Brevet FR3164005A1 — publié le 20260102

Titre de l’invention : Appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane par distillation cryogénique Un appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane (SG) par distillation cryogénique comprend une colonne de distillation (K3) comprenant un condenseur et un rebouilleur (R3), un cycle de réfrigération comprenant un compresseur de cycle, un premier échangeur de chaleur (E1), un deuxième échangeur de chaleur (E2), des moyens pour envoyer le mélange gazeux se refroidir dans le premier échangeur de chaleur, des moyens pour séparer le mélange gazeux refroidi dans le premier échangeur de chaleur et pour envoyer un fluide produit par la séparation à la colonne de distillation, une enceinte thermiquement isolée qui contient les premier et deuxième échangeurs de chaleur, des moyens pour envoyer un gaz de cycle depuis la colonne de distillation au deuxième échangeur de chaleur et ensuite au premier échangeur de chaleur pour se réchauffer, des moyens pour envoyer un gaz de cycle liquéfié dans le rebouilleur se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur, et des moyens pour envoyer le gaz de cycle liquéfié et refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur au condenseur. Figure de l’abrégé : Fig 1 Appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane par distillation cryogénique La présente invention est relative à un appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane par distillation cryogénique. Il est connu de séparer un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane par distillation cryogénique utilisant une colonne de lavage au méthane, une colonne d’épuisement et une colonne de distillation de CO/CH4 qui produit du méthane pour la colonne de lavage. Les équipements nécessaires pour une unité de séparation par voie cryogénique d’un gaz de synthèse contenant un mélange d’hydrogène, de monoxyde de carbone, de méthane, et éventuellement l’azote et/ou de l’argon, sont contenus dans une enceinte fermée remplie d’isolant thermique. L’enceinte peut être construite sur site ou bien transportée en un ou plusieurs paquets. La ligne d’échange de chaleur comprend généralement plusieurs échangeurs. L’agencement de ces échangeurs détermine ainsi la taille du paquet contenant ces échangeurs. Il convient alors de trouver le meilleur agencement respectant les contraintes du procédé et conduisant à une quantité de structure la plus faible possible pour en réduire les coûts. Pour chauffer la colonne d’épuisement et/ou la colonne de distillation, il est connu d’utiliser un cycle alimenté par la tête de la colonne CO/CH4. Le mélange à séparer est refroidi dans au moins un échangeur de chaleur en amont de la colonne de lavage. Un but de la présente invention est d’utiliser une pluralité d’échangeurs de chaleur disposés dans une enceinte thermiquement isolée, pour pouvoir choisir plus librement les dimensions finales de l’enceinte. Un autre but de l’invention est de disposer les échangeurs dans l’enceinte de façon à la rendre plus compacte. Selon un objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane par distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation comprenant un condenseur de tête et un rebouilleur de cuve, un cycle de réfrigération comprenant un compresseur de cycle, un premier échangeur de chaleur, un deuxième échangeur de chaleur, éventuellement un troisième échangeur de chaleur des moyens pour envoyer le mélange gazeux se refroidir dans au moins le premier échangeur de chaleur et éventuellement dans le troisième échangeur de chaleur, des moyens pour séparer le mélange gazeux refroidi dans au moins le premier échangeur de chaleur et pour envoyer un fluide produit par la séparation à l’au moins une colonne de distillation, une enceinte thermiquement isolée qui contient les premier et deuxième échangeurs de chaleur et éventuellement le troisième échangeur de chaleur mais aucune colonne de lavage ou de distillation, des moyens pour envoyer un gaz de cycle depuis l’au moins une colonne de distillation au deuxième échangeur de chaleur pour se réchauffer et ensuite au premier échangeur de chaleur pour se réchauffer, des moyens pour envoyer un gaz de cycle liquéfié dans le rebouilleur de cuve se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur, et