Brevet FR3100057A1 — publié le 20210226

Description Titre de l'invention : PROCEDE ET APPAREIL DE PRODUCTION DE MONOXYDE DE CARBONE PAR CONDENSATION PARTIELLE [pool j La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de production de monoxyde de carbone par condensation partielle. [0002] Les unités de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène peuvent être séparées en deux parties : [0003] Génération du gaz de synthèse (mélange contemmt FL, CO, CRI, CO2, Ar et N, es- sentiellement). 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/C0 faible. Une autre voie est le reformage à la vapeur. [0004] Purification du gaz de synthèse. On retrouve : [0005] - 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. [0006] Dans le cas où le gaz de synthèse est produit à partir d'une gazéification de charbon à lit entrainé ou lit fluidisé, le procédé de la boite froide est la condensation partielle. Pour les applications MEG, TDI/MDI ou PC par exemple, il est nécessaire d'inclure une colonne de séparation du CH4 dans la boite froide. [0007] Dans le schéma de EP 0677483, les énergies de rebouillage des deux colonnes de sé- paration rapide (en anglais « flash ») et de séparation CO/CH4 sont apportées par refroidissement du gaz de synthèse dans l'échangeur principal et par le cycle. Le gaz de synthèse est refroidi dans son ensemble jusqu'au bout froid de l'échangeur de chaleur avant de rentrer dans le pot séparateur de séparation de l'hydrogène. [0008] Les inconvénients sont que : [0009] Le rebouillage des deux colonnes dans la ligne d'échange ne permet pas une bonne régulation des énergies de rebouillage. La consommation d'énergie du cycle de réfrigération est forte car le gaz de synthèse est refroidi dans sa totalité jusqu'au bout froid. Il n'y a pas de pot de condensation intermédiaire du gaz de synthèse pour en extraire le liquide 2 condensé et éviter de le sous refroidir. [0010] W018039313 décrit des rebouilleurs indépendants des deux colonnes avec le refroi- dissement au gaz de synthèse mais l'ensemble du gaz de synthèse (liquide et gaz de sortie des rebouilleurs) est refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange selon les figures 3, 4 et 5. Dans les figures 1 et 2, les deux rebouilleurs sont en série, la totalité de la sortie du rebouilleur de la colonne de flash est envoyé dans le pot séparateur commun avec le bout froid. Le liquide de sortie du rebouilleur de la colonne CO/CH4 est sous refroidi dans la ligne d'échange. [0011] Les inconvénients sont que : [0012] - Si les deux rebouilleurs sont en série, ceci crée des instabilités de l'énergie de rebouillage de la colonne d'épuisement lorsque la température de la sortie du premier rebouilleur varie en fonction des perturbations de composition du gaz de synthèse entrant. La sortie du deuxième rebouilleur est envoyée directement dans le pot de gaz de synthèse haute pression. Pour que la sortie du deuxième rebouilleur soit à une température proche du pot de gaz de synthèse haute pression, il faut baisser la pression de la colonne d'épuisement, cc qui a pour effet d'augmenter la quantité de CO dans le gaz de tête. Le rendement CO est réduit ainsi si le gaz de flash n'est pas recyclé, ou bien l'énergie de compression du recyclage du gaz de tête est augmentée. La colonne CO/CH4 est opérée à basse pression suite à la baisse de pression de la colonne d'épuisement, ce qui augmente l'énergie de compression du CO sortie de cette colonne. L'énergie du cycle frigorifique est forte car tout le gaz de synthèse est refroidi jusqu'au bout froid, le liquide à la sortie du pot de condensation partielle du gaz de synthèse à la sortie des rebouilleurs est sous-refroidi et donc consomme du cycle frigorifique. [0013] Dans US6266976, les énergies de rebouillage des deux colonnes sont apportées par refroidissement du gaz de synthèse et du cycle dans la ligne d'échange. Le liquide issu du premier pot de condensation partielle (106) du gaz de synthèse sortie du premier échangeur de la ligne d'échange est envoyé dans la colonne d'épuisement mais comme reflux et non pas à un niveau intermédiaire (fluide 146). [0014] Une partie du liquide du deuxième pot de condensation partielle du gaz de synthèse (112) est envoyé comme reflux de la colonne d'épuisement mais après avoir été réchauffé dans la ligne d'échange. [0015] Les inconvénients sont : [0016] - Le rebouillage des deux colonnes dans la ligne d'échange ne permet pas un bon contrôle des énergies de rebouillages. 