Brevet FR2953004A1 — publié le 20110527

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation cryogénique d'un mélange d'azote et de monoxyde de carbone. Les unités de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène peuvent être séparées en deux parties : - génération du gaz de synthèse (mélange contenant H2, CO, CH4, CO2, Ar et N2 essentiellement). Parmi les diverses voies industrielles de production de gaz de synthèse, celle à base de gazéification de charbon semble se développer de plus en plus notamment dans les pays riches en dépôts de charbon comme la Chine. Le procédé d'oxydation partielle du gaz naturel peut s'avérer également intéressant pour la production de CO seul ou avec des rapports de production H2/CO faible. Une autre voie est le reformage à la vapeur. - purification du gaz de synthèse. On retrouve : - une unité de lavage avec un solvant liquide pour éliminer la plus grande partie des gaz acides contenus dans le gaz de synthèse - une unité d'épuration sur lit d'adsorbants. - une unité de séparation par voie cryogénique dite boite froide pour la production de CO. Dans le cas d'un gaz de synthèse issu d'un four de reformage à la vapeur, pour la production de CO et d'hydrogène sous pression, le procédé cryogénique le plus fréquent est le lavage au méthane, la teneur résiduelle en méthane dans le gaz de synthèse étant compatible avec le procédé lavage au méthane. Dans certains cas il est nécessaire d'inclure une colonne de séparation CO/N2 dans la boite froide notamment quand la teneur en azote dans le gaz naturel n'est pas compatible avec la pureté du produit CO sans cette colonne CO/N2. Un schéma lavage au méthane avec colonne CO/N2 est décrit dans FRA-2910603. Dans le cas de certains procédé de gazéification de charbon, le gaz de synthèse produit est traité dans une boite froide par condensation partielle sans cycle, la teneur en inertes (CH4, Ar et N2) étant très faible et compatible avec la pureté du CO. Un schéma condensation partielle sans colonne de séparation est décrit dans EP-A-1729077 et dans FR-A-2930332. Un schéma de condensation partielle avec une colonne COIN2 est décrit dans US-A- 4478621. Le rebouillage de la colonne COIN2 étant apporté par une alimentation directe de CO à moyenne pression en cuve de colonne venant du compresseur CO. Dans le cas où la teneur en méthane dans le gaz de synthèse ne permet pas un procédé de lavage au méthane dans la production combinée de CO et d'hydrogène et où la teneur en azote dans le gaz de synthèse n'est pas compatible avec la pureté de CO sans séparation COIN2, l'appareil selon l'invention est un appareil de condensation partielle incluant une colonne COIN2 avec cycle intégré commun pour le refroidissement du gaz de synthèse et pour l'énergie de séparation COIN2. Au moins une partie de l'énergie de rebouillage de la colonne COIN2 est apportée par un rebouilleur externe où le gaz d'alimentation de la colonne COIN2 est condensé totalement ou partiellement. Cela permet de réduire le débit MPCO du compresseur de cycle et ainsi réduire l'énergie du compresseur de l'ordre de 15%. Le schéma de procédé peut inclure une colonne de distillation COIN2 seule ou bien une colonne COIN2 avec une colonne COICH4. Cette invention peut s'appliquer également lorsque l'on souhaite investir une colonne de séparation COIN2 traitant du CO impur venant d'une boite froide qui ne comprend pas de colonne COIN2. La teneur d'azote dans le CO augmentant dans le temps, il devient alors nécessaire de rajouter une étape de séparation COIN2. La nouvelle colonne est alors installée dans une boite froide dédiée qu'il faut alimenter en frigories et en énergie de rebouillage. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un gaz d'alimentation contenant comme composants principaux de l'azote et du monoxyde de carbone et éventuellement de l'hydrogène dans une colonne de distillation dans lequel : i) on refroidit le gaz d'alimentation dans un échangeur de chaleur ii) on envoie au moins une partie du gaz d'alimentation ou au moins une partie d'un gaz dérivé du gaz d'alimentation à un rebouilleur de la colonne de distillation afin de la condenser au moins partiellement en produisant un liquide et éventuellement un gaz iii) on envoie au moins une partie du liquide et éventuellement au moins une partie du gaz à la colonne iv) on soutire un débit enrichi en azote gazeux de la colonne v) on soutire un débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne, on le réchauffe dans l'échangeur de chaleur et on le comprime pour fournir un produit enrichi en monoxyde de carbone à une pression de production. Eventuellement : - on comprime une partie du monoxyde de carbone à une pression inférieure ou égale à la pression de production, on la refroidit dans l'échangeur de chaleur et on l'envoie en cuve de la colonne de distillation ; - on envoie au moins une partie du gaz d'alimentation au rebouilleur ; - on refroidit le gaz d'alimentation et on l'envoie dans un premier séparateur de phases, on détend le liquide du premier séparateur de phases, on envoie le liquide détendu dans un deuxième séparateur de phases et on vaporise au moins une partie du liquide du deuxième séparateur de phases pour dériver le gaz à envoyer au rebouilleur ; - on vaporise au moins une partie du liquide du deuxième séparateur de phases dans l'échangeur de chaleur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un gaz d'alimentation contenant comme composants principaux de l'azote et du monoxyde de carbone et éventuellement de l'hydrogène comprenant : i) une colonne de distillation ayant un rebouilleur de cuve et éventuellement un condenseur de tête ii) un échangeur de chaleur iii) un compresseur iv) des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation dans l'échangeur de chaleur v) des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz d'alimentation ou au moins une partie d'un gaz dérivé du gaz d'alimentation au rebouilleur afin de la condenser au moins partiellement en produisant un liquide et éventuellement un gaz vi) au moins des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide et éventuellement au moins une partie du gaz à la colonne vii) des moyens pour soutirer un débit enrichi en azote gazeux de la colonne viii)des moyens pour soutirer un débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne et pour l'envoyer à l'échangeur de chaleur et ensuite au compresseur pour fournir un produit enrichi en monoxyde de carbone à une pression de production. L'appareil comprend éventuellement : - des moyens pour envoyer une partie du débit enrichi en monoxyde de carbone à une pression inférieure ou égale à la pression de production à l'échangeur de chaleur et ensuite en cuve de la colonne de distillation ; - des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz d'alimentation au rebouilleur ; - un premier séparateur de phases, un deuxième séparateur de phases, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation refroidi dans le premier séparateur de phases, une vanne de détente pour détendre le liquide du premier séparateur de phases, des moyens pour envoyer le liquide détendu dans le deuxième séparateur de phases et des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide du deuxième séparateur de phases pour dériver le gaz à envoyer au rebouilleur. - l'échangeur de chaleur est relié à la colonne et au deuxième séparateur de phases. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures qui représentent un appareil de séparation selon l'invention d'un gaz ayant comme composants principaux de l'azote et du monoxyde de carbone pour la Figure 1 et un appareil de séparation selon l'invention d'un gaz ayant comme composants principaux de l'azote, de l'hydrogène et du monoxyde de carbone pour la Figure 2 et 3. Selon la Figure 1, un débit d'azote et de monoxyde de carbone 1 est refroidi dans un échangeur 3. Il se condense au moins partiellement dans un rebouilleur 5 alimenté par le liquide de cuve de la colonne 15. Le liquide vaporisé est renvoyé à la colonne. Le débit au moins partiellement condensé est détendu dans une vanne 7 et envoyé à un séparateur de phases 9. le liquide 11 du séparateur de phases et le gaz 13 du séparateur de phases 9 sont envoyés à la colonne à des hauteurs différentes ou pas. Le liquide de cuve de la colonne est détendu dans une vanne 19 et envoyé au condenseur de tête 23 faisant partie de la colonne. Un débit d'azote est enlevé comme purge 25 et se réchauffe dans l'échangeur 3. Le monoxyde de carbone vaporisé 