Brevet FR2731163A1 — publié le 19960906

La présente invention est relative à un procédé et une installation de séparation de gaz par perméation. Plus particulièrement, elle conceme un procédé et une installation de séparation par perméation d'un gaz de purge produit par un procédé chimique tel que la synthèse d'ammoniaque. US-A4.591.365 décrit un procédé dans lequel un gaz de purge de synthèse d'ammoniaque à 140 x 105 Pa est détendu à 125 x 105 Pa et épuré en ammoniaque dans une colonne de lavage. Le gaz résultant est envoyé dans une unité membranaire, balayée par un débit d'azote. La pression du débit d'azote est choisie pour que le gaz perméat résultant de la séparation ait la composition molaire de l'ammoniaque. Ce perméat est ensuite recyclé à la synthèse d'ammoniaque. De préférence, le gaz de purge passe de la colonne de lavage à deux unités membranaires en série. Dans le cas où les membranes utilisées sont résistantes à l'ammoniaque, on peut supprimer la colonne de lavage mentionnée dans US-A4.591.365. Or, les caractéristiques de fonctionnement de ces membranes résistantes sont telles que les procédés sans colonne de lavage sont moins performants mais permettent en revanche de récupérer une partie de l'ammoniaque dans le gaz de purge, de façon peu onéreuse. L'invention a pour but de foumir un procédé et une installation de séparation d'un gaz de purge de synthèse performants et peu coûteux qui permettent de récupérer l'ammoniaque contenu dans le gaz de purge. Elle a également pour but de fournir un procédé et une installation de séparation d'un mélange gazeux comprenant une impureté nuisible à certaines membranes ou autres moyens de séparation. Selon l'objet de l'invention, on prévoit un procédé de séparation d'un mélange gazeux comportant une impureté comprenant les étapes de: i) envoyer le mélange gazeux au côté non-perméat d'un premier système membranaire; ii) envoyer un fluide ayant une pression partielle au moins faible pour l'impureté au côté perméat du premier système membranaire; iii) récupérer le non-perméat du premier système membranaire, appauvri en l'impureté; et iv) envoyer le non-perméat à un deuxième système de séparation pour une étape de séparation ultérieure. Selon d'autres caractéristiques de ce procédé: - le premier système membranaire est résistant à l'impureté; - seul le premier système membranaire est résistant à l'impureté; - on récupère le perméat du premier système membranaire; -le mélange gazeux est un gaz de purge de synthèse d'ammoniaque, L'impureté est l'ammoniaque et le fluide envoyé au côté perméat du premier système membranaire est un gaz de synthèse d'ammoniaque. L'invention a également pour objet une installation de séparation d'un mélange gazeux comportant une impureté comprenant un premier système membranaire, des moyens pour envoyer le mélange gazeux au coté non-perméat de celui-ci, des moyens pour envoyer un fluide ayant une pression partielle au moins faible pour l'impureté au côté perméat du premier système membranaire, un deuxième système membranaire et des moyens pour envoyer le non-perméat du premier système au côté non-perméat du deuxième système. Selon d'autres caractéristiques de cette installation: -le premier système comprend des membranes résistantes à l'impureté; - seul le premier système résiste à l'impureté; - le mélange est un gaz produit par un procédé chimique (de préférence un gaz résiduaire), le fluide est un gaz d'alimentation du procédé chimique et l'impureté est un produit du procédé chimique; -le mélange de gaz est un gaz de purge de synthèse d'ammoniaque, L'impureté est l'ammoniaque et le fluide est un gaz de synthèse d'ammoniaque; - elle comprend des moyens pour renvoyer le perméat du premier et'ou du deuxième système(s) membranaire(s) à une unité de synthèse d'ammoniaque. Un premier mode de réalisation de l'invention est illustré à la figure 1 qui montre un procédé de séparation de gaz de purge d'une unité de synthèse d'ammoniaque. Un deuxième mode de réalisation de l'invention est illustré à la figure 2 qui montre un procédé de séparation de gaz résiduaire d'un procédé chimique. Dans la figure 1, un gaz de purge de synthèse d'ammoniaque contient 59 ou H2, 20 ou N2, 6 % Ar, 10% CH4 et 5 % NH3. II est envoyé par la conduite 1 au côté non-perméat d'un premier système membranaire 3 à une pression de 196 x 105 Pa. Ce premier système est balayé au côté perméat par un débit de gaz de synthèse à 99 x 105 Pa contenant 25 % N2 et 75 % H2 pris en aval d'un compresseur 13 ; la pression partielle de l'ammoniaque, de l'argon et du méthane est donc nulle du côté perméat. Or, la sélectivité des membranes est telle que l'ammoniaque permée mieux que l'argon et le méthane. Le fait de balayer le côté perméat avec un gaz de synthèse permet de faire fonctionner le premier système 3 comme un système de récupération d'ammoniaque.Sans le reflux, tous les produits pennéeraient avec des performances médiocres en récupération H2 et élimination de gaz inertes Ar, CH4. La différence de pression partielle a l'effet de faire perméer l'argon au côté perméat et de laisser un mélange contenant substantiellement de l'azote et de l'hydrogène du côté nonperméat. Ce mélange d'azote et d'hydrogène est épuré en un deuxième et un troisième systèmes membranaires 5, 7, en série, le perméat du deuxième système 5 rejoignant le perméat du premier système 3 pour etre envoyé à une unité de synthèse d'ammoniaque Il après compression jusqu'à 196 x 1 Os Pa dans un compresseur 15.Le non-perméat du troisième système 7 sert de gaz de fioul tandis que le perméat est recyclé au gaz de synthèse soit en amont, soit en aval du compresseur 9, qui monte la pression du gaz de 27,5 à 54 x 105 Pa. De cette manière, seul