des moyens pour envoyer le gaz de cycle liquéfié et refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur au condenseur de tête. Selon d’autres caractéristiques facultatives : en usage l’enceinte est disposée avec sa longueur à la verticale. le premier échangeur de chaleur est disposé au-dessus du deuxième échangeur de chaleur. le premier échangeur de chaleur est disposé à côté du deuxième échangeur de chaleur. le deuxième échangeur de chaleur a une première extrémité et une deuxième extrémité et est relié de sorte qu’en opération au moins un fluide à réchauffer est envoyé à la première extrémité et sort de la deuxième extrémité et/ou au moins un fluide à refroidir est envoyé à la deuxième extrémité et sort à la première extrémité, la première extrémité se trouvant à une hauteur géodésique supérieure à celle de la deuxième extrémité. -le premier échangeur de chaleur a une première extrémité à une première hauteur géodésique et une deuxième extrémité à une deuxième hauteur géodésique inférieure à la première hauteur géodésique et est relié de sorte qu’en opération au moins un fluide à réchauffer est envoyé à l’extrémité à la deuxième hauteur et sort de l’extrémité à la première hauteur et/ou au moins un fluide à refroidir est envoyé à l’extrémité à la première hauteur et sort à l’extrémité à la deuxième hauteur une conduite est reliée à la deuxième extrémité du deuxième échangeur de chaleur et à l’extrémité du premier échangeur à la deuxième hauteur géodésique pour transférer un fluide à réchauffer depuis le deuxième échangeur vers le premier échangeur. une conduite est reliée à la deuxième extrémité du deuxième échangeur de chaleur et à l’extrémité du premier échangeur à la deuxième hauteur géodésique pour transférer un fluide à refroidir depuis le premier échangeur vers le deuxième échangeur. la deuxième extrémité du deuxième échangeur est substantiellement à la deuxième hauteur géodésique. la première extrémité du deuxième échangeur est à une hauteur géodésique entre les première et deuxième hauteurs géodésiques. le premier et deuxième échangeurs se trouvent en usage dans une partie supérieure de l’enceinte et le troisième échangeur de chaleur et éventuellement d’autres éléments de l’appareil devant fonctionner à une température cryogénique se trouvent dans une partie inférieure de l’enceinte. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane par distillation cryogénique dans un appareil selon une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux se refroidit dans au moins le premier échangeur de chaleur et est séparé formant un fluide, le fluide produit par la séparation est envoyé à l’au moins une colonne de distillation, on réchauffe un gaz de cycle provenant l’au moins une colonne de distillation dans le deuxième échangeur de chaleur, on réchauffe le gaz de cycle réchauffé dans le deuxième échangeur dans le premier échangeur de chaleur, on envoie du gaz de cycle liquéfié dans le rebouilleur de cuve se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur, et on envoie le gaz de cycle liquéfié et refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur au condenseur de tête. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures où : FIG. 1 montre un appareil de séparation selon l’invention FIG. 2 montre des échangeurs de chaleur de l’appareil de séparation disposés dans une enceinte selon l’invention. FIG. 3 montre des échangeurs de chaleur de l’appareil de séparation disposés dans une enceinte selon l’invention. Dans la FIG. 1 , un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane SG est séparé par distillation cryogénique. Le mélange gazeux SG est refroidi d’abord depuis une température supérieure à 0°C dans un échangeur de chaleur E1 depuis l’extrémité la plus chaude jusqu’à l’extrémité la plus froide de celui-ci jusqu’à une température intermédiaire et puis dans l’échangeur de chaleur E3 depuis l’extrémité la plus chaude jusqu’à l’extrémité la plus froide de celui-ci jusqu’à une température inférieure à -170°C. Ensuite le débit refroidi SG est envoyé en cuve d’une colonne K1 de lavage au méthane alimentée en tête d’un débit de méthane liquide 14. Un échangeur de chaleur E4 fournit du froid à des niveaux intermédiaires de la colonne de lavage K1, qui opère à une pression entre 15 et 30 bars abs. L’échangeur E4 est refroidi par une partie du gaz de cycle. Un gaz de tête 5 riche en hydrogène est soutiré en tête de la colonne K1 et se réchauffe dans les échangeurs E3, E1 et le liquide de cuve 3 est envoyé en tête de la colonne d’épuisement K2. La colonne d’épuisement K2 a un rebouilleur de cuve R2 et opère à entre 7 et 15 bars abs. Un débit 9 appauvri en méthane et enrichi en hydrogène est soutiré en tête de la colonne K2 et se réchauffe dans l’échangeur de chaleur E2 et ensuite dans l’échangeur de chaleur E1. Le liquide de cuve 7 de la colonne K2 est réchauffé dans l’échangeur de chaleur E3 puis divisé en deux. Une partie 9 est détendue et envoyée en tête de la colonne K3 et une partie 11 est détendue et envoyée à un niveau intermédiaire d’une colonne de distillation K3. La colonne K3, ayant un rebouilleur de cuve R3 et un condenseur de tête, opère à entre 1,5 et 4 bars abs. Du liquide de cuve 14 de la colonne K3, riche en méthane, est pressurisé par une pompe P et envoyé à la colonne de lavage K1 comme liquide de lavage après refroidissement dans l’échangeur E3. Le reste 13 du liquide est vaporisé dans l’échangeur de chaleur E1. Un gaz de tête 15 riche en monoxyde de carbone de la colonne K3 sert de gaz de cycle et est réchauffé d’abord dans l’échangeur E2 et ensuite dans l’échangeur E1 comme gaz 23. Le gaz 23 est comprimé dans un compresseur de cycle (non-illustré) jusqu’à une pression plus élevée (par exemple 28 bars) et puis refroidi dans l’échangeur E1 comme gaz 25. Une partie 27 du gaz 25 est détendu dans une turbine T pour fournir du froid et puis rejoint le gaz 23 à une température intermédiaire de l’échangeur E1. Le reste 27 du gaz quitte l’échangeur E1 à -140°C et sert à réchauffer au moins un des rebouilleurs R2, R3 étant donc refroidi et condensé. Dans la figure, les deux parties liquides 29, 31 du débit 27 rentrent dans l’échangeur E2 en aval des rebouilleurs R2, R3 où elles sont refroidies jusqu’à -180°C. Ensuite le débit 29 et le débit 31 sont détendus, mélangés, envoyés en partie comme débit liquide 33 au condenseur de tête de la colonne K3 et en partie comme débit liquide 35 à l’échangeur E3 pour être vaporisé et rejoindre le débit 25 venant du compresseur de cycle. Le gaz 17 du condenseur de la colonne K3 rejoint le gaz de cycle 15 formant le débit 23. Du gaz de cycle 33 se condense dans le condenseur de tête de la colonne K3 et du liquide formé est envoyé en tête de la colonne K3. Une autre partie 21 du liquide du condenseur est vaporisée dans l’échangeur E3, se mélange avec le gaz venant de l’échangeur E4 formant le gaz 19 et rejoint le reste du cycle 15, 17, 23. Pour résumer, l’échangeur de chaleur E2 assure le refroidissement des débit liquides 29, 31 depuis -147°C et-151°C jusqu’à -180°C par échange de chaleur avec le gaz de tête 9 qui est un mélange de monoxyde de carbone, méthane et hydrogène destiné à servir de carburant et avec le gaz de cycle 23 à réchauffer destiné à la compression dans le gaz de cycle. Aucun des fluides ne subit donc de changement de phase. Selon l’invention, les échangeurs de chaleur E1, E3 et éventuellement E2 se trouvent dans la même enceinte B isolée thermiquement, comme illustré dans la FIG. 2 . Par contre, aucune colonne ne se trouve dans cette enceinte. Un séparateur de phases S est fixé à l’extérieur de l’enceinte B. L’échangeur E3 et un thermosiphon TS se trouvent dans une partie inférieure de l’enceinte qui est disposés avec sa longueur à la verticale. Dans la partie supérieure se trouvent l’échangeur E1 composé de deux corps identiques disposés côte à côte et l’échangeur E2 qui est disposé à un niveau géodésique inférieur à l’échangeur E1, au moins une conduite C reliant l’échangeur E2 avec chaque corps de l’échangeur E1 pour y envoyer un gaz réchauffé dans l’échangeur E2 et à réchauffer dans l’échangeur E1. De même il y a au moins une conduite (non-illustrée) pour envoyer un fluide refroidi dans les corps de l’échangeur E1 vers l’échangeur E2 pour s’y refroidir encore. Evidemment l’échangeur E1 peut comprendre un seul corps ou plus que deux corps. On remarquera que la hauteur de l’enceinte B est supérieure à la somme des hauteurs des échangeurs E1, E2 et E3, ce qui peut conduire à des problèmes pour transporter l’enceinte. Dans