Brevet FR2860442A1 — publié le 20050408

L'invention se rapporte au domaine des procédés de traitement d'un gaz par un solvant. Elle propose d'utiliser une turbine diphasique pour régénérer le solvant utilisé pour le traitement d'un gaz. Le traitement de gaz, par exemple de gaz naturel, de gaz de synthèse, de gaz de combustion, de gaz issus de cycles combinés intégrés, implique d'une manière générale l'élimination d'impuretés telles que l'azote (N2), l'ammoniac (NH3), et des composés acides comme le dioxyde de carbone (CO2) , le sulfure d'hydrogène (H2S), le dioxyde de soufre (SO2), le COS, le CS2 et les mercaptans. 1 o Ces impuretés sont présentes en différentes proportions selon l'origine du gaz. Dans le cas du gaz naturel, le CO2 et l'H2S peuvent être présents à l'état de traces, quelques ppm, mais peuvent aussi représenter une proportion non négligeable du gaz brut, jusqu'à 70% en volume. D'autres impuretés, telles que le COS, le CS2 et les mercaptans peuvent être rencontrés, généralement quelques milliers de ppm. En fonction des teneurs initiales en impuretés du gaz à traiter, mais aussi en fonction des spécifications visées pour le gaz traité, différents procédés de purification sont mis en oeuvre. Les plus courants sont les procédés utilisant des solvants. Ces derniers peuvent être de nature physique ou chimique. Les solvants de nature physique sont basés sur la solubilité préférentielle des impuretés dans le solvant, et sont donc favorisés par les fortes pressions partielles des impuretés dans le gaz à traiter. Les solvants de nature chimique sont idéalement mis en oeuvre pour atteindre les spécifications les plus strictes sur le gaz traité, ceci par la consommation chimique des espèces absorbées par réaction avec un agent actif contenu dans le solvant d'absorption. Il existe également les solvants de nature hybride constitués d'un mélange de solvants physique et chimique de façon à bénéficier des avantages de ces deux solvants. Quelle que soit l'origine de l'effluent gazeux à traiter, la boucle de purification est d'une manière générale composée d'une étape de captation des impuretés par un solvant, et d'une étape de régénération du solvant. L'étape de régénération est conditionnée par la nature du solvant mis en oeuvre. Dans le cas d'un solvant faisant intervenir une réaction chimique, l'utilisation d'une régénération thermique est généralement mise en oeuvre pour obtenir une pureté suffisante du solvant en vue d'atteindre les spécifications recherchées. La régénération thermique peut être précédée d'une régénération par détente, afin de limiter l'énergie à mettre en oeuvre lors de la régénération thermique. Dans le cas d'un solvant de nature hybride ou physique, la régénération est essentiellement réalisée par détente, éventuellement complétée par une phase de régénération thermique. L'invention propose d'améliorer la régénération par détente d'un 15 solvant en effectuant une détente dans une turbine diphasique. De manière générale, la présente invention concerne un procédé de traitement d'un gaz comportant au moins l'une des impuretés CO2, H2S, SO2, COS, CS2, mercaptans, N2 et NH3. On effectue les étapes suivantes: a) on met en contact le gaz avec un solvant absorbant les impuretés, de manière à obtenir un solvant chargé en impuretés et un gaz épuré, b) on détend le solvant chargé en impuretés à travers une turbine diphasique pour libérer une quantité d'impuretés sous forme gazeuse et pour obtenir un solvant appauvri en impuretés, c) on sépare ladite quantité d'impuretés dudit solvant appauvri en impuretés. Selon l'invention, la turbine diphasique peut être une turbine rotodynamique, par exemple, comportant au moins un impulseur et au moins un distributeur. Le procédé selon l'invention peut comporter les étapes suivantes: d) on détend ledit solvant appauvri en impuretés à travers une deuxième turbine diphasique pour libérer une deuxième quantité d'impuretés sous 5 forme gazeuse et pour obtenir un solvant