Brevet FR3038973A1 — publié le 20170120

La présente invention concerne un procédé de production d'hélium à partir d'un courant gazeux source comprenant au moins de l'hélium, du méthane et de l'azote. L'hélium est obtenu commercialement pratiquement exclusivement à partir d'un mélange de composants volatils du gaz naturel, ce mélange comprenant, ainsi que de l'hélium, typiquement du méthane et de l'azote et des traces d'hydrogène, de l'argon et d'autres gaz nobles. Au cours de la production de l'huile minérale, l'hélium est mis à disposition en tant que composant du gaz qui accompagne l'huile minérale, ou dans le cadre de la production de gaz naturel. Il est théoriquement possible d'obtenir de l'hélium dans l'atmosphère, mais ce n'est pas économique en raison des faibles concentrations (concentration typique de l'hélium dans l'air de l'ordre de 5,2 ppmv). Le gaz naturel brut peut contenir un grand nombre d'impuretés gênantes à retirer. L'azote en est un exemple. A partir d'une certaine concentration d'azote dans le gaz naturel, celui-ci n'est typiquement pas vendable à cause de son faible pouvoir calorifique. Pour retirer l'azote on utilise le plus souvent un procédé cryogénique mis en oeuvre dans une unité appelée unité de rejet d'azote [en anglais : Nitrogen Rejection Unit (NRU)]. Si en plus de l'azote, il y a de l'hélium dans le gaz naturel, il y a un intérêt économique à extraire un courant riche en hélium séparément pour produire de l'hélium et le commercialiser. Typiquement, on concentre l'hélium dans le procédé cryogénique pour finalement le purifier dans un procédé par adsorption type PSA (en anglais Pressure Swing Adsorption). Plusieurs solutions existent aujourd'hui pour l'extraction de l'hélium dans une NRU, en particulier dans une unité NRU dite à double colonne. Il est possible d'ajouter une colonne pour distiller l'azote et l'hélium, tel que cela est décrit dans le brevet EP0633437 B1 par exemple, mais ceci pose plusieurs problèmes : 3038973 2 - Complexification de l'installation. - Consommation énergétique augmentée à cause du besoin en réfrigération (cycle) lié à cette colonne. D'autres solutions existent en utilisant des condensations partielles et/ou 5 des vaporisations instantanées (flashs) successives mais celles-ci ne permettent en général pas d'avoir à la fois une forte teneur en hélium et un haut rendement. Un tel exemple est décrit dans le brevet US4701201. Dans ce brevet, l'hélium est récupéré en tête de la colonne à haute pression (HP) après une condensation partielle. Cette simple condensation partielle oblige à choisir 10 entre rendement et pureté en hélium. Dans le brevet il est également décrit qu'il est possible d'atteindre un rendement raisonnable (environ 92%) mais la pureté atteinte pour le courant enrichi en hélium est de 37,2%. Il existe donc un besoin de résoudre les problèmes décrits ci-dessus. C'est pourquoi la présente invention a pour objet un procédé de 15 production d'un courant gazeux d'hélium à partir d'un courant gazeux source comprenant au moins de l'hélium, du méthane, et de l'azote, comprenant au moins les étapes suivantes : Etape a) : introduction dudit courant gazeux source dans une unité de rejet d'azote à double colonne, ladite double colonne comprenant une colonne 20 de distillation à haute pression, une colonne de distillation à basse pression et un condenseur mettant en relation la colonne à haute pression avec la colonne à basse pression ; Etape b) : extraction en sortie dudit condenseur d'au moins une partie d'un mélange produit en tête de colonne à haute pression ; 25 Etape c) : détente dudit mélange issu de l'étape b) à une pression intermédiaire comprise entre 8 bars et 20 bars absolus Etape d) : séparation du mélange issu de l'étape c) dans un premier pot séparateur de phases en une phase liquide et une phase gazeuse enrichie en hélium ; 30 Etape e) : condensation au moins partielle de ladite phase gazeuse enrichie en hélium dans un échangeur de chaleur ; 3038973 3 Etape f) : séparation du courant issu de l'étape e) dans un deuxième pot séparateur de phases en une phase liquide et une phase gazeuse contenant plus de 50% en volume d'hélium. Selon d'autres modes de réalisation, la présente invention a aussi pour 5 objet : - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'il comprend une étape g) : utilisation, comme réfrigérant, de la phase liquide après détente issue de l'étape f) dans ledit échangeur de chaleur mis en oeuvre à l'étape e). 