Brevet FR3097951A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : PROCEDE ET APPAREIL DE SE- PARATION CRYOGENIQUE D'UN GAZ DE SYNTHESE POUR LA PRODUCTION DE CH4 [0ool] La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation cryogénique d'un gaz de synthèse pour la production de CH4. [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 contenant H2, CO, et éventuellement CH4, CO2, Ar ou N2 essentiellement). [0004] 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 faibles. Une autre voie est le reformage à la vapeur. Purification du gaz de synthèse. [0005] On retrouve : [0006] 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. [0007] Les documents ci-dessous décrivent des schémas avec une première étape de lavage au CO (pur ou impur), une étape d'épuisement (en anglais « stripping » et une colonne de séparation CO/CH4 par distillation cryogénique [0008] Lavage au CO pur avec pompe CO + cycle N2 : CN101688753 Lavage au CO impur dans une première colonne ayant un condenseur de tête, turbines de détente d'hydrogène de cycle, pas de compresseur de cycle : FR 2754541. Lavage au CO et envoi de CO liquide en tête de la colonne de séparation CO/ CH4: W007/018518. Lavage au CO sans colonne d'épuisement FR3018599 et US4488890 Lavage au CO W02008/113494 Lavage au CO CN105865147 [0009] Les trois documents pré-cités ne comprennent pas de lavage au CO (pur ou impur) dans la colonne d'épuisement, et ont l'inconvénient d'avoir des pertes de CH4 en tête 2 de colonne d'épuisement. [0010] L'invention comprend une boite froide pour effectuer un procédé de séparation comprenant un lavage au CO impur en tête de colonne d'épuisement opérée à moyenne pression, typiquement entre 5 et 20 bar abs. [0011] Le liquide riche en CO servant au lavage de tête de colonne d'épuisement provient d'un pot séparateur de tête de colonne de lavage à haute pression sur le gaz de synthèse ou bien d'un pot de condensation après refroidissement de la tête de la colonne d'épuisement. Cette caractéristique permet d'augmenter le rendement de récupération de CH4 de l'ordre de 0.3 point. [0012] Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un gaz de synthèse comprenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone et du méthane dans lequel [0013] i. Le gaz de synthèse est refroidi dans un échangeur de chaleur. Le gaz de synthèse refroidi est envoyé à une première colonne, un gaz de tête de la première colonne est partiellement condensé et au moins une partie du gaz condensé est envoyée en tête de la première colonne. Un liquide de cuve de la première colonne est envoyé à un niveau intermédiaire d'une deuxième colonne. iv. Un liquide enrichi en monoxyde de carbone par rapport au gaz de synthèse est envoyé en tête de la deuxième colonne. v. Au moins une partie du gaz de tête de la deuxième colonne est réchauffé dans l'échangeur de chaleur. vi Un liquide de cuve de la deuxième colonne est envoyé à un niveau inter- médiaire d'une troisième colonne ayant un condenseur de tête. vii. Un liquide riche en méthane est soutiré de la cuve de la troisième colonne et se vaporise dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en méthane, un gaz riche en monoxyde de carbone est soutiré de la tête de la troisième colonne et réchauffé dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en monoxyde de carbone. [0014] Selon d'autres aspects facultatifs : [0015] au moins une partie du gaz de tête de la première colonne et/ou de la deuxième colonne est partiellement condensé, de préference dans l'échangeur de chaleur, et envoyé à un séparateur de phases. [0016] - au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone provient du séparateur de phases ou des deux séparateurs de phases. [0017] - du/le liquide du séparateur de phases est produit en condensant partiellement le gaz de tête de la première colonne et est envoyé à la tête de la deuxième colonne après détente. 3 du/le liquide du séparateur de phases est produit en condensant partiellement le gaz de tête de la deuxième colonne et est envoyé à la tête de la deuxième colonne sans avoir été détendu. au moins une partie du gaz de tête de la première colonne est partiellement condensé. une partie du gaz formé en vaporisant le liquide riche en méthane est comprimée et renvoyée en cuve de la troisième colonne pour s'y séparer. la deuxième colonne n'a pas de condenseur de tête. [0018] Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un gaz de synthèse comprenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone et du méthane comprenant une première colonne, une deuxième colonne, une troisième colonne ayant un condenseur de tête, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz de synthèse se refroidir dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz de synthèse refroidi à la première colonne, des moyens pour condenser partiellement un gaz de tête de la première colonne, des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz condensé en tête de la première colonne, des moyens pour envoyer un liquide de cuve de la première colonne à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne, des moyens pour envoyer un liquide enrichi en monoxyde de carbone par rapport au gaz de synthèse en tête de la deuxième colonne, des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz de tête de la deuxième colonne se réchauffer dans l'échangeur de chaleur et des moyens pour envoyer un liquide de cuve de la deuxième