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Procédé pour la séparation de constituants de mélanges gazeux.
Il est oonnu que, lors du refroidissement à basse température de mélanges gazeux dans des échangeurs de tem- pérature, il se sépare des constituants du mélange en rai- son d'une condensation partielle. C'est ainsi' par exemple ' que, lors du refroidissement à basse température de gaz de fours à coke dans les échangeurs de température à contre- oourant, il se sépare une fraction d'éthylène contenant du méthane. L'obtention d'une fraction, à concentration éle- vée, contenant par exemple pratiquement la totalité de l'é thylène du mélange initial, n*est pas possible dama le pro- cédé connu de refroidissement à basse température.
La présente invention permet d'obtenir une fraction - à concentration élevée avec un rendement pratiquement com- plet' de la substance à séparer- au cours du refroidissement. à basse température de mélanges gazeux et elle a pour objet le procédé consistent, pendant l'échange de température dans un appareil à contre-courant, de chauffer additionnellement celui-ci à son extrémité inférieure chaude et à le refroi- ,
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dir additionnellement à son extrémité supérieure froide.
On obtient ainsi, d'une part, de l'extrémité froide à l'extrémité chaude de l'échangeur de température à contrecourant, un reflux si fort du condensat, avec effet de rectification, que la sortie de la substance à séparer est empêchée à l'extrémité froide de l'échangeur à contrecourant et, d'autre part, une forte évaporation de la fraction à l'extrémité chaude, où la fraction peut alors être prélevée à l'état liquide.
Une forme de réalisation du procédé selon l'invention consiste par exemple en ce que, au moyen d'un circuit réfrigérant, oonnu en soi-même, d'une substance auxiliaire, par exemple de l'azote ou du méthane, l'extrémité inférieure chaude de l'éohangeur de'température à contrecourant est chauffée avant la détente de la substance au- xiliaire et l'extrémité supérieure froide de l'échangeur à contre-courant est refroidie après la détente de la substance auxiliaire.
1 Le procédé selon l'invention peut également être réalisé sans l'aide d'un circuit réfrigérant additionnel, par exemple par le fait qu'aux produits de fractionnement, s'écoulant en sens inverse du gaz brut, on ajoute, à l'extrémité froide de l'échangeur à contre-courant, un gaz froid en vue d'abaisser la température et qu'on chauffe l'extrémité chaude de l'échangeur à contre-courant par un prélèvement intermédiaire d'une partie des produits de fractionnement froids, pour autant qu'on renonce à ajouter éventuellement un gaz plus chaud.
Dans les deux cas, la condensation est renforcée à l'extrémité froide et l'évaporation est renforcée à l'extrémité chaude dans la fraction recueillie à partir du gaz brut, et on atteint l'effet de rectification selon l'invention. En vue d'un renforcement additionnel de l'effet de rectification, l'échangeur de température à contrecourant peut, sur le c8té correspondant au gaz brut, également être muni de plateaux intermédiaires (plateaux de rec- tification) ou analogues.
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Dans le cas de l'obtention d'éthylène à partir de gaz de fours à coke par le procédé selon l'invention, on lave, par exemple par le reflux de méthane liquide, pratiquement la. totàlité de l'éthylène y compris les autres hydrocarbures avec deux atomes de carbone ou davantage, ce qui prépare en même temps l'obtention de méthane et d'hydrogène de grande pureté. Par le rêchauf:- fage de l'extrémité inférieure de l'échangeur à contrecourant, on obtient une évaporation plus forte de la fraction d'éthylène, de manière en soi connue.
A l'intérieur de l'échangeur à contra-courant, -'il se produit un échange de matière, assurant une rectification, entre- le liquide de reflux et les vapeurs montant dans l'échangeur, échan- ge qui permet de prélever, à l'extrémité inférieure chaude de l'échangeur à contre-courant, une fraction, dtéthy- lène dtun haut degré d'enrichissement (jusqu'à plus de 65% de C2H4) avec le rendement le plus élevé.
Deux exemples de réalisation du procédé selon l'invention sont décrits ci-après en référence aux dessins ci-joints, qui, représentent, de manière schématique fort simplifiée, une installation de fractionnement de gaz de fours à coke.
Le gaz de fours à coke entre par la conduite 1 (fig.l) dans les échangeurs à contre-courant A, B, C , qu'il parcourt successivement, et est ainsi refroidi par échange de température avec les produits résultant du fractionnement: A partir du gaz de fours à coke, il se' sépare, dans le condenseur 4, du méthane, qui sort de l'installation par la conduite 3 en passant par les éohangeurs à contre-courant A,B,C. A partir du mélange gazeux s'échappant à la partie supérieure de la colonne 4, on recueille dans la colonne 5, par addition d'azote détendu froid, un gaz de synthèse (H2 + N2), -qui est prélevé par les conduites 6,2 et 12.