3 Forte teneur en CO dans le gaz de flash sortie tête de colonne d'épuisement qui conduit à augmenter l'énergie de recycle du gaz de séparation rapide (en anglais « flash ») ou bien perte de rendement en CO si le gaz de séparation rapide (en anglais « flash ») n'est pas recyclé. [0017] Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation par distillation cryogénique dans un système de colonnes d'un mélange d'hydrogène, de méthane et de monoxyde de carbone dans lequel : [0018] i. On refroidit le mélange dans un premier échangeur de chaleur et on le condense partiellement dans au moins un deuxième échangeur de chaleur qui est un rebouilleur de cuve d'une première ou deuxième colonne du système de colonnes et on envoie à un niveau intermédiaire de la première colonne au moins une partie du liquide produit par la condensation partielle ou un liquide dérivé de cc liquide par au moins une étape de condensation partielle, seulement le mélange et du liquide dc cuve de la colonne échangeant dc la chaleur dans le deuxième échangeur de chaleur, le liquide dc cuve vaporisé étant renvoyé à la colonne dont il provient. On soutire un gaz dc tête enrichi en hydrogène de la première colonne et on le réchauffe dans le premier échangeur de chaleur. On soutire un liquide enrichi en monoxyde de carbone et en méthane dc la cuve de la première colonne et on l'envoie à au moins un niveau intermédiaire de la deuxième colonne. iv. On soutire un liquide riche en méthane de la cuve de la deuxième colonne et un fluide riche en monoxyde de carbone de la tête de la deuxième colonne, et v. On produit de la réfrigération pour tenir en froid le procédé au moyen d'un cycle de réfrigération. [0019] Selon d'autres aspects facultatifs : [0020] - on envoie au moins une partie du mélange refroidi au deuxième échangeur de chaleur qui est un rebouilleur de la première colonne. on envoie au moins une partie du mélange refroidi au deuxième échangeur de chaleur qui est un rebouilleur de la deuxième colonne. on envoie au moins une partie du mélange refroidi se refroidir au deuxième échangeur qui est un rebouilleur de la deuxième colonne et ensuite on envoie le mélange refroidi à un troisième échangeur qui est un rebouilleur de la première colonne. on envoie au moins une partie du mélange refroidi se condenser partiellement dans le deuxième échangeur qui est un rebouilleur de la deuxième colonne pour produire un gaz et un liquide, ensuite on envoie le gaz à un troisième échangeur qui est un rebouilleur de la première colonne et on envoie au moins une partie du liquide produit par condensation au moins partielle du gaz dans le troisième échangeur au point intermédiaire de la première colonne. [0021] - on envoie une partie condensée, produite suite à au moins une étape de condensation partielle du mélange, en tête de la première colonne du système de colonnes. la première colonne a un rebouilleur de cuve et n'a pas de condenseur de tête. la première colonne opère à entre 13 et 16 bars abs. la deuxième colonne opère à une pression au-dessus de 6 bars abs. la deuxième colonne a un rebouilleur de cuve et un condenseur de tête. le gaz de tête de la première colonne contient moins de 35 % mol, voire moins de 25% mol, de monoxyde de carbone. le gaz de tête de la première colonne contient plus de 60 % mol, voire plus de 75% mol, d'hydrogène. le mélange se refroidit dans le premier échangeur de chaleur jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci et ensuite sort du premier échangeur de chaleur avant d'être envoyé au rebouilleur. le fluide riche en monoxyde de carbone de la tête de la deuxième colonne et/ ou le gaz de tête enrichi en hydrogène de la première colonne se refroidit dans le premier échangeur de chaleur depuis le bout froid du premier échangeur de chaleur. on refroidit dans la partie la plus froide du premier échangeur de chaleur un gaz dérivé par condensation partielle du mélange refroidi dans le premier échangeur de chaleur. [0022] Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation par dis- tillation cryogénique d'un mélange d'hydrogène, de méthane et de monoxyde de carbone comprenant un système de colonnes comprenant une première colonne et une deuxième colonne, un premier échangeur de chaleur, un deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le