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La présente invention concerne un procédé et les appareils ser- vant à son exécution,pour l'extraction de gaz dissous dansles couches pro- fondes des masses d'eau telles que lacs et autres, dénommées ci-après; lac, par l'amenée de la solution de gaz dans l'eau depuis ces couches, par pom- page et/ou éventuellement par auto-pompage, à un niveau où règne une pres- sicn inférieure.
Avant de procéder à la description de l'invention proprement dite il sera donné un exposé des problèmes à résoudre pour aboutir à une ré ali sati on économique du genre d'extraction considéré.
Pour plus de clarté cet exposé sera subdivisé en quatre parties traitant séparément les différents problèmes en question. lo Les eaux profondes de certains lacs contiennent des quantités plus ou moins importantes de gaz combustible maintenu en di ssolution par la pression hydos tiqueo Ce gaz est habituellement constitué par du méthane accompagné de quantités substantielles de CO2 et d'une petite quantité de gaz divers, tels que par exemples l'azote, le H.S, l'argon, etc. Il est évi- dent que si l'on réduit de quelque façon la pression hydrostatique dans une mesure suffisante,il se produira un dégazage qui est d'autant plus impor- tant que la réduction de pression est plus grande.
Ceci est notamment le cas si un tuyau est immergé dans le lac de telle façon que son extrémité inféri- eure soit située dans les couches riches en gaz, et si l'eau de profondeur est remontée vers la surface au moyen d'une pompe.Dès que les eaux profon- des atteignent un niveau où la pression est inférieure à la tension des gaz dissous, le dégazage commencera
A partir de ce riveau, la conduite contiendra un mélange de gaz et d'eau la quantité de gaz allant en croissant à mesure que l'on s'appro- che de la surface.
Dès que des gaz atteignent la pompe, le rendement de celle-ci se trouve considérablement réduit, le volume aspiré étant maintenant la somme du volume de l'eau plus le volume de gazo
Dans certains cas, la pompe peut être supprimée dès que l'amor- çage est réalisé-, en effet, le dégazage de l'eau dans le tuyau réalise spontanément une pompe à bulles ou émulseur, dont le principa est bien con- nu et qui est utilisée depuis longtemps dans l'industrie;,
Cependant une pompe à bulles ne fonctionne que dans des limites assez étroites, en particulier, pour un rapport eau-gaz déterminé, le débit diminue rapidement avec la charge totale du système considérée
Comme les conduites de captage sont très coûteuses, on doit s'efforcer de pousser leur débit au maximum, sans quoi la rentabilité de- vient insuffisante;
or dans le pompage par émulsion naturelle on n'a aucun contrôle sur le débit d'une conduite de longueur et de diamètre donnés.
Théoriquement on peut résoudre cette difficulté en ayant re- cours à une pompe immergée placée à une profondeur telle qu'il ne puisse y avoir dégazage à l'aspiration de la pompe.
En pratique, dansle cas de l'exploitation de l'eau profonde d'un lac, cette solution se heurte à des difficultés qui la rendent écono- miquement irréalisableo
Il a été trouvé suivant l'invention qu'une meilleure solution consiste à opérer la séparati on de l'eau et du gaz dans un séparateur opé- rant à pression atmosphérique,ou au voi sinage de celle-ci,placé à une certaine profondeur au dessous du niveau du lac et à remonter l'eau dégazée au moyen d'une pompe d'extractiono La différence de niveau entre le sépara- teur et la surface du lac venant en déduction de la perte de charge du système, le débit de ce dernier, sous l'effet de la même force motrice na- turelle due au dégazage,
se trouvera augmentée
L'énergie requise pour élever de quelques mètres l'eau dégazée est faible vis-à-vis de l'économie réalisée sur les investissements,,
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2. C'est une caractéristique bien connue des émulseurs que la condition essentielle de leur bon fonctionnement est que la conduite soit verticale ou presque verticale.
Il est clair que pour l'exploitation des gaz contenus dans les eaux profondes d'un lac, l'établissement d'une conduite de captage verticale est peu intéressante: elle postule en effet l'établissement d'un ponton flottant à une distance plus ou moins grande de la berge. L'ancrage ce ce ponton dans les eaux profondes, seules susceptibles de recéler du gaz, pose des problèmes difficiles (tels que la corrosion rapide des amarres pour ne citer que celui-là). Pour les lacs de grande surface, la possibilité de véritables tempêtes sera cause de soucis supplémentaires. Le ponton devra être relié à la berge par des conduites en surface ou à faible profondeur susceptibles d'être aisément endommagées.
Tandis que les installations de captage seront placées à bord du ponton, les installations de traitement devront être installées à terre(les colonnes d'épuration du gaz notamment ne pouvant fonctionner correctement sans une base parfaitement stable). Ceci postule la présence de personnel en deux points distants entre lesquels devront être établies des liaisons permanentes.
Bref, sans que les problèmes ainsi posés soient réellement insolubles, il est clair que l'on arrivera de cette façon à une solution notablement moins économique que si l'ensemble des installations pouvait être établi à terre, la conduite de captage s'enfonçant obliquement sous les eaux jusqu'à déboucher dans les couches exploitables.
Les expériences effectuées ont .'conduit à établir le fait surprenant que dans l'exploitation de gaz dissous dans des eaux profondes, l'obliquité de la conduite de captage n'affecte que faiblement le fonctionnement de L'émulseur naturel produit par le dégazage de ces eaux -pour, autant cependant que la conduite ne présente pas de contrepentes dans la partie du tuyau où des gaz libres sont présents.
L'étude du phénomène ainsi découvert montre que la cause en est la suivantes
Dans un émulseur industriel la totalité du gaz est introduite dans la colonne liquide à un niveