Brevet FR3013820A1 — publié le 20150529

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation cryogénique d'un gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, de l'azote, du monoxyde de carbone et éventuellement du méthane. Le procédé produit un débit enrichi en monoxyde de carbone ayant une teneur maximale en azote, par exemple 2% mol d'azote. Le débit enrichi en monoxyde de carbone contient au moins 95% de monoxyde de carbone, voire au moins 98% 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 faibles. - purification du gaz de synthèse. On retrouve : - une unité de lavage à 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. La plupart des unités existantes de séparation cryogénique d'un mélange ayant pour composants H2, N2 et CO n'incluent pas de moyen de séparer le CO et l'azote 25 car les teneurs en N2 dans le gaz de synthèse sont compatibles avec la pureté du CO requise par l'unité aval. Comme la teneur en N2 dans la matière première à tendance à augmenter dans le temps (teneur de N2 augmente dans le gaz naturel, on utilise de l'azote comme fluide porteur du charbon...), la pureté du CO des unités de séparation cryogéniques 30 existantes se dégrade et conduit a des pertes de rendements de production des produits qui consomment le CO. Bien souvent sur un site de production existante, on est confronté à l'augmentation de production de CO pour suivre le développement des produits qui en sont consommateurs et à l'augmentation de la teneur de l'azote dans le gaz de 35 charge. Afin d'augmenter la production et la productivité des unités avals qui consomment du CO, on est amené sur un même site industriel d'un cote à augmenter le débit de production de CO et sa pureté. L'idée est donc à partir d'une même unité cryogénique de purifier le gaz de synthèse permettant d'augmenter la production de CO et de purifier le CO de l'unité cryogénique existante car la teneur d'azote augmente dans le temps ou que l'on souhaite augmenter la productivité des unités existantes en complément de l'augmentation de production. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation cryogénique 10 de gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'azote et éventuellement du méthane dans lequel : i) un premier débit de gaz de synthèse est envoyé à une première unité de séparation cryogénique dans lequel il se refroidit dans un premier échangeur de chaleur et est séparé pour former un premier débit enrichi en monoxyde de carbone 15 contenant de l'azote ii) un deuxième débit de gaz de synthèse est envoyé à une deuxième unité de séparation cryogénique dans lequel il se refroidit dans un deuxième échangeur de chaleur et est séparé pour former un deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote 20 iii) le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone sont envoyés à une colonne de déazotation disposée dans la même enceinte isolée que la deuxième unité de séparation cryogénique iv) on soutire un troisième débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne 25 de déazotation comme produit final, le troisième débit contenant moins d'azote que les premier et deuxième débits enrichi en monoxyde de carbone et plus de monoxyde de carbone que le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et éventuellement que le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone. Selon d'autres objets facultatifs : 30 - la première unité de séparation cryogénique comprend une étape de lavage au méthane et/ou de condensation partielle et/ou de lavage au monoxyde de carbone. - la deuxième unité de séparation cryogénique comprend une étape de lavage au méthane et/ou de condensation partielle et/ou de lavage au monoxyde de 35 carbone. - la première unité de séparation cryogénique produit le premier débit enrichi en monoxyde de carbone par une étape de traitement qui enrichit le fluide traité en monoxyde de carbone et en azote. - la première unité de séparation cryogénique produit le premier débit enrichi en monoxyde de carbone par une étape de traitement qui enrichit le fluide traité en monoxyde de carbone et l'appauvrit en azote. - le troisième débit enrichi en monoxyde de carbone est comprimé dans au moins une étape de compression et une partie du gaz comprimé est renvoyée à la deuxième unité comme gaz de cycle. - le premier débit enrichi en monoxyde de carbone est comprimé dans au moins une étape de compression, une partie du gaz comprimé est renvoyée à la première unité comme gaz de cycle et une autre partie du gaz comprimé est envoyée à la deuxième unité pour être appauvri en azote. - le premier débit enrichi en monoxyde de carbone se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur et se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur avant d'être envoyé à la colonne de déazotation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation cryogénique de gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'azote et éventuellement du méthane comprenant une première unité de séparation cryogénique comprenant un premier échangeur de chaleur, une deuxième unité de séparation cryogénique comprenant un deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un premier débit de gaz de synthèse dans la première unité de séparation cryogénique pour se refroidir dans le premier échangeur de chaleur et se séparer, des moyens pour sortir un premier débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote de la première unité de séparation cryogénique, des moyens pour envoyer un deuxième débit de gaz de synthèse dans la deuxième unité de séparation cryogénique pour se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur et se séparer pour former un deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote, une colonne de déazotation disposée dans la même enceinte isolée que la deuxième unité de séparation cryogénique, des moyens pour envoyer le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone sont envoyés à le colonne de déazotation disposée dans la même enceinte isolée que la deuxième unité de séparation cryogénique pour produire un troisième débit enrichi en monoxyde de carbone et des moyens pour soutirer le troisième débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne de déazotation comme produit final, le troisième débit contenant moins d'azote que les premier et deuxième débits enrichis en monoxyde de carbone et plus de monoxyde de carbone que le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et éventuellement que le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui représente un procédé selon l'invention. Un premier débit de gaz de synthèse S1 est envoyé à une enceinte isolée BF1 contenant une première unité de séparation cryogénique A. L'unité de séparation cryogénique contient un premier échangeur de chaleur et un système de colonnes. La séparation comprend au moins une des étapes suivantes : lavage au méthane, condensation partielle, lavage au monoxyde de carbone. Dans la figure sont représentées une colonne de lavage au méthane C1, une colonne d'élimination d'hydrogène C2 et une colonne de séparation CO/CH4 C3. Le système de colonne ne comprend pas de colonne de déazotation pour éliminer l'azote dans le premier débit enrichi en monoxyde de carbone 1 produit par la colonne C3. Selon d'autres variantes de l'invention, une telle colonne de déazotation peut être présente. Si la teneur en azote du débit 1 est acceptable, aucune autre étape de purification n'est nécessaire. Or si le gaz de synthèse S1 devient plus riche en azote et/ou si le client requiert une teneur plus basse en monoxyde de carbone, il est nécessaire d'épurer le débit 1. Dans l'exemple le débit 1 contient 94% mol de monoxyde de carbone et 6% d'azote. Après réchauffage dans le premier échangeur de chaleur et compression dans le compresseur 3 pour le débit 5 formant partie du débit 1, le débit 1 est envoyé à une deuxième unité de séparation cryogénique. Un deuxième débit de gaz de synthèse S2, ayant la même composition que le gaz S1 ou pas, est envoyé à une enceinte isolée BF2 contenant une deuxième unité de séparation cryogénique B. L'unité de séparation cryogénique contient un deuxième échangeur de chaleur et un système de colonnes. La séparation comprend au moins une des étapes suivantes : lavage au méthane, condensation partielle, lavage au monoxyde de carbone. Dans la figure sont représentées une colonne de lavage au méthane C11, une colonne d'élimination d'hydrogène C12 et une colonne de séparation CO/CH4 C13. Le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone 2 est mélangé avec la partie 5 du débit 1, refroidie dans le deuxième échangeur de chaleur E, et le mélange 4 est envoyé à une colonne de déazotation C4. Le débit 2 peut être plus riche en monoxyde de carbone, aussi riche en monoxyde de carbone ou moins riche en monoxyde de carbone que le débit 1,5. La colonne de déazotation C4 produit un troisième débit 19 plus riche en monoxyde de carbone que les débits 1,4,5. Le débit 19 se réchauffe dans le deuxième échangeur de chaleur E et est envoyé à un compresseur 21 pour former le produit 23 contenant 98.5% mol monoxyde de carbone et 1,5% mol azote. Le compresseur 21 peut faire partie d'un compresseur de cycle à deux étages 21,27. Dans ce cas, une partie 25 du débit 19 est également comprimée dans l'étage 27 et renvoyé comme gaz de cycle 31 à la deuxième unité B. Un débit 29 du produit à pression élevée peut également être produit par le compresseur 21,27. Le compresseur de cycle 21,27 permet de purifier le gaz de synthèse S2 et également le CO basse pureté 5 de la première unité A. Il est également possible de fournir le premier débit enrichi en monoxyde de carbone à la deuxième unité sans l'avoir comprimé comme débit 17. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation cryogénique de gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'azote et éventuellement du méthane dans lequel : i) un premier débit de gaz de synthèse (S1) est envoyé à une première unité de séparation cryogénique (A) dans laquelle il se refroidit dans un premier échangeur de chaleur et est séparé pour former un premier débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote (1,5,9,17) ii) un deuxième débit de gaz de synthèse (S2) est envoyé à une deuxième unité de séparation cryogénique (B) dans laquelle il se refroidit dans un deuxième échangeur de chaleur (E) et est séparé pour former un deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote (2) iii) le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone sont envoyés à une colonne de déazotation (C4) disposée dans la même enceinte isolée (BF2) que la deuxième unité de séparation cryogénique et iv) on soutire un troisième débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne de déazotation (19, 23, 29) comme produit final, le troisième débit contenant moins d'azote que les premier et deuxième débits enrichi en monoxyde de carbone et plus de monoxyde de carbone que le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et éventuellement que le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la première unité de séparation cryogénique (A) comprend une étape de lavage au méthane et/ou de condensation partielle et/ou de lavage au monoxyde de carbone. 3. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la deuxième unité de séparation cryogénique (B) comprend une étape de lavage au méthane et/ou de condensation partielle et/ou de lavage au monoxyde de carbone. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première unité de séparation cryogénique (A) produit le premier débit enrichi en 3013 820 7 monoxyde de carbone (1, 5, 9, 17) par une étape de traitement qui enrichit le fluide traité en monoxyde de carbone et éventuellement en azote. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 5 troisième débit enrichi en monoxyde de carbone (19) est comprimé dans au moins une étape de compression (21, 27) et une partie (31) du gaz comprimé est renvoyée à la deuxième unité (B) comme gaz de cycle. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 10 premier débit enrichi en monoxyde de carbone (1, 5, 9, 17)est comprimé dans au moins une étape de compression (3, 7) , une partie du gaz comprimé (11) est renvoyée à la première unité comme gaz de cycle et une autre partie (5) du gaz comprimé est envoyée à la deuxième unité (B) pour être appauvri en azote. 15 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier débit enrichi en monoxyde de carbone (1, 5, 9, 17) se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur et se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur avant d'être envoyé à la colonne de déazotation. 20 8. Appareil de séparation cryogénique de gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'azote et éventuellement du méthane comprenant une première unité de séparation cryogénique (A) un premier échangeur de chaleur, une deuxième unité de séparation cryogénique (B) comprenant un deuxième échangeur de chaleur E, des moyens pour envoyer un premier débit de 25 gaz de synthèse (S1) dans la première unité de séparation cryogénique pour se refroidir dans le premier échangeur de chaleur et se séparer, des moyens pour sortir un premier débit enrichi en monoxyde de carbone (1, 5, 9, 17)contenant de l'azote de la première unité de séparation cryogénique, des moyens pour envoyer un deuxième débit de gaz de synthèse (S2) dans la deuxième unité de séparation cryogénique 30 pour se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur et se séparer pour former un deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone (2) contenant de l'azote, une colonne de déazotation (C4) disposée dans la même enceinte isolée (BF2) que la deuxième unité de séparation cryogénique, des moyens pour envoyer le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et le deuxième débit enrichi en monoxyde de 35 carbone sont envoyés à le colonne de déazotation disposée dans la même enceinteisolée que la deuxième unité de séparation cryogénique pour produire un troisième débit enrichi en monoxyde de carbone (19) et des moyens pour soutirer le troisième débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne de déazotation comme produit final, le troisième débit contenant moins d'azote que les premier et deuxième débits enrichis en monoxyde de carbone et plus de monoxyde de carbone que le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et éventuellement que le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone. 9. Appareil selon la revendication 8 dans laquelle la première et/ ou la deuxième unité comprend/comprennent une colonne de lavage au méthane (C1, C11) ou une colonne de lavage au monoxyde de carbone.