mélange se refroidir dans le premier échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le mélange refroidi se condenser partiellement dans au moins le deuxième échangeur de chaleur qui est un rebouilleur de cuve de la première ou de la deuxième colonne du système de colonnes, des moyens pour envoyer à un niveau intermédiaire de la première colonne au moins une partie du liquide produit par la condensation partielle ou un liquide dérivé de ce liquide par au moins une étape de condensation partielle, seulement le mélange et du liquide de cuve de la colonne échangeant de la chaleur dans le deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour renvoyer le liquide de cuve vaporisé à la colonne dont il provient, des moyens pour soutirer un gaz de tête enrichi en hydrogène de la première colonne, des moyens pour envoyer le gaz de tête se réchauffer dans le premier échangeur de chaleur, des moyens pour soutirer un liquide enrichi en monoxyde de carbone et en méthane de la cuve de la première colonne, des moyens pour envoyer le liquide enrichi en monoxyde de carbone et en méthane à au moins un niveau intermédiaire de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un liquide riche en méthane de la cuve de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un fluide riche en monoxyde de carbone de la tête de la deuxième colonne et un cycle de réfrigération pour produire de la réfrigération pour tenir en froid le procédé. [0023] L'invention sera décrite de manière très détaillée en se référant aux figures 1 à 3 qui illustrent des procédés selon l'invention. [0024] [fig.1] décrit un procédé de séparation d'un mélange gazeux, tel qu'un gaz de synthèse, selon l'invention. Les deux rebouilleurs en parallèle avec un pot commun en sortie des deux rebouilleurs, le gaz résultant est refroidi dans la ligne d'échange et la fraction liquide est envoyée en partie intermédiaire de la colonne d'épuisement. [0025] Un mélange gazeux 1 contenant au moins du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et du méthane est refroidi dans la première section 3 d'un échangeur de chaleur en deux sections 3,9. [0026] Le mélange refroidi est divisé en deux parties 5,7. La partie 7 est partiellement condensée en la refroidissant dans un rebouilleur de cuve 13 d'une colonne K1, qui est une colonne d'épuisement (en anglais « stripping »). La partie 5 est partiellement condensée en la refroidissant dans un rebouilleur de cuve d'une colonne K2 qui est une colonne de distillation CO/CH4. Les débits partiellement condensés sont mélangés dans un séparateur de phases 15. [0027] Le gaz produit est refroidi dans la section 9 de l'échangeur où il se condense par- tiellement et est envoyé à un séparateur de phases S2. Le gaz 63 du séparateur de phases S2 est réchauffé dans les sections 9,3. Le liquide du séparateur de phases S2 est envoyé en tête de colonne Ki. [0028] Le liquide 17 du séparateur de phases 15 est détendu puis mélangé avec un autre débit pour former un débit diphasique 19. Le débit 19 est séparé dans un séparateur de phases pour former un gaz 22 et un liquide 23, les deux étant envoyés à un niveau intermédiaire de la colonne Kl. [0029] Une partie 45 du liquide du séparateur de phases 15 est refroidi dans la section 9 de l'échangeur de chaleur où il se condense partiellement avant d'être envoyé vers un séparateur de phases Si. [0030] Le liquide de cuve du séparateur de phases S2 est divisé en deux. Une partie 61 est envoyé comme liquide en tête de la colonne Kl. Le reste 43 est détendu et alimente le séparateur de phases SI. Le liquide 41 formé dans le séparateur SI se vaporise dans la section 9 pour former un gaz mélange avec le gaz du séparateur 1 et le débit formé 45 est mélangé avec le débit 17 du séparateur 15. 