Brevet FR2680116A1 — publié le 19930212

i L'invention concerne un procédé de séparation d'un mélange de gaz par absorption. L'absorption par un solvant circulant en boucle est un procédé communément employé lorsque l'on désire extraire au moins en partie un constituant ou une certaine catégorie de constituants d'un courant gazeux. Le procédé mis en oeuvre comprend généralement deux étapes, une étape d'absorption proprement dite, dans laquelle le gaz à traiter et le solvant sont mis en contact à contre-courant dans une colonne verticale, puis une étape de régénération du solvant, dans laquelle la fraction gazeuse absorbée durant la première étape est désorbée par un effet de température, ou de pression, ou des deux cumulés Le solvant ainsi régénéré peut alors être renvoyé vers la première étape. Dans le cas o il est nécessaire d'élever la température du solvant pour le régénérer, il est essentiel de récupérer la chaleur mise en jeu pour un bon bilan thermique du procédé Le moyen généralement employé est décrit ci- après, en liaison avec la figure 1. Le solvant sortant de la colonne d'absorption Cl par le conduit 4, après une éventuelle détente dans la vanne Vl, et le solvant régénéré sortant de la colonne de régénération C 2 par le conduit 8, à travers la pompe Pl et par le conduit 9, passent dans une zone d'échange thermique El, à la sortie de laquelle le solvant chargé rentre, chaud et partiellement vaporisé, dans la colonne de régénération C 2 par le conduit 6, ce qui économise de l'énergie au niveau du rebouilleur de ladite colonne de régénération, et le solvant régénéré froid est renvoyé vers l'étape d'absorption par le conduit 10, ladite absorption étant en général favorisée à basse température La chaleur fournie au rebouilleur de la colonne C 2 est ainsi partiellement récupérée dans l'échangeur de chaleur El Cependant, ce procédé génère des pertes thermiques irréversibles, du fait que le solvant vaporisé dans l'échangeur de chaleur El et dans le rebouilleur de la colonne C 2 doit être recondensé en tête de la colonne C 2 par un fluide froid externe au procédé. Il a été découvert, et c'est l'un des objets de la présente invention, que le bilan thermique de la régénération d'un solvant d'absorption peut être sensiblement amélioré lorsque la régénération du solvant est réalisée dans un dispositif tel que d'une part l'énergie fournie au rebouilleur dudit dispositif soit efficacement récupérée, et d'autre part que la recondensation du solvant vaporisé se fasse en partie au moins sans intervention d'un fluide externe au procédé. D'une manière générale, le procédé de séparation d'un mélange de gaz Gi selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) une étape d'absorption dans une zone d'absorption Cl d'une partie G 2 de la fraction gazeuse Gi par un solvant 1; b) une détente du solvant Ll entrainant la vaporisation partielle des gaz absorbés G 2 et un refroidissement du solvant Ll; c) une étape de désorption de la fraction gazeuse G 2 dans un dispositif de désorption Dl comprenant une zone d'échange de chaleur interne Zl et une zone de rebouillage B 1; d) l'envoi du solvant régénéré sortant de la zone de rebouillage Bl dans la zone d'échange de chaleur Zl et l'évacuation dudit solvant régénéré en tête de ladite zone d'échange de chaleur interne; et e) le recyclage dudit solvant régénéré vers la zone d'absorption Cl. Il a été découvert, et c'est là l'un des principaux objets de la présente invention, que la mise en oeuvre d'une zone d'échange de chaleur interne permet une économie substantielle sur la chaleur à apporter au rebouilleur. Il a été également découvert que la zone d'échange interne permet de refroidir le solvant régénéré, ce qui d'une part permet la recondensation au moins partielle du solvant vaporisé dans le rebouilleur, d'autre part diminue d'autant la puissance frigorifique à fournir pour refroidir le solvant régénéré à la température désirée avant réinjection dans la zone d'absorption Cl. Le procédé selon la présente invention est ainsi particulièrement adapté à