Brevet FR2750346A1 — publié le 19980102

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif destinés à traiter du gaz circulant de l'amont vers l'aval dans un circuit principal et contenant de l'eau, pour réduire sa teneur en eau. Dans ce cadre, l'invention concerne plus particulièrement la régénération des liquides employés pour traiter le gaz. Les gaz pour lesquels l'invention est utilisable sont principalement le gaz naturel, les gaz de pétrole associés, les gaz de synthèse hydrogène/monoxyde de carbone (H2/CO) et l'hydrogène (H2) électrolytique. L'eau contenue dans un gaz est un élément indésirable qui peut engendrer plusieurs effets néfastes qu'il convient d'éliminer. L'eau peut condenser lors d'un refroidissement, ce qui conduit à un écoulement diphasique gaz-liquide, perturbant ainsi le fonctionnement des circuits, des organes de réglage et des équipements de traitement du gaz. Dans le cas de gaz contenant des hydrocarbures tels que le gaz naturel ou les gaz associés de pétrole, l'eau peut former des hydrates (formations cristallines) à des températures inférieures à environ 15 C. Les circuits et les équipements de traitement risquent alors d'être bouchés par l'accumulation de ces hydrates. L'eau provoque également des corrosions surtout lorsqu'elle est sous forme liquide. Ces corrosions sont d'autant plus graves que le gaz contient des composés acides tels que le gaz carbonique et le sulfure d'hydrogène. Dans la suite de la description, nous désignerons sous le terme "glycol" les liquides dessicants et/ou inhibiteurs d'hydrates. Les liquides dessicants ont pour propriétés d'absorber l'eau contenue dans le gaz, ce qui revient à dire que l'eau se condense à leur contact puis se mélange avec eux. Les liquides dessicants les plus couramment utilisés appartiennent à la famille des glycols et sont le triéhylène glycol (TEG) et le diéthylène glycol (DEG). Les liquides inhibiteurs ont pour propriété d'empêcher la formation d'hydrates lors du refroidissement du gaz, que ce refroidissement soit naturel (dû en particulier à une température basse des conduites de transport) ou provoqué au moyen d'un groupe frigorifique destiné à condenser l'eau et les hydrocarbures contenus dans le gaz. Les liquides inhibiteurs d'hydrates les plus couramment utilisés sont le diéthylène glycol (DEG), le monoéthylène glycol, le méthanol, l'éthanol et l'iso-propanol. Au cours d'un processus de séchage ou d'inhibition des hydrates tels qu'ils viennent d'être décrits, les "glycols" se chargent en eau et le gaz se sèche au moins partiellement. Il convient donc de traiter le glycol pour pouvoir le réutiliser dans le processus de traitement du gaz et éviter une consommation du glycol. Nous dénommerons sous le terme glycol sec (séché) ou gaz sec (séché), le glycol ou le gaz traité par opposition au glycol humide (chargé en eau) ou au gaz humide (chargé en eau), le glycol ou le gaz avant traitement. Ces notions de sec et d'humide doivent être considérées relativement l'une par rapport à l'autre. En effet, si le gaz sec ne contient rarement plus de quelques pourcents d'eau, le glycol dénommé sec pourra contenir moins de 1% (liquides dessicants) à un tiers d'eau (liquides inhibiteurs d'hydrates), ceci pour des raisons de rentabilité économique. La différence de teneur dans le glycol avant et après traitement est généralement de l'ordre de 3 à 15%. Certes, des procédés pour réduire la teneur en eau contenue dans un gaz ont déjà été décrits et sont usuellement connus. Ceux-ci proposent: - d'interposer à l'endroit d'une zone de traitement, sur le circuit principal où circule le gaz chargé en eau, une chambre de séparation et de condensation, - de faire circuler, dans ladite chambre, le gaz au contact de glycol liquide présentant une faible teneur en eau, le glycol absorbant au moins une partie de l'eau contenue dans le gaz, - de récupérer d'une part le glycol et l'eau à l'état liquide dans un circuit secondaire et d'autre part le gaz sec dans le circuit principal, - de régénérer le glycol en le séparant de l'eau récupérée du gaz, - d'assurer une recirculation du glycol ainsi