Brevet FR2607718A1 — publié le 19880610

L'invention concerne un procédé de fractionnement d'un mélange liquide utilisant un échangeur de chaleur à plaques comme colonne de fractionnement et son application à la production de gaz de pétrole liquéfié. On connaît bien les échangeurs à plaques. Ces échangeurs sont typiquement constitués d'un empilement alterné de tôles planes et de tôles ondulées avec disposition de barrettes entre les tôles planes adjacentes sur le pourtour de ces tôles, sauf aux emplacements des entrées et sorties de fluide, les tôles et barrettes étant soudées ensemble de façon à délimiter une pluralité de canaux ou niveaux de circulation de fluides. Ces échangeurs comprennent aussi des boites de raccordement soudées sur les bords de l'empilage de tôles, en regard de ces entrées et sorties de fluides. En variante, au lieu d'être constitués par empilement alterné de tôles planes et ondulées, les échangeurs peuvent être réalisés par un empilement de tôles présentant des ondulations ou reliefs convenablement décalés d'une tôle à la suivante.Il est connu aussi de prévoir des perforations ou des chicanes sur les ondulations des tôles pour créer des turbulences dans les canaux de l'échangeur. Ces échangeurs peuvent être parcourus par deux ou trois fluides différents, circulant à co-courants, à contre-courant, en courants croisés, certain(s) courant(s) pouvant n'intéresser qu'une partie de l'échangeur, par exemple sa partie supérieure, grâce à des cloisonnements appropriés. Les échangeurs à plaques sont habituellement réalisés en aluminium, spécialement en vue d'applications impliquant des basses températures, mais peuvent aussi être réalisés en acier inoxydable. La demanderesse a trouvé que de tels échangeurs à plaques pouvaient être employés comme colonnes de fractionnement très efficaces et très souples d'emploi, pour fractionner des mélanges liquides comprenant au moins trois constituants de volatilités différentes. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fractionnement d'un mélange comprenant au moins trois constituants, à savoir un constituant A relativement peu volatil, un constituant C relativement très volatil et un constituant B de volatilité intermédiaire, selon lequel on introduit en continu ledit mélange dans une colonne de fractionnement où règnent des conditions telles qu'une partie au moins dudit mélange s'élève sous forme de vapeurs vers la partie supérieure de la colonne; on condense partiellement lesdites vapeurs dans la partie supérieure de la colonne et on laisse le condensat résultant refluer vers la partie inférieure de la colonne; on évacue en continu une fraction liquide enrichie en constituants de moindre volatilité A et B du fond de la colonne; et on évacue en continu de la tête de la colonne une fraction de vapeurs enrichie en le constituant le plus volatil C, caractérisé en ce qu'on utilise comme colonne de fractionnement certains des canaux ou niveaux de circulation de fluides d'un échangeur à plaques comprenant une pluralité de canaux ou niveaux de circulation de fluides séparés les uns des autres par une tôle d'échange de chaleur, et en ce qu'on fait passer dans au moins certains des autres canaux ou niveaux de circulation de fluides de l'échangeur un ou plusieurs fluide(s) apportant les calories et/ou des frigories pouvant être requises pour la mise en ébullition du mélange à fractionner dans la partie inférieure de l'échangeur et pour la condensation partielle des vapeurs dans sa partie intermédiaire et/ou supérieure. Le mélange introduit dans l'échangeur à plaque peut être à l'état gazeux (vapeurs), liquide ou mixtes (mélange de phases liquides et gazeuses). Si une phase liquide est présente, on ajuste les conditions de température régnant dans la partie inférieure de l'échangeur à plaques de façon qu'il se produise une certaine ébullition de cette phase. La circulation des fluides caloporteur et/ou frigoporteur peut se faire dans le même sens que la circulation du mélange à fractionner, à contre-courant ou selon des courants croisés, selon le cas. On peut également prévoir des configurations mixtes, par exemple des circulations parallèles dans la partie inférieure de l'échangeur et des circulations croisées dans la partie supérieure, en utilisant des cloisonnements appropriés. Il est important d'assurer un bon contact physique entre le reflux descendant de condensat liquide et les vapeurs montantes. A cette fin, on utilisera, de préférence, un échangeur dont les tôles ondulées sont pourvues de perforations, de chicanes ou d'autres moyens générateurs de turbulences dans les écoulements. Le procédé de fractionnement de l'invention peut être mis en oeuvre dans une gamme de pressions de O à 100 bars et dans une gamme de températures de -1500C à +4000C. On peut s'en servir tant pour la rectification que l'épuisement. L'invention concerne aussi un procédé d'extraction de gaz de pétrole liquéfié (GPL) à partir de divers gaz (gaz de raffinerie, de distillation, de réformage, etc..) mettant en oeuvre le procédé de fractionnement sus-décrit, remarquable par le fait qu'il met en oeuvre des températures moins basses que les procédés classiques actuellement utilisés et permet, donc, d'importantes économies d'énergie tout en assurant un taux de récupération élevé des butanes. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure unique est une représentation schématique d'une installation d'extraction de gaz de pétrole liquéfié (GPL) (hydrocarbures en C3-C4) à partir de gaz naturel ou de raffinerie, mettant en oeuvre le procédé de fractionnement de l'invention. Sur cette figure, la charge gazeuse à traiter qui se compose d'un mélange de composés lourds (en C3, C4 et plus) et légers (en C1 et C2) parvient à l'installation par une conduite 1 après avoir subi une phase de compression qui n'est pas représentée. Par exemple, pour une charge gazeuse contenant, en poids, 16 de composés en C3 et 8 de composés en C4, on pourra faire arriver la charge gazeuse sous une pression de 31,3 bars à une température de 520C environ. La conduite 1 arrive à un premier échangeur de chaleur 2 où la charge gazeuse subit un premier refroidissement par échange de chaleur avec les vapeurs froides (10C environ) provenant de la tête de l'échangeur à plaques, comme décrit ciaprès. A la sortie de l'échangeur 2, la charge gazeuse emprunte la conduite 3 et passe dans un deuxième échangeur 4 dont le fluide réfrigérant est produit par une unité de réfrigération 4', à la sortie duquel elle a une température de 220C environ. La charge refroidie est alors amenée, via la conduite 5, dans une colonne de séparationdéshumidification 6 comprenant deux portions superposées Sa et 6b, séparées par un dispositif 7 laissant passer les vapeurs montant de la portion inférieure 6a vers la portion supérieure 6b, mais retenant toute phase liquide descendante condensée dans la portion supérieure 6b, la conduite 5 débouchant dans la colonne 6 à un niveau situé juste en-dessous du dispositif 7. Dans la portion inférieure Ga, la charge se sépare en une fraction liquide contenant une partie des composés lourds (C3-C4) qui tombe dans le fond de la colonne et en des vapeurs contenant les composés légers (C1-C2; et entraî nant le restant des composés lourds. Ces vapeurs traversent le dispositif 7, s'élèvent dans la portion supérieure 6b où elles sont débarrassées de l'eau qu'elles contiennent. Ce résultat peut être obtenu par lavage à contrecourant par un courant de glycol arrivant en tête de la portion 6b par la conduite 8, qui absorbe l'humidité présente dans les vapeurs. Le mélange de glycol et d'eau est retenu par le dispositif 7 et évacué par la conduite 9 vers une unité de régénération du glycol (non représentée).Cette déshumidification préalable est nécessaire pour éviter la formation d'hydrates dans l'échangeur à plaques 11. L'emploi d'inhibiteurs de formation d'hydrates dans l'échangeur 11 lui-même n'est pas envisagé car cela entraîne des phénomènes de moussage avec le mélange d'hydrocarbures gazeux et liquide. Les vapeurs débarrassées de liteau sortent en tête de la portion 6b de la colonne à une température de 230C environ, et sont envoyées via la conduite 10, à la partie inférieure de certains des canaux de circulation de fluides d'un échangeur à plaques 11. Ces vapeurs s'élèvent dans l'échangeur et une partie d'entre elles est condensée à la partie supérieure de l'échangeur grâce au refroidissement exercé par un fluide réfrigérant produit par l'unité de réfrigération îîa et circulant à une température de -6aC dans la partie des autres canaux de circulation de fluides de l'échangeur situé à la partie supérieure de l'échangeur.Le condensat liquide, riche en hydrocarbures en C3 et C4, reflue vers le fond de l'échangeur, lavant les vapeurs qui montent et absorbant les composants lourds entraînés par lesdites vapeurs. Il s'établit ainsi une espèce d'équilibre liquide-vapeurs dans l'échangeur qui joue donc en même temps le rôle d'une colonne de fractionnement. Du condensat liquide est évacué en continu du fond de l'échangeur, riche en hydrocarbures en C3 et C4, et est recyclé par la conduite 12, a la partie supérieure de la portion inférieure 6a de la colonne de séparation-déshumidification 6. Un liquide, formé principalement d'hydrocarbures en C3 et C4 est soutiré en continu du fond de la colonne de séparation-déshumidifica tion 6, par la conduite 13, une partie de ce soutirage étant recyclée par le rebouilleur 14 dans la colonne 6 afin d'entretenir l'ébullition du liquide occupant le fond de cette colonne. La partie restante du soutirage est envoyée à un débutaniseur (non représenté) de conception classique.Par ailleurs, les vapeurs, riches