10 Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'au cours de l'étape g), ladite phase liquide est vaporisée à une pression comprise entre 0,1 bar et 3 bar absolus. - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce qu'au cours de l'étape a) le courant gazeux est introduit dans la colonne à haute pression à 15 au moins deux niveaux d'alimentation, la fraction vapeur de la première alimentation étant plus faible que la fraction vapeur de la seconde et la première alimentation étant introduite à un niveau plus élevée de ladite colonne à haute pression que la seconde . - Un procédé tel que défini ci-dessus comprenant une étape h) : 20 extraction de la phase gazeuse issue de l'étape f) comme produit riche en hélium, contenant au moins 75% en volume d'hélium. - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce que la température en sortie de condenseur à l'étape b) est comprise entre - 150°C et - 165°C. 25 - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce que la pression dans la colonne à haute pression est comprise entre 20 bars absolus et 50 bars absolus et la pression dans la colonne à basse pression est comprise entre 1 bar absolu et 5 bars absolus. - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce que la 30 température de mise en oeuvre de l'étape c) est comprise entre - 160°C et 180°C. 3038973 4 - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en que la température de mise en oeuvre de l'étape e) est comprise entre - 180°C et - 210°C. - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce que la phase 5 liquide issue de l'étape d) est introduite dans la colonne à basse pression de ladite unité de rejet. - Un procédé tel que défini ci-dessus comprenant une étape supplémentaire de production d'un courant enrichi en azote comprenant moins de 2% en volume de méthane à partir d'un courant gazeux issu de la tête de la 10 colonne à basse pression. - Un procédé tel que défini ci-dessus caractérisé en ce que courant gazeux source comprend de 20% en volume à 80 % en volume de méthane, de 20% en volume à 80% en volume d'azote et de 0% en volume à 2% en volume d'hélium. 15 Une installation de production d'hélium à partir d'un mélange de gaz source comprenant du méthane, de l'hélium, et de l'azote ladite installation comprenant : - au moins une unité de rejet d'azote munie d'une double colonne, ladite double colonne comprenant une colonne de distillation à haute pression, 20 une colonne de distillation à basse pression et un condenseur mettant en relation la colonne à haute pression avec la colonne à basse pression, et - une unité d'extraction d'hélium comprenant un premier pot séparateur de phases situé en amont d'un échangeur de chaleur lui-même situé en amont d'un deuxième pot séparateur de phases ; 25 caractérisée en ce que l'unité de rejet d'azote est située en amont de l'unité d'extraction d'hélium ; - Une installation telle que définie précédemment caractérisée en ce que ladite unité d'extraction d'hélium ne contient pas de colonne de distillation ni de colonne de rectification ni de pot séparateur de phases à alimentations 30 multiples. La solution objet de la présente invention permet de séparer un courant composé de méthane, d'azote et d'hélium en trois courants de méthane pur, azote pur et riche en hélium. 3038973 5 La présente invention permet de résoudre le problème des solutions par condensation partielle en obtenant à la fois un fort rendement (>85%) et une forte teneur en hélium (>50%) et ceci sans utiliser une colonne dédiée à la séparation de l'hélium. 5 L'intégration de l'extraction d'hélium dans une unité NRU avec un schéma à double colonne permet de minimiser le coût des équipements et la consommation énergétique de l'unité d'extraction d'hélium (helium rejection unit, HRU) sans pénaliser la consommation et le cout d'installation des autres équipements de la NRU. 10 Le procédé objet de l'invention consiste en une unité NRU double colonne dans lequel on condense totalement (ou presque en raison de la présence d'incondensables) au niveau du condenseur de la colonne à haute pression HP. Le liquide produit en tête de cette colonne HP est en partie utilisé comme reflux de la colonne HP et en partie destiné à être utilisé comme reflux 15 de la colonne à basse pression BP. La particularité de l'invention est de détendre le liquide produit et non utilisé comme reflux de la colonne HP à une pression intermédiaire pour ainsi « flasher » ou vaporiser instantanément (par gaz de « flash », on entend : vapeur instantanée) tout l'hélium désiré dans un premier pot séparateur 20 d'hélium (contrôle du rendement) puis d'effectuer une condensation partielle du gaz dudit « flash » (ou vapeur instantanée) pour obtenir un gaz ayant une forte teneur en hélium dans un deuxième pot séparateur d'hélium. On pourra avantageusement produire le froid nécessaire à la condensation partielle du « flash » (vapeur instantanée) issu du premier pot 25 séparateur d'hélium en vaporisant à basse pression le liquide de cuve du deuxième pot séparateur d'hélium. Le procédé objet de la présente invention est illustré sur la figure 1. Sur la figure 1, un courant gazeux source 1 comprenant au moins de l'hélium, du méthane, et de l'azote est introduit à une pression d'environ 50 bars 30 absolus dans un échangeur de chaleur 2. Le courant 3 en sortie dudit échangeur 2 est détendu à l'aide, par exemple, d'une vanne 4 avant d'être introduit dans une colonne à haute pression 5 d'une unité 6 à double colonne