Brevet FR3121743A1 — publié le 20221014

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane Dans un procédé de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane par distillation cryogénique dans une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, le mélange étant séparé dans la première colonne pour former un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en méthane, au moins une partie du gaz enrichi en azote (NG) étant au moins partiellement condensé dans un échangeur de chaleur (E3) et renvoyé à la première colonne, le gaz enrichi en azote est envoyé dans l’échangeur de chaleur par le bas, monte dans une première série de passages de l’échangeur et s’y condense au moins partiellement, le liquide formé descendant dans ces passages de la première série et sortant par le bas de l’échangeur, du liquide (L’) descendant dans la deuxième colonne étant distribué pour descendre dans une autre série de passages de l’échangeur où il se vaporise partiellement pour former un mélange diphasique qui est collecté en bas de l’échangeur. Figure de l’abrégé : FIG. 3 Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane par distillation cryogénique. Le mélange comprend de préférence l’azote et/ou le méthane comme composant principal ou composants principaux 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 appelé en anglais «Nitrogen Rejection Unit (NRU)» ou unité de rejet d’azote. montre un schéma très efficace pour séparer l’azote et le méthane pour ce procédé cryogénique lorsque ces composants sont dans des proportions proches l’une de l’autre, qui est le schéma double colonne. Dans ce schéma on choisit les pressions d’une première colonne K1 opérant à une première pression et d’une deuxième colonne K2 opérant à une deuxième pression, plus basse que la première pression afin de pouvoir combiner la fonction de condensation de la première colonne K1 et la fonction de rebouillage de la colonne K2. Le plus souvent les fluides condensés et rebouillis sont impurs. Le gaz d’alimentation 1 est un mélange d’azote et de méthane, de préférence ayant ces composants comme composants principaux. Le gaz 1 se refroidit dans l’échangeur de chaleur E1, est détendu dans une vanne V1 et envoyé à la première colonne K1. Là il se sépare en un gaz enrichi en azote 5 en tête de colonne et un liquide 3 en cuve de colonne enrichi en méthane. Le liquide 3 peut être envoyé ailleurs ou sinon sousrefroidi dans un échangeur de chaleur E2 et envoyé après détente dans une vanne V2 à la deuxième colonne K2 à un niveau intermédiaire. Le gaz 5 est condensé (au moins partiellement) dans un vaporiseur-condenseur E3 et le gaz condensé 9 est envoyée en tête de la colonne K1 pour servir de reflux. Le reste du gaz condensé 11 est sousrefroidi dans l’échangeur E2 et envoyé en tête de la colonne K2 après détente dans la vanne V3. Le liquide de cuve 13 de la deuxième colonne K2 se vaporise au moins partiellement dans le vaporiseur-condenseur E3 et est renvoyé comme gaz 17 en cuve de la colonne K2. Du liquide riche en méthane 14 est soutiré en cuve de la colonne K1, pressurisé dans une pompe P, réchauffé dans l’échangeur E2 et vaporisé et réchauffé dans l’échangeur E1. Un gaz 21 riche en azote est soutiré en tête de la colonne K2 et se réchauffe dans les échangeurs E2, E1. Une solution classique pour le vaporiseur-condenseur E3 est d’utiliser un échangeur de type vaporiseur à bain. Le problème est que l’échange demande une grande recirculation du liquide arrivant effectivement à une température de bain plus élevée pour une pureté du produit méthane équivalente. montre le diagramme d’échange avec l’enthalpie H en abscisses et la température T en ordonnées. Celui-ci n’est pas optimisé et on doit à cause de cela augmenter la différence de pression entre les colonnes K1, K2. Ce problème est spécifiquement lié à ce type de procédé car il se pose uniquement dans le cas où les courbes de condensation (ligne à gauche de la ( ) et de vaporisation (ligne à droite) sans recirculation présentent une variation de température importante (typiquement plus de 2°C, préférentiellement plus de 5°C). A cause de la recirculation, la température de vaporisation est presque constante et ainsi sur l'exemple de la la température du bout chaud de’E3 est de -155°C et le bout froid est limité à -156°C. En plus de cela avec une approche typique pour ce