6 [0031] Le gaz de tête de la colonne K1 se réchauffe dans les deux sections 9,3 pour former un gaz 39 riche en hydrogène. [0032] Du liquide de cuve de la colonne K1 est vaporisé dans le rebouilleur 13 et renvoyé à la colonne K1. [0033] La colonne K1 opère à une pression entre 13 et 16 bar abs et le gaz de tête 21 a la composition suivante : [0034] - CO: 20-35% mol H2: 65-80 % CH4: 0.1% N2: 0.5% Ar: 0.1% [0035] Du liquide de cuve de la colonne K1 est divisé en deux pour former deux débits liquides détendus 27,29,31. Le débit détendu 31 est envoyé à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne K2 et le débit détendu 27 se réchauffe partiellement dans la section 9 pour être envoyé à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne K2 inférieur à celui de l'arrivée du débit 31. [0036] Un liquide de cuve 21 est envoyé au rebouilleur 11, se vaporise et est renvoyé à la colonne K2, qui opère à une pression supérieure à 6 bars abs. [0037] Un autre liquide de cuve 23 de la colonne K2 est réchauffé dans la section 3 pour former un produit riche en méthane. [0038] Un gaz de tête 37 de la colonne K2 est réchauffé dans les sections 9,3 pour former un produit riche en monoxyde de carbone. [0039] Le condenseur de tête C de la colonne CO/CH4 K2 est alimenté en liquide par un cycle d'azote, comprenant deux compresseurs V1, V2 et avec deux niveaux de vaporisation à des pressions différentes dans la section 9. Ce cycle est complètement indépendant du reste du procédé et peut être remplacé par un cycle de réfrigération différent. [0040] [fig.2] décrit un procédé de séparation d'un mélange gazeux selon l'invention, similaire à celui de la figure 1. Les deux rebouilleurs 11,13 sont en série. Ainsi le mélange 1 refroidi dans la section 3 uniquement arrive comme débit 5 dans le premier rebouilleur 11, vaporise le liquide de cuve 21 et s'en trouve refroidi. Le mélange refroidi est envoyé au deuxième rebouilleur 13 où il se condense partiellement. Un pot séparateur 65 se trouve à la sortie du deuxième rebouilleur 13. La fi-action vapeur 77 du deuxième pot est refroidie dans la ligne d'échange et séparée dans le séparateur S2 pour former une alimentation liquide de la colonne Ki alors que les fractions liquide et gazeux 67 dérivées par condensation partielle du liquide 67 du pot 65 sont envoyées en partie intermédiaire de la colonne Ki. [0041] Ceci permet de réduire la perte de CO en tête de colonne et de réduire l'énergie du 7 compresseur de cycle car la fraction liquide sortie rebouilleur n'est pas sous refroidie. [0042] Ainsi le débit de gaz de tête contient moins de 30% de monoxyde de carbone, voire moins de 25% mol de monoxyde de carbone. [0043] [fig.3] décrit un procédé de séparation d'un mélange gazeux selon l'invention, similaire à celui de la figure 1. Les deux rehouilleurs 11,13 sont en série. Ainsi le mélange 1 refroidi dans la section 3 uniquement arrive comme débit 5 dans le premier rebouilleur 11, vaporise le liquide de cuve 21 et s'en trouve partiellement condensé. Le mélange partiellement condensé est envoyé au pot séparateur 15 qui se trouve à la sortie du premier rebouilleur 11. Le liquide 17 du pot 15 est envoyé à un pot 65 dont le liquide 67 est envoyé à une partie intermédiaire de la colonne Kl. Le gaz 77 du pot 15 est partiellement condensé dans le deuxième rebouilleur 13. Un deuxième pot 65 se trouve à la sortie du deuxième rebouilleur 13. La fraction vapeur 77 du deuxième pot 65 est refroidie dans la ligne d'échange 9 alors que les fractions liquide 17,67 des deux pots 15,65,75 sortie rebouilleur respectivement sont envoyés en partie intermédiaire de la colonne de Kl. [0044] La solution est à sélectionner à partir de celles des trois figures en fonction de la pression du gaz de synthèse 1 entrant et de la teneur en CO dans le gaz de synthèse 1 entrant. 8 [Revendication 1] REVENDICATIONSProcédé de séparation par distillation cryogénique dans un système de colonnes d'un mélange d'hydrogène, de méthane et de monoxyde de carbone (1,5,7) dans lequel : On refroidit le mélange dans un premier échangeur de chaleur (3,9) et on le condense partiellement dans au moins un deuxième échangeur de chaleur (11,13) qui est un rebouilleur de cuve d'une première ou deuxième colonne (K1,K2) du système de colonnes et on envoie à un niveau intermédiaire de la première colonne (K1) au moins une partie du liquide (17,67) produit par la condensation partielle ou un liquide (23,75) dérivé de ce liquide (67) par au moins une étape de condensation partielle, seulement le mélange et du liquide de cuve (21) de la colonne échangeant de la chaleur dans le deuxième échangeur de chaleur, le liquide de cuve vapoiisé étant renvoyé à la colonne dont il provient. On soutire un gaz de tête (39) ernichi en hydrogène de la première colonne et on le réchauffe dans le premier échangeur de chaleur, On soutire un liquide (25,27,29) enrichi en monoxyde de carbone et en méthane de la cuve de la première colonne (K1) et on l'envoie à au moins un niveau intermédiaire de la deuxième