l'absorption réfrigérée de produits volatils, nécessitant un sousrefroidissement du solvant régénéré avant réinjection dans la colonne d'absorption Cl. Il peut être toutefois également adapté à un procédé opérant à température ambiante ou au-dessus, tel que par exemple un procédé de déshydratation par lavage avec un glycol ou un procédé de désacidification par lavage avec une amine. Le procédé selon l'invention est décrit plus en détail ci-après en liaison avec la figure 2. La charge à traiter arrive par le conduit 1 dans la colonne d'absorption Cl, dans laquelle elle est mise en contact à contre-courant avec le solvant régénéré arrivant par le conduit 2 Le gaz allégé de sa fraction absorbée dans le solvant sort de la colonne Cl par le conduit 3 et est évacué du procédé Le solvant ayant absorbé ladite fraction sort de la colonne Cl par le conduit 4, est détendu et partiellement vaporisé dans la vanne Vl, à la sortie de laquelle il est envoyé par le conduit 5 vers le dispositif de désorption Dl, qui comprend une zone de rebouillage Bl et une zone d'échange de chaleur interne Zl. La température dans la zone de rebouillage Bl est généralement comprise entre 700 C et 2200 C. La pression dans le dispositif de désorption Dl est généralement comprise entre 1 et 10 bar. Après remontée dans la zone d'échange de chaleur interne Zl, le solvant sort du dispositif de désorption Dl et est envoyé vers l'échangeur E 2 par le conduit 1 0. Le solvant régénéré est refroidi à la température désirée dans l'échangeur E 2, évacué par le conduit 11, mélangé avec l'appoint de solvant arrivant par le conduit 12, puis envoyé vers la colonne d'absorption Cl par le conduit 2. Ainsi par exemple, le solvant régénéré peut être réfrigéré à une température comprise entre O et 500 C avant d'être renvoyé vers la zone d'absorption Cl. Le procédé selon la présente invention peut être réalisé avec un solvant physique aussi bien qu'avec un solvant chimique impliquant une réaction avec l'absorbat, ou un mélange comprenant au moins un solvant physique et au moins un solvant chimique. Le procédé selon la présente invention peut être appliqué, par exemple, à l'extraction au moins partielle de l'eau, des gaz acides ou de la fraction hydrocarbure la plus lourde d'un gaz naturel. Le dispositif de désorption DI est décrit ci-après en liaison avec la figure 3. Il comprend principalement: Une zone de rebouillage Bi, qui comprend un ballon d'une capacité permettant l'immersion dans le solvant régénéré d'un dispositif de rebouillage connu de l'homme de l'art, comme par exemple un chauffage électrique, ou une épingle de circulation d'un fluide caloporteur, ou encore un tube à feu; et Une zone d'échange de chaleur Zl, située au-dessus de la zone de rebouillage B 1, constituée de deux espaces de circulation, tels que dans l'un de ces espaces s'écoule par gravité le solvant chargé arrivant en tête du dispositif de désorption Dl par le conduit 5, à contre-courant de la vapeur remontant de la zone de rebouillage Bl à travers ladite zone d'échange de chaleur Zl, ladite vapeur étant ensuite évacuée du dispositif de désorption Dl par le conduit 7, dans l'autre espace s'écoule de bas en haut le solvant régénéré sortant de la zone de rebouillage Bl par le conduit 8, à travers la pompe Pl et rentrant dans la zone d'échange de chaleur Zl par le conduit 9, puis sortant de ladite zone d'échange de chaleur Zl par le conduit 10. La zone d'échange de chaleur interne Zl peut être réalisée selon différentes configurations, dont quelques exemples sont détaillés ci-après. Par exemple la zone d'échange de chaleur Zl peut être constituée de tubes verticaux dans lesquels le solvant à régénérer coule en film tombant sur les parois internes des tubes tandis que le solvant régénéré remontant de la zone de rebouillage Bl circule à l'extérieur des tubes dans la calandre La paroi interne desdits tubes verticaux peut être lisse, mais également présenter des aspérités, ou avoir subi un traitement de surface favorisant le transfert de matière et de chaleur entre les phases