Brevet FR2946418A1 — publié le 20101210

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de récupération d'argon dans une unité de séparation de gaz de purge de synthèse d'ammoniac. Une installation classique de production d'ammoniac par reformage de gaz naturel comporte généralement les étapes suivantes : - désulfuration finale du gaz naturel - reformage primaire - postcombustion à l'air avec lequel est introduit l'azote de synthèse - conversion de CO - décarbonatation - méthanisation - compression - boucle de synthèse d'ammoniac. Afin d'éliminer les inertes et éviter qu'ils ne s'accumulent dans le système, la boucle de synthèse d'ammoniac produit un gaz de purge qui contient les composés suivants : H2, N2, CH4, Ar, NH3. Le mélange est substantiellement libre de monoxyde de carbone mais peut contenir de l'hélium ou pas. Il peut alors être intéressant de traiter cette purge dans une unité cryogénique pour récupérer d'un coté les composés valorisables dans la boucle de synthèse d'ammoniac et d'un autre coté produire de l'argon sous forme liquide et de le commercialiser. � Production and Purification of Argon � d'Arregger, Chemical and Process Engineering, octobre 1964, US-A-4338108, � Cryogenic Gas Separation � de Duckett et al., The Chemical Engineer, décembre 1985, �Methods for argon recovery to meet increased demand on the argon market � de Springmann,AIChE Symposium Series 1982, US-A-4762542, � Separation of Cases � d'Isalski, pp.84-88 et � � Cryogenic Argon Recovery from Ammonia Plant Purge Gas � de Hwang et al., présentée à � Cryogenics and Refrigeration �, Hangzhou, 1989 divulguent tous l'usage d'une colonne de lavage à l'azote dans un procédé de séparation cryogénique d'un gaz de purge de synthèse d'ammoniac pour la production d'argon. Cette colonne est généralement suivie par une colonne de séparation argon/méthane et une colonne de séparation azote/argon. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un débit riche en argon à partir d'un mélange constitué par un fluide de purge d'un appareil de production d'ammoniac et contenant de l'hydrogène, du méthane, de l'azote et de l'hydrogène dans lequel : i) le mélange est séparé au moins d'au moins un séparateur de phases pour produire au moins un gaz enrichi en hydrogène et un liquide appauvri en hydrogène ii) au moins une partie du liquide appauvri en hydrogène est envoyé en cuve d'une colonne de lavage au méthane pour former un gaz de tête et un liquide de cuve iii) au moins une partie du liquide de cuve de la colonne de lavage au méthane est envoyée à une colonne de séparation de méthane pour produire un liquide de cuve enrichi en méthane et un gaz de tête appauvri en méthane iv) au moins une partie du gaz de tête appauvri en méthane est envoyée à une colonne de séparation azote/argon pour former un fluide enrichi en azote en tête de colonne et un liquide riche en argon en cuve de colonne servant de produit et v) au moins une partie du liquide de cuve enrichi en méthane est envoyée en tête de la colonne de lavage au méthane. Selon d'autres caractéristiques optionnelles : - l'étape i) comprend la séparation du mélange en au moins deux séparateurs de phases en série, le liquide du premier séparateur étant détendu et envoyé au deuxième séparateur et le liquide du deuxième séparateur formant le fluide d'alimentation en cuve de la colonne de lavage au méthane, chaque séparateur de phases produisant un gaz enrichi en hydrogène ; - le premier séparateur de phase produit un gaz enrichi en hydrogène à pression 20 plus élevée que le deuxième séparateur de phases ; - le liquide enrichi en méthane est pressurisé en amont de la colonne de lavage au méthane ; - le procédé tenu en froid au moins partiellement par un cycle d'azote ; - le fluide de purge est dépourvu d'hélium. 25 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'un débit riche en argon à partir d'un mélange constitué par un fluide de purge d'un appareil de production d'ammoniac et contenant de l'hydrogène, du méthane, de l'azote et de l'hydrogène comprenant au moins un séparateur de phases, une colonne de lavage au méthane, une colonne de séparation de méthane, une colonne de séparation azote/argon, 30 une conduite pour envoyer dans le mélange dans l'au moins un séparateur de phases pour produire au moins un gaz enrichi en hydrogène et un liquide appauvri en hydrogène, une conduite pour envoyer au moins une partie du liquide appauvri en hydrogène en cuve de la colonne de lavage au méthane pour former un gaz de tête et un liquide de cuve, une conduite pour envoyer au moins une partie du liquide de cuve de la colonne de lavage au méthane à la colonne de séparation de méthane pour produire un liquide de cuve enrichi en méthane et un gaz de tête appauvri en méthane, une conduite pour envoyer au moins une partie du gaz de tête appauvri en méthane à la colonne de séparation azote/argon pour former un fluide enrichi en azote en tête de colonne, une conduite pour soutirer un liquide riche en argon en cuve de colonne servant de produit et une conduite