détendu, e) on sépare ladite deuxième quantité d'impuretés dudit solvant détendu. Selon l'invention, la turbine diphasique utilisée à l'étape b) peut comporter au moins un impulseur et au moins un distributeur, la deuxième turbine diphasique utilisée à l'étape d) peut comporter au moins un impulseur et au moins un distributeur, les impulseurs desdites turbines pouvant être montés sur un même arbre. Le procédé selon l'invention peut comporter les étapes suivantes: f) ledit solvant appauvri en impuretés est distillé de manière à séparer les impuretés du solvant, g) le solvant distillé est recyclé à l'étape a). Selon l'invention, on peut effectuer l'étape a) sous une pression comprise entre 1 MPa absolu et 15 MPa absolu, de préférence entre 3 MPa absolu et 10 MPa absolu, et à l'étape b) le solvant peut être détendu jusqu'à une pression comprise entre 0,1 MPa absolu et 3 MPa absolu. Le solvant mis en oeuvre par le procédé selon l'invention peut être un 25 solvant de nature physique. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins parmi lesquels: la figure 1 représente schématiquement un procédé selon 5 l'invention, la figure 2 représente schématiquement une variante du procédé selon l'invention, les figures 3 et 4 représentent une turbine diphasique mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention, - la figure 5 représente une deuxième turbine diphasique mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention. Sur la figure 1, le gaz à traiter arrivant par le conduit 10 comporte des impuretés telles que le CO2, le H2S, le SO2, le COS, le CS2, les mercaptans, le NH3, le N2. Ce gaz peut être un gaz naturel comportant notamment des hydrocarbures, un gaz de synthèse comportant notamment de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, un gaz de combustion éventuellement issu de cycle combiné comportant notamment de l'azote et de l'oxygène. Le gaz est éventuellement refroidi dans l'échangeur de chaleur El, puis est introduit par le conduit 11 dans la colonne d'absorption Cl. Ensuite, le gaz est mis en contact avec un solvant liquide introduit en tête de la colonne Cl par le conduit 18. Le solvant absorbe les impuretés contenues dans le gaz. Le gaz épuré, c'est à dire appauvri en impuretés, est évacué en tête de la colonne Cl par le conduit 19. Le solvant peut être de nature physique ou chimique. Par exemple, le solvant peut être un alcool, un glycol, un hydrocarbure lourd tel que le carbonate de propylène, un carbonate de potassium, une morpholine, un diméthyléther de polyéthylèneglycol, une amine telle une alkanolamine ou une alkylamine. Le solvant peut également être un mélange de deux ou plusieurs solvants précités. Le solvant liquide chargé en impuretés est évacué de la colonne Cl par le conduit 12, puis détendu dans la turbine diphasique Tl. Le solvant détendu est introduit dans le ballon de séparation B1. Les impuretés libérées sous forme gazeuse lors de la détente sont évacuées en tête du ballon B1 par le conduit 20. Le solvant liquide récupéré en fond du ballon B1 par le conduit 13 est appauvri en impuretés. Il peut être recomprimé par la pompe P1, puis introduit par le conduit 18 en tête de la colonne Cl. La détente dans la turbine Tl présente l'avantage de refroidir le solvant. Cependant, si le solvant régénéré n'est pas suffisamment froid, il peut être sous-refroidi par l'échangeur de chaleur E5 avant d'être introduit dans la colonne Cl. La figure 2 représente une variante du procédé décrit en référence à la figure 1. Les étapes effectuées dans l'échangeur El, la colonne Cl, la turbine Ti et le ballon B1 de la figure 2 sont identiques aux étapes effectuées dans les mêmes éléments de la figure 1. Sur la figure 2, le solvant liquide issu en fond du ballon B1 par le conduit 13 est détendu dans la turbine diphasique T2. Le solvant détendu est introduit dans le ballon de séparation B2. Les impuretés libérées sous forme de gaz lors de la détente sont évacués en tête du ballon B2 