colonne à un niveau intermédiaire de la troisième colonne , des moyens pour soutirer un liquide riche en méthane de la cuve de la troisième colonne, des moyens pour envoyer le liquide soutiré se vaporiser dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en méthane, des moyens pour soutirer un gaz riche en monoxyde de carbone de la tête de la troisième colonne et des moyens pour envoyer le gaz riche en monoxyde de carbone se réchauffer dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en monoxyde de carbone. [0019] Selon un autre aspect de l'invention, l'appareil comprend des moyens pour condenser partiellement au moins une partie du gaz de tête de la première colonne et/ou de la deuxième colonne, de préference constitués par l'échangeur de chaleur. [0020] L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des procédés de séparation selon l'invention. [0021] [fig.1] représente un procédé utilisant une première colonne 1 où s'effectue un lavage au monoxyde de carbone impur, une deuxième colonne 2 qui est une colonne d'épuisement incorporant un lavage au monoxyde de carbone impur et une troisième colonne 3 qui est une colonne de distillation à température cryogénique. [0022] Un gaz de synthèse 4, comprenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et du méthane ainsi qu'éventuellement de l'azote, est refroidi dans un échangeur de chaleur 6. Le gaz 4 est refroidi jusqu'à une température intermédiaire de l'échangeur de chaleur et est envoyé en cuve de la première colonne 1. Un liquide 8 appauvri en hydrogène est soutiré de la cuve de la première colonne. Un gaz de tête 10, enrichi en hydrogène est refroidi dans l'échangeur de chaleur 6 où il se condense partiellement avant d'être envoyé à un premier séparateur de phase 12. Un gaz 14 riche en hydrogène est soutiré du premier séparateur dc phases 12 et se réchauffe dans l'échangeur 6. Le liquide 17 du séparateur de phase 12 contient au moins 80% de monoxyde de carbone et est renvoyé en tête dc la colonne 1 pour former du reflux. [0023] Le liquide 8 est détendu dans une vanne V1 et envoyé à un niveau intermédiaire de la colonne d'épuisement 2 en dessous d'une section 2A. Le liquide de cuve 16 est chauffé dans un rebouilleur 14 par un gaz de cycle 30. Le gaz de tête 22 pris en tête de la colonne 2 au-dessus de la section 2A est refroidi dans l'échangeur de chaleur 6, s'y condense partiellement et est envoyé à un deuxième séparateur de phases 20 dont le liquide est renvoyé en tête de la colonne 2. Il est possible que seulement une partie du gaz 22 soit partiellement condensé et/ou que seulement une partie du liquide formé soit envoyé à la colonne. Cc liquide transforme la tête de la colonne 2 en une section de lavage, permettant de réduire, voire éliminer, les pertes de méthane dans le gaz 22. Le gaz 24 du séparateur dc phases 20 se réchauffe dans l'échangeur de chaleur 6. [0024] Le liquide de cuve 18 de la colonne d'épuisement 2 est détendu dans une vanne V3 et envoyé à un niveau intermédiaire à une colonne de distillation 3. Le gaz de tête de la colonne de distillation est condensé dans un rebouilleur-condenseur entouré par une paroi cylindrique pour créer un bain de liquide autour du rebouilleur. [0025] Le liquide de cuve 38 est le produit riche en méthane du procédé. Il est détendu dans une vanne V5, vaporisé dans l'échangeur de chaleur 6, comprimé dans un compresseur C3 et divisé, de préférence, en deux. Le débit comprimé 40 se refroidit dans l'échangeur de chaleur 6 et est divisé en deux ; une partie 42 à une température intermédiaire de l'échangeur est envoyée en cuve de la colonne 3 pour s'y séparer. Le reste 44 poursuit son refroidissement à une température intermédiaire plus basse, est détendu dans une vanne V6 et rejoint le débit 38 pour être réchauffé. [0026] Ainsi aucun rebouilleur de cuve n'est nécessaire dans la colonne 3. Il sera compris que l'invention n'est pourtant pas limitée aux procédés où la cuve de la colonne 3 est réchauffée de cette manière. [0027] Le débit 50 comprimé dans le compresseur C3 est comprimé dans le compresseur C4 pour former le produit gazeux riche en méthane. [0028] Le procédé comprend un cycle fermé qui est, par exemple, un cycle d'azote. L'azote gazeux est comprimé dans un compresseur Cl puis dans un compresseur C2 pour former un débit gazeux 28. Le débit 28 est refroidi dans l'échangeur de chaleur 6 et est divisé en deux. Une fraction 30, sortie à une température intermédiaire de l'échangeur de chaleur 6, sert à rebouillir la colonne d'épuisement par l'échangeur de chaleur 14 où elle se condense, est détendue dans une vanne V4 et envoyée au condenseur de tête de la colonne 3. [0029] Le reste 32 de l'azote 28 du compresseur C2 se refroidit complètement dans l'échangeur de chaleur 6, est détendu dans une vanne V6 et est envoyé au condenseur de tête. [0030] Un liquide 34 est soutiré du condenseur de tête de la colonne 3 est détendu dans une vanne V7 et réchauffé dans l'échangeur de chaleur 6. Le gaz 46 du toit du condenseur de tête de la colonne 3 est mélangé avec le liquide 34 vaporisé formant un gaz 48. Le gaz 48 est réchauffé par un échangeur de chaleur 6 jusqu'au bout chaud de celui-ci et envoyé en amont du compresseur C2 et en aval du compresseur Cl. [0031] Un gaz riche en monoxyde de carbone 36 est soutiré en tête de la troisième colonne 3 se réchauffe dans l'échangeur de chaleur 6 pour former un produit final gazeux. [0032] Aucun débit du procédé n'est détendu dans une turbine. Aucun produit sous forme liquide n'est produit. [0033] [fig.2] montre un procédé très similaire à celui de la [Fig.1]. Cependant il en diffère par les points suivants : [0034] - Le deuxième pot séparateur 20 de la [Fig.1] est supprimé La section 2A de la deuxième colonne 2 est alimentée par une partie 56 du liquide du pot séparateur 12, détendu par une vanne V8. [0035] Ainsi, de même que pour la précédente figure, le liquide 56 envoyé en tête de la deuxième colonne 2 sert à réduire les pertes de méthane dans le gaz de tête 22 de la deuxième colonne 2. [0036] Le gaz de tête 22 se réchauffe complètement dans l'échangeur de chaleur 6 sans condensation partielle. 