Brevet FR2903766A1 — publié le 20080118

La présente invention s'applique aux procédés de production de monoxyde de carbone et/ou d'hydrogène par distillation cryogénique. Quand un procédé de production de monoxyde de carbone est alimenté à partir d'une source de gaz de synthèse contenant de l'azote, le monoxyde de carbone à produire doit être épuré substantiellement de l'azote qu'il pourrait contenir. Dans une unité de production conventionnelle de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène (basé sur un cycle au monoxyde de carbone), où le monoxyde de carbone à produire doit être épuré substantiellement de l'azote qu'il pourrait contenir, il est constaté que les io inventaires de produit toxiques et/ou inflammables croissent dans les mêmes proportions que les débits de production. Sur les usines de grosses tailles ces inventaires de produits toxiques et/ou inflammables présentent une source de risque importante en cas d'accident. EP-A-0532 387 propose de substituer le cycle au monoxyde de carbone 15 par un cycle indépendant fonctionnant notamment avec de l'azote. Cette invention traite le cas de séparation du gaz de synthèse en trois colonnes où le monoxyde de carbone est soutiré en tête de la troisième colonne et sous forme liquide avant d'être pompé, et permet dans ce cas de réduire à un minimum les inventaires de monoxyde de carbone liquide dans l'unité. 20 Dans le cas où il serait nécessaire d'épurer substantiellement le monoxyde de carbone de l'azote qu'il pourrait contenir, il est nécessaire de mettre en oeuvre une colonne additionnelle permettant d'effectuer la séparation monoxyde de carbone / azote. Dans ce cas le monoxyde de carbone est soutiré en cuve de la colonne additionnelle sous forme liquide avant d'être pompé. 25 Cette colonne opérant de façon générale à basse pression afin de faciliter la séparation du binaire azote / monoxyde de carbone, il en résulte des colonnes de grand diamètre et donc qui par conséquent contiennent dans la cuve et dans le condenseur de tête des quantités de monoxyde de carbone liquide extrêmement importantes. 30 Le cycle de réfrigération est un cycle indépendant pouvant être notamment un cycle azote. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène à partir d'un mélange gazeux 2 2903766 comprenant essentiellement ces deux corps, du méthane et de l'azote, du type dans lequel le mélange gazeux de départ est lavé au méthane liquide dans une première colonne pour fournir de l'hydrogène gazeux et un liquide de lavage ; l'hydrogène dissous dans le liquide de lavage est séparé de celui-ci dans une 5 deuxième colonne, et le liquide restant est séparé par distillation dans une troisième colonne pour fournir un liquide enrichi en monoxyde de carbone en tête de cette troisième colonne et un liquide enrichi en méthane en cuve de la troisième colonne, caractérisé en ce qu'on envoie au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone à une quatrième colonne, on soutire un io débit riche en monoxyde de carbone en cuve de la quatrième colonne et on chauffe la cuve de la quatrième colonne au moyen d'une vapeur de tête de la troisième colonne. Selon d'autres objets facultatifs : - la quatrième colonne a un condenseur de tête, 15 - on refroidit le condenseur de tête au moyen d'un cycle frigorifique fermé, - on chauffe la deuxième et/ou la troisième colonne au moyen d'un cycle frigorifique fermé, - on soutire le monoxyde de carbone de production de la quatrième 20 colonne sous forme liquide, puis on l'amène par pompe à la pression d'utilisation et on le réchauffe sous cette pression d'utilisation, - le cycle frigorifique est un cycle d'au moins un fluide non toxique et/ou ininflammable, par exemple un cycle d'azote. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de 25 production de monoxyde de carbone et d'hydrogène à partir d'un mélange gazeux comprenant essentiellement ces deux corps, du méthane et de l'azote, du type comprenant : une première colonne munie en cuve d'une entrée dudit mélange gazeux et en tête d'une entrée de méthane liquide ; une deuxième colonne munie en cuve d'un vaporiseur et en au moins un point de la dite 30 colonne d'une entrée de liquide reliée à la cuve de la première colonne ; une troisième colonne munie en cuve d'un vaporiseur, en tête de moyens de création de reflux et de moyens de soutirage d'un fluide enrichi en monoxyde de carbone, et en au moins un point intermédiaire d'une entrée reliée à la cuve 3 2903766 de la deuxième colonne ; et un cycle frigorifique assurant le chauffage et/ou le refroidissement des trois colonnes, caractérisée en ce qu'elle comprend une quatrième colonne, des moyens reliant un point intermédiaire de la quatrième colonne avec les moyens de soutirage d'un fluide enrichi en monoxyde de 5 carbone, les moyens de création de reflux étant constitués par un vaporiseur de cuve de la quatrième colonne. Selon d'autres objets facultatifs : - un cycle frigorifique qui est un cycle fermé, et dans lequel les moyens de soutirage de monoxyde de carbone sont des moyens de soutirage de liquide io reliés à l'aspiration