genre d’échangeur (~ 2°C), la température de condensation au bout froid est dans cet exemple limitée autour de -154°C. Pour pallier ce problème, il faut pouvoir effectuer un véritable échange à contre -courant sans recirculation. Selon l’invention, pour résoudre le problème lié à la vaporisation du liquide de cuve impur, il est proposé d’utiliser une technologie des vaporiseurs à film pour l’échangeur E3 de la dans un schéma tel que . L’échangeur E3 est constitué d’un empilement de plaques séparées par des ailettes, le tout brasé ensemble. L’empilement comprend deux séries de passages verticaux, une série dédiée à la condensation d’un gaz et l’autre série dédiée à la vaporisation partielle d’un liquide. Les passages sont alternés de sorte que chaque passage dédié à la vaporisation partielle est adjacent à deux passages dédiés à la condensation et chaque passage dédié à la condensation est adjacente à deux passages dédiés à la vaporisation partielle, exception faite des passages de bord. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, le mélange étant séparé dans la première colonne pour former un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en méthane, au moins une partie du gaz enrichi en azote étant au moins partiellement condensé dans un échangeur de chaleur et renvoyé à la première colonne, du liquide enrichi en azote est envoyé depuis l’échangeur ou la première colonne à la deuxième colonne, un liquide riche en méthane étant soutiré en cuve de la deuxième colonne et un gaz riche en azote étant soutiré en tête de la deuxième colonne, l’échangeur de chaleur étant constitué par un empilement de plaques et d’ailettes, les plaques étant disposées avec leur axe à la verticale et l’espace entre les plaques formant des passages verticaux caractérisé en ce que le gaz enrichi en azote est envoyé dans l’échangeur de chaleur par le bas, monte dans une première série de passages de l’échangeur et s’y condense au moins partiellement, le liquide formé descendant dans ces passages de la première série et sortant par le bas de l’échangeur, du liquide descendant dans la deuxième colonne étant distribué pour descendre dans une autre série de passages de l’échangeur où il se vaporise partiellement pour former un mélange diphasique qui est collecté en bas de l’échangeur. Selon d’autres aspects facultatifs : le mélange contient au moins de l’azote et du méthane comme composants principaux. on sort de la première série de passages des gaz incondensables au moins ponctuellement. le gaz enrichi en azote condensé est envoyé en tête de la première colonne. le gaz enrichi en azote condensé est envoyé en tête de la première colonne par deux conduites ou plus reliant l’échangeur avec la tête de la première colonne. le liquide descendant dans la deuxième colonne arrive dans l’échangeur à entre -160°C et -164°C, de préférence à -162°C. le liquide descendant dans la deuxième colonne arrive dans l’échangeur à une température T1 et en ressort à une température T2, avec T2 > T1 + 2°C, préférentiellement T2 > T1 + 3°C. le liquide descendant dans la deuxième colonne sort de la première série de passages où il se vaporise partiellement à entre -153°C et -157°C, de préférence à -155°C. le gaz montant de la première colonne arrive dans l’échangeur à une température T3 et en ressort à une température T4, avec T3 > T4 + 2°C, préférentiellement T3 > T4 + 3°C. T4-T1 le gaz montant de la première colonne vers la première série de passages de l’échangeur échange de la matière avec le liquide formé descendant dans ces passages. une étape de distillation est réalisée dans les passages de la première série. au moins une partie du liquide enrichi en méthane est envoyée de la première colonne à la deuxième colonne. aucune partie du liquide enrichi en méthane n’est envoyée de la première colonne à la deuxième colonne. le liquide à vaporiser tombant directement depuis la section d’échange de masse et de chaleur la plus basse de la deuxième colonne n’est pas envoyé à la première série de passages. le gaz à condenser NG enrichi en azote provenant de la tête de la première colonne n’est pas introduit dans la deuxième série de passages de l’échangeur. le pourcentage d’azote dans le mélange diffère du pourcentage de méthane dans le mélange d’au plus 20%, voire au plus 10%. l’échangeur de chaleur est un vaporiseur à film. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane par distillation cryogénique dans un système de colonne comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, des moyens pour envoyer le mélange se séparer dans la première colonne pour former un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en méthane, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz enrichi en azote se condenser au moins partiellement dans l’échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer au moins du liquide enrichi en azote depuis la première colonne ou l’échangeur de chaleur à la deuxième colonne, des moyens pour renvoyer du gaz enrichi en azote condensé à la première colonne, des moyens pour soutirer un liquide riche en méthane en cuve de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un gaz riche en azote en tête de la deuxième colonne, l’échangeur de chaleur étant constitué par un empilement de plaques et d’ailettes, les plaques étant disposées avec leur axe à la verticale et l’espace entre les plaques formant des passages verticaux caractérisé en ce que les moyens pour envoyer au moins une partie du gaz enrichi en azote se condenser au moins partiellement dans l’échangeur de chaleur et les moyens pour renvoyer le gaz enrichi en azote condensé à la première colonne sont reliés aux extrémités inférieures d’une série de passages de l’échangeur de chaleur, l’appareil comprenant des moyens pour envoyer du liquide descendant dans la deuxième colonne aux extrémités supérieures d’une autre série de passages de l’échangeur et des moyens pour collecter un mélange diphasique formé par la condensation partielle du liquide descendant dans la colonne en dessous de l’échangeur. L’échangeur de chaleur peut être disposé en cuve de la deuxième colonne ou à l’intérieur d’une enceinte disposée dans la deuxième colonne ou en dessous de la deuxième colonne, le fond de l’enceinte servant à collecter le mélange diphasique. Dans ce cas le liquide est vaporisé en circulant du haut vers le bas dans l’échangeur de chaleur dans une série de passages et pour créer un contre-courant il faut alors condenser le gaz vers le haut. Ceci n’est pas possible avec des passages classiques dans lesquels le gaz et le liquide sortent à l’opposé de l’alimentation car il faudrait que la perte de charge puisse compenser la force gravitationnelle. Typiquement il faudrait, dans ce cas, plusieurs bars de perte de charge, ce qui n’est pas réaliste. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures où : illustre une partie d’un appareil de séparation selon l’invention illustre la variation d’enthalpie H avec la température pour le vaporiseur de la . Une solution consiste à condenser le gaz enrichi en azote en montant dans l’autre série de passages mais à volontairement laisser le liquide redescendre et de le collecter en bas de l’échangeur de chaleur. Il s’agit d’un système de type déphlegmateur. Le gaz montant de la première colonne vers la première série de passages de l’échangeur échange de la matière avec le liquide formé descendant dans ces passages, par exemple par une étape de distillation est réalisée dans les passages de la première série. Le liquide enrichi en méthane est d’ailleurs partiellement vaporisé en contact direct avec ce gaz plus chaud résultant de la vaporisation du liquide enrichi en méthane, ainsi induisant l’effet bénéfique de distillation (qui permet pour des performances équivalentes de réduire la hauteur de la colonne K1). illustre l’échangeur nécessaire qui est un vaporiseur à film-déphlegmateur. Cette technologie permet d’obtenir un échange de chaleur à contre-courant avec un effet bénéfique de distillation et une approche entre fluide chaud et fluide froid très faible. illustre le diagramme d’échange pour le vaporiseur E3 de la avec l’enthalpie H en abscisses et la température T en ordonnées. Ici, on a un vrai échange entre fluides s’écoulant à contrecourant. Le bout froid de l’échangeur correspond à l'apparition de la première bulle dans le liquide sans recirculation, dans l'exemple choisi : à -162°C. Comme illustré, les courbes de condensation de gaz de tête et de vaporisation de liquide descendant la deuxième colonne sont presque parallèles et donc le ∆T reste raisonnable, les températures du liquide descendant dans la deuxième colonne qui se vaporise variant entre -162°C au bout froid et -155°C au bout chaud. En plus