27 se réchauffe également dans l'échangeur 3 et est comprimé dans la première étage 29 d'un compresseur. Il est refroidi dans un refroidisseur 31 par de l'eau et ensuite divisé en deux. Le débit 33 se refroidit jusqu'à une température intermédiaire dans l'échangeur 3 pour former le débit 45 qui est envoyé en cuve de la colonne 15. Le débit 41 est refroidi très partiellement dans l'échangeur 3, détendu dans une turbine 43 et remélangé avec le débit 27. Le reste du monoxyde de carbone est comprimé à la pression de produit par l'étage 37 du compresseur et refroidi par le refroidisseur 31A pour former le débit produit 39. L'étage 29 se trouve d'autant plus petite qu'une partie du rebouillage est fournie par le débit 1. Selon la Figure 2, un débit d'azote, d'hydrogène et de monoxyde de carbone 1 se refroidit dans un échangeur 3 et ensuite dans un échangeur 3A. Le débit 1 est envoyé à un premier séparateur de phases 51 où il se sépare en un débit gazeux 53 riche en hydrogène et un débit liquide 57. Le débit 53 se réchauffe dans les échangeurs 3,3A et le débit 57 est détendu dans une vanne 55 et ensuite envoyé à un deuxième séparateur de phases 61. Le gaz du deuxième séparateur de phases se réchauffe dans les échangeurs 3,3A pour former le débit 77. Le liquide 63 est séparé en deux. Une partie 67 est détendue dans une vanne 69, envoyée à un séparateur de phases 71 et ensuite les débits formés 73,75 sont envoyés à la colonne de distillation 5. Le reste 65 du liquide du séparateur 61 est réchauffé dans l'échangeur 3A pour former le débit 65 qui sert à chauffer le rebouilleur 5 alimenté par le liquide de cuve 17 de la colonne 15. Ayant servi à rebouillir la colonne le débit 65 est détendu dans la vanne 7, envoyé au séparateur 9 et ensuite à la colonne de la même manière que pour la Figure 1. Un débit d'azote est enlevé comme purge 25 et se réchauffe dans l'échangeur 3. Le monoxyde de carbone vaporisé 27 se réchauffe également dans l'échangeur 3 et est comprimé dans la première étage 29 d'un compresseur. Il est refroidi dans un refroidisseur 31 par de l'eau et ensuite divisé en deux. Le débit 33 se refroidit jusqu'à une température intermédiaire dans l'échangeur 3 et est divisé en deux pour former le débit 133. Ce débit 133 se refroidit dans l'échangeur 135 contre de l'azote liquide 137. L'azote liquide 137 se vaporise et se réchauffe dans l'échangeur 3. Le débit 133 est détendu et mélangé avec le débit 21 en aval de la vanne 19. Le débit 45 qui est envoyé en cuve de la colonne 5 après refroidissement dans l'échangeur 3A. Selon la Figure 3, un débit d'azote, d'hydrogène et de monoxyde de carbone 1 se refroidit dans un échangeur 3 et ensuite dans un échangeur 3A. Le débit 1 est envoyé à un premier séparateur de phases 51 où il se sépare en un débit gazeux 53 riche en hydrogène et un débit liquide 57. Le débit 53 se réchauffe dans les échangeurs 3,3A et le débit 57 est détendu dans une vanne 55 et ensuite envoyé à un deuxième séparateur de phases 61. Le gaz du deuxième séparateur de phases se réchauffe dans les échangeurs 3,3A pour former le débit 77. Le liquide 63 est séparé en deux. Une partie 67 est détendue dans une vanne 69, envoyée à un séparateur de phases 71 et ensuite les débits formés 73,75 sont envoyés à la colonne de distillation 5. Le reste 65 du liquide du séparateur 61 est réchauffé dans l'échangeur 3A pour former le débit 65 qui sert à chauffer le rebouilleur 5 alimenté par le liquide de cuve 17 de la colonne 5. Ayant servi à rebouillir la colonne le débit 65 est détendu dans la vanne 7, envoyé au séparateur 9 et ensuite à la colonne de la même manière que pour la Figure 1. Un débit d'azote est enlevé comme purge 25 et se réchauffe dans l'échangeur 3. Le débit enrichi en monoxyde de carbone vaporisé 27 se réchauffe également dans l'échangeur 3 et est comprimé dans la première étage 29 d'un compresseur. Il est refroidi dans un refroidisseur 31 par de l'eau et ensuite divisé en deux. Le débit 33 se refroidit jusqu'à une température intermédiaire dans l'échangeur 3 et est divisé en deux pour former le débit 93. Ce débit 93 se détendu dans la turbine 91 pour former le débit détendu 93 qui est mélangé avec le débit 27 pour se réchauffer dans l'échangeur 3. Le débit 45 provenant de l'étage 29 est envoyé en cuve de la colonne 5 après refroidissement dans l'échangeur 3A. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'un gaz d'alimentation contenant comme composants principaux de l'azote et du monoxyde de carbone et éventuellement de l'hydrogène dans une colonne de distillation (15) dans lequel : i) on refroidit le gaz d'alimentation dans un échangeur de chaleur (3) ii) on envoie au moins une partie du gaz d'alimentation ou au moins une partie d'un gaz dérivé du gaz d'alimentation à un rebouilleur (5) de la colonne de distillation afin de la condenser au moins partiellement en produisant un liquide et éventuellement un gaz iii) on envoie au moins une partie du liquide et éventuellement au moins une partie du gaz à la colonne iv) on soutire un débit enrichi en azote gazeux de la colonne v) on soutire un débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne, on le réchauffe dans l'échangeur de chaleur et on le comprime pour fournir un produit enrichi en monoxyde de carbone à une pression de production. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on comprime une partie du monoxyde de carbone à une pression inférieure ou égale à la pression de production, on la refroidit dans l'échangeur de chaleur (3) et on l'envoie en cuve de la colonne de distillation (15). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on envoie au moins une partie du gaz d'alimentation au rebouilleur (5). 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on refroidit le gaz 30 d'alimentation et on l'envoie dans un premier séparateur de phases (51), on détend le liquide du premier séparateur de phases (61), on envoie le liquide détendu dans un deuxième séparateur de phases et on vaporise au moins une25partie du liquide du deuxième séparateur de phases pour dériver le gaz à envoyer au rebouilleur. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel on vaporise l'au moins une partie du liquide du deuxième séparateur de phases (61) dans l'échangeur de chaleur (33). 6. Appareil de séparation d'un gaz d'alimentation contenant comme composants principaux de l'azote et du monoxyde de carbone et éventuellement de l'hydrogène comprenant : i) une colonne de distillation (15) ayant un rebouilleur de cuve (5) et éventuellement un condenseur de tête (23) ii) un échangeur de chaleur (3) iii) un compresseur (29,37) iv) des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation dans l'échangeur de chaleur v) des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz d'alimentation ou au moins une partie d'un gaz dérivé du gaz d'alimentation au rebouilleur afin de la condenser au moins partiellement en produisant un liquide et éventuellement un gaz vi) au moins des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide et éventuellement au moins une partie du gaz à la colonne vii) des moyens pour soutirer un débit enrichi en azote gazeux de la colonne viii)des moyens pour soutirer un débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne et pour l'envoyer à l'échangeur de chaleur et ensuite au compresseur pour fournir un produit enrichi en monoxyde de carbone à une pression de production. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens pour envoyer une partie du débit enrichi en monoxyde de carbone à une pressioninférieure ou égale à la pression de production à l'échangeur de chaleur (3) et ensuite en cuve de la colonne de distillation (15). 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant des moyens 5 pour envoyer au moins une partie du gaz d'alimentation au rebouilleur (5). 9. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant un premier séparateur de phases (51), un deuxième séparateur de phases (61), des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation refroidi dans le premier séparateur 10 de phases, une vanne de détente (55) pour détendre le liquide du premier séparateur de phases, des moyens pour envoyer le liquide détendu dans le deuxième séparateur de phases et des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide du deuxième séparateur de phases pour dériver le gaz à envoyer au rebouilleur (5). 15 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel l'échangeur de chaleur (3) est relié à la colonne (15) et au deuxième séparateur de phases (61).