Brevet FR3012211A1 — publié le 20150424

La présente invention s'applique aux procédés de déazotation de gaz naturel avec ou sans récupération d'hélium. Les gisements de gaz naturel exploités contiennent de plus en plus d'azote. Ceci s'explique notamment par l'épuisement et la raréfaction des champs suffisamment riches pour qu'aucun traitement d'enrichissement ne soit nécessaire avant la commercialisation du gaz. Il est fréquent que ces sources de gaz naturel contiennent également de l'hélium. Celui-ci peut être valorisé en effectuant une pré-concentration, avant traitement final et liquéfaction. Les ressources non conventionnelles telles que les gaz de schiste, ont aussi la même problématique : pour les rendre commercialisable, il peut s'avérer nécessaire d'augmenter leur pouvoir calorifique au moyen d'un prétraitement qui consiste à déazoter le gaz brut. US-A -4778498 décrit une double colonne utilisée pour une déazotation de gaz naturel. Les unités de déazotation de gaz naturel traitent en général des gaz qui proviennent directement des puits à une pression élevée. Après déazotation le gaz traité doit être remis au réseau, souvent à une pression proche de sa pression d'entrée. La déazotation de gaz naturel, dans la majeure partie des cas, fait appel à des techniques de distillation cryogénique qui ont lieu à des pressions plus basses que les pressions des sources. Par exemple, les sources peuvent être à des pressions de l'ordre de 60 à 80 bara, alors que la séparation cryogénique s'effectue à des pressions variant de 30 bara à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Généralement, le gaz naturel épuré en azote est produit à basse pression et doit être pompé et/ou comprimé pour être introduit dans le réseau. Afin d'adapter les bilans thermiques et énergétiques et de minimiser les coûts opératoires de l'unité, le gaz naturel épuré en azote peut être produit à différents niveaux de pression en sortie de boite froide. Les différents flux sont ensuite comprimés par compression externe jusqu'à atteindre la pression désirée. D e plus, la distillation à des pressions supérieures à 12 bara n'est généralement pas bien adaptée à l'utilisation de garnissages structurés à cause des phénomènes de « lessiveuse », liés au rapprochement des densités gaz et liquide transitant par les colonnes, ce qui impose l'utilisation de plateaux pour ces niveaux de pressions. L'invention consiste à valoriser la détente du gaz naturel dans les différentes turbines du procédé, en l'utilisant en particulier pour effectuer de la compression froide. Il peut s'agir de la compression de produit (typiquement du gaz naturel épuré en azote) et/ou de la compression d'un fluide interne au procédé. Par exemple, la compression du gaz en tête de colonne haute pression d'un procédé à double colonne permet de diminuer la pression de cette colonne. Un tel procédé peut notamment permettre de : - Améliorer les coûts opératoires en optimisant la consommation énergétique ; - Réduire l'investissement ; - Améliorer la distillation ; - Le cas échéant, améliorer le rendement d'extraction de l'hélium. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de déazotation de gaz naturel par distillation dans lequel i) du gaz naturel refroidi dans une ligne d'échange est séparé dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne, ii) un gaz enrichi en azote est soutiré d'une colonne du système de colonnes et se réchauffe dans la ligne d'échange, iii) un liquide enrichi en méthane est soutiré d'une colonne du système de colonnes, pressurisé et vaporisé dans la ligne d'échange à au moins une pression de vaporisation, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz naturel refroidie se détend sous forme gazeuse dans une turbine et est envoyée à une colonne du système de colonnes sous forme gazeuse. Selon d'autres objets facultatifs : - une deuxième partie du gaz naturel se condense au moins 30 partiellement et est envoyée sous forme au moins partiellement condensée à une colonne du système de colonnes. - le liquide enrichi en méthane soutiré d'une colonne du système est totalement ou partiellement pompé à un ou différent niveau(x) de pression avant d'être vaporisé dans la ligne d'échange. 