Le gaz restant, consistant principalement en oxyde de carbone et azote, est prélevé à l'état liquide à la partie inférieure de la colonne 5, est amené par la conduite 7 d'abord à l'échangeur à contre:-
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courant C, où il est vaporisé, et est envoyé ensuite dans les échangeurs à contre-courant B et D. L'azote, servant de véhicule de froid, est amené par la conduite 8, les éohangeurs à contre-courant D et E, après détente préalable, au condenseur 4, où a lieu la liquéfaction de la fraction de méthane. Après détente additionnelle, l'azote, recueilli à l'état liquide, est utilisé pour l'arrosage de la colonne 5 ; l'azote gazeux détendu est amené par la conduite 9 (échangeur à contre-courant D) à une nouvelle opération de compression.
L'application du procédé selon l'invention est caractérisée par la disposition de la conduite 10, avec @ vanne 11, et de la conduite'12, avec vanne 13. La conduite 10 permet de dévier une partie du gaz de synthèse (H2 + N2) autour de l'échangeur à contre-courant C.
Plus ,on dévie de gaz par la conduite 10, plus froide devient l'extrémité supérieure de l'échangeur à contre-cou- rant B, Il se produit par conséquent dans le gaz de fours à ooke une condensation relativement forte de méthane, qui, comme liquide de reflux, entraîne par lavage l'éthylène à partir du gaz. A l'aide de la vanne 11, on peut régler la température la plus favorable à l'extrémité froide de l'échange= à contre-courant B. D'autre part, au point 14 une partie du gaz de synthèse, recueilli dans la colonne 5, est déviée, à partir de la conduite 2, par la conduite 12 et est amenée à l'échangeur à contre-courant D, alors que normalement cette fraction. de gaz quitterait l'installation en passant par l'échangeur à contre-courant A.
Plus on dévie de ce gaz à l'aide de la vanne 13, plus chaud devient l'éohangeur à contre-courant A à son extrémité inférieure et plus chaud est également le gaz brut à son entrée à la partie inférieure de l'échangeur à contre-courant B, de sorte qu'il se produit une forte vaporisation du méthane servant de liquide de lavage. De cette manière, sont créées les conditions les plus favorables de température dans l'é-
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changeur à contre-courant B, conformément à l'invention, pour obtenir une fraction d'éthylène de haute valeur.
L'éthylène, recueilli en partie déjà dans l'échangeur à contre-courant A et pour le reste dans l'éohangeur à ' contre-courant B, est amené au séparateur 15; la fraction d'éthylène liquide recueillie est évacuée en passant par la conduite 16 et les échangeurs à contre-courant E et D.
Il n'est pas absolument nécessaire d'exercer, à l'ai- @ de du gaz de synthèse, une influence sur les températures de l'échangeur à contre-courant B. Le cas échéant, on peut¯ également utiliser à cet effet d'autres produits de frac- tionnement.
Bien que, conformément à l'invention,' on ajoute au système d'échangeurs à contre-courant A,B,0, en un endroit, un produit de fractionnement trop froid.et qu'on prélève- en un autre endroit à nouveau une partie d'un produit de fractionnement, on peut toutefois réaliser le réglage des températures de façon générale de telle manière qu'à l'extrémité chaude de l'échangeur à contre-courant A, la diffé- rence de température ne soit pas notablement accrue. Si, dans certains cas, la perte de froid devrait malgré cela s'accroître, à la consommation plus grande d'énergie correspond l'obtention d'une fraction d'éthyléne d'une valeur particulière.
L'exemple de la fig. 2 montre la réalisation du procédé selon l'invention à l'aide d'un circuit réfrigérant additionnel, par exemple de méthane. Il peut s'agir ici d'une installation de fractionnement de gaz de même nature que dans l'exemple de la fig. 1. L'agent'réfrigérant gazeux com- primé entre par la conduite 17 dans l'échangeur à contrecourant F, dans lequel il se refroidit en échange de température avec l'agent réfrigérait froid détendu, qui est ra:- mené par la conduite 18 au compresseur (non représenté.).
Le chauffage de l'échangeur à contre-courant B par l'agent . réfrigérant non encore déten du a lieu par le système tubulaire 19, monté à l'extrémité inférieure de l'échangeur à contre-courant B ; le refroidissement a lieu, après dé-
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tente de l'agent réfrigérant dans la valve 20, par le système tubulaire 21, monté à l'extrémité supérieure de l'échangeur à contre-courant B. Les besoins de froid sont relativement faibles, car ils sont limités essentiellement au froid de condensation pour la fraction d'éthylène, sans que les pestes de froid de l'installation soient accrues de façon notable.
