Brevet FR2571270A1 — publié le 19860411

CIRCUIT DE PERMEATION GAZEUSE, POUR GAZ CONTENANT DES HYDROCARBURES L'invention concerne des circuits de perméation gazeu se, pour gaz contenant des hydrocarbures, dans lesquels une condensation partielle des gaz risque de se produire sur les membranes des unités de perméation gazeuse du fait de l'abaissement de température résultant par exemple dans les unités de perméation d'un échange de chaleur avec le milieu extérieur ou d'une détente des gaz, du fait de l'abaissement de la pression des gaz dû aux pertes de charge dans l'unité de perméation qui, outre l'effet sur la température, peut éga lement provoquer une condensation des hydrocarbures par traversée du domaine de condensation retrograde des gaz et du fait d'une modification de la composition des gaz objet d'une séparation par perméation, entraînant un déplacement des points de rosée des gaz. On rencontre très fréquemment ces risques avec les gaz d'hydrocarbures produits sur les champs pétroliers, car ils sont généralement saturés en eau et en hydrocarbures et se trouvent souvent dans des conditions de condensation rétro grade. Les inconvénients liés à des condensations dans les unités de perméation gazeuse sont multiples. Les membranes de ces unités de perméation sont soumises à des agressions chi miques qui peuvent les endommager ou même les détruire. Les pellicules liquides formées sur les membranes rendent inacti ves les surfaces ainsi recouvertes et les unités de perméation ne peuvent plus remplir les fonctions pour lesquelles elles ont été étudiées et réalisées. Il faut prévoir des enceintes de conception particulière pour évacuer les liquides formés, soit de manière continue soit de manière séquentielle. On a déjà proposé d'éviter ce problème de condensation dans les unités de perméation gazeuse en soumettant le cou rant gazeux qui entre dans ces unités à un préchauffage pour éloigner ce courant gazeux des conditions thermodynamiques de condensation. Mais on prévoit pour cela une source extérieure de chaleur telle qu'un four, ce qui est incompatible avec une installation autonome sur une plate-forme isolée par exemple et ce qui nécessite de toute façon des sécurités supplémentaires, notamment sur les plates-formes. Un objectif de l'invention est de créer un système de perméation dans lequel aucun problème de condensation ne se pose pour un mélange gazeux pouvant être amené dans son domaine de condensation rétrograde, sans avoir à faire appel à une source de chaleur extérieure. Un objet de l'invention est un circuit de perméation parcouru par un courant gazeux sous pression, comprenant une unité de perméation gazeuse dans laquelle une membrane à perméabilité sélective permet le passage à travers elle vers une sortie à basse pression d'une quantité perméée, à composition sélective, du courant gazeux tandis que la quantité non per méée du courant gazeux sort de l'unité par une sortie à moyenne pression et un organe donneur placé en amont de l'unité de perméation gazeuse, qui cède de l'énergie au courant gazeux pour accroître l'une au moins des deux grandeurs : température et pression définissant l'état thermodynamique du courant gazeux et éloigner ainsi le coùrant gazeux des conditions thermodynamiques dans lesquelles une condensation du courant gazeux se produirait, caractérisé en ce qu'il comprend aussi un organe récepteur dans lequel le courant gazeux cède de l'énergie en diminuant l'une au moins des deux grandeurs : température et pression définissant son état thermodynamique et qui est couplé à l'or- gane donneur de manière que l'énergie absorbée par l'organe donneur soit fournie par l'organe récepteur. Un autre objet de l'invention consiste en ce que l'or- gane récepteur est placé en amont de l'organe donneur et en ce qu'entre ces deux organes se trouve un ballon de séparation de phases liquide et gazeuse, de sorte que l'organe récepteur agit pour faciliter la séparation des composés les plus facilement condensables tandis que l'organe donneur agit sur un courant gazeux à composition modifiée se trouvant dans des conditions thermodynamiques qui tendent à le faire condenser, mais apte à être écarté de ces conditions par l'action de l'organe donneur. L'invention prévoit encore dans ce cas d'utiliser comme organe donneur un compresseur et comme organe récepteur une turbine de détente accouplée au compresseur L'invention prévoit aussi dans le cas d'un organe récepteur placé en amont, d'utiliser comme organe donneur et comme