par le conduit 21. La détente dans la turbine T2 est optionnelle, c'est à dire que, dans le procédé décrit en relation avec la figure 2, les éléments T2, B2 et 21 peuvent être supprimés et le conduit 13 peut directement être relié au conduit 14. Le solvant liquide récupéré en fond du ballon B2 par le conduit 14 est appauvri en impuretés. Il est refroidi dans l'échangeur de chaleur E4, puis introduit dans la colonne de distillation C2. La colonne de distillation permet de réaliser une régénération poussée du solvant, c'est à dire de réduire la teneur en impuretés du solvant à un niveau très faible, et en tout cas à un niveau inférieur à celui obtenu par une régénération par détente. Le rebouilleur E2 apporte la chaleur nécessaire à la distillation dans la colonne C2. La phase gazeuse évacuée en tête de la colonne C2 par le conduit 15 comporte principalement des impuretés. Cette phase gazeuse est partiellement condensée par refroidissement dans l'échangeur de chaleur E3, puis introduite dans le ballon séparateur B3. Une phase gazeuse comportant principalement des impuretés est évacuée du ballon B3 par le conduit 17. Les condensats prélevés en fond du ballon B3 sont injectés par le conduit 16 en tête de la colonne C2 à titre de reflux. Le solvant régénéré disponible en fond de la colonne C2 est pompé par la pompe P1, refroidi dans l'échangeur de chaleur E4, puis injecté en tête de la colonne d'absorption Cl. La détente dans les turbines T1 et T2 présente l'avantage de refroidir le solvant. Ainsi, le solvant obtenu après détente constitue un fluide réfrigérant pour refroidir le solvant régénéré destiné à être introduit dans la colonne Cl. Cependant, si le solvant régénéré n'est pas suffisamment froid, il peut être sous-refroidi par l'échangeur de chaleur E5 avant d'être introduit dans la colonne Cl. Dans les procédés décrits en relation avec les figures 1 et 2, la détente du solvant par les turbines diphasiques T1 et T2 présentent les avantages suivants. La réduction de pression permet de libérer les impuretés sous forme gazeuse. La détente du solvant par turbine est accompagnée d'une réduction de température du solvant. En effet, la détente par turbine est proche d'une détente isentropique. Cette production de froid permet de compenser l'élévation de température dans la colonne d'absorption lors de la réaction d'absorption qui est en général exothermique. Ainsi, le procédé selon l'invention ne nécessite pas de source extérieure de refroidissement et constitue, de ce fait un procédé auto-therme. Par exemple, lorsque le solvant est régénéré uniquement par détente, le solvant obtenu après détente ne nécessite pas, ou nécessite qu'une faible réduction de température avant l'injection du solvant dans la colonne d'absorption. De même, lorsque le solvant est régénéré par détente et par distillation, le solvant obtenu à basse température après détente constitue un fluide réfrigérant permettant de refroidir le solvant régénéré à haute température issu de la colonne de distillation. L'énergie de détente peut être récupérée sur l'arbre de la turbine diphasique. Cette énergie de détente peut être réutilisée pour réaliser la compression du solvant par la pompe P1 et/ou la recompression des impuretés sous forme gazeuse circulant dans les conduits 20 et 21 en sortie des ballons B1 et B2. En outre, les turbines diphasiques mises en oeuvre dans le procédé selon l'invention accepte le dégazage en grande quantité des impuretés contenues dans le solvant à régénérer. Dans la présente description, une turbine diphasique désigne une turbine conçue pour détendre un fluide dont le taux volumique de gaz peut être supérieur à 5 %. Les turbines diphasiques Tl et T2 peuvent être des turbines de type rotodynamique comportant des impulseurs et des distributeurs, par exemple une machine telle que décrite par l'un des brevets suivants: FR 2 333 139, FR 2 471 501 et FR 2 665 224. La figure 3 représente une turbine diphasique 30 qui comporte deux étages