circulant à l'intérieur des tubes, ainsi que le transfert de chaleur entre les phases circulant de part et d'autre de la paroi des tubes Par exemple, la surface interne des tubes pourra avoir une géométrie favorisant l'apparition de vagues au sein du film de liquide tombant, ou bien présenter des canelures dans l'axe des tubes de manière à augmenter la surface interne de ceux-ci, ou bien pourra être enduite d'un dépôt de particules solides agglomérées favorisant la nucléation de bulles de vapeur au sein du film de liquide tombant. Lesdits tubes verticaux peuvent également être remplis de garnissage en vrac comme par exemple des billes, des anneaux ou des selles De préférence, la plus grande dimension d'un élément de garnissage sera inférieure au huitième du diamètre desdits tubes. Lesdits tubes verticaux peuvent également être remplis de garnissage structuré constitués par exemple de toile métallique, de tricot métallique, de plaques ou de croisillons tels qu'utilisés par exemple dans les mélangeurs statiques. Une autre configuration possible consiste à opérer sur la surface externe des tubes le contact entre le solvant à régénérer et la vapeur remontant de la zone de rebouillage Bl par la calandre, le solvant régénéré remontant de la zone de rebouillage Bl par l'intérieur des tubes Dans ce cas, la calandre peut être vide ou remplie de garnissage en vrac ou structuré Dans ce cas également, la surface externe des tubes peut être lisse ou présenter des aspérités, ou avoir subi un traitement de surface favorisant le transfert de matière et de chaleur entre les phases circulant à l'extérieur des tubes, ainsi que le transfert de chaleur entre les phases circulant de part et d'autre de la paroi des tubes. La zone d'échange de chaleur Zl peut également avoir toute structure connue de l'homme de l'art, par exemple les deux espaces de circulation peuvent être constitués pour l'un de tubes bobinés, pour l'autre d'une calandre entourant lesdits tubes; lesdits espaces de circulation peuvent également être délimités par un ensemble de plaques. Le dispositif de désorption Dl pourra également comprendre un dispositif de répartition du solvant chargé dans l'espace de circulation correspondant de la zone d'échange de chaleur Zi lorsque cet espace est multiple (par exemple constitué de tubes) De tels dispositifs sont connus de l'homme de l'art. Dans les exemples suivants, on compare les schémas illustrés par les figures 1 et 2 Dans les deux cas, le gaz à traiter (Gi) est un gaz d'hydrocarbures légers allant du méthane au butane, dont on veut extraire la fraction C 3 (propane+n-butane) par un solvant (LI) composé de n-nonane et de n-décane en mélange équimolaire Le gaz (Gi) arrive dans la colonne d'absorption Cl sous un débit de 1000 kg/h par le conduit 1, à la pression de bar et à la température de -200 C Sa composition molaire est la suivante: méthane 49,9 %, éthane 29,3 %, propane 15,5 %, n-butane 5,3 %. EXEMPLE 1 (comparatif) Dans le schéma d'absorption classique de la figure 1, le solvant régénéré (Li) est injecté en tête de la colonne Cl par le conduit 2 sous un débit de 2000 kg/h La température du solvant (Li) est de -200 C, sa pression de 5 bar. 57 % du propane et 98 % du n-butane contenus dans le gaz d'entrée (Gi) sont absorbés par le solvant dans la colonne Cl Le gaz appauvri est évacué du procédé par le conduit 3 à la température de -50 C, sous un débit de 693 kg/h. Le solvant enrichi sort du fond de la colonne Ci par le conduit 4 à la température de 20 C et entre dans la vanne de détente VI, dont il sort partiellement vaporisé par le conduit 5 à la température de -5 OC et à la pression de 1,2 bar; le solvant enrichi rentre alors dans l'échangeur El o il est réchauffé par le solvant régénéré rentrant dans l'échangeur El par le conduit 9 Le solvant enrichi sort de l'échangeur El par le conduit 6 à la température de 1 i 100 C et entre dans la colonne de régénération C 2, qui est une colonne de distillation à plateaux ou à garnissage La puissance frigorifique du condenseur de la colonne C 2 est de 