pour envoyer au moins une partie du liquide de cuve enrichi en méthane en tête de la colonne de lavage au méthane. En option, l'appareil comprend : - au moins deux séparateurs de phases en série, une vanne pour détendre le liquide du premier séparateur, une conduite pour envoyer le liquide du premier séparateur à la vanne, une conduite pour envoyer le liquide détendu de la vanne au deuxième séparateur et une conduite pour envoyer le liquide du deuxième séparateur formant le fluide d'alimentation en cuve de la colonne de lavage au méthane et des conduites pour soutirer un gaz enrichi en hydrogène de chaque séparateur de phases ; - un rebouilleur de cuve pour la colonne de séparation azote/argon ; - un rebouilleur de cuve pour la colonne de séparation de méthane ; - un condenseur de tête pour la colonne de séparation de méthane ; - aucun condenseur de tête pour la colonne de séparation azote/argon ; - aucun rebouilleur de cuve pour la colonne de lavage au méthane ; - des moyens de pressurisation du liquide enrichi en méthane en amont de la colonne de lavage au méthane ; - un cycle d'azote, par exemple pour assurer le rebouillage d'au moins une des colonnes et/ou le refroidissement du condenseur de tête de la colonne de séparation azote/argon. L'invention consiste à utiliser une colonne de lavage au méthane à relativement basse pression pour pouvoir à la fois abaisser la teneur d'hydrogène dans la phase liquide de cuve de colonne et ainsi abaisser la teneur d'hydrogène dans le cycle azote et également d'augmenter le rendement de récupération d'argon dans la phase liquide et donc de l'ensemble de l'unité (augmentation de rendement autour de 5%). Il a été découvert qu'un lavage au méthane était plus efficace qu'un lavage à l'azote et évite également d'envoyer de l'azote dans le gaz de tête de la colonne à l'extérieur. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant à la figure qui illustre un appareil selon l'invention. Un mélange d'hydrogène, de monoxyde de carbone, de méthane, d'azote et d'argon 1, sensiblement sans monoxyde de carbone et de préférence sensiblement sans hélium, se refroidit dans un premier échangeur de chaleur 3 et ensuite dans un deuxième échangeur de chaleur 5 où il se condense partiellement. Le débit condensé partiellement est envoyé dans un premier séparateur de phases 7. Le gaz 8 du premier séparateur de phases, enrichi en hydrogène, est envoyé aux deux échangeurs 5,3 pour s'y réchauffer. Le liquide du premier séparateur de phases est détendu dans une vanne 9 pour se vaporiser partiellement et le débit partiellement vaporisé 11 est envoyé dans un deuxième séparateur de phases 17. Le gaz 13 du deuxième séparateur de phases, enrichi en hydrogène, est envoyé aux deux échangeurs 5,3 pour s'y réchauffer. Le liquide du premier séparateur de phases est détendu dans une vanne 19 pour se vaporiser partiellement et le débit partiellement vaporisé 15 est envoyé à la cuve d'une colonne de lavage au méthane 21 alimentée en tête par un débit de méthane liquide 27. Le gaz de tête de la colonne de lavage au méthane est mélangé avec un débit 29 pour former le débit 25 et le débit 25 se réchauffe dans les deux échangeurs 5,3 pour former un gaz carburant. Le liquide de cuve 23 est détendu dans une vanne puis envoyé à un niveau intermédiaire d'une colonne de séparation de méthane 31. Le liquide de cuve 35 de cette colonne 31 est pressurisé par une pompe 33 et envoyé en partie (débit 27) en tête de la colonne de lavage 21 et en partie (débit 29) mélangé avec le gaz de tête de la colonne de lavage. La colonne 31 a un rebouilleur de cuve 37 alimenté par un débit de cuve 39 de la colonne 31. La colonne 31 a également un condenseur de tête 47 où se condense le gaz de tête enrichi en azote et en argon. Un débit de gaz de tête 43 est envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne 41. La colonne 41 a un rebouilleur de cuve 147 et un stockage d'azote de tête 97. Le liquide de cuve 49 est envoyé en partie (débit 51) au rebouilleur de cuve 147 et le reste 53 sert le produit liquide riche en argon. Le gaz de tête 55 de la colonne 41 riche en azote est envoyé à un niveau intermédiaire de l'échangeur 5. Un cycle d'azote assure le rebouillage des colonnes 31,41 et le refroidissement du condenseur de tête 47 et apporte le refroidissement de la tête de la colonne 41 par reflux direct. De l'azote 71 est comprimé dans un compresseur 73 et divisé en deux. Une partie est envoyée au compresseur 75 pour former le produit d'azote haute pression 77 et un débit de cycle haute pression. Le débit de cycle se refroidit jusqu'à une température intermédiaire de l'échangeur 3 puis est divisé en deux. Une partie 1 sert à chauffer le rebouilleur 37 puis est envoyée au stockage à travers la vanne 89. Une autre partie 79, à une température intermédiaire de l'échangeur 3, est détendue dans une turbine 85 et mélangée au débit 69 pour former le débit 71. L'azote du compresseur 73 sert à rebouillir le rebouilleur 147 en tant que débit 83, puis est détendu par la vanne 87 et envoyé au