35 - le liquide enrichi en méthane, préalablement pompé, est divisé en au moins deux fractions, dont au moins une est détendue dans une vanne avant de se vaporiser dans la ligne d'échange. - l'énergie fournie par la turbine est valorisée dans au moins un compresseur qui comprime un gaz du procédé, le compresseur ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante, voire inférieure à 150°C. - le compresseur est directement entraîné par la turbine. - le gaz du procédé est du gaz naturel destiné à être séparé, un gaz produit par la distillation, par exemple le gaz enrichi en azote ou un gaz servant à transférer de la chaleur d'une colonne du système à une autre. - le gaz du procédé est produit par vaporisation du liquide enrichi en méthane dans la ligne d'échange. - le gaz du procédé est soutiré de la ligne d'échange pour être comprimé dans le compresseur et éventuellement est ensuite renvoyé à la ligne d'échange. - le gaz du procédé est un gaz enrichi en azote provenant d'une colonne du système de colonne qui est comprimé dans le compresseur et ensuite sert à 15 chauffer la cuve d'une autre colonne du système. - le système comprend une première colonne opérant à une première pression, une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, la deuxième colonne étant reliée thermiquement à la première colonne, le gaz naturel étant envoyé à la première colonne pour 20 produire un liquide de cuve et un gaz de tête, au moins une partie du liquide de cuve est envoyé à la deuxième colonne, au moins une partie du gaz de tête servant à chauffer la cuve de la deuxième colonne, le gaz enrichi en azote est soutiré de la tête de la deuxième colonne et le liquide enrichi en méthane est soutiré de la cuve de la deuxième colonne et le gaz détendu dans la turbine est 25 envoyé à la première colonne sous forme gazeuse. - un liquide intermédiaire de la première colonne est détendu et envoyé à la deuxième colonne à un niveau intermédiaire ou en tête de celle-ci. -entre 1 et 80%du gaz à séparer, de préférence entre 5 et 55%, voire entre 25 et 35% du gaz à séparer, est détendue sous forme gazeuse dans la turbine de 30 détente L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures qui illustrent des procédés selon l'invention. Dans tous les cas, le procédé s'effectue dans une boîte froide isolée qui contient une ligne d'échange 1 et une double colonne 2,3 comprenant une 35 première colonne 2 opérant à entre 10 et 30 bara et une deuxième colonne 3 opérant à entre 0,8 et 3 bara. La première colonne 2 est reliée thermiquement à la deuxième colonne 3 au moyen d'un vaporiseur-condenseur 5. La ligne d'échange comprend au moins un échangeur de chaleur, de préférence en aluminium brasé à plaques et à ailettes. Dans toutes les figures, le gaz naturel 10, qui est généralement à une pression supérieure à 35 bara, se refroidit dans la ligne d'échange 1. A une température intermédiaire de celle-ci, une partie 11 du gaz naturel, représentant entre 1 et 80% du gaz à séparer, de préférence entre 5 et 55%, voire entre 25 et 35% du gaz à séparer, est soutiré de la ligne d'échange 1 et est détendue sous forme gazeuse dans une turbine de détente 7 qui produit un fluide qui est envoyé en cuve de la première colonne pour s'y séparer. Le reste du gaz naturel 12 poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange où il est condensé, puis est détendu dans une vanne de détente avant d'être envoyé sous forme liquide à la première colonne. Alimentée par ces deux fluides, la colonne 2 sépare le gaz naturel en un liquide enrichi en méthane 21 en cuve de colonne et un gaz enrichi en azote en tête de colonne. Le gaz sert à réchauffer le vaporiseur-condenseur 5 où il se condense et assure le reflux en tête de la colonne 2. Le liquide de cuve se refroidit dans un sous-refroidisseur 4 et est détendu pour être envoyé à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne 3. Un liquide intermédiaire 23 de la première colonne 2 est sous-refroidi, détendu et envoyé en tête de la deuxième colonne 23. L'azote résiduaire 18 est soutiré en tête de la colonne et se réchauffe dans les échangeurs 4,1. Des gaz incondensables enrichis en hélium et azote 17 sortent du vaporiseur 5 et se réchauffent dans les échangeurs 4,1. Dans la Figure 1, le liquide 13 enrichi en méthane de la deuxième colonne 3 est soutiré en cuve, pompé à haute pression au moyen de la pompe 6, sous-refroidi et puis divisé comme débit 14 en trois fractions. Une fraction 15A se vaporise dans la ligne d'échange 1 à la pression de sortie de la pompe 6. Les fractions 15,15B sont détendues à des pressions différentes l'une de l'autre par des vannes et chacune se vaporise dans la ligne d'échange à une pression de vaporisation différente. La fraction 15 sort de la ligne d'échange comme débit gazeux 16. Dans la Figure 2, le liquide 14 est divisé de la même manière mais le liquide 15 se vaporise dans la ligne d'échange 1, sort de celle-ci, est comprimé à froid dans un surpresseur CBP avant d'être renvoyé dans la ligne d'échange 1 pour poursuivre son réchauffement. Ce surpresseur CBP valorise l'énergie de la turbine 7. Dans la Figure 3, les liquides produits par la division du liquide 14 se vaporisent de la même manière que dans la Figure 1. Par contre le gaz enrichi en azote 25 de la tête de la première colonne 2 est comprimé jusqu'à une pression de 