organe récepteur respectivement un passage de réchauffement et un passage de refroidissement séparés ltun de l'autre, mais en contact thermodynamique l'un avec l'autre dans un même échangeur de chaleur, un détendeur#étant en outre placé en dehors de l'échangeur de chaleur, entre le passage de refroidissement et le ballon de séparation. Ce détendeur permet d'obtenir un gaz plus froid que le gaz initial, apte à échanger des frigories avec celui-ci. Dans le cas d'un transfert d'énergie sous forme mécanique de l'organe récepteur à l'organe donneur, c' est-à-dire lorsque ces organes sont respectivement une turbine de détente et un compresseur accouplés mécaniquement, une variante de l'invention prévoit de placer la turbine de détente à la sortie à moyenne pression de l'unité de perméation gazeuse. On va décrire, à titre non limitatif, des exemples de réalisation de l'invention en se référant au dessin joint dans lequel La fig. 1 est le shema d'un premier exemple de circuit de perméation ; La Fig. 2 représente, sur un diagramme pressiontempérature, des courbes de rosée et le déplacement du point représentatif d'un courant gazeux obtenu grâce au schéma de la Fig. 1 ; La Fig. 3 est le schéma d'un deuxième exemple de circuit de perméation ; et La Fig. 4 est le schéma d'un troisième exemple de circuit de perméation. Sur la Fig. 1, un courant de gaz d'hydrocarbures 1 à traiter se trouve dans des conditions thermodynamiques, représentées par le point 1 sur le diagramme pressiontempérature de la Fig. 2, telles qu'il apparaîtrait une condensation de gaz dans une unité de perméation 2 du fait que le point représentatif 1 de la Fig. 2 se trouve sur la courbe de rosée R1 relative au mélange gazeux du courant 1. Le courant 1 parcourt d'abord un passage de refroidissement 3 dans un échangeur de chaleur 4 à la sortie 5 duquel le courant gazeux a été un peu refroidi, comme le montre le point représentatif 5 de la Fig. 2. Une vanne de détente 6 permet de diminuer à la fois la pression et la température du courant de gaz, après quoi il est possible de séparer dans n ballon 8 les composés condensés 9 du courant de gaz d'avec le gaz sec sortant en 10 de ce ballon. On atteint ainsi à la sortie 10 le point représentatif 10 de la Fig. 2 qui se trouve sur la courbe de rosée Rlo ralative au mélange gazeux du courant sortant en 10. Ce courant de gaz sortant en 10 parcourt ensuite un passage de réchauffement 11 prévu dans l'é- changeur 4. Le courant de gaz sortant en 12 de ce passage 11 est dans un état représenté par le point 12 sur la Fig. 2. On voit que ce point 12 est écarté de la courbe de rosée R10 relative au mélange gazeux présent à la sortie 12. Ce mélange gazeux entre dans l'unité de perméation 2 où une quantité ayant permée à travers une membrane sélective 13 atteint une sortie à basse pression 14 tandis que la quantité restante du mélange gazeux sort sur une sortie à haute pression 15. On peut ajuster la position du point 12 et de la courbe de rosée R10 de la Fig 2 en réglant le taux de détente de la vanne 6 et les surfaces d'échange de chaleur de l'échangeur 4. Cet ajustement est effectué principalement pour s'éloigner des conditions de condensation. On a étudié un exemple d'utilisation du schéma de la Fig. 1 dans lequel le courant de gaz 1 est à une température de 300 C et une pression de 90 bars absolus et a la composition suivante en pourcentage molaire : H20 = 0,07 - N2 = 2,12 2 4 0,01 - CH, = 86,42 - C 2H6 = 5,53 - C 3H8 = 2,92 - 4 10 5 1,73 - 12 0,63 - C6H 14 = 0,34 - C7H 16 = 0,18 C8H 18 = 0,05. A la sortie 5 du passage- 3, la température du courant gazeux est de 28,50 C et la pression nta pratiquement pas varié si l'on néglige les p#ertes de charge dans l'échangeur de chaleur 4, pertes de charge inférieure à 0,1 bar environ. La vanne 6 abaisse la pression à 70 bars absolus et la température à 22,50C. Cette température remonte dans le passage 11 de l'échangeur de chaleur 4 à 24,50C. Le mélange gazeux obtenu à la sortie 12 -et entrant dans l'unité de perméation 2 est ainsi à une pression de 70 bars absolus et une température de 24,5 C. Sa composition en pourcentage molaire est la suivante : H20 = 0,06 - N2 = 2,12 2 4 0,01 - CH4 = 87,00 - C2H6 = 5,53 - C H = 2,84 4 10 5 1,59 - C 12= 0,51 - C6H 14 = 0,22 - C7H 16 = 0 > 10 - C8H 18 = 0,02. Dans l'unité de perméation 2 il se produit une perte de charge d'environ 2 bars. Le mélange gazeux obtenu à la sortie 12 subit cette détente sans aucune condensation. Si, au contraire, le courant de gaz 1 