Brevet FR2852255A1 — publié le 20040917

La présente invention concerne les procédés de traitement de mélanges gazeux de charge par perméation sélective dans une unité de perméation 5 comprenant au moins un perméateur à membrane ayant, d'un côté de la membrane, une entrée de gaz de charge et une sortie de résiduaire, et de l'autre côté de la membrane, une entrée de gaz de balayage et une sortie de perméat. Pour favoriser le transport à travers la membrane d'un composant présent dans le gaz de charge on peut, dans certaines applications, injecter côté 10 perméat un fluide suffisamment pauvre en ledit constituant pour baisser, sur ce côté perméat, la pression partielle du constituant et donc favoriser son transport à travers la membrane. Pour une surface donnée de membrane, cette opération se traduit par une perte de la pureté du perméat mais trouve cependant de nombreuses applications, par exemple lorsque la production de l'unité de 15 traitement est le résiduaire ou lorsque la quantité de gaz perméat extraite prime sur la pureté, ce qui est le cas par exemple pour la production d'hydrogène impur. Un problème général rencontré avec des unités de perméation de tous types tient dans les variations entre les conditions dites de " dimensionnement " 20 de l'installation et les conditions réelles d'exploitation: en l'absence d'actions correctives, les performances obtenues concrètement diffèrent, parfois considérablement, de celles prévues initialement. Les solutions connues consistent généralement à modifier les pressions de fonctionnement côté gaz de charge et/ou côté perméat, ou bien à changer la température opératoire, ce qui 25 modifie les caractéristiques de la membrane ou encore en faisant varier la surface de perméation, en ne mettant en oeuvre que certains sous-ensembles de l'unité de perméation. Ce faisant, on peut par exemple maintenir la pureté de la production mais nécessairement au prix d'une pénalisation sur un des paramètres de fonctionnement (pression, température ou surface de 30 membrane). La présente invention a pour but de proposer un procédé de traitement d'un mélange gazeux permettant, en cas de variations dans les conditions de fonctionnement réelles, de conserver une récupération maximale de gaz de production pour une pureté donnée de ce dernier. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, on ajuste le débit de gaz de balayage en fonction d'au moins un paramètre d'au moins un des, gaz de charge et de sortie du perméateur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: Le paramètre est le débit dudit gaz et/ou une teneur en un desdits constituants dudit gaz. Le procédé selon l'invention permet ainsi de réguler la pureté de la 10 production tout en conservant la totalité de la surface de perméation, l'écart de pression maximum disponible et la température opératoire optimale. Le. procédé selon l'invention permet de prendre en compte dans un, large domaine les variations de débit, de composition, de pressions, voire de température si. cette dernière n'est pas régulée par ailleurs. Il permet également 15 de prendre en compte des modifications au cours du temps des caractéristiques de la membrane. Le. procédé selon. l'invention permet également de modifier de façon quasi instantanée la pureté de la production, un changement de consigne de pureté ayant une action immédiate sur le débit de balayage pour retrouver en très peu de temps une nouvelle marche stable optimisée. 20. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: - la figure.1 est une vue schématique.d'une unité de perméation mettant 25 en oeuvre le procédé de l'invention; et la figure 2 est une vue schématique d'une variante de réalisation de l'invention avec balayage du côté perméat par du résiduaire. Dans le mode de réalisation dela figure 1, un gaz.de charge 1, contenant typiquement de l'hydrogène, est adressé à l'entrée 2 d'un perméateur 3 30 comprenant une surface membranaire 4 perméable à. l'hydrogène telle que celles disponibles auprès. de la. Société Médal, Wilmington - USA. Un gaz résiduaire 5 appauvri en hydrogène quitte le perméateur 3 par la sortie 6 du côté rétentat de la membrane 4. Côté perméat, un gaz de balayage 7 (par exemple de l'azote provenant d'une boîte froide d'une unité de séparation cryogénique de gaz de l'air) est introduit par l'entrée 8 pour assister l'évacuation, par la sortie 9, d'un flux 10 de