Brevet FR3096900A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Procédé et unité de purification d'hélium [0001] La présente invention concerne un procédé et une unité de purification d'hélium. [0002] La teneur en hélium dans le gaz traité est supérieure à 10%, de préférence supérieure à 30% (%mol). Le gaz traité contient également de l'azote. La teneur en azote est supérieure à 10%, de préférence supérieure à 30%. Le gaz traité peut également contenir des composés minoritaires tels que le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, le méthane, l'hydrogène, le néon, etc. [0003] L'hélium est traité en plusieurs étapes. Les étapes peuvent être les suivantes: 1. Compression du gaz de charge 2. Enrichissement jusqu'à une teneur de 70-90% mol en hélium à l'aide d'un procédé cryogénique dit de "condensation partielle" 3. Elimination de l'hydrogène contenu clans le gaz à l'aide d'un procédé catalytique. 4. Purification jusqu'à une teneur de 99.99% mol en hélium à l'aide d'un PSA [0004] Si le gaz à séparer est sous pression, l'étape de compression n'est évidemment pas présente. [0005] L'hélium purifié peut ensuite être liquéfié. [0006] Le procédé de la présente invention peut s'intégrer dans une unité de purification d'hélium et de liquéfaction, HeRU (Helium Recovery Unit) [0007] Le gaz résiduaire du PSA peut être renvoyé au compresseur pour récupérer l'hélium qu'il contient. Le gaz résiduaire est purifié en amont du compresseur dans un TSA avant d'être introduit dans le procédé de purification. Le TSA capte l'eau et le CO, contenu dans le gaz résiduaire du PSA. [0008] Pour régénérer le TSA, on utilise de l'azote produit par le procédé cryogénique et l'azote qui contient quelques c/e de méthane est ensuite envoyé dans l'atmosphère. [0009] La présente invention cherche à réduire la quantité de méthane, provenant de ce gaz de régénération, envoyé dans l'atmosphère. [0010] Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de purification d'hélium dans lequel : Un débit contenant au moins 10% d'hélium, au moins 10% de l'azote, de l'hydrogène et du méthane est séparé par condensation partielle et/ou distillation pour former un débit enrichi en hélium et contenant dc l'hydrogène, un premier débit enrichi en azote et en méthane et un deuxième débit enrichi en azote et en méthane ii. Le débit enrichi en hélium est envoyé à une unité de catalyse en présence d'oxygène pour réduire son contenu en hydrogène, le débit enrichi en hélium 2 et appauvri en hydrogène est traité pour enlever au moins une partie de l'eau générée par la catalyse, le débit enrichi en hélium dont une partie de l'eau a été enlevée est purifié par adsorption dans une première unité d'adsorption pour produire un gaz riche en hélium comprenant au moins 95% mol hélium et un gaz résiduaire appauvri en hélium contenant de l'eau, Le gaz résiduaire appauvri en hélium contenant de l'eau est séparé par adsorption dans une deuxième unité d'adsorption pour enlever l'eau, iv. Le premier débit enrichi en azote et en méthane est envoyé à une unité de combustion pour participer à la combustion et les gaz de combustion sont envoyés à l'atmosphère ou récupérés, y. Le deuxième débit enrichi en azote et en méthane est envoyé comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption et le gaz ayant servi à la régénération est envoyé à l'unité de combustion pour participer à la combustion. [0011] Selon d'autres aspects facultatifs : le gaz résiduaire dont l'eau est enlevée dans la deuxième unité d'adsorption est envoyé au procédé de séparation. le gaz résiduaire et le gaz à séparer sont comprimés en amont de l'unité de séparation dans le même compresseur. le premier et deuxième débits enrichis en azote et en méthane ont la même composition. le débit contenant au moins 10% d'hélium, au moins 10% de l'azote, de l'hydrogène et du méthane séparé par condensation partielle et/ou distillation contient au moins 30% mol d'hélium, voire au moins 40% mol d'hélium. le deuxième débit enrichi en azote et en méthane envoyé comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption contient au moins au moins 85 mol d'azote. le deuxième débit enrichi en azote et en méthane envoyé comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption contient au moins au moins 1 % mol de méthane. la deuxième unité d'adsorption est une unité d'adsorption par modulation de température. le gaz ayant servi à la régénération est mélangé avec le premier gaz enrichi en azote et en méthane en amont de la combustion selon une marche de l'appareil, au moins une partie du premier gaz enrichi en azote et en méthane est renvoyée au procédé de séparation [0012] Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une