Brevet FR2664263A1 — publié le 19920110

La présente invention concerne la production de méthane et de monoxyde de carbone Elle est relati- ve en premier lieu à un procédé de production simulta- née de méthane et de monoxyde de carbone à partir d'un gaz traité constitué essentiellement de ces deux corps et d'hydrogène, du type dans lequel le gaz traité est refroidi et partiellement condensé pour former une phase vapeur et une phase liquide, la phase liquide est détendue, vaporisée, réchauffée et introduite dans une colonne d'élimination d'hydrogène; le liquide de cuve de cette colonne est sous-refroidi, détendu et divisé en plusieurs courants; l'un de ces courants est vaporisé et réchauffé jusqu'à sa température de rosée et introduit dans une colonne de séparation CO/CH 4, et un autre de ces courants est introduit dans cette même colonne au voisinage de sa température de bulle; et l'on fournit un appoint de froid au moyen d'un cycle frigorifique extérieur. Dans la technique habituelle, lesdits cou- rants sont au nombre de deux, et l'on alimente par conséquent en deux points la colonne de séparation CO/CH 4 On constate que le diagramme d'échange de chaleur (enthalpies en ordonnées, températures en abscisses) de l'échangeur de chaleur indirect à contre-courant qui sert à effectuer les divers re- froidissements, vaporisations et réchauffements, est très ouvert en partie chaude, les écarts de tem- pératures étant de l'ordre de 15 'C au bout chaud Ceci Correspond à une irréversibilité relativement impor- tante du procédé, et l'invention a pour but de réduire cette irréversibilité afin de rendre l'ensemble du t- raitement plus économique du point de vue de la dépen- se d'énergie. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que ledit liquide de cuve sous-refroidi et détendu est divisé en trois courants, le troisième courant étant vaporisé et réchauffé jusqu'à une température intermédiaire entre lesdites températures de rosée et de bulle et intro- duit à cette température intermédiaire dans la colonne de séparation CO/CH 4. Suivant d'autres caractéristiques ladite phase vapeur est lavée au méthane liquide dans une troisième colonne pour produire un gaz de tête constitué essentiellement d'hydrogène et un liquide de cuve, ce dernier étant également détendu et introduit dans la colonne d'élimination d'hydrogè- ne, une partie du méthane liquide produit en cuve de la colonne de séparation CO/CH 4 étant utilisée pour effectuer le lavage au méthane; le cycle frigorifique est un cycle au monoxyde de carbone, le monoxyde de carbone nécessaire pour le fonctionnement de ce cycle étant prélevé sur la production de tête de la colonne de séparation CO/CH 4. L'invention a également pour objet une ins- tallation de mise en oeuvre d'un tel procédé Cette installation, du type comprenant un échangeur de cha- leur, un séparateur de phases, une colonne d'élimina- tion d'hydrogène et une colonne de séparation CO/CH 4; des moyens pour refroidir et condenser partiellement le gaz traité et l'introduire dans le séparateur de phases pour former une phase vapeur et une phase li- quide; des moyens pour détendre, vaporiser et réchauffer la phase liquide et l'introduire dans la colonne d'élimination d'hydrogène; des moyens pour sous-refroidir, détendre et diviser en plusieurs courants le liquide de cuve de cette colonne; des moyens pour réchauffer l'un de ces courants jusqu'à sa température de rosée et l'introduire dans la colonne de séparation Ca/CH 4; des moyens pour introduire un autre de ces courants dans cette même colonne au voi- sinage de sa température de bulle; et un cycle frigo- rifique fournissant un appoint de froid, est caracté- risée en ce que ledit liquide de cuve sous-refroidi et détendu est divisé en trois courants, et en ce qu'il est prévu des moyens pour vaporiser et réchauffer le troisième courant jusqu'à une température intermédiai- re entre lesdites températures de rosée et de bulle et pour l'introduire à cette température intermédiaire dans la colonne de séparation CO/CH 4. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexe, sur lequel la Figure unique représente schématiquement une installation de production de CO et de CH 4 confor- me à l'invention. L'installation représentée au dessin com- prend essentiellement un échangeur de chaleur indirect 1 à circulation à contre-courant des fluides mis en relation d'échange thermique, un séparateur de phases 2, une colonne 3 de lavage au méthane, une colonne 4 d'élimination d'hydrogène et une colonne 5 de sépara- tion CO/CH 4 Les pressions indiquées ci-dessous sont des pressions absolues approximatives et, comme les températures indiquées, ne sont fournies qu'à titre d'exemples numériques. Le gaz traité (GT) est un mélange gazeux constitué essentiellement d'hydrogène, de monoxyde de carbone et de méthane Il provient par exemple du pré-refroidissement jusqu'à 140 'C environ d'un gaz de réformage catalytique d'hydrocarbures, dont les autres constituants ont été éliminés par condensation au cours de ce prérefroidissement. Le gaz traité arrive vers 26 bars dans l'installation via une conduite 6, traverse l'échan- geur 1 de son bout chaud à son bout froid, d'o il sort à 180 'C, partiellement condensé, pour être séparé en une phase liquide et une phase vapeur dans le séparateur 2. La phase vapeur est envoyée via une conduite 7 en cuve de la colonne de lavage 3, laquelle est ali- mentée en tête par du méthane liquide et est maintenue à peu près isotherme sur toute sa hauteur au moyen de condenseurs 8, 9 prévus à des hauteurs appropriées. Un courant d'hydrogène gazeux exempt de Co et contenant à peu près 1 % de CH 4 est produit en tête de la colonne 3 via une conduite 10, et le liquide de cuve, constitué essentiellement de Co et de CH 4 mais contenant une petite fraction d'hydrogène dissous, est détendu dans une vanne de détente 11 et introduit en tête de la colonne 4, laquelle fonctionne sous environ 10 bars. La phase liquide recueillie dans le sépara- teur 2 est détendue vers 10 bars dans une vanne de détente 12, vaporisée et réchauffée du bout froid au bout chaud de l'échangeur 1, et introduite à une hau- teur intermédiaire dans la colonne 4. La colonne 4, chauffée en cuve par un re- bouilleur 13, produit en tête un gaz constitué d'hy- drogène contenant une petite fraction de CO et de CH 4, et en cuve un mélange liquide de ces deux corps, exempt d'hydrogène Ce liquide est sous-refroidi du bout chaud au bout froid de l'échangeur 1, détendu vers 2,6 bars dans une vanne de détente 14, et divisé en trois courants: un premier courant, véhiculé par une co- duite 15, est vaporisé et réchauffé du bout froid au bout chaud de l'échangeur jusqu'à sa température de rosée Tr, soit 154 'C, et introduit à cette tempé- rature à une hauteur intermédiaire de la colonne 5; un second courant, véhiculé par une con- duite 16, est directement introduit dans la colonne 5 au voisinage de sa température de bulle Tb, soit à en- viron 180 'C, et donc au-dessus du premier courant et un troisième courant, véhiculé par une conduite 17, est vaporisé et réchauffé dans l'échan- geur 1, jusqu'à une température intermédiaire Ti comprise entre Tr et Tb; à cette température Ti, il est sorti de l'échangeur et introduit dans la colonne 5, entre les deux alimentations à Tr et Tb; la tem- pérature Ti est notamment voisine de la moyenne des températures Tr et Tb, soit de l'ordre de 165 C. La colonne 5 comprend un condenseur de tête 18 et un rebouilleur de cuve 19 Elle produit en tête, via une conduite 20, du CO gazeux, et en cuve, via une conduite 21, du CH 4 liquide Une partie de ce méthane est prélevée via une conduite 22, comprimée par une pompe 23, et, après sous-refroidissement (non repré- senté) à 180 'C, envoyée au sommet de la colonne 3, et le reste, évacué via une conduite 24, constitue la production de méthane de l'installation. Un appoint de froid est fourni à l'installa- tion par un cycle à CO fonctionnant entre une haute pression de 28 bars et une basse pression de 2,6 bars. On a seulement représenté sur le dessin quelques élé- ments de ce cyle, à savoir les condenseurs 13 et 19 utilisés comme rebouilleurs en cuve des colonnes 4 et , les évaporateurs 8, 9 utilisés comme condenseurs dans la colonne 3, l'évaporateur 18 utilisé comme condenseur de tête de la colonne 5, et un évaporateur prévu dans la partie froide de l'échangeur 1 Le monoxyde de carbone nécessaire au bon fonctionnement de ce cycle est prélevé sur la production de Co de l'installation, c'est-à-dire sur une conduite 26 piquée sur la conduite 20. Par rapport à une installation identique dépourvue de la conduite 