de détente disposés dans le carter 32. Le premier étage est constitué par le couple distributeur Dl et impulseur Ii, le second étage est constitué par le couple distributeur D2 et impulseur I2. Les impluseurs Il et I2 sont montés sur le rotor 31 qui est mobile en- rotation dans le carter 32 de la turbine. Les distributeurs Dl et D2 sont solidaires du carter 32. Le fluide à détendre est introduit dans le carter par l'ouverture 33, circule successivement entre les aubes de Dl, Il, D2 et I2, puis le fluide détendu par la turbine 30 est évacué par l'ouverture 34. Les distributeurs Dl et D2 permettent de transformer l'énergie potentielle du fluide en énergie cinétique. Le changement de moment exercé par le fluide permet un transfert de l'énergie du fluide sur le rotor à l'aide des impulseurs. La figure 4 représente une vue développée des impulseurs Il et I2 et des distributeurs Dl et D2. Les références 40 et 41 désignent les aubes des distributeurs Dl et D2, les références 42 et 43 désignent les aubes des impulseurs Il et I2. Les turbines Tl et T2 peuvent être intégrées dans une machine unique 50 telle que représentée par la figure 5. Les turbines Tl et T2 sont disposées dans le carter 52. La turbine Tl est composée par les distributeurs D3 et D4, et par l'impulseur I3, la turbine T2 est composée par les distributeurs D5 et D6, et par l'impulseur I5. Les impulseurs I3 et I5 sont montés sur le même arbre 51 monté mobile en rotation dans le carter 52. Le dispositif 57 de séparation et d'étanchéité permet d'isoler la turbine Tl de la turbine T2. Le fluide entre dans la turbine Tl par l'orifice 53, circule successivement entre les aubes de D3, I3 et D4, puis est évacué par l'orifice 54. Puis, le fluide entre dans la turbine T2 par l'orifice 55, circule successivement entre les aubes de D5, I5 et D6, puis est évacué par l'orifice 56. REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement d'un gaz comportant au moins l'une des impuretés CO2, H2S, SO2, COS, CS2, mercaptans, N2 et NH3, procédé dans lequel on effectue les étapes suivantes: a) on met en contact le gaz avec un solvant absorbant les impuretés, de manière à obtenir un solvant chargé en impuretés et un gaz épuré, b) on détend le solvant chargé en impuretés à travers une turbine diphasique pour libérer une quantité d'impuretés sous forme gazeuse et pour obtenir un solvant appauvri en impuretés, c) on sépare ladite quantité d'impuretés dudit solvant appauvri en impuretés. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel la turbine diphasique est une turbine rotodynamique. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel la turbine rotodynamique comporte au moins un impulseur et au moins un distributeur. 4) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on effectue les étapes suivantes: d) on détend ledit solvant appauvri en impuretés à travers une deuxième turbine diphasique pour libérer une deuxième quantité d'impuretés sous 25 forme gazeuse et pour obtenir un solvant détendu, e) on sépare ladite deuxième quantité d'impuretés dudit solvant détendu. 5) Procédé selon la revendication 4, dans laquelle la turbine diphasique utilisée à l'étape b) comporte au moins un impulseur et au moins un distributeur, la deuxième turbine diphasique utilisée à l'étape d) comporte au moins un impulseur et au moins un distributeur, les impulseurs desdites turbines étant montés sur un même arbre. 6) Procédé selon la revendication 1, dans lequel on effectue les étapes: f} ledit solvant appauvri en impuretés est distillé de manière à séparer les impuretés du solvant, g) le solvant distillé est recyclé à l'étape a). 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on effectue l'étape a) sous une pression comprise entre 1 MPa absolu et 15 MPa absolu et dans lequel à l'étape b) le solvant est détendu jusqu'à une pression comprise entre 0,1 MPa absolu et 3 MPa absolu. 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le solvant est un solvant de nature physique.