comprenant une colonne de distillation 5 à haute pression, une colonne de 3038973 6 distillation 7 à basse pression et un condenseur 8 mettant en relation la colonne 5 à haute pression avec la colonne 7 à basse pression. Le courant gazeux source 1 comprend pour 100% en volume, par exemple, de 20% en volume à 80% en volume de méthane, de 20% en volume 5 à 80% en volume d'azote et de 1 ppmen volume à 1% en volume d'hélium. La pression de la colonne à haute pression est par exemple de 30 bara et la pression dans la colonne à basse pression est par exemple de 2 bara. Le principe d'une unité à double colonne est largement décrit dans l'état de la technique, par exemple dans le document de Ruheman, « the separation 10 of gases » Oxford University press, 1949, chapitre 7 ou encore dans le document de Barron, « Cryogenic systems », mcGraw Hill, Inc., 1996, p. 230, Air Separation Systems. Le terme unité de rejet d'azote est relatif à un dispositif dans lequel l'azote et le méthane sont séparés rectification cryogénique. 15 Pour augmenter le rendement en hélium on peut en outre faire une introduction multiple dans la colonne à haute pression 5 : une partie (3d) du courant 3 étant introduite majoritairement sous forme liquide et une partie (3c) est introduite majoritairement sous forme gazeuse en cuve de colonne 5 pour vaporiser l'hélium qui serait autrement entraîné dans le méthane liquide. 20 Une partie 9 du courant liquide 11 sortant du condenseur 8 situé en partie basse de la colonne 7 à basse pression est utilisé comme reflux dans la partie haute 10 de la colonne 5 à haute pression. Dans un schéma NRU double colonne classique, le reste du liquide 11 est refroidi puis détendu pour être directement utilisé comme reflux de la colonne basse pression. L'objet de la 25 présente invention consiste à utiliser une partie 12 dudit courant liquide 11 pour en extraire l'hélium avant de l'utiliser comme reflux de la colonne à basse pression. Ce courant liquide 11 contient typiquement moins de 2% en volume de méthane, plus de 95% en volume d'azote et de 0,5% en volume à 3% en 30 volume d'hélium. La température du courant liquide 12 est par exemple comprise entre - 150°C et - 165°C. 3038973 7 Ce courant liquide 12 est détendu à une pression intermédiaire à l'aide, par exemple, d'une vanne 13. Cette pression intermédiaire est typiquement de l'ordre de 8 bara à 15 bara. Par exemple 12 bara. Par cette détente, le courant liquide a été vaporisé, c'est-à-dire que du 5 gaz a été formé instantanément (il s'agit de gaz de « flash »). Le courant 14 ainsi produit contient une majorité de liquide et une minorité de gaz. Ce gaz est enrichi en hélium. Ce gaz enrichi en hélium comporte au moins 80% en volume de l'hélium contenu dans le courant liquide 12. Le courant diphasique 14 est introduit dans un premier pot 15 séparateur de phases. Le pot 15 produit un 10 courant liquide 16 et un courant gazeux 17. Le courant gazeux 17 contient plus de 80% en volume de l'hélium contenu dans le courant source 1. Néanmoins, ce courant gazeux 17 contient de l'azote. Le courant liquide 16 contenant une majorité d'azote, mais aussi de l'hélium et du méthane est introduit dans la partie haute 18 de la colonne 7 à basse pression après avoir 15 été détendu, par exemple à l'aide d'une vanne 19 afin de servir de reflux de la colonne 7 à basse pression. Le courant 20 en sortie de la tête 21 de la colonne 7 est introduit dans un échangeur de chaleur 22 ou 2 afin de produire un courant 23 riche en azote voire pur en azote ne contenant pas d'hélium et contenant moins de 1,5% en volume de méthane. 20 Le courant gazeux 17 enrichi en hélium contient typiquement plus de 70% en volume d'azote, plus de 5% en volume d'hélium et moins de 2% en volume de méthane, par exemple 90% en volume d'azote, de 8% à 10% en volume d'hélium et moins de 0,5% en volume de méthane. Ce courant gazeux 17 est introduit dans un échangeur 24 de chaleur afin d'être condensé au moins 25 partiellement. Le mélange 25 ainsi condensé est introduit dans un deuxième pot séparateur de phases 26. En tête du séparateur 26, un courant gazeux 27 est extrait. Ce courant gazeux 27 comporte plus de 50% en volume d'hélium, de préférence plus de 60% en volume d'hélium et plus particulièrement plus de 70% en volume d'hélium. Le courant gazeux 27 peut, optionnellement repasser 30 dans un échangeur de chaleur 24. La phase liquide 28 issue du séparateur 26 sert à refroidir l'échangeur 24 après avoir été détendu à une pression inférieure à 3 bara, par exemple à l'aide 3038973 8 d'un détendeur tel qu'une vanne 29. Ce courant liquide 28 est pur en azote, par exemple il contient plus de 99% en volume d'azote. Grâce à l'installation 31 comprenant l'unité 6 de rejet d'azote et l'unité 30 d'extraction d'hélium telle qu'illustrée en figure 1 et selon un procédé objet de 5 l'invention tel que décrit précédemment, avec un courant source 1 contenant environ 50% en volume d'azote, 50% en volume de méthane et 0,3% en volume d'hélium, on obtient une pureté d'hélium dans le courant 27 d'environ 74% en volume et un rendement en hélium d'environ 91°A. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de production d'un courant gazeux (27) d'hélium à partir d'un courant gazeux source (1) comprenant au moins de l'hélium, du méthane, et de l'azote, comprenant au moins les étapes suivantes : Etape a) : introduction dudit courant gazeux source (1) dans une unité (6) de rejet d'azote à double colonne, ladite double colonne comprenant une colonne (5) de distillation à haute pression, une colonne (7) de distillation à basse pression et un condenseur (8) mettant en relation la colonne (5) à haute pression avec la colonne (7) à basse pression ; Etape b) : extraction en sortie dudit condenseur (8) d'au moins une partie (12) d'un mélange (11) produit en tête de colonne (5) à haute pression ; Etape c) : détente dudit mélange issu de l'étape b) à une pression intermédiaire comprise entre 8 bars et 20 bars absolus ; Etape d) : séparation du mélange (14) issu de l'étape c) dans un premier pot séparateur de phases (15) en une phase liquide (16) et une phase (17) gazeuse enrichie en hélium ; Etape e) : condensation au moins partielle de ladite phase gazeuse (17) enrichie en hélium dans un échangeur de chaleur (24); Etape f) : séparation du courant (25) issu de l'étape e) dans un deuxième pot séparateur de phases (26) en une phase liquide (28) et une phase gazeuse (27) contenant plus de 50% en volume d'hélium. 2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend une étape g) : utilisation, comme réfrigérant, de la phase liquide (28) après détente issue de l'étape f) dans ledit échangeur (24) de chaleur mis en oeuvre à l'étape e). 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'au cours de l'étape g), ladite phase liquide (28) est vaporisée à une pression comprise entre 0,1 bar et 3 bar absolus. 3038973 10 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au cours de l'étape a) le courant gazeux est introduit dans la colonne (5) à haute pression à au moins deux niveaux d'alimentation, la fraction vapeur 5 de la première alimentation (3d) étant plus faible que la fraction vapeur de la seconde (3c) et la première alimentation (3d) étant introduite à un niveau plus élevée de ladite colonne à haute pression (5) que la seconde (3c). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant 10 une étape h) : extraction de la phase gazeuse (27) issue de l'étape f) comme produit riche en hélium, contenant au moins 75% en volume d'hélium. 6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la température en sortie de condenseur (8) à l'étape b) est comprise 15 entre - 150°C et - 165°C. 7. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que la pression dans la colonne (5) à haute pression est comprise entre 22 bars absolus et 50 bars absolus et la pression dans la colonne à basse pression est 20 comprise entre 1 bar absolu et 5 bars absolus. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la température de mise en oeuvre de l'étape c) est comprise entre - 160°C et - 180°C. 25 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en que la température de mise en oeuvre de l'étape e) est comprise entre - 180°C et - 210°C. 30 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la phase liquide (16) issue de l'étape d) est introduite dans la colonne (7) à basse pression de ladite unité (6) de rejet. 3038973 11 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une étape supplémentaire de production d'un courant (23) enrichi en azote comprenant moins de 2% en volume de méthane à partir d'un courant gazeux (20) issu de la tête (21) de la colonne (7) à basse pression. 5 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que courant gazeux source (1) comprend de 20% en volume à 80 % en volume de méthane, de 20% en volume à 80% en volume d'azote et de 0% en volume à 2% en volume d'hélium. 10 13. Installation (31) de production d'hélium à partir d'un mélange de gaz source (1) comprenant du méthane, de l'hélium, et de l'azote ladite installation comprenant : - au moins une unité (6) de rejet d'azote munie d'une double 15 colonne, ladite double colonne comprenant une colonne (5) de distillation à haute pression, une colonne (7) de distillation à basse pression et un condenseur (8) mettant en relation la colonne (5) à haute pression avec la colonne (7) à basse pression, et - une unité (30) d'extraction d'hélium comprenant un premier pot 20 séparateur de phases (15) situé en amont d'un échangeur (24) de chaleur lui- même situé en amont d'un deuxième pot séparateur de phases (26) ; caractérisée en ce que l'unité (6) de rejet d'azote est située en amont de l'unité (30) d'extraction d'hélium 25 14. Installation (31) selon la revendication précédente caractérisée en ce que ladite unité (30) d'extraction d'hélium ne contient pas de colonne de distillation ni de colonne de rectification ni de pot séparateur de phases à alimentations multiples. 30