en méthane et éthane, s 'échap- pant par la tête de l'échangeur - colonne 11, qui sortent à une température d'environ 10C, sont envoyées par la conduite 15 à l'échangeur 2 de pré-refroidissement de la charge gazeuse avant d'être évacuées par la conduite 16 à une température d'environ 470C. Ces vapeurs, formées principalement d'hydrocarbures en C1 et C2, peuvent servir de source d'énergie. Il est à noter que la tête de l'échangeurcolonne 11 constitue le point le plus froid de l'installation et détermine le point de rosée du mélange gazeux, formé principalement de méthane et d'éthane qui sort en tête de l'échangeur. Il est à noter aussi que la totalité du méthane et de l'éthane sont en un même point, à savoir la tête de 1 'échangeur-colonne 11. Avec une installation telle que décrite, on produit arrive à récupérer, dans le CPL/, jusqu'à 98% des butanes contenus dans la charge gazeuse initiale, avec une puis sance frigorifique absorbée moitié moindre que celle né cessitéepar des installations classiques. Bien entendu, les conditions de température et de pression indiquées ne sont que des exemples qu'il conviendra d'adapter à la composition particulière du mélange gazeux à fractionner. Il va de soi que des modifications peuvent être apportées au procédé qui vient d'être décrit, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Un procédé de fractionnement d'un mélange comprenant au moins trois constituants, à savoir un constituant A relativement peu volatil, un constituant C relativement très volatil et un constituant B de volatilité intermédiaire, selon lequel on introduit en continu ledit mélange dans une colonne de fractionnement où règnent des conditions telles qu'une partie au moins dudit mélange s'élève sous forme de vapeurs vers la partie supérieure de la colonne; on condense partiellement lesdites vapeurs dans la partie supérieure de la colonne et on laisse le condensat résultant refluer vers la partie inférieure de la colonne; on évacue en continu une fraction liquide enrichie en constituants de moindre volatilité A et B du fond de la colonne; et on évacue en continu de la tête de la colonne une fraction de vapeurs enrichie en le constituant le plus volatil C, caractérisé en ce qu'on utilise comme colonne de fractionnement certains des canaux ou niveaux de circulation de fluides d'un échangeur à plaques comprenant une pluralité de canaux ou niveaux de circulation de fluides séparés les uns des autres par une tôle d'échange de chaleur, et en ce qu'on fait passer dans au moins certains des autres canaux ou niveaux de circulation de fluides de l'échangeur un ou plusieurs fluide(s) apportant les calories et/ou les frigories pouvant être requises pour la mise en ébullition du mélange à fractionner dans la partie inférieure de l'échangeur et pour la condensation partielle des vapeurs dans sa partie intermédiaire et/ou supérieure. 2.Un procédé d'extraction de gaz de pétrole liquéfié (GPL) à partir d'un gaz d'alimentation, caractérisé en ce qu'on y met en oeuvre le procédé défini à la revendication 1. 3. Un procédé d'extraction de gaz de pétrole liquéfié selon la revendication 2, caractérisé en ce qu il comprend les étapes suivantes a) amenée d'un mélange de gaz à une colonne de séparation-déshumidification (6) à une pression et une température telles que ledit mélange se fractionne en une fraction liquide demeurant dans la partie inférieure (6a) de la colonne (6) et une fraction vapeur montant dans la partie supérieure (6b) de la colonne, b) soumettre les vapeurs à un lavage déshumidificateur dans la partie supérieure (6b) de la colonne (6), c) envoyer les vapeurs déshumidifiées à la partie inférieure d'un échangeur à plaques (11) dans la partie supérieure duquel le ou les constituant(s) les moins volatil(s) sont condensés et reflués vers la partie inférieure de l'échangeur, d) renvoyer le condensat liquide de l'étape (c) dans la partie inférieure de la colonne de séparationdéshumidification, e) évacuer du produit liquide du fond de la colonne de séparation-déshumidification en en recyclant une partie dans la partie inférieure de la colonne de séparation-déshumidification après réchauffage de celleci afin d'entretenir l'ébullition du produit liquide demeurant dans la partie inférieure de ladite colonne de séparation-déshumidification, la partie restante dudit produit liquide étant envoyée à un débutaniseur et, f) évacuer du sommet de l'échangeur à plaques de la tête de l'échangeur à plaques des vapeurs des constituants les plus volatils. 4. Un procédé selon la revendication 3, carac térisé en ce que la tête de l'échangeur à plaques (11 constitue le point le plus froid du processus. 5. Un procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la totalité des vapeurs des consti tuants les plus volatils est est é v a e u é e e n LI n m êm e p o i n t du procédé.