17, le gain en énergie de compression du Co de cycle est de l'ordre de 8 % Ceci se traduit notamment par un diagramme d'échange de chaleur nettement plus resserré dans la partie chaude de l'échangeur 1. REVENDICATIONS 1 Procédé de production simultanée de mé- thane et de monoxyde de carbone à partir d'un gaz traité constitué essentiellement de ces deux corps et d'hydrogène, du type dans lequel le gaz traité (GT) est refroidi et partiellement condensé pour former une phase vapeur et une phase liquide, la phase liquide est détendue, vaporisée, réchauffée et introduite dans une colonne ( 4) d'élimination d'hydrogène; le liquide de cuve de cette colonne est sous-refroidi, détendu et divisé en plusieurs courants; l'un de ces courants est vaporisé et réchauffé jusqu'à sa température de rosée (Tr) et introduit dans une colonne ( 5) de sépa- ration CO/CH 4, et un autre de ces courants est intro- duit dans cette même colonne ( 5) au voisinage de sa température de bulle (Tb); et l'on fournit un appoint de froid au moyen d'un cycle frigorifique extérieur; caractérisé en ce que ledit liquide de cuve sous-refroidi et détendu est divisé en trois courants, le troisième courant étant vaporisé et réchauffé jusqu'à une température (Ti) intermédiaire entre lesdites températures de rosée et de bulle et introduit à cette température intermédiaire dans la colonne ( 5) de séparation CO/CH 4. 2 Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ladite phase vapeur est lavée au méthane liquide dans une troisième colonne ( 3) pour produire un gaz de tête constitué essentiellement d'hydrogène et un liquide de cuve, ce dernier étant également détendu et -introduit dans la colonne ( 4) d'élimination d'hydrogène, une partie du méthane liquide produit en cuve de la colonne ( 5) de séparation CO/CH 4 étant utilisée pour effectuer le lavage au méthane. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cycle frigorifique est un cycle au monoxyde de carbone, le monoxyde de carbone nécessaire pour le fonctionnement de ce cycle étant prélevé sur la production de tête de la colonne ( 5) de séparation CO/CH 4. 4 Installation de production simultanée de méthane et de monoxyde de carbone à partir d'un gaz traité constitué essentiellement de ces deux corps et d'hydrogène, du type comprenant un échangeur de cha- leur ( 1), un séparateur de phases ( 2), une colonne ( 4) d'élimination d'hydrogène et une colonne ( 5) de sépa- ration CO/CH 4, des moyens pour refroidir et condenser partiellement le gaz traité (GT) et l'introduire dans le séparateur de phases pour former une phase vapeur et une phase liquide, des moyens pour détendre, va- poriser et réchauffer la phase liquide et l'introduire dans la colonne ( 4) d'élimination d'hydrogène; des moyens pour sous-refroidir, détendre et diviser en plusieurs courants le liquide de cuve de cette colonne ( 4); des moyens pour réchauffer l'un de ces courants jusqu'à sa température de rosée (Tr) et l'introduire dans la colonne ( 5) de séparation CO/CH 4; des moyens pour introduire un autre de ces courants dans cette même colonne ( 5) au voisinage de sa température de bulle (Tb); et un cycle frigorifique fournissant un appoint de froid, caractérisée en ce que ledit liquide de cuve sous-refroidi et détendu est divisé en trois courants, et en ce qu'il est prévu des moyens pour vaporiser et réchauffer -le troisième courant jusqu'à une température (Ti) intermédiaire entre lesdites tem- pératures de rosée (Tr) et de bulle (Tb) et pour l'in- troduire à cette température intermédiaire dans la co- lonne ( 5) de séparation CO/CH 4. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une colonne ( 3) de lavage au méthane de ladite phase vapeur, des moyens ( 11) pour détendre le liquide de cuve de cette colon- ne, des moyens pour introduire ce liquide détendu dans la colonne ( 4) d'élimination d'hydrogène, et des moyens pour comprimer et introduire en tête de la co- lonne de lavage ( 3) une partie du méthane liquide pro- duit en cuve de la colonne ( 5) de séparation CO/CH 4. 6 Installation suivant la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le cycle frigorifique est un cycle au monoxyde de carbone, le monoxyde de carbo- ne nécessaire pour le fonctionnement de ce cycle étant prélevé sur la production de tête de la colonne ( 5) de séparation CO/CH 4.