séché vers la chambre de séparation et de condensation. Mais, la régénération du glycol est habituellement réalisée par distillation avec chauffage (typiquement dans une gamme de températures allant de 150 à 205"C) en cuve. Cette opération est coûteuse du fait de l'énergie nécessaire au chauffage. De plus, le niveau de température nécessaire à une bonne régénération du glycol provoque au fil du temps sa dégradation. En outre, il est bien souvent nécessaire de réaliser le chauffage par combustion de gaz, ce qui induit de facto une zone dangereuse, au sens de la réglementation, dans une installation traitant un gaz inflammable. Afin de résoudre les problèmes précédemment exposés, l'invention propose que l'on interpose sur le circuit secondaire une membrane de pervaporation imperméable au glycol et perméable à l'eau afin de séparer le glycol de l'eau récupérée (extraite du gaz). L'imperméabilité doit s'apprécier relativement, la membrane étant davantage perméable vis-à-vis de l'eau qu'elle l'est vis-à-vis du glycol. En fait, la membrane n'est généralement pas absolument imperméable au glycol. Dans la pervaporation, le glycol à sécher est mis en balayage d'un côté de la membrane, l'eau à séparer s'absorbe dans la membrane, migre par diffusion de l'autre côté puis s'échappe de la membrane par vaporisation. Il y a donc successivement perméation à travers la membrane puis vaporisation de l'autre côté. Le moteur du transfert de l'eau d'un côté de la membrane vers l'autre est la différence des pressions partielles de part et d'autre de la membrane pour le composé qui la traverse préférentiellement (ici l'eau). La pervaporation est donc une technique qui permet de régénérer le glycol sans pour autant subir les inconvénients de l'art antérieur (régénération par distillation). En effet, la pervaporation s'effectue à température ambiante ou du moins modérée (inférieure à 1200C), ce qui permet d'éviter le point de feu nécessaire pour atteindre 150 à 205"C et prévient toute dégradation thermique du glycol. La pervaporation est en outre économe en énergie en ce que le glycol n'a pas besoin d'être porté à des températures aussi élevées que pour la distillation. Selon une première variante plus particulièrement destinée au séchage, l'invention propose pour faire passer l'eau du circuit principal vers le circuit secondaire de faire circuler le glycol sec à contre-courant du gaz circulant dans le circuit principal. Dans ce cas, on utilisera de préférence un liquide dessicant, ayant la propriété d'absorber l'eau. Selon une seconde variante plus particulièrement destinée à l'inhibition des hydrates, l'invention propose: - d'injecter le glycol séché par passage sur la membrane de pervaporation dans le circuit principal en amont de la zone de traitement, puis - de condenser l'eau en la refroidissant dans la chambre de séparation et de condensation, ou en amont de celle-ci. Afin de créer la différence de pressions partielles de part et d'autre de la membrane, l'invention propose selon une première variante de: - récupérer l'eau séparée du glycol par la membrane de pervaporation dans un circuit tertiaire, et - de faire circuler une partie du gaz traité dans le circuit tertiaire, afin de créer une aspiration d'eau. En effet, ce gaz contenant peu d'eau, il se crée naturellement une aspiration d'eau sur la membrane. Selon une autre variante permettant également de créer la différence de pressions partielles de part et d'autre de la membrane, l'invention propose de: - récupérer l'eau séparée du glycol par la membrane de pervaporation dans un circuit tertiaire, et - condenser cette eau en la refroidissant. En effet, la condensation d'eau crée une réduction de la pression partielle en eau, ce qui crée naturellement une aspiration d'eau à travers la membrane de pervaporation. L'invention a également pour objet un dispositif. Il est déjà connu, un dispositif comprenant en liaison avec le circuit principal: - une chambre de séparation et de condensation interposée sur le circuit principal à l'endroit d'une zone de traitement, comprenant une entrée de gaz à traiter, une entrée