44 k W, la puissance thermique du rebouilleur est de 78 k W Les hydrocarbures légers désorbés quittent la colonne C 2 et le procédé par le conduit 7 à la température de -200 C Le solvant régénéré quitte la colonne C 2 par le conduit 8 à la température de 158 OC, entre dans la pompe Pl dont il sort par le conduit 9 à la pression de 5 bar, entre dans l'échangeur El d'o il ressort par le conduit à la température de 50 C, avant d'être refroidi à -200 C par un fluide externe 1 i O au procédé dans l'échangeur E 2, d'une puissance frigorifique de 28 k W, dont il ressort par le conduit 11, est mélangé avec l'appoint de solvant arrivant par le conduit 12 et injecté dans la colonne Cl par le conduit 2. EXEMPLE 2 Dans le schéma suivant la présente invention de la figure 2, le solvant régénéré (LI) est injecté en tête de la colonne Cl par le conduit 2 sous un débit de 2000 kg/h La température du solvant (L 1) est de -200 C, sa pression de 5 bar 57 % du propane et 98 % du n-butane contenus dans le gaz d'entrée (Gi) sont absorbés par le solvant dans la colonne Cl Le gaz appauvri est évacué du procédé par le conduit 3 à la température de C, sous un débit de 692 kg/h Le solvant enrichi sort du fond de la colonne Cl par le conduit 4 à la température de 20 C et entre dans la vanne de détente VI, dont il sort partiellement vaporisé par le conduit 5 à la température de -50 C et à la pression de 1,2 bar; le solvant enrichi est alors injecté dans le dispositif de désorption Dl, qui est est un échangeur-colonne comprenant une zone d'échange de chaleur interne et une zone de rebouillage La puissance thermique du rebouilleur du dispositif Dl est de 50 k W Les hydrocarbures légers désorbés quittent le dispositif Dl et le procédé par le conduit 7 à la température de 90 C Le solvant régénéré quitte la zone de rebouillage du dispositif Dl par le conduit 8 à la température de 161 OC, entre dans la pompe Pl dont il sort par le conduit 9 à la pression de 5 bar, est envoyé dans la zone d'échange de chaleur interne du dispositif Dl dont il sort à la température de C par le conduit 10 De là, le solvant régénéré entre dans l'échangeur E 2 o il est refroidi à -20 C par un fluide extérieur au procédé La puissance frigorifique de l'échangeur E 2 est de 39 k W Le solvant régénéré sort de l'échangeur E 2 par le conduit 11, est mélangé avec l'appoint de solvant arrivant par le conduit 12 et injecté dans la colonne Cl par le conduit 2. En comparant les schémas des exemples 1 et, 2 on constate que la récupération de la fraction lourde C+ est identique dans les deux cas; en revanche, les puissances thermiques et frigorifiques nécessaires sont inférieures respectivement de 36 % et 46 % dans le cas du schéma de la figure 2. L'exemple précédent a montré comment le procédé selon l'invention peut être appliqué à la séparation entre le méthane et des hydrocarbures de masse molaire plus élevée. Un autre exemple d'application concerne l'élimination de gaz acides, C 02 et H 2 S, d'un gaz naturel. Si par exemple, il s'agit d'éliminer au moins partiellement un gaz acide d'un gaz naturel, il est possible d'opérer selon le schéma de principe de la figure 2 en mettant en contact le gaz naturel avec un solvant réfrigéré, par exemple à base de méthanol Ce solvant peut contenir une proportion variable d'eau, par exemple entre 1 % et 10 % en masse, pour limiter la coabsorption d'hydrocarbures Le solvant chargé en gaz acides sortant de la colonne Cl est envoyé dans le dispositif de régénération Dl Le gaz acide sort en tête du dispositif Dl et le solvant régénéré sort, via la zone de rebouillage Bi, en tête de la zone d'échange de chaleur interne Zl. Ces exemples ne sont pas cités à titre limitatif et, comme cela a déjà été indiqué, le procédé peut être appliqué à l'élimination d'eau en utilisant par exemple le diéthylène glycol ou le triéthylène glycol comme solvant, ou à l'élimination de gaz acides, en utilisant par exemple la diéthanolamine comme solvant Il peut être également utilisé sur un gaz de raffinerie ou tout autre gaz de synthèse pour