de cela, avec une approche qui peut être réduite grâce au vaporiseur à film (~1°C ou même plus bas), la température de condensation au bout froid dans cet exemple peut descendre jusqu’à -161°C. Plus généralement le liquide descendant dans la deuxième colonne K2 arrive dans l’échangeur E3 à une température T1 et en ressort à une température T2, avec T2 > T1 + 2°C, préférentiellement T2 > T1 + 3°C. Plus généralement le gaz montant de la première colonne K1 arrive dans l’échangeur de chaleur E3 à une température T3 et en ressort à une température T4, avec T3 > T4 + 2°C, préférentiellement T3 > T4 + 3°C, plus généralement T4-T1 montre que : Le gaz à condenser NG enrichi en azote provenant de la tête de la première colonne K1 est introduit en bas d’une première série de passages de l’échangeur E3 à travers deux conduites 5. Le gaz à condenser NG enrichi en azote provenant de la tête de la première colonne K1 n’est pas introduit dans la deuxième série de passages de l’échangeur E3. Le gaz non condensé NG’ enrichi en azote est recueilli en haut des passages de la première série (éventuellement avec un débit nul en opération normal ou une extraction d’un petit débit d’incondensables). Le liquide NL résultant de la condensation du gaz enrichi en azote est collecté en bas de la première série de passages d’E3. Le liquide à vaporiser L est distribué en haut d’une deuxième série de passages de l’échangeur E3 tombant directement depuis la section d’échange de masse et de chaleur la plus basse de la deuxième colonne K2. Le liquide à vaporiser tombant directement depuis la section d’échange de masse et de chaleur la plus basse de la deuxième colonne K2 n’est pas envoyé à la première série de passages. Un fluide diphasique L+V issu de la vaporisation partielle du liquide L est collecté en bas de la deuxième série de passages. Ensuite il est envoyé en partie comme liquide 11 vers la deuxième colonne K2 et en partie par les conduites 5 vers la tête de la première colonne K1 comme reflux. Dans l’exemple, le fluide diphasique sort dans la cuve de la colonne K2 qui sert ensuite de séparateur de phases, le gaz du fluide diphasique montant dans la section d’échange de masse et de chaleur et le liquide s’accumulant dans la cuve de la colonne K2. L’échangeur E3 peut également se trouver à l’intérieur d’une enceinte disposée dans la deuxième colonne, le fond de l’enceinte servant à collecter le mélange diphasique. Dans ce cas l’enceinte sert de séparateur de phases pour le fluide diphasique. L’échangeur E3 peut se trouver à l’intérieur d’une enceinte disposée en dessous de la deuxième colonne, le fond de l’enceinte servant à collecter le mélange diphasique. Dans ce cas l’enceinte sert de séparateur de phases pour le fluide diphasique et le gaz formé est renvoyé vers la colonne K2, le liquide pouvant être soutiré comme produit 15. Sinon un réservoir R peut être prévu en cuve de la colonne K2. Le mélange 1 comprend de l’azote et du méthane, de préférence comme composants principaux. De préférence le pourcentage d’azote dans le mélange diffère du pourcentage de méthane dans le mélange d’au plus 20%, voire au plus 10%. Par exemple, le mélange peut contenir 30% d’azote et 50% de méthane (différence de 20%) ou 45 % d’azote et 50% de méthane (différence de 5%). Procédé de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, le mélange étant séparé dans la première colonne pour former un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en méthane, au moins une partie du gaz enrichi en azote (NG) étant au moins partiellement condensée dans un échangeur de chaleur (E3) et renvoyée à la première colonne, du liquide enrichi en azote est envoyé depuis l’échangeur ou la première colonne à la deuxième colonne, un liquide riche en méthane (15) étant soutiré en cuve de la deuxième colonne et un gaz riche en azote (21) étant soutiré en tête de la deuxième colonne, l’échangeur de chaleur étant constitué par un empilement de plaques et d’ailettes, les plaques étant disposées avec leur axe à la verticale et l’espace entre les plaques formant des passages verticaux caractérisé en ce que le gaz enrichi en azote est envoyé dans l’échangeur de chaleur par le bas, monte dans une première série de passages de l’échangeur et s’y condense au moins partiellement, le liquide formé (NL) descendant dans ces passages de la première série et sortant par le bas de l’échangeur, du liquide (L’) descendant dans la deuxième colonne étant distribué pour descendre dans une autre série de passages de l’échangeur où il se vaporise partiellement pour former un mélange diphasique qui est collecté en bas de l’échangeur. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on sort de la première série de passages des gaz incondensables (V’) au moins ponctuellement. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2 dans lequel le gaz enrichi en azote condensé (NL) est envoyé en tête de la première colonne (K1). Procédé selon la revendication 3 dans lequel le gaz enrichi en azote condensé (NL) est envoyé en tête de la première colonne (K1) par deux conduites (5) ou plus reliant l’échangeur (3) avec la tête de la première colonne. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide descendant dans la deuxième colonne (K2) arrive dans l’échangeur (E3) à entre -160°C et -164°C, de préférence à -162°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide descendant dans la deuxième colonne (K2) arrive dans l’échangeur (E3) à une température T1 et en ressort à une température T2, avec T2 > T1 + 2°C, préférentiellement T2 > T1 + 3°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le liquide descendant dans la deuxième colonne (K2) sort de la première série de passages où il se vaporise partiellement à entre -153°C et -157°C, de préférence à -155°C. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz montant de la première colonne (K1) arrive dans l’échangeur (E3) à une température T3 et en ressort à une température T4, avec T3 > T4 + 2°C, préférentiellement T3 > T4 + 3°C. Procédé selon les revendications 6 et 8 dans lequel T4-T1 Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz montant de la première colonne (K1) vers la première série de passages de l’échangeur échange de la matière avec le liquide formé descendant dans ces passages. Procédé selon la revendication 10 dans lequel une étape de distillation est réalisée dans les passages de la première série. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du liquide enrichi en méthane est envoyée de la première colonne (K1) à la deuxième colonne (K2). Appareil de séparation d’un mélange contenant au moins de l’azote et du méthane par distillation cryogénique dans un système de colonne comprenant une première colonne (K1) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K2) opérant à une deuxième pression plus basse que la première pression, des moyens pour envoyer le mélange se séparer dans la première colonne pour former un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en méthane, un échangeur de chaleur (E3), des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz enrichi en azote se condenser au moins partiellement dans l’échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer au moins du liquide enrichi en azote depuis la première colonne ou l’échangeur de chaleur à la deuxième colonne, des moyens pour renvoyer du gaz enrichi en azote condensé à la première colonne, des moyens pour soutirer un liquide riche en méthane (15) en cuve de la deuxième colonne, des moyens pour soutirer un gaz riche en azote (21) en tête de la deuxième colonne, l’échangeur de chaleur étant constitué par un empilement de plaques et d’ailettes, les plaques étant disposées avec leur axe à la verticale et l’espace entre les plaques formant des passages verticaux caractérisé en ce que les moyens pour envoyer au moins une partie du gaz enrichi en azote (NG) se condenser au moins partiellement dans l’échangeur de chaleur et les moyens (5) pour renvoyer le gaz enrichi en azote condensé à la première colonne sont reliés aux extrémités inférieures d’une série de passages de l’échangeur de chaleur, l’appareil comprenant des moyens pour envoyer du liquide descendant dans la deuxième colonne aux extrémités supérieures d’une autre série de passages de l’échangeur et des moyens pour collecter un mélange diphasique formé par la condensation partielle du liquide descendant dans la colonne en dessous de l’échangeur. Appareil de séparation selon la revendication 13 dans lequel l’échangeur de chaleur (E3) est disposé : en cuve de la deuxième colonne (K2) ou à l’intérieur d’une enceinte (R ) disposée dans la deuxième colonne ou en dessous de la deuxième colonne, le fond de l’enceinte servant à collecter le mélange diphasique.