stockage 97. Le liquide du stockage est soutiré en deux débits, un débit 47 étant envoyé au condenseur de tête 47 et l'autre débit 57 étant en partie (59) renvoyé à la colonne 41 et en partie (61) envoyé à un séparateur de phases 63. Le gaz du séparateur de phases est mélangé aux débits 93,91 venant respectivement du condenseur de tête 47 et du stockage 97. Ce débit mélangé se réchauffe dans l'échangeur 5, se mélange avec le débit 55 et forme le débit 69. Le liquide 65 du séparateur de phases 63 se réchauffe dans l'échangeur 5. Le premier séparateur de phases 7 peut être remplacé par une colonne de lavage à l'azote. Eventuellement le procédé peut comprendre un seul séparateur de phases en amont de la colonne 21 mais les performances seront moins bonnes. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'un débit riche en argon à partir d'un mélange constitué par un fluide de purge d'un appareil de production d'ammoniac et contenant de l'hydrogène, du méthane, de l'azote et de l'hydrogène dans lequel : i) le mélange est séparé au moins d'au moins un séparateur de phases (7,17) pour produire au moins un gaz enrichi en hydrogène et un liquide appauvri en hydrogène ii) au moins une partie du liquide appauvri en hydrogène est envoyé en cuve d'une colonne de lavage au méthane (21) pour former un gaz de tête et un liquide de cuve iii) au moins une partie du liquide de cuve de la colonne de lavage au méthane est envoyée à une colonne de séparation de méthane (31) pour produire un liquide de cuve enrichi en méthane et un gaz de tête appauvri en méthane iv) au moins une partie du gaz de tête appauvri en méthane est envoyée à une colonne de séparation azote/argon (41) pour former un fluide enrichi en azote en tête de colonne et un liquide riche en argon en cuve de colonne servant de produit et v) au moins une partie du liquide de cuve enrichi en méthane est envoyée en tête de la colonne de lavage au méthane. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape i) comprend la séparation du mélange en au moins deux séparateurs de phases en série, le liquide du premier séparateur (7) étant détendu et envoyé au deuxième séparateur (17) et le liquide du deuxième séparateur formant le fluide d'alimentation en cuve de la colonne de lavage au méthane (21), chaque séparateur de phases produisant un gaz enrichi en hydrogène. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le premier séparateur de phase (7) produit un gaz enrichi en hydrogène à pression plus élevée que le deuxième séparateur de phases (17). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide 30 enrichi en méthane est pressurisé en amont de la colonne de lavage au méthane (21). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes tenu en froid au moins partiellement par un cycle d'azote. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide de purge est dépourvu d'hélium. 7. Appareil de production d'un débit riche en argon à partir d'un mélange constitué par un fluide de purge d'un appareil de production d'ammoniac et contenant de l'hydrogène, du méthane, de l'azote et de l'hydrogène comprenant au moins un séparateur de phases (7,17), une colonne de lavage au méthane (21), une colonne de séparation de méthane (31), une colonne de séparation azote/argon (41), une conduite pour envoyer dans le mélange dans l'au moins un séparateur de phases pour produire au moins un gaz enrichi en hydrogène et un liquide appauvri en hydrogène, une conduite pour envoyer au moins une partie du liquide appauvri en hydrogène en cuve de la colonne de lavage au méthane pour former un gaz de tête et un liquide de cuve, une conduite pour envoyer au moins une partie du liquide de cuve de la colonne de lavage au méthane à la colonne de séparation de méthane pour produire un liquide de cuve enrichi en méthane et un gaz de tête appauvri en méthane, une conduite pour envoyer au moins une partie du gaz de tête appauvri en méthane à la colonne de séparation azote/argon pour former un fluide enrichi en azote en tête de colonne, une conduite pour soutirer un liquide riche en argon en cuve de colonne servant de produit et une conduite pour envoyer au moins une partie du liquide de cuve enrichi en méthane en tête de la colonne de lavage au méthane. 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant au moins deux séparateurs de phases en série (7,17), une vanne (9) pour détendre le liquide du premier séparateur (7), une conduite pour envoyer le liquide du premier séparateur à la vanne, une conduite pour envoyer le liquide détendu de la vanne au deuxième séparateur (17) et une conduite pour envoyer le liquide du deuxième séparateur formant le fluide d'alimentation en cuve de la colonne de lavage au méthane (21) et des conduites pour soutirer un gaz enrichi en hydrogène de chaque séparateur de phases. 9. Appareil selon la revendication 7 ou 8 comprenant des moyens de pressurisation (33) du liquide enrichi en méthane en amont de la colonne de lavage au méthane. 10. Appareil selon l'une des revendications 7 à 9 comprenant un cycle d'azote.