l'élimination d'eau, de gaz acides, d'hydrocarbures paraffiniques, oléfiniques ou aromatiques, de manière sélective ou non. REVENDICATIONS 1 Procédé de séparation d'un mélange de gaz Gi, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) une étape d'absorption dans une zone d'absorption Cl d'une partie G 2 de la fraction gazeuse Gi par un solvant Ll; b) une détente du solvant Ll entrainant la vaporisation partielle des gaz absorbés G 2 et un refroidissement du solvant Ll; c) une étape de désorption de la fraction gazeuse G 2 dans un dispositif de désorption Dl comprenant une zone d'échange de chaleur interne Zl et une zone de rebouillage B 1; d) l'envoi du solvant régénéré sortant de la zone de rebouillage Bl dans la zone d'échange de chaleur Zi et l'évacuation dudit solvant régénéré en tête de ladite zone d'échange de chaleur interne; et e) le recyclage dudit solvant régénéré vers la zone d'absorption Cl. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le solvant régénéré sortant de la zone de désorption Dl est réfrigéré, par exemple à une température comprise entre 00 C et -500 C, avant d'être renvoyé vers la zone d'absorption Cl. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le solvant Li est un solvant physique. 4 Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le solvant L 1 est un solvant chimique. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le solvant L 1 est un mélange d'au moins un solvant physique et d'au moins un solvant chimique. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la fraction gazeuse Gi est un gaz naturel. 7 Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'on désire extraire au moins en partie de Gi la fraction hydrocarbure la plus lourde. 8 Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'on désire extraire en partie au moins de Gi les gaz acides. 9 Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'on désire extraire en partie au moins de Gi l'eau. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la zone d'échange de chaleur interne est constituée de tubes verticaux et d'une calandre entourant lesdits tubes. 11 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que le contact entre le solvant à régénérer et la vapeur remontant de la zone de rebouillage Bl est opéré à l'intérieur des tubes, tandis que le solvant régénéré remonte à l'extérieur des tubes par la calandre. 12 Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que le solvant à régénérer s'écoule en film tombant dans les tubes. 13 Procédé selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce que la surface interne des tubes présente des aspérités, ou a subi un traitement de surface favorisant le transfert de matière et de chaleur. 14 Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que les tubes verticaux sont remplis de garnissage en vrac. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que la plus grande dimension des éléments de garnissage est inférieure au huitième du diamètre des tubes verticaux. il 16 Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que les tubes verticaux sont remplis de garnissage structuré. 17 Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que le contact entre le solvant à régénérer et la vapeur remontant de la zone de rebouillage Bl est opéré dans la calandre, tandis que le solvant régénéré remonte à l'intérieur des tubes. 18 Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que la surface externe des tubes présente des aspérités, ou a subi un traitement de surface favorisant le transfert de matière et de chaleur. 19 Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que la calandre est remplie de garnissage en vrac. Procédé selon la revendication 17 caractérisé en ce que la calandre est remplie de garnissage structuré. 21 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la zone d'échange de chaleur interne est constituée de tubes bobinés et d'une calandre entourant lesdits tubes. 22 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la zone d'échange de chaleur interne est constituée de plaques.