d'une pompe, l'installation comprenant des moyens (4) de réchauffement du fluide refoulé par cette pompe. - le cycle frigorifique est un cycle utilisant au moins un fluide non toxique et/ou ininflammable, par exemple l'azote. En substituant le cycle de réfrigération au monoxyde de carbone par un 15 cycle azote par exemple les inventaires de monoxyde de carbone seront notablement réduits (fluide du condenseur devenant de l'azote liquide), en complément il est proposé selon l'invention de superposer la troisième colonne (séparation monoxyde de carbone / méthane) et la quatrième colonne (séparation monoxyde de carbone / azote) en les liant thermiquement via un 20 rebouilleur condenseur (conventionnel ou préférablement à faible encours de liquide), ainsi les inventaires de liquide toxiques et/ou inflammable sont réduits au minimum. L'installation comprend essentiellement une première colonne, ou colonne de lavage, 1, une deuxième colonne, ou colonne d'épuisement dite 25 colonne de flash , 2, une troisième colonne, ou colonne de séparation monoxyde de carbone / méthane, 3, une quatrième colonne, ou colonne de déazotation 4, un échangeur de chaleur 10 du type indirect et à circulation à contre-courant des fluides mis en relation d'échange thermique, des pompes P1 et P2, et un cycle frigorifique. Ce cycle comprend un compresseur 11, une 30 turbine de détente T et une vanne de détente. Pour assurer le chauffage des colonnes 2 et 3 au moyen du cycle frigorifique, la colonne 2 comporte en cuve un vaporiseur 5 et la colonne 3 comporte en cuve un vaporiseur 6. Pour assurer le refroidissement des 4 2903766 colonnes 1 et 4 au moyen du cycle frigorifique, la colonne 1 comporte au niveau intermédiaire un refroidisseur 9, et la colonne 4 comporte en tête un condenseur 8. Le mélange gazeux, ou di-phasique initial SG, introduit en cuve de la 5 colonne 1, via une conduite, sous une pression par exemple de l'ordre de 15 à 40 bars absolus, est lavé dans cette colonne au moyen de méthane liquide introduit en tête de colonne via une conduite 16, une réfrigération intermédiaire de la colonne étant assurée par le condenseur 9 au moyen du cycle frigorifique. Un courant d'hydrogène gazeux de production H2, sous pression, est io soutiré en tête de la colonne 1 via une conduite, tandis que le liquide de cuve, essentiellement constitué de monoxyde de carbone, de méthane, d'azote et d'hydrogène, est envoyé, via une conduite 18 équipée d'une vanne de détente 18A, en tête de la colonne 2. Cette dernière étant chauffée en cuve par le vaporiseur 5, l'hydrogène dissous est séparé du liquide dans cette deuxième 15 colonne, sous une pression de l'ordre de 5 à 20 bars, et est évacué en tête via une conduite 19. Le liquide de cuve de la colonne 2, constitué essentiellement de méthane, d'azote et de monoxyde de carbone, est introduit, via une conduite 20 équipée d'une vanne de détente 20A, en un point intermédiaire de la colonne 3. 20 Cette dernière, chauffée en cuve par le vaporiseur 6 et refroidie en tête par le condenseur 7, sépare les deux constituants du liquide par distillation sous une pression de l'ordre de 2 à 10 bars. Du méthane liquide contenant les impuretés lourdes est soutiré en cuve de la colonne 3 via une conduite 21, et du monoxyde de carbone liquide contenant des impuretés légères telles que 25 l'azote est soutiré en tête de la même colonne via une conduite 22. Tandis que le méthane liquide est en partie purgé et en partie recyclé, via une conduite 21A équipée d'une pompe P2, dans la conduite 16 qui alimente la tête de la colonne 1, le monoxyde de carbone liquide mélangé avec de l'azote est envoyé à un point intermédiaire de la colonne 4 après détente. Le 30 liquide de cuve de la colonne 4 est chauffé par la vapeur de tête de la colonne 3 via le vaporiseur 7. Le gaz de tête de la colonne 4 est condensé au moyen du condenseur de tête 8 alimenté en liquide par le cycle frigorifique amenant du liquide des condenseurs 5 et 6. 5 2903766 Des gaz de purge PG1 et PG2 sont soutirés des condenseurs 7 et 8 respectivement. Le liquide de cuve de la colonne 3 est du monoxyde de carbone pur qui est amené par la pompe P1 à la pression d'utilisation désirée, puis réchauffé 5 sous cette pression dans des passages de l'échangeur de chaleur 10, d'où il ressort sous forme de produit gazeux via une conduite 24. On décrira maintenant le cycle frigorifique 6, qui peut être un cycle azote fermé, c'est-à-dire dont le fluide de cycle est de l'azote ou un autre gaz non toxique et/ou ininflammable et qui est entièrement séparé des circuits de fluides io précités. L'azote de cycle, comprimé par le compresseur 11 dans une conduite haute pression 25, est refroidi dans des passages de l'échangeur 10 puis condensé dans des vaporiseurs 5 et 6. L'azote liquide haute pression est détendu dans des vannes de détente 13, 15 et envoyé au condenseur 8. 