avait été envoyé directement dans l'unité de perméation 2, une détente de 2 bars aurait produit par condensation rétrograde une 3 quantité de liquide de condensation de l'ordrede 3 m pour un million de standard m3 de gaz traiter. Une telle quantité de liquide est de nature à perturber très fortement le fonctionnement de l'unité de perméation 2. Dans le schéma de la Fig. 3, le courant de gaz 1 se détend d'abord dans une turbine de détente 16, ce qui produit à la sortie 17 de la turbine 16 un mélange de gaz et de liquide qui est séparé dans le ballon 8. La sortie de gaz 18 de ce ballon est reliée à l'entrée d'un compresseur 19 entraîné par la turbine 16 au moyen d'une liaison mécanique figurée en 20. Le gaz sortant en 21 du compresseur 19 et entrant dans l'unité de perméation 2 est à plus forte pression et à plus haute température que le gaz entrant dans ce compresseur et se trouve donc éloigné de ses conditions de condensation. On peut avec le schéma de la Fig. 3 ajuster l'ins- tallation pour éloigner le gaz entrant dans l'unité de perméation 2 de ses conditions de condensation. Dans le schéma de la Fig. 4, le courant de gaz 1 est aspiré par un compresseur 22 qui donne à la sortie 23 de ce compresseur un gaz à plus forte pression et à plus haute température qui se trouve ainsi éloigné de ses conditions de condensation. Le gaz non permes produit à la sortie à moyenne pression 15 de l'unité de perméation 2 n'est pas envoyé directement à l'utilisation 24, mais il passe dans une turbine de détente 25 qui entraîne le compresseur 22 au moyen d'une liaison mécanique 26. Les puissances du compresseur 22 et de la turbine de détente 25 sont calculées différemment selon que l'on veut simplement éloigner le gaz obtenu en 23 de ses conditions de condensation ou tirer aussi parti de l'augmentation de pression du gaz obtenu en 23 pour mieux faire fonctionner l'unité de perméation 2. Les organes récepteurs tels que 3, 16, 25 effectuent une transformation d'énergie thermodynamique inverse de celle effectuée par les organes donneurs tel que 11, 19, 22. REVENDICATIONS 1. Circuit de perméation parcouru par un courant gazeux sous pression, comprenant une unité de perméation gazeuse (2) dans laquelle une membrane à perméabilité sélective (13) permet le passage à travers elle vers une sortie à basse pression-(14) d'une quantité perméée, à composition sélec tive, du courant gazeux tandis que la quantité non perméée du courant gazeux sort de l'unité (2) par une sortie à hau te pression (15) et un organe donneur (11, 19, 22) placé en amont de l'unité de perméation gazeuse (2), qui cède de l'énergie au courant gazeux pour ac croître l'une au moins des deux grandeurs : température et pression définissant l'état thermodynamique de courant gazeux et éloigner ainsi le courant gazeux des conditions thermodynamiques dans lesquelles une condensation du cou rant se produirait, caractérisé en ce qu'il comprend aussi un organe récepteur (3, 16, 25) dans lequel le courant gazeux cède de l'énergie en diminuant l'une au moins des deux grandeurs : température et pression définis sant son état thermodynamique et qui est couplé à l'organe donneur (11, 19, 22) de manière que l'énergie absorbée par l'organe donneur (11, 19, 22) soit fournie par l'organe récepteur (3, 16, 25). 2. Circuit de perméation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe récepteur (3, 16) est placé en amont de L'organe donneur (11, 19) et en ce qu'entre ces deux organes se trouve un ballon (8) de séparation de phases liquide et gazeuse. 3. Circuit de perméation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe donneur est un compresseur (19) et l'organe récepteur est une turbine de détente (16) accouple au compresseur (19), 4. Circuit de perméation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe donneur et l'organe récepteur comprennent respectivement un passage de réchauffement (11) et un passage de refroidissement (3) séparés l'un de l'autre mais en contact thermique l'un avec l'autre dans un meme échangeur de chaleur (4), un détendeur (6) étant en outre placé en dehors de l'échangeur de chaleur entre le passage de refroidissement (3) et le ballon de sépa rateur (8). 5. Circuit de perméation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe donneur est un compresseur (22) et l'organe récepteur est une turbine de détente (25) qui est placée en aval de la sortie à haute pression (15) de l'unité de perméation gazeuse (2) et qui est mécaniquement accouplée au compresseur (22).