cette variante, les échangeurs E1, E2 sont orientés classiquement avec leur extrémité froide EF vers le bas et leur extrémité chaude EC vers le haut. Ainsi la conduite C doit avoir une longueur supérieure à la hauteur de l’échangeur E2 pour amener le gaz à réchauffer vers l’échangeur E1. Ainsi la circulation de l’au moins un calorigène se fait en descendant et l’inverse pour l’au moins un fluide froid. Cette variante est bien adaptée pour le cas où au moins un fluide doit changer de phase dans l’échangeur E2, soit en se condensant au moins partiellement pour un gaz soit en se vaporisant au moins partiellement pour un liquide. Aucune partie du gaz de synthèse SG ne se refroidit dans l’échangeur E2. Selon une variante de l’invention, il est prévu d’inverser le sens de circulation des fluides dans un des échangeurs afin de réduire la taille du paquet et ainsi réduire la quantité de structure. Le ou les échangeurs à inverser comprendront des calorigènes et des frigorigènes sous forme de gaz ou de liquide ne changeant pas d’état (gaz ou liquide) à travers l’échangeur. Typiquement les calorigènes sont des liquides à sousrefroidir et les frigorigènes sont des gaz à réchauffer. Ainsi cela permet de réduire la longueur des tuyaux entre les différents échangeurs et par conséquence de réduire le prix de la tuyauterie et la taille du paquet. Dans ce cas, E1, E3 sont disposés avec l’échangeur E1, composé éventuellement de plusieurs corps, au-dessus de l’échangeur de chaleur E3, si présent. Eventuellement l’échangeur de chaleur E2 peut se trouver en dessous de l’échangeur de chaleur E3. Ainsi les échangeurs E1 et E2 et éventuellement E2 sont disposés dans l’enceinte thermiquement isolée avec leurs longueurs disposées dans le sens d’un axe vertical de l’enceinte. Ainsi l’extrémité froide de l’échangeur E1 se trouve en face de l’extrémité froide de l’échangeur E2., les colonnes K1 à K3 se trouvant dans au moins une autre enceinte isolée thermiquement. Habituellement, comme illustré à la FIG. 2 , tous les échangeurs de chaleur sont disposés avec leur extrémité chaude vers le haut et leurs extrémité froide vers le bas, de sorte que les fluides circulent dans un sens globalement vertical. Selon une variante de l’invention, illustrée dans la FIG. 3 , l’agencement de ces échangeurs est modifié afin de réduire la taille du paquet contenant ces échangeurs. Il convient alors de trouver le meilleur agencement respectant les contraintes du procédé et conduisant à une quantité de structure la plus faible possible pour en réduire les couts. Selon cette variante, l’échangeur E2 est disposé avec son extrémité froide EF vers le haut et leur extrémité chaude EC vers le bas, de sorte que les fluides circulent dans un sens globalement vertical, mais l’au moins un liquide qui se refroidit circule vers le haut et les gaz qui se réchauffent circulent du haut vers le bas. Dans ce cas, il est possible de placer l’échangeur E1 et l’échangeur E2 côte à côte de sorte qu’une conduite amenant un gaz réchauffé depuis l’extrémité chaude de l’échangeur E2 vers l’extrémité froide de l’échangeur E1 forme un U et est beaucoup moins longue qu’elle ne serait si l’extrémité chaude était en haut pour l’échangeur E2. Comme l’échangeur E2 n’est plus en dessous de l’échangeur E1, l’enceinte B des échangeurs devient beaucoup moins longue, facilitant les transports. De plus comme l’enceinte B comprend d’autres éléments en dessous de l’échangeur E1, R2 qui occupent une certaine largeur, la disposition de l’échangeur E2 à côté de l’échangeur E1 ne change pas sensiblement la largeur de l’enceinte, voire ne la change pas. Ces autres éléments peuvent être l’échangeur E3 et/ou un séparateur de phases S et/ou un thermosiphon TS. Ici ce sont essentiellement les hauteurs des échangeurs E1 et E3 qui conditionnent la hauteur de l’enceinte B, qui sera plus courte que pour la variante de la FIG. 2 . L’échangeur E3 et le thermosiphon TS ne sont pas nécessairement présents dans l’enceinte B. Dans ce cas, il est préférable que aucun fluide ne change de phase dans l’échangeur E2, soit en se condensant au moins partiellement pour un gaz qui se refroidit soit en se vaporisant au moins partiellement pour un liquide qui se réchauffe. De préférence, l’échangeur est conçu pour que les fluides qui y