unité de purification d'hélium comprenant une unité de séparation par condensation partielle et/ou par distillation, une unité de catalyse, une première unité d'adsorption, une deuxième unité 3 d'adsorption, une unité de combustion, des moyens pour envoyer un débit contenant au moins 10% d'hélium, au moins 10% de l'azote, de l'hydrogène et du méthane se séparer par condensation partielle et/ou distillation dans l'unité de séparation pour former un débit enrichi en hélium et contenant de l'hydrogène, un premier débit enrichi en azote et en méthane et un deuxième débit enrichi en azote et en méthane, des moyens pour envoyer le débit enrichi en hélium à une unité de catalyse en présence d'oxygène pour réduire son contenu en hydrogène, des moyens pour traiter le débit enrichi en hélium et appauvri en hydrogène pour enlever de l'eau générée par la catalyse, des moyens pour envoyer le débit enrichi en hélium dont de l'eau a été enlevée vers la première unité d'adsorption pour le séparer par adsorption pour produire un gaz riche en hélium comprenant au moins 95% mol hélium et un gaz résiduaire appauvri en hélium, des moyens pour envoyer le gaz résiduaire appauvri en hélium contenant de l'eau se séparer par adsorption dans la deuxième unité d'adsorption pour enlever l'eau, des moyens pour envoyer le premier débit enrichi en azote et en méthane à l'unité de combustion pour participer à la combustion, des moyens pour envoyer les gaz de combustion à l'atmosphère ou à une unité de récupération, des moyens pour envoyer le deuxième débit enrichi en azote et en méthane comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption et des moyens pour envoyer le gaz ayant servi à la régénération à l'unité de combustion pour participer à la combustion. [0013] L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la [fig.1]. La Fig. 1 illustre un procédé selon l'invention. [0014] Un débit 1 comprenant au moins 10 % mol, de préférence au moins 30% mol d'hélium et au moins 10 % mol d'azote ainsi que du méthane et de l'hydrogène est comprimé dans un compresseur V et envoyé à un appareil de séparation à basse température U où il est séparé par au moins une étape de condensation partielle avec éventuellement de la distillation. Cette séparation a lieu à une température cryogénique. [0015] Cet appareil U produit un débit 3 enrichi en hélium et en hydrogène mais appauvri en azote et en méthane, un premier débit 9 enrichi en azote et en méthane et un deuxième débit 11 enrichi en azote et en méthane. Les débits 9 et 11 peuvent avoir la même composition. Le débit 3 a une teneur de 70-90% mol en hélium. Le débit 9 et/ou 11 contient au moins 85% mol d'azote, voire au moins 90% mol d'azote. [0016] Le débit 3 est épuré en hydrogène par catalyse dans l'unité K en présence d'oxygène ainsi produisant de la vapeur d'eau. Le débit 5, issu du procédé catalytique, contient de l'hélium, de la vapeur d'eau, de l'azote et du méthane. Ce débit 5 est traité pour enlever une partie de l'eau en le refroidissement de sorte qu'une partie de l'eau se condense. Puis le débit 5 dont l'eau condensée a été enlevée est purifié par adsorption dans l'appareil d'adsorption par modulation de pression PSA pour produire l'hélium 7 à 99,99% mol. [0017] Le résiduaire 15 de l'appareil d'adsorption PSA est appauvri en hélium par rapport au débit 5 et contient de l'eau et d'éventuelles traces de CO2. Le résiduaire 15 est séparé par adsorption dans une unité d'adsorption par modulation de température TSA pour enlever Peau et les éventuelles traces de CO,Le gaz produit, le gaz 17, est renvoyé en amont du compresseur V pour récupérer l'hélium qu'il contient par séparation dans l'appareil U. [0018] Pour régénérer cet appareil TSA, on utilise le débit gazeux 11 enrichi en azote et en méthane de l'appareil U-Le gaz ayant servi à la régénération, le gaz 13 contient de l'eau, il est mélangé avec le premier débit enrichi en azote et en méthane 9. Les deux gaz sont envoyés à la combustion dans l'unité 0 (qui peut être une torche) en présence d'oxygène 21 fourni éventuellement par de l'air. Ceci produit un mélange d'azote et de dioxyde de carbone 23 qui est envoyé à l'atmosphère, le méthane ayant brûlé. [0019] Ceci évite de rejeter du méthane, qui est un gaz avec un fort effet de serre, dans l'atmosphère. [0020] -11 est possible que les gaz de combustion 23 soient au moins cn partie récupérés, auquel cas l'absence de méthane facilite leur récupération. [0021] En périodes de basse charge, une partie 19 du gaz 9 ou tout le gaz 9 peut être recyclé vers la séparation cryogénique. 