gaz perméat contenant l'hydrogène qui a été extrait du résiduaire 5. Selon l'invention, dans la ligne 7 de gaz de balayage est disposé un régulateur de débit 11 commandé par des signaux en provenance d'une unité de commande 12 recevant des signaux d'entrée indicateurs de paramètres significatifs des gaz circulants dans l'installation, typiquement de capteurs de débit et/ou d'analyseurs 13,14,15, disposés respectivement dans les 10 canalisations de gaz de charge 1, de gaz résiduaire 5 et de gaz perméat 10. Ainsi, en ajustant le débit de gaz de balayage 7 il est possible soit de maintenir une teneur en hydrogène constante dans le gaz résiduaire 5 malgré des variations de teneur et/ou de débit dans le gaz de charge 1, soit de maintenir une quantité constante d'hydrogène dans le gaz résiduaire 10 malgré des 15 variations de débit du gaz de charge, selon que l'on veut privilégier l'un ou l'autre de ces paramètres. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on a représenté une cascade de deux groupes de perméateurs installés en série 3A, 3B pour le traitement d'un gaz de charge 1 contenant majoritairement de l'hydrogène, le résiduaire 5A 20 du premier groupe 3A alimentant le deuxième groupe 3B dont le résiduaire 5B est utilisé en partie comme gaz de balayage du côté perméat du deuxième groupe 3B dont le perméat 10B est fusionné avec le perméat 10A du premier groupe 3A exempt, lui, de balayage. Dans ce mode de réalisation, le débit du gaz de balayage 7A du côté 25 perméat du deuxième groupe 3B est régulé en fonction de la teneur en hydrogène mesurée par le capteur 15 dans le flux mélangé des perméats des deux groupes 3A et 3B. Ainsi, pour un gaz de charge 1 à un débit nomial d'environ 8000 Nm31h comportant de 65 à 75% d'hydrogène, de 15 à 20% de méthane, de 10 à 15% 30 d'hydrocarbure C2-C6, sous une pression d'alimentation d'environ 60 bars et avec une pression de perméat d'environ 30 bars, le système permet de maintenir la pureté de la production d'hydrogène (90% en moles en l'espèce) en 10 sur toute la plage de compositions du gaz de charge avec un débit de balayage variant entre environ 450 et 270 Nm3/h. En cas de réduction du débit du gaz de charge 1, on peut maintenir cette pureté de l'hydrogène tout en conservant les autres conditions opératoires et la totalité de la surface de perméation des deux unités 3A et 3B. Dans le cas du gaz de charge le plus lourd, c'est à dire avec une teneur minimale d'environ 65% en hydrogène, le débit de balayage passe des 270 Nm3/h susmentionné à environ 120 Nm3/h pour 80% du débit de gaz de charge d'alimentation, à environ 60Nm3/h pour 70% du débit d'alimentation, et avoisine 0 pour 60% du débit d'alimentation en gaz de charge. Pour des débits inférieurs, 10 il faut. recourir alors aux méthodes classiques telles que celles jouant par exemple sur la surface totale de perméation, en isolant une partie des unités de perméation. Dans le cas du gaz de charge le plus léger (c'est-à-dire avec une teneur d'environ 75% en d'hydrogène), le débit de gaz de charge peut descendre 15 jusqu'à 50% de la valeur nominale par simple adaptation du débit du balayage dans les plages susmentionnées. Dans d'autres cas, une fraction du gaz de charge peut être également utilisée comme gaz de balayage. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de 20 réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un mélange gazeux de charge par 5 perméation sélective dans une unité de perméation comprenant au moins un perméateur (3) à membrane (4) ayant, d'un côté de la membrane, une entrée (2) de gaz de charge (1) et une sortie (6) de résiduaire (5) et, de l'autre côté de la membrane (4), une entrée (8) de gaz de balayage (7) et une sortie (9) de perméat (10), caractérisé en ce que l'on ajuste le débit de gaz de balayage (7) 10 en fonction d'au moins un paramètre d'au moins un des gaz de charge et de sortie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre est un débit. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 15 paramètre est une teneur en un desdits constituants dudit gaz. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz de balayage (7B) est une fraction du résiduaire (5B). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le gaz de balayage (7) est un gaz extérieur. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le perméat (10) contient un pourcentage élevé en hydrogène.