échangent de la chaleur indirectement soient tous des gaz. Eventuellement au moins un liquide peut s’y refroidir aussi. Aucune partie du gaz de synthèse SG ne se refroidit dans l’échangeur E2. L’enceinte de la FIG. 3 occupe typiquement au plus 90% du volume de celle de la FIG. 2 et sa hauteur est réduite de 20%. Appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane (SG) par distillation cryogénique comprenant au moins une colonne de distillation (K3) comprenant un condenseur de tête et un rebouilleur de cuve (R3), un cycle de réfrigération comprenant un compresseur de cycle, un premier échangeur de chaleur (E1), un deuxième échangeur de chaleur (E2), éventuellement un troisième échangeur de chaleur (E3), des moyens pour envoyer le mélange gazeux se refroidir dans au moins le premier échangeur de chaleur et éventuellement dans le troisième échangeur de chaleur, des moyens pour séparer le mélange gazeux refroidi dans au moins le premier échangeur de chaleur et pour envoyer un fluide produit par la séparation à l’au moins une colonne de distillation, une enceinte thermiquement isolée (B) qui contient les premier et deuxième échangeurs de chaleur et éventuellement le troisième échangeur de chaleur mais aucune colonne de lavage ou de distillation, des moyens pour envoyer un gaz de cycle depuis l’au moins une colonne de distillation au deuxième échangeur de chaleur pour se réchauffer et ensuite au premier échangeur de chaleur pour se réchauffer, des moyens pour envoyer un gaz de cycle liquéfié dans le rebouilleur de cuve se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur, et des moyens pour envoyer le gaz de cycle liquéfié et refroidi dans le deuxième échangeur de chaleur au condenseur de tête. Appareil selon la revendication 1 dans lequel en usage l’enceinte (B) est disposée avec sa longueur à la verticale. Appareil selon la revendication 2 dans lequel le premier échangeur de chaleur (E1) est disposé au-dessus du deuxième échangeur de chaleur (E2). Appareil selon la revendication 2 dans lequel le premier échangeur de chaleur (E1) est disposé à côté du deuxième échangeur de chaleur (E2). Appareil selon la revendication 4 dans lequel le deuxième échangeur de chaleur (E2) a une première extrémité et une deuxième extrémité et est relié de sorte qu’en opération au moins un fluide à réchauffer est envoyé à la première extrémité et sort de la deuxième extrémité et/ou au moins un fluide à refroidir est envoyé à la deuxième extrémité et sort à la première extrémité, la première extrémité se trouvant à une hauteur géodésique supérieure à celle de la deuxième extrémité. Appareil selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur de chaleur (E1) a une première extrémité à une première hauteur géodésique et une deuxième extrémité à une deuxième hauteur géodésique inférieure à la première hauteur géodésique et est relié de sorte qu’en opération au moins un fluide à réchauffer est envoyé à l’extrémité à la deuxième hauteur et sort de l’extrémité à la première hauteur et/ou au moins un fluide à refroidir est envoyé à la extrémité à la première hauteur et sort à l’extrémité à la deuxième hauteur Appareil selon les revendications 5 et 6 dans lequel une conduite est reliée à la deuxième extrémité du deuxième échangeur de chaleur (E2) et à l’extrémité du premier échangeur (E1) à la deuxième hauteur géodésique pour transférer un fluide à réchauffer depuis le deuxième échangeur vers le premier échangeur. Appareil selon les revendications 5 et 6 dans lequel une conduite est reliée à la deuxième extrémité du deuxième échangeur de chaleur (E2) et à l’extrémité du premier échangeur (E1) à la deuxième hauteur géodésique pour transférer un fluide à refroidir depuis le premier échangeur vers le deuxième échangeur. Appareil selon l’une des revendications 5, 7 ou 8 dans lequel la deuxième extrémité du deuxième échangeur (E2) est substantiellement à la deuxième hauteur géodésique. Appareil selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier et deuxième échangeurs (E1, E2) se trouvent en usage dans une partie supérieure de l’enceinte (B) et le troisième échangeur de chaleur (E3) et éventuellement d’autres éléments (TS) de l’appareil devant fonctionner à une température cryogénique se trouvent dans une partie inférieure de l’enceinte.