colonne (K2). iv. On soutire un liquide (23) riche en méthane de la cuve de la deuxième colonne et un fluide riche en monoxyde de carbone (37) de la tête de la deuxième colonne, et v. On produit de la réfrigération pour tenir en froid le procédé au moyen d'un cycle de réfrigération (V1,V2,35,46,47,49,53). [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie au moins une partie (7) du mélange refroidi au deuxième échangeur de chaleur (13) qui est un rebouilleur de la première colonne (K1). [Revendication 3] Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on envoie au moins une partie (5) du mélange refroidi au deuxième échangeur de chaleur qui est un rebouilleur (11) de la deuxième colonne (1(2). [Revendication 4] Procédé selon la revendication 3 dans lequel on envoie au moins une 9 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] partie du mélange refroidi se refroidir au deuxième échangeur (11) qui est un rebouilleur de la deuxième colonne (K2) et ensuite on envoie le mélange refroidi à un troisième échangeur qui est un rebouilleur (13) de la première colonne (K1). Procédé selon la revendication 3 dans lequel on envoie au moins une partie du mélange refroidi se condenser partiellement dans le deuxième échangeur (11) qui est un rebouilleur de la deuxième colonne (K2) pour produire un gaz (77) et un liquide (17), ensuite on envoie le gaz à un troisième échangeur (13) qui est un rebouilleur de la première colonne (K1) et on envoie au moins une partie du liquide produit par condensation au moins partielle du gaz dans le troisième échangeur au point intermédiaire de la première colonne. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on envoie une partie condensée (61), produite suite à au moins une étape de condensation partielle du mélange, en tête de la première colonne (K1) du système de colonnes. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la première colonne (K1) a un rebouilleur de cuve (13) et n'a pas de condenseur de tête. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange (1) se refroidit dans le premier échangeur de chaleur (3,9) jusqu'à une température intermédiaire de celui-ci et ensuite sort du premier échangeur de chaleur avant d'être envoyé au rebouilleur. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le fluide (37) riche en monoxyde de carbone de la tête de la deuxième colonne (K2) et/ou le gaz de tête (39) enrichi en hydrogène de la première colonne (KI) se refroidi(ssen)t dans le premier échangeur de chaleur (3,9) depuis le bout froid du premier échangeur de chaleur. Appareil de séparation par distillation cryogénique d'un mélange d'hydrogène, de méthane et de monoxyde de carbone (1,5,7) comprenant un système de colonnes comprenant une première colonne (Ki) et une deuxième colonne (K2), un premier échangeur de chaleur (3,9), un deuxième échangeur de chaleur (11,13), des moyens pour envoyer le mélange se refroidir dans le premier échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le mélange refroidi se condenser partiellement dans au moins le deuxième échangeur de chaleur qui est un rebouilleur de cuve de la première ou de la deuxième colonne du système de colonnes, des moyens pour envoyer à un niveau intermédiaire de la 10 première colonne au moins une partie (75) du liquide produit par la condensation partielle ou un liquide dérivé de cc liquide par au moins une étape de condensation partielle, seulement le mélange et du liquide de cuve de la colonne échangeant de la chaleur dans le deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour renvoyer le liquide de cuve vaporisé à la colonne dont il provient, des moyens pour soutirer un gaz de tête (39) enrichi en hydrogène de la première colonne, des moyens pour envoyer le gaz de tête se réchauffer dans le premier échangeur de chaleur, des moyens pour soutirer un liquide enrichi en monoxyde de carbone et en méthane (25, 29) de la cuve de la première colonne, des moyens pour envoyer le liquide enrichi en monoxyde de carbone et en méthane à au moins un niveau intermédiaire de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un liquide riche en méthane de la cuve (23) de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un fluide riche en monoxyde de carbone (37) de la tête de la deuxième colonne et un cycle de réfrigération (VI ,V2, C, 35, 46,47,49 pour produire de la réfrigération pour tenir en froid le procédé.