17 à 30 bara dans un surpresseur froid CB1 ayant une température d'entrée généralement inférieure à -150°C. L'azote comprimé sert à chauffer le vaporiseur 5 où il se condense en un fluide 27 est détendu dans une vanne et renvoyé en tête de la colonne 2. Les première et deuxième colonnes peuvent être remplacées par une simple colonne. Equipements: 1 Ligne d'échange principal, 2 Première colonne, haute pression, 3 Deuxième colonne, basse pression 4 Sous-refroidisseur, 5 Vaporiseur condenseur, 6 Pompe de méthane, 7 Turbine de détente. CBP Surpresseur froid de production ; CBI Supresseur froid de fluide interne Fluides: Gaz naturel à traiter, 11 Gaz naturel à traiter vers turbine, 12 Gaz naturel à traiter vers détente, 13 Méthane liquide basse pression , 14 Méthane liquide 10 haute pression, 15 Méthane liquide moyenne pression, 16 Méthane gazeux moyenne pression, 17 Mixture d'azote et d' hélium, 18 Azote résiduaire. REVENDICATIONS1. Procédé de déazotation de gaz naturel par distillation dans lequel : i) du gaz naturel (11,12) refroidi dans une ligne d'échange (1) est séparé dans un système de colonnes comprenant au moins une colonne (2,3), ii) un gaz enrichi en azote (18) est soutiré d'une colonne (3) du système de colonnes et se réchauffe dans la ligne d'échange, 10 iii) un liquide enrichi en méthane (13) est soutiré d'une colonne (3) du système de colonnes, pressurisé et vaporisé dans la ligne d'échange à au moins une pression de vaporisation, caractérisé en ce qu'au moins une partie du gaz naturel refroidie se détend sous forme gazeuse dans une turbine (7) et est envoyée à une colonne (2) du système 15 de colonnes sous forme gazeuse. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une deuxième partie (12) du gaz naturel se condense au moins partiellement et est envoyée sous forme au moins partiellement condensée à une colonne (2) du système de colonnes. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide enrichi en méthane (13) soutiré d'une colonne (3) du système est totalement ou partiellement pompé à un ou différent niveau(x) de pression avant d'être vaporisé dans la ligne d'échange (1). 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le liquide enrichi en méthane (13), préalablement pompé, est divisé en au moins deux fractions (15, 15A, 15B), dont au moins une est détendue dans une vanne avant de se vaporiser dans la ligne d'échange. 30 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'énergie fournie par la turbine (7) est valorisée dans au moins un compresseur (CBI, CBP) qui comprime un gaz du procédé, le compresseur ayant une température d'entrée inférieure à la température ambiante, voire inférieure à - 35 150°C. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le compresseur (CBI, CBP) est directement entraîné par la turbine (7). 20 25 3 0 1 2 2 1 1 8 7. Procédé selon les revendications 5 ou 6 dans lequel le gaz du procédé est du gaz naturel (10) destiné à être séparé, un gaz (15) produit par la distillation, par exemple le gaz enrichi en azote ou un gaz servant à transférer de la chaleur d'une colonne du système à une autre. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le gaz du procédé (15) est produit par vaporisation du liquide enrichi en méthane dans la ligne d'échange. 9. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le gaz du procédé (15) est soutiré de la ligne d'échange (1) pour être comprimé dans le compresseur (CBP) et éventuellement est ensuite renvoyé à la ligne d'échange. 10. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le gaz du procédé est un 15 gaz enrichi en azote (25) provenant d'une colonne (2) du système de colonne qui est comprimé dans le compresseur (CB1) et ensuite sert à chauffer la cuve d'une autre colonne (3) du système. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 20 système comprend une première colonne opérant à une première pression (2), une deuxième colonne (3) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, la deuxième colonne étant reliée thermiquement à la première colonne, le gaz naturel (11,12) étant envoyé à la première colonne pour produire un liquide de cuve (13) et un gaz de tête (18), au moins une partie du liquide 25 enrichi de cuve est envoyé à la deuxième colonne, au moins une partie du gaz de tête servant à chauffer la cuve de la deuxième colonne, le gaz enrichi en azote (18) est soutiré de la tête de la deuxième colonne et le liquide enrichi en méthane est soutiré de la cuve de la deuxième colonne et le gaz détendu dans la turbine (7) est envoyé à la première colonne sous forme gazeuse. 30 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel un liquide intermédiaire (23) de la première colonne (2) est détendu et envoyé à la deuxième colonne (3) à un niveau intermédiaire ou en tête de celle-ci.