15 L'azote gazeux basse pression issu de ce condenseur 8 est renvoyé via une conduite 27 et l'échangeur 10 à l'aspiration basse pression du compresseur 11. Une fraction de l'azote gazeux haute pression sortant des passages est détendue dans la turbine T à une pression intermédiaire puis réchauffée dans des passages de l'échangeur 10 et renvoyé à un étage intermédiaire du 20 compresseur 11. Une fraction du monoxyde de carbone de cuve vaporisé 29 est soutirée à une température approprié de l'échangeur 10 et détendue dans une vanne 29A avant d'être injectée en partie basse de la colonne de déazotation 4. Cela permet de découpler le fonctionnement des troisième et quatrième colonnes 3, 25 4 par un chauffage additionnel que l'on ajuste, en fonction, par exemple, de la quantité d'azote qu'il y a dans le mélange gazeux SG. Un débit d'azote liquide peut être produit comme produit final (non-illustré). Comme exemple, sur une unité de production de 33 000 Nm3/h de 30 monoxyde de carbone, dans le cas conventionnel d'un procédé avec colonne de séparation monoxyde de carbone / azote et cycle au monoxyde de carbone, l'inventaire total de liquide toxique et/ou inflammable avoisine les 70 m3. 6 2903766 En remplaçant le cycle au monoxyde de carbone par un cycle azote par exemple, et en superposant les deux dernières colonnes 3,4 en les liant avec un rebouilleur/ condenseur 7 à faible encours de liquide, il est envisageable de réduire l'inventaire de liquide toxique et/ou inflammable aux alentours de 25 m3 5 soit une réduction de 65 %. Il est à noter aussi que l'inventaire de produit toxique uniquement (monoxyde de carbone) est dans le cas de la solution conventionnelle de 53 m3, pour être réduit aux alentours de 8 m3 dans le cadre de l'invention, soit une réduction de 85 0/0 io 7 REVENDICATIONS 1. Procédé de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène à partir d'un mélange gazeux comprenant essentiellement ces deux corps, du méthane et de l'azote, du type dans lequel le mélange gazeux de départ est lavé au méthane liquide dans une première colonne (1) pour fournir de l'hydrogène gazeux et un liquide de lavage ;l'hydrogène dissous dans le liquide de lavage est séparé de celui-ci dans une deuxième colonne (2), et le liquide restant est séparé par distillation dans une troisième colonne (3) pour fournir un io liquide enrichi en monoxyde de carbone en tête de cette troisième colonne et un liquide enrichi en méthane en cuve de la troisième colonne, caractérisé en ce qu'on envoie au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone à une quatrième colonne (4), on soutire un débit riche en monoxyde de carbone en cuve de la quatrième colonne et on chauffe la cuve de la quatrième colonne 15 au moyen d'une vapeur de tête de la troisième colonne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la quatrième colonne a un condenseur de tête. 20 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on refroidit le condenseur de tête au moyen d'un cycle frigorifique fermé. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on chauffe la deuxième et/ou la troisième colonne (2, 3) au moyen d'un cycle 25 frigorifique fermé. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on soutire le monoxyde de carbone de production de la quatrième colonne (4) sous forme liquide, puis on l'amène par pompe (P1) à la pression d'utilisation et 30 on le réchauffe sous cette pression d'utilisation. 6. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cycle frigorifique est un cycle d'au moins un fluide non toxique et/ou ininflammable, par exemple un cycle d'azote. 8 2903766 7. Installation de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène à partir d'un mélange gazeux comprenant essentiellement ces deux corps, du méthane et de l'azote, du type comprenant : une première 5 colonne (1) munie en cuve d'une entrée dudit mélange gazeux et en tête d'une entrée de méthane liquide ; une deuxième colonne (2) munie en cuve d'un vaporiseur (5) et en au moins un point de la dite colonne d'une entrée de liquide reliée à la cuve de la première colonne (1) ; une troisième colonne (3) munie en cuve d'un vaporiseur (6), en tête de moyens (7) de création de reflux et de io moyens (22) de soutirage d'un fluide enrichi en monoxyde de carbone, et en au moins un point intermédiaire d'une entrée reliée à la cuve de la deuxième colonne (2) ; et un cycle frigorifique (6) assurant le chauffage et/ou le refroidissement des trois colonnes (1 à 3), caractérisée en ce qu'elle comprend une quatrième colonne (4), des moyens reliant un point intermédiaire de la 15 quatrième colonne avec les moyens (22) de soutirage d'un fluide enrichi en monoxyde de carbone, les moyens (7) de création de reflux étant constitués par un vaporiseur de cuve de la quatrième colonne. 8. Installation selon la revendication 7 comprenant un cycle 20 frigorifique (6) qui est un cycle fermé, et dans lequel les moyens de soutirage de monoxyde de carbone sont des moyens de soutirage de liquide reliés à l'aspiration d'une pompe (P1), l'installation comprenant des moyens (10) de réchauffement du fluide refoulé par cette pompe (P1). 25 9. Installation suivant la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le cycle frigorifique est un cycle utilisant au moins un fluide non toxique et/ou ininflammable, par exemple l'azote.