Le procédé selon l'invention permet, en faisant varier les températures déterminantes dans l'échangeur de température B, construit sous forme d'échangeur à contre-courant à reflux, d'exercer une influence importante sur la concentration de l'éthylène dans la fraction recueillie, à savoir approximativement dans les limites de 25 à 65% ou jusqu'à un enrichissement encore plus grand. L'avantage de l'inventmon réside essentiellement naturellement dans la production d'un enrichissement aussi grand que possible de l'éthylène en même e temps que de rendements élevés. Les réglages de température doivent être effectués de façon correspondant à la composition du gaz brut.
L'application de l'invention n'est pas limitée au traitement de gaz de fours à coke de composition normale, mais on peut également traiter, avec le même succès, des gaz analogues, par exemple des gaz résiduaires de l'hydrogénation ou des gaz de convertisseurs. Dans le cas des gaz de fours à coke de composition normale, l'accroissement de température à l'extrémité chaude est d'environ 15 , l'abaissement de température à l'extrémité froide est d'environ 5 , de sorte que, dans l'échangeur à contre-courant B, au lieu des températures usuelles de -145 à l'extrémité supérieure (froide) et de -100 à l'extrémité inférieure (chaude), les températures sont d'environ -150 et -85 .
Revendications.
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Process for the separation of constituents of gas mixtures.
It is known that when cooling gas mixtures to low temperature in temperature exchangers, it separates from the components of the mixture due to partial condensation. Thus, for example, when cooling coke oven gases to low temperature in countercurrent heat exchangers, an ethylene fraction containing methane is separated. Obtaining a high concentration fraction containing, for example, substantially all of the ethylene in the initial mixture, is not possible with the known low temperature cooling process.
The present invention makes it possible to obtain a fraction - at high concentration with a substantially complete yield of the substance to be separated - during cooling. at low temperature of gas mixtures and its object the method consists, during the exchange of temperature in a counter-current apparatus, to additionally heat the latter at its hot lower end and to cool it down,
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dir additionally at its cold upper end.
This results, on the one hand, from the cold end to the hot end of the counter-current heat exchanger, such a strong reflux of the condensate, with rectifying effect, that the exit of the substance to be separated is prevented. at the cold end of the counter-current exchanger and, on the other hand, a strong evaporation of the fraction at the hot end, where the fraction can then be taken in the liquid state.
One embodiment of the process according to the invention consists, for example, in that, by means of a refrigerating circuit, known per se, of an auxiliary substance, for example nitrogen or methane, the end The hot lower end of the countercurrent heat exchanger is heated before the expansion of the auxiliary substance and the cold upper end of the countercurrent heat exchanger is cooled after the expansion of the auxiliary substance.
1 The process according to the invention can also be carried out without the aid of an additional refrigerant circuit, for example by the fact that the fractionation products, flowing in the opposite direction to the raw gas, are added, to the cold end of the counter-current exchanger, a cold gas in order to lower the temperature and that the hot end of the counter-current exchanger is heated by an intermediate sampling of part of the fractionation products cold, as long as you do not want to add a hotter gas.
In both cases, the condensation is enhanced at the cold end and the evaporation is enhanced at the hot end in the fraction collected from the raw gas, and the rectification effect according to the invention is achieved. With a view to further enhancing the rectification effect, the countercurrent heat exchanger may, on the side corresponding to the raw gas, also be provided with intermediate plates (rectification plates) or the like.
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In the case of obtaining ethylene from coke oven gas by the process according to the invention, washing, for example by refluxing liquid methane, practically the. all ethylene including other hydrocarbons with two or more carbon atoms, which at the same time prepares for obtaining high purity methane and hydrogen. By reheating: - fage of the lower end of the countercurrent exchanger, a stronger evaporation of the ethylene fraction is obtained, in a manner known per se.
Inside the counter-current exchanger, there is an exchange of material, ensuring rectification, between the reflux liquid and the vapors rising in the exchanger, an exchange which makes it possible to take, at the hot lower end of the countercurrent exchanger, a fraction of ethylene with a high degree of enrichment (up to more than 65% of C2H4) with the highest efficiency.
Two exemplary embodiments of the process according to the invention are described below with reference to the accompanying drawings, which represent, in a highly simplified schematic manner, a coke oven gas fractionation installation.
