais présente également les avantages suivants - les impuretés ayant des points d'ébullition plus bas que l'éthylène tel que l'oxyde de carbone, le méthane et l'hydrogène sont entièrement éliminées dans la première colonne, ce qui réduit de manière sensible le coût de fonctionnement de la deuxième colonne de fractionnement - il est également très facile de modifier une unité existante, ou de réaliser son dégoulottage pour réaliser une unité conforme à la présente invention. En effet il suffit de réutiliser la première colonne sans modification et d'intégrer une seconde colonne conforme à la seconde colonne de fractionnement 2. La puissance frigorifique d'une telle installation modifiée n'est pratiquement pas augmentée tandis que la production d'éthylène s'accroît d'environ 45 ; - à basse capacité, par exemple en phase de démarrage, la première colonne 1 assure seule la production de ltéthyx lène à haute pureté. La deuxième colonne est alimentée au fur et à mesure de l'augmentation de la production d'éthylène jusqu'à atteindre la capacité nominale de 1' installation. On notera encore ici que selon le débit du condensat D , et sa teneur en éthylène, des pressions effectives et températures de fonctionnement des colonnes de fractionnement 1,2, il est possible de supprimer au moins un des échangeurs de chaleur 25, 17, 9 sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS lo Procédé de fabrication d'éthylène purifié, du type consistant à refroidir un condensat d'hydrocarbures enrichi en hydrocarbures à deux atomes de carbone (C2)pourenconden- ser au moins une partie, à envoyer ces hydrocarbures dans un séparateur de phase, et à envoyer ces phases séparées dans une unité de récupération d'éthylène, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer lesdites phases séparées dans une première colonne de fractionnement dite à basse pression, à alimenter une seconde colonne de fractionnement dite à haute pression avec au moins une partie(L)d'une fraction liquide intermédiaire entre la fraction de tête et la fraction de fond de ladite première colonne de fractionnement, et à condenser au moins partiellement la fraction de tête de ladite seconde colonne de fractionnement par échange de chaleur avec au moins une partie du fluide de reflux de ladite première colonne circulant dans le système de rebouillage associé à ladite première colonne. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on élimine les produits ou# impuretés légères à points d'ébullition inférieurs à celui de l'éthylène, à partir des gaz de tête de la première colonne de fractionnement précitée. 3. Procédé selon l'une des revendicaions précédentes, caractérisé par un échange de chaleur entre les produits de fond (Ea) de la première colonne de fractionnement précitée et/ou de la seconde colonne de fractionnement précitée et les produits (Ey) de tête de ladite première colonne de fractionnement et/ou la fraction liquide (~L) d'alimentation de la seconde colonne de fractionnement. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un échange de chaleur entre les produits de fond (Ea) d'une au moins des première et seconde colonnes de fractionnement précitées et les gaz de tête de la première colonne de fractionnement précitée. 5. Procédé selon l'ueds revendic 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit de la fraction liquide ( L) d'hydrocarbures alimentée dans la deuxième colonne de fractionnement précitée est égal à environ 25% à 75% du débit ducoeoensat(D)d'hydrocarbures alimenté dans la première colonne de fractionnement précitée, la concentration pondérale en éthylène de ladite fraction liquide (L) étant comprise entre environ 85 à 35%. 7. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le débit de la fractionliqpide(L) précité d'hydrocarbures alimentée dans la deuxième colonne de fractionnement est d' environ 40 à 50% , et la concentration pondérale en éthylène de cette fraction liquide est comprise entre environ 35 et 45%. 8. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, du type comprenant au moins un séparateur raccordé à une unité de fractionnement d'éthylène, caractérisée en ce que ladite unité de fractionnement comprend une première colonne de fractionnement- (1) dite à basse pression comportant un système de rebouillage associé constitué d'un circuit de fluide chauffant (27) et d'un circuit de fluide de reflux (20, 22) de ladite colonne de fractionnement (1), et une deuxième colonne de fractionnement (2) dite à haute pression, la tête de ladite deuxième colonne de fractionnement étant razziée audit circuit chauffant (27) du système de rebouillage associé à la première colonne de fractionnement, et l'alimentation (26) de ladite seconde colonne (2) étant reliée à un soutirage (23) de ladite première colonne de fractionnement (1), ledit soutirage étant situé dans une zone intermédiaire de ladite première colonne de fractionnement (1). 9 . Installation selon la revendication 9, caractérisée par un premier échangeur de chaleur (25) dont l'un des circuits est relié à l'alimentation (26) de la deuxième colonne de fractionnement (2) et l'autre circuit est relié soit au fond de ladite deuxième colonne de fractionnement, soit au fond de ladite première colonne de fractionnement. 10. Installation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée par un second échangeur de chaleur dont l'un des circuits est relié à la tête de la première colonne de fractionnement (1) et l'autre circuit est relié au fond de ladite première colonne de fractionnement (1) et/ou au fond de la seconde colonne de fractionnement (2). 11. Installation selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée par un troisième échangeur de chaleur (9) dont l'un des circuits est relié au soutirage des gaz de tête de la première colonne de fractionnement (1) , et l'autre circuit est relié au fond dela première colonne de fractionnement (1) et/ou au fond de la seconde colonne de fractionnement 2) et, de préférence en aval des premier et second échangeurs de chaleur (17 25) s'ils existent. 12. Installation selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que la pression effective et la température de fonctionnement de fond de la première colonne de fractionnement (1) précitée sont respectivement comprises entre environ 15 x-105 et 25 x 105 Pa, et entre environ -15 C et + 30C, et en ce quela pression effective et la température de fonctionnement de la ttte de la seconde colonne de fractionnement précitée (2) sont respectivement comprises entre environ 28 x 105 et 45 x 105 Pa et entre environ -130C et +50C, tandis que le débit de la fraction liquide d'alimentation de la seconde colonne de fractionnement (2) précitée est égal à environ 25% à 75, de préférence à environ 40 à 50% du débit du condensat (D) liquide alimenté dans la première colonne de fractionnement (1), la concentration pondérale en éthylène de ladite fraction liquide étant comprise entre environ 85 à 35%, de préférence entre environ 35 et 45,