6 [Revendication 1] REVENDICATIONSProcédé de séparation d'un gaz de synthèse comprenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone et du méthane dans lequel : Le gaz de synthèse (4) est refroidi dans un échangeur de chaleur (6). Le gaz de synthèse refroidi est envoyé à une première colonne (1), un gaz de tête (10) de la première colonne est partiellement condensé et au moins une partie (17) du gaz condensé est envoyée en tête de la première colonne. iii. Un liquide de cuve (8) de la première colonne est envoyé à un niveau intermédiaire d'une deuxième colonne (2). iv. Un liquide enrichi en monoxyde de carbone (56) par rapport au gaz de synthèse est envoyé en tête de la deuxième colonne. v. Au moins une partie du gaz de tête (22,24) de la deuxième colonne est réchauffé dans l'échangeur de chaleur. vi. Un liquide de cuve (18) de la deuxième colonne est envoyé à un niveau intermédiaire d'une troisième colonne (3) ayant un condenseur de tête. vii. Un liquide riche en méthane (38) est soutiré de la cuve de la troisième colonne et se vaporise dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en méthane (50), un gaz riche en monoxyde de carbone (36) est soutiré de la tête de la troisième colonne et réchauffé dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en monoxyde de carbone. [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] Procédé selon la revendication 1 dans lequel au moins une partie du gaz de tête (10,22) de la première colonne (1) et/ou de la deuxième colonne (2) est partiellement condensé, dc préference dans l'échangeur de chaleur (6), et envoyé à un séparateur de phases (12,20). Procédé selon la revendication 2 dans lequel au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone provient du séparateur de phases (12) ou des deux séparateurs de phases (12,20). Procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel du/le liquide (17, 56) du séparateur de phases (12) est produit en condensant partiellement le gaz de tête (10) de la première colonne (1) et est envoyé à la tête de la deuxième colonne (2) après détente (V8). 7 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] Procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel du/le liquide du séparateur de phases (20) est produit en condensant partiellement le gaz de tête de la deuxième colonne (22) et est envoyé à la tête de la deuxième colonne (2) sans avoir été détendu. Procédé selon la revendication 5 dans lequel au moins une partie du gaz de tête (10) de la première colonne (1) est partiellement condensé. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une partie (40) du gaz formé en vaporisant le liquide riche en méthane (38) est comprimée et renvoyée en cuve de la troisième colonne (3) pour s'y séparer. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième colonne (2) n'a pas de condenseur de tête. Appareil de séparation d'un gaz de synthèse comprenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone et du méthane comprenant une première colonne (1), une deuxième colonne (2), une troisième colonne (3) ayant un condenseur de tête, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le gaz de synthèse (4) se refroidir dans l'échangeur de chaleur (6), des moyens pour envoyer le gaz de synthèse refroidi à la première colonne (1), des moyens pour condenser partiellement un gaz de tête (10) de la première colonne, des moyens pour envoyer au moins une partie (17) du gaz condensé en tête de la première colonne, des moyens pour envoyer un liquide de cuve (8) de la première colonne à un niveau intermédiaire de la deuxième colonne (2), des moyens pour envoyer un liquide enrichi en monoxyde de carbone (56) par rapport au gaz de synthèse en tête de la deuxième colonne, des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz de tête (22,24) de la deuxième colonne se réchauffer dans l'échangeur de chaleur et des moyens pour envoyer un liquide de cuve (18) de la deuxième colonne à un niveau intermédiaire de la troisième colonne (3), des moyens pour soutirer un liquide riche en méthane (38) de la cuve de la troisième colonne, des moyens pour envoyer le liquide soutiré se vaporiser dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en méthane (50), des moyens pour soutirer un gaz riche en monoxyde de carbone (36) de la tête de la troisième colonne et des moyens pour envoyer le gaz riche en monoxyde de carbone se réchauffer dans l'échangeur de chaleur pour former un produit gazeux riche en monoxyde de carbone. Appareil selon la revendication 9 comprenant des moyens pour condenser partiellement au moins une partie du gaz de tête (10,22) de la première colonne (1) et/ou dc la deuxième colonne (2), de préference constitués par l'échangeur de chaleur (6).