le premier système membranaire 3 doit être composé de membranes résistantes aux impuretés telles que l'ammoniaque. Lui seul est du type membrane à reflux. Il est clair que le troisième système 7 n'est pas toujours nécessaire. Si l'on traite 11000 Nm3/h de gaz de purge, on observe les différences suivantes pour un schéma avec colonne de lavage et le schéma selon la présente invention: Schéma avec Schéma avec lavage membranes à reflux Récupération H % 90 91 2 Pression x1Paabs 50 x 100 Récupération N2 % 87 89 Elimination Ar % 80 80 Elimination CH % 90 90 4 Récupération NH3 % > 95 Gain énergétique - 100 kW II est donc clair que le système de la présente invention permet d'éliminer les impuretés d'un gaz de purge aussi bien qu'un système à tour à lavage, tout en améliorant légèrement la quantité d'azote et d'hydrogène récupérée. Or, I'hydrogène peut être récupéré à une pression beaucoup plus élevée car les membranes ont une pression de fonctionnement beaucoup plus élevée que les tours de lavage. Dans la figure 2, un gaz 50A est comprimé dans un compresseur 21A à deux étages 13A, 15A, avant d'etre envoyé à une unité lIA où s'effectue un procédé chimique. Un gaz résiduaire contenant une impureté nuisible à certaines membranes est produit par le procédé chimique et passe par le conduit 1A à un premier système membranaire 3A. Ce premier système est résistant à l'impureté nuisible qui permée les membranes.Cette perméation est facilitée par le passage d'un gaz de balayage au côté perméat du premier système membranaire 3A En l'occurrence, le gaz de balayage est le gaz destiné à l'unité 11A dont une partie est envoyée à la conduite 4A mais ce gaz de balayage pourrait être un autre gaz ayant une pression partielle réduite ou nulle en l'impureté nuisible, tel qu'un gaz pris en aval de l'étage 1 SA Le gaz de balayage est recyclé à l'étage 15A du compresseur 21A pour être comprimé à la pression de fonctionnement de l'unité liA. Le gaz résiduaire épuré en l'impureté nuisible passe au côté non-perméat d'un deuxième système membranaire 5A, susceptible d'etre abimé par l'impureté. De ce deuxième système 5A sont soutirés un gaz par la conduite 20A et un gaz perméat par la conduite 22A, ce gaz perméat étant renvoyé au deuxième étage 15A du compresseur 21A pour participer au procédé chimique de l'unité 11A. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'un mélange gazeux comportant une impureté comprenant les étapes de: i) envoyer le mélange gazeux au côté non-perméat d'un premier système membranaire (3, 3A); ii) envoyer un fluide ayant une pression partielle au moins faible pour l'impureté au côté perméat du premier système membranaire (3, 3A); iii) récupérer le non-penméat du premier système membranaire, appauvri en l'impureté; et iv) envoyer le non-penméat à un deuxième système de séparation (5, 5A) pour une étape de séparation ultérieure. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le premier système membranaire (3, 3A) est résistant à l'impureté. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel on récupére le perméat du premier système membranaire (3). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux est un premier produit d'un procédé chimique et l'impureté constitue une partie mineure d'un deuxième produit du procédé chimique. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide envoyé au côté perméat du premier système membranaire est un gaz d'alimentation du procédé chimique. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel le perméat du premier système membranaire est recyclé au procédé chimique. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel le mélange gazeux est un gaz de purge de synthèse d'ammoniaque, L'impureté est l'ammoniaque et le fluide envoyé au côté perméat du premier système membranaire (3) est un gaz de synthèse d'ammoniaque. 8. Installation de séparation d'un mélange gazeux comportant une impureté comprenant un premier système membranaire (3, 3A), des moyens (1, 1A) pour envoyer le mélange gazeux au côté non-perméat de celui-ci, des moyens (4, 4A) pour envoyer un fluide ayant une pression partielle au moins faible pour l'impureté au côté perméat du premier système membranaire, un deuxième système de séparation (5, 5A) et des moyens pour envoyer le non-perméat du premier système (3) au deuxième système (5). 9. Installation selon la revendication 8 dans laquelle le premier système (3, 3A) comprend des membranes résistantes à l'impureté. 10. Installation selon la revendication 8 dans laquelle seul le premier système (3, 3A) comprend des membranes résistantes à l'impureté. il. Installation selon l'une des revendications 8 à 10 dans laquelle le mélange est un premier produit d'un procédé chimique, le fluide est un gaz d'alimentation du procédé chimique et l'impureté est un deuxième produit du procédé chimique. 12. Installation selon la revendication 11 dans laquelle le mélange de gaz est un gaz de purge de synthèse d'ammoniaque, L'impureté est l'ammoniaque et le fluide est un gaz de synthèse d'ammoniaque. 13. Installation selon l'une des revendications 11 et 12 comprenant des moyens pour renvoyer le perméat du premier etlou du deuxième système(s) membranaire(s) à une unité où s'effectue le procédé chimique (11, 11A). 14. Installation selon la revendication 13 dans laquelle le premier système membranaire (3, 3A) interdit la perméation de composants du mélange gazeux qui empêcheraient le bon fonctionnement du procédé chimique. 15. Installation selon la revendication 14 dans laquelle lesdits composants sont l'argon et le méthane. 16. Installation selon l'une des revendications 8 à 15 dans laquelle le deuxième système de séparation est un système membranaire (5, 5A) ou une unité d'adsorption.