5 REVENDICATIONS[Revendication 1] Procédé de purification d'hélium dans lequel : Un débit (1) contenant au moins 10% d'hélium, au moins 10% d'azote, de l'hydrogène et du méthane est séparé par condensation partielle et/ou distillation pour former un débit (3) enrichi en hélium et contenant de l'hydrogène, un premier débit (9) enrichi en azote et en méthane et un deuxième débit (11) enrichi en azote et en méthane, n. Le débit enrichi en hélium est envoyé à une unité de catalyse (K) en présence d'oxygène pour réduire son contenu en hydrogène, le débit enrichi en hélium et appauvri en hydrogène (5) est traité pour enlever au moins une partie de l'eau générée par la catalyse, le débit enrichi en hélium dont une partie de l'eau a été enlevée est purifié par adsorption dans une première unité d'adsorption (PSA) pour produire un gaz (7) riche en hélium comprenant au moins 95% mol hélium et un gaz résiduaire (15) appauvri en hélium contenant de l'eau, Le gaz résiduaire appauvri en hélium contenant de l'eau est séparé par adsorption dans une deuxième unité d'adsorption (TSA) pour enlever l'eau, iv. Le premier débit (9) enrichi en azote et en méthane est envoyé à une unité de combustion (0) pour participer à la combustion et les gaz de combustion (23) sont envoyés à l'atmosphère ou récupérés, v. Le deuxième débit (11) enrichi en azote et en méthane est envoyé comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption et le gaz ayant servi à la régénération (13) est envoyé à l'unité de combustion pour participer à la combustion. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz résiduaire (15,17) dont l'eau est enlevée dans la deuxième unité d'adsorption (TSA) est envoyé au procédé de séparation (U). [Revendication 3] Procédé selon la revendication 2 dans lequel le gaz résiduaire (17) et le gaz à séparer (1) sont comprimés en amont de l'unité de séparation dans le même compresseur (V). 6 [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] Procédé selon la revendication 1 ou 2 ou 3 dans lequel le premier et deuxième débits (9,11) enrichis en azote et en méthane ont la même composition. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le débit (1) contenant au moins 10% d'hélium, au moins 10% d'azote, de l'hydrogène et du méthane séparé par condensation partielle et/ou distillation contient au moins 30% mol d'hélium, voire au moins 40% mol Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le deuxième débit (11) enrichi en azote et en méthane envoyé comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption (TSA) contient au moins 85% mol d'azote. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le deuxième débit (11) enrichi en azote et en méthane envoyé comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption (TSA) contient au moins 1 % mol de méthane. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième unité d'adsorption (TSA) est une unité d'adsorption par modulation de température. Unité de purification d'hélium comprenant une unité de séparation par condensation partielle et/ou par distillation (U), une unité de catalyse (K), une première unité d'adsorption (PSA), une deuxième unité d'adsorption (TSA), une unité de combustion (0), des moyens pour envoyer un débit (1) contenant au moins 10% d'hélium, au moins 10% d'azote, de l'hydrogène et du méthane se séparer par condensation partielle et/ou distillation dans l'unité de séparation pour former un débit (3) enrichi en hélium et contenant de l'hydrogène, un premier débit (9) enrichi en azote et en méthane et un deuxième débit (11) enrichi en azote et en méthane, des moyens pour envoyer le débit enrichi en hélium à une unité de catalyse en présence d'oxygène pour réduire son contenu en hydrogène, des moyens pour traiter le débit (5) enrichi en hélium et appauvri en hydrogène pour enlever de l'eau générée par la catalyse, des moyens pour envoyer le débit enrichi en hélium vers des moyens pour enlever de l'eau, des moyens pour envoyer le débit enrichi en hélium dont de l'eau a été enlevée vers la première unité d'adsorption pour le séparer par adsorption pour produire un gaz riche en hélium (7) comprenant au moins 95% mol hélium et un gaz résiduaire (15) appauvri en hélium, des moyens pour envoyer le gaz résiduaire appauvri en hélium contenant de l'eau se séparer par adsorption dans la deuxième unité d'adsorption pour enlever l'eau, des moyens pour envoyer le premier débit enrichi en azote et en méthane à l'unité de combustion pour participer à la combustion, des moyens pour envoyer les gaz de combustion à l'atmosphère ou à une unité de récupération, des moyens pour envoyer le deuxième débit enrichi en azote et en méthane comme gaz de régénération à la deuxième unité d'adsorption et des moyens pour envoyer le gaz ayant servi à la régénération (13) à l'unité de combustion pour participer à la combustion.