The coke oven gas enters through line 1 (fig.l) into the countercurrent exchangers A, B, C, which it passes through successively, and is thus cooled by temperature exchange with the products resulting from the fractionation: From the coke oven gas, it separates, in the condenser 4, the methane, which leaves the installation through line 3, passing through the counter-current exchangers A, B, C. From the gaseous mixture escaping at the top of column 4, in column 5, by addition of cold expanded nitrogen, a synthesis gas (H2 + N2) is collected, which is taken by pipes 6 , 2 and 12.
The remaining gas, consisting mainly of carbon monoxide and nitrogen, is taken in the liquid state from the lower part of column 5, is brought through line 7 first to the counter exchanger: -
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stream C, where it is vaporized, and is then sent to the counter-current exchangers B and D. The nitrogen, serving as a cold vehicle, is brought through line 8, the counter-current exchangers D and E, after preliminary expansion, in the condenser 4, where the liquefaction of the methane fraction takes place. After additional expansion, the nitrogen, collected in the liquid state, is used for watering column 5; the expanded gaseous nitrogen is brought through line 9 (counter-current exchanger D) to a new compression operation.
The application of the method according to the invention is characterized by the arrangement of the pipe 10, with @ valve 11, and of the pipe 12, with valve 13. The pipe 10 makes it possible to divert part of the synthesis gas (H2 + N2) around the counter-current exchanger C.
The more gas is diverted through line 10, the cooler the upper end of the countercurrent heat exchanger B becomes. Relatively strong methane condensation therefore occurs in the gas from ooke furnaces. , as the reflux liquid, washing away ethylene from the gas. Using the valve 11, we can adjust the most favorable temperature at the cold end of the exchange = against the current B. On the other hand, at point 14 a part of the synthesis gas, collected in column 5 is diverted from line 2 through line 12 and is fed to the countercurrent exchanger D, while normally this fraction. gas would leave the installation through the counter-current exchanger A.
The more this gas is diverted using the valve 13, the hotter the countercurrent exchanger A becomes at its lower end and the hotter the raw gas at its inlet at the lower part of the heat exchanger. counter-current B, so that a strong vaporization of the methane used as washing liquid occurs. In this way, the most favorable temperature conditions are created in the
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countercurrent changer B, according to the invention, to obtain a high value ethylene fraction.
The ethylene, partly collected already in the countercurrent exchanger A and the remainder in the countercurrent exchanger B, is fed to separator 15; the fraction of liquid ethylene collected is discharged through line 16 and the countercurrent exchangers E and D.
It is not absolutely necessary to exert an influence on the temperatures of the countercurrent exchanger B using syngas. If necessary, it is also possible to use for this purpose other fractionation products.
Although, in accordance with the invention, a too cold fractionation product is added to the countercurrent exchanger system A, B, 0 at one place and taken again at another place. part of a fractionation product, however, the temperature can be regulated in a general manner such that at the hot end of the countercurrent exchanger A the temperature difference is not appreciably increased. If, in certain cases, the loss of cold should nevertheless increase, the greater consumption of energy corresponds to obtaining an ethylene fraction of a particular value.
The example of fig. 2 shows the implementation of the process according to the invention using an additional refrigerant circuit, for example methane. This may be a gas fractionation installation of the same type as in the example of FIG. 1. The compressed gaseous refrigerant enters via line 17 into the countercurrent exchanger F, in which it cools in exchange for temperature with the expanded cold refrigerant, which is then: - carried by the line. 18 to the compressor (not shown).
Heating of the counter-current exchanger B by the agent. refrigerant not yet detained takes place by the tubular system 19, mounted at the lower end of the counter-current exchanger B; cooling takes place, after de-
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tent the refrigerant in the valve 20, through the tubular system 21, mounted at the upper end of the counter-current exchanger B. The cooling requirements are relatively low, because they are mainly limited to the condensing cold for the ethylene fraction, without the cold plagues of the installation being significantly increased.
The process according to the invention makes it possible, by varying the determining temperatures in the temperature exchanger B, constructed in the form of a countercurrent reflux exchanger, to exert a significant influence on the concentration of ethylene in the fraction collected, ie approximately within 25-65% or until even greater enrichment. The advantage of the inventmon lies essentially, of course, in producing as great an enrichment as possible of ethylene at the same time as high yields. Temperature adjustments should be made to match the composition of the raw gas.
The application of the invention is not limited to the treatment of coke oven gases of normal composition, but it is also possible to treat, with the same success, similar gases, for example waste gases from hydrogenation or gas converters. In the case of coke oven gases of normal composition, the temperature rise at the hot end is about 15, the temperature drop at the cold end is about 5, so that in counter-current heat exchanger B, instead of the usual temperatures of -145 at the upper end (cold) and of -100 at the lower end (hot), the temperatures are around -150 and -85.
Claims.
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