de glycol, une sortie de glycol et d'eau, et une sortie de gaz sec, - un circuit secondaire relié à la chambre de séparation et de condensation entre la sortie de glycol et d'eau et l'entrée de glycol, et - des moyens de séchage du glycol interposés sur le circuit secondaire. Toutefois, ces moyens de séchage étant constitués dans l'art antérieur par une cuve de distillation, ceux-ci présentent les problèmes précités. Pour les résoudre, l'invention propose les moyens de séchage comprennent une membrane de pervaporation imperméable au glycol et perméable à l'eau, pour sécher au moins en partie le glycol par passage sur cette membrane. L'invention va apparaître encore plus clairement dans la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une première mise en oeuvre conforme à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement une deuxième mise en oeuvre conforme à l'invention, - la figure 3 représente schématiquement une troisième mise en oeuvre conforme à l'invention. La figure 1 concerne le séchage du gaz dans une tour 18. La figure 1 illustre une zone de traitement 30, où du gaz circule dans un circuit principal 1 entre une partie amont la et une partie aval lb. Du glycol circule dans un circuit secondaire 2 comprenant une succession de conduites 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g. La tour 18 formant première chambre de séparation et de condensation est interposée sur le conduit principal à l'endroit de la zone de traitement 30. Le gaz est injecté par un orifice 18c en partie basse 18b de la tour. Du glycol sec est injecté à l'état liquide en partie haute l8a de la tour par un orifice 18e. Cette tour comprend à l'intérieur des plateaux ou des garnissages qui améliorent le contact entre le gaz circulant de bas en haut et le glycol circulant à contre-courant de haut en bas. Le glycol ayant la propriété de se charger en eau au contact de celle-ci, en la faisant condenser, tend à sécher le gaz qui circule dans la tour. Ainsi, le gaz sortant qui s'échappe en partie haute de la tour par un orifice 18d distinct de l'orifice 18e contient une proportion moindre en eau que le gaz entrant. Le glycol chargé en eau s'échappe de la tour par gravité en partie basse par un orifice 18f. Le glycol et l'eau à l'état liquide sont récupérés dans le circuit secondaire. Le glycol est régénéré dans le circuit secondaire avant d'être réinjecté dans la tour par l'orifice 18e. La régénération s'effectue dans une seconde chambre de séparation 4. Cette chambre 4 est traversée par le circuit secondaire 2 et un circuit tertiaire 3. Une membrane de pervaporation 6 sépare ces deux circuits. Le circuit tertiaire comprend une pompe à vide 16 en aval de la seconde chambre de séparation permettant d'abaisser la pression dans le circuit tertiaire. Cette pompe maintien le vide dans ce circuit, ce qui engendre une basse pression d'eau derrière la membrane de pervaporation. Dans le circuit secondaire, le glycol est chauffé dans une unité de chauffage 8 pour porter sa température à la température optimale de fonctionnement de la membrane de pervaporation 6 (environ 80 "C). La chaleur du glycol après régénération dans la seconde chambre de séparation 4 est récupérée dans un échangeur 10 pour préchauffer le glycol humide (chargé en eau) avant régénération. Le glycol humide est détendu dans une vanne 14 avant passage dans la seconde chambre de séparation 4. Le glycol régénéré est mené à la pression de la tour 18 dans une pompe 12. Les figures 2 et 3 illustrent le séchage de gaz par refroidissement et condensation d'eau après injection d'inhibiteur d'hydrates. A la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure 1 ont été repérés par un nombre augmenté de 100. Le circuit principal comprend une succession de conduites 101 c, 101d, 101 e, 101f et 101g disposées dans une zone de traitement 130 entre la partie amont 101a où il est humide et la partie avale 101b où il est sec. Il traverse dans cette zone de traitement un échangeur 120, une machine frigorifique 122, ainsi qu'un séparateur 124. Le glycol circulant dans le circuit secondaire 102 est injecté, faiblement chargé en eau, dans le circuit principal en amont de la zone de traitement. Il circule dans les conduites 102h (101c), 102i (lord), 102j (lOle) au contact du gaz, traverse l'échangeur 120 et la machine frigorifique 122. il est séparé du gaz dans le séparateur 124 après s'être chargé en eau au contact du gaz. Le reste du circuit secondaire 102 destiné à la régénération du glycol est identique à celui de la figure 1, la symbolisation de l'échangeur 110 ne différant de celui de la figure 1 qu'en raison d'une conformation légèrement différente du circuit. Le gaz, l'eau et le glycol entrent dans la machine frigorifique 122 par un orifice d'entrée 122a et en ressort par un orifice de sortie 122b. La machine frigorifique 122 refroidit le gaz, l'eau et le glycol la traversant, ce qui permet de condenser l'eau, celle-ci est alors absorbée par le glycol. Le gaz, le glycol et l'eau sont ensuite injectés par l'orifice 124a dans le séparateur 124. Le glycol humide (chargé en eau à l'état liquide) est récupéré en partie basse par l'orifice 124c pour être traité dans le circuit secondaire, tandis que le gaz s'échappe en partie haute - puisqu'il est plus léger - par l'orifice 124b dans le circuit principal. Certains hydrocarbures contenus en amont dans le gaz peuvent également être condensés par refroidissement, ils sont alors récupérés en partie basse du séparateur 124 par l'orifice 124d et évacués par la conduite 128. L'échangeur 120 sert à prérefroidir le gaz, l'eau et le glycol avant de les faire passer dans la machine frigorifique 122 par récupération du froid sur le gaz traité sortant du séparateur 124. Le circuit tertiaire est alimenté par prélèvement de gaz sec sortant de l'échangeur 120. Le gaz prélevé est envoyé dans la seconde chambre de séparation 104 par les conduites 103e, 103a après détente dans une vanne 126. En circulant au contact de la membrane de pervaporation dans le circuit tertiaire, le gaz prélevé diminue la pression partielle en eau. Ce gaz se charge en eau au contact de la membrane de pervaporation, puis il est mené par une conduite 103d à la machine frigorifique 122 à laquelle il sert de combustible lorsque celle-ci est une machine frigorifique à absorption. A la figure 3, les éléments identiques à ceux de la figure 1 ont été repérés par un nombre augmenté de 200 et ceux identiques à ceux de la figure 2 ont été repérés par un nombre augmenté de 100. Sur cette figure, les modifications apportées par rapport à la figure 2 concernent essentiellement le circuit tertiaire. La machine frigorifique 232 comprend sur cette figure deux évaporateurs 232a, 232b. Le premier évaporateur 232a est disposé dans le circuit principal de manière comparable à la machine frigorifique 122 de la figure 2. Le deuxième évaporateur 232b est placé dans le circuit tertiaire 203. Dans le circuit tertiaire, l'eau vaporisée par la membrane de pervaporation dans la seconde chambre de séparation 204 est condensée par le deuxième évaporateur 232b de la machine frigorifique 232 formant paroi froide. L'évaporateur 232b et la seconde chambre de séparation 204 sont reliés par une conduite 203f. L'eau condensée par l'évaporateur est évacuée par une conduite 203h via une conduite 203g et une pompe 234. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi, on pourrait prévoir pour assurer le fonctionnement de la membrane de pervaporation, d'utiliser la pompe à vide, le passage de gaz sec au contact de la membrane ou l'évaporateur pour la condensation de l'eau vaporisée par la membrane dans chacune des mises en oeuvre illustrées. On aurait aussi pu prévoir de grouper la machine frigorifique et le séparateur dans un seul ensemble. Cet ensemble pouvant également se charger de faire circuler le gaz au contact de glycol de sorte qu'il posséderait une entrée différenciée de gaz à traiter et de glycol sec. Revendications 1. Procédé pour traiter du gaz contenant de l'eau afin de réduire sa teneur en eau, le gaz circulant de l'amont (la, ioda, 201a) vers l'aval (lb, 101b, 201b) dans un circuit principal (1, 101, 201), ledit procédé comprenant les étapes suivantes: - interposer à l'endroit d'une zone de traitement (30, 130, 230), sur le circuit principal, une chambre de séparation et de condensation (18; 122,124; 224) - faire circuler, dans ladite chambre, le gaz au contact de glycol liquide présentant une faible teneur en eau, le glycol absorbant au moins une partie de l'eau contenue dans le gaz, - récupérer d'une part le glycol et l'eau à l'état liquide dans un circuit secondaire (2, 102, 202) et d'autre part le gaz sec dans le circuit principal, - régénérer le glycol en le séparant de l'eau récupérée du gaz, - assurer une recirculation du glycol ainsi séché vers la chambre de séparation et de condensation, caractérisé en ce que l'on interpose sur le circuit secondaire une membrane de pervaporation (6, 106, 206) imperméable au glycol et perméable à l'eau afin de séparer le glycol de l'eau récupérée du gaz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait circuler le glycol à contre courant par rapport au gaz circulant d'amont en aval dans le circuit principal. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - on injecte le glycol séché par passage sur la membrane de pervaporation dans le circuit principal en amont de la zone de traitement, puis - on condense l'eau en la refroidissant dans la chambre de séparation et de condensation, ou en amont de celle-ci. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que: - on récupère l'eau séparée du glycol par la membrane de pervaporation dans un circuit tertiaire, et - on fait circuler une partie du gaz traité dans le circuit tertiaire. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que: - on récupère l'eau séparée du glycol par la membrane de pervaporation dans un circuit tertiaire, et - on condense cette eau en la refroidissant. 6. Dispositif pour traiter du gaz contenant de l'eau afin de réduire sa teneur en eau, le gaz circulant de l'amont (la, 101a, 201a) vers l'aval (lb, 101b, 201b) dans un circuit principal (1, 101, 201), ledit dispositif comprenant: - une chambre de séparation et de condensation (18 ; 122, 124; 232a, 224) interposée sur le circuit principal à l'endroit d'une zone de traitement (30, 130, 230), comprenant une entrée de gaz (18c, 122a, 222a) à traiter, une entrée de glycol (18e, 122a, 222a), une sortie de glycol et d'eau (18f, 124c, 224c), et une sortie de gaz sec (18d, 124b, 224b), - un circuit secondaire (2, 102, 202) relié à la chambre de séparation et de condensation entre la sortie de glycol et d'eau (18f, 124c, 224c) et l'entrée de glycol (18e, 122a, 222a), et - des moyens de séchage du glycol interposés sur le circuit secondaire, caractérisé en ce que les moyens de séchage comprennent une membrane de pervaporation (6, 106, 206) imperméable au glycol et perméable à l'eau, pour sécher au moins en partie le glycol par passage sur cette membrane. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la zone de traitement est formée par une tour (18) dans laquelle: - le gaz circule du bas (18b) vers le haut (18a), - le glycol est injecté à contre-courant du gaz depuis le haut de la tour, - le glycol est récupéré par gravité en partie basse de la tour, de sorte que ladite tour forme également dispositif de séparation du glycol et du gaz. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de séparation du glycol et du gaz est formé par une machine frigorifique (122, 232a) et un séparateur (124,224) de liquide et de gaz. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit tertiaire, lequel est lié: - au circuit secondaire par l'intermédiaire de la membrane de pervaporation, le circuit tertiaire récupérant l'eau séparée du glycol, - en amont au circuit primaire, en aval du séparateur, afin de faire circuler une partie du gaz sec au contact de la membrane de pervaporation, - en aval à la machine frigorifique qu'il alimente en gaz combustible. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit tertiaire, lequel est lié: - en amont au circuit secondaire par la membrane de pervaporation, l'eau séparée du glycol étant récupérée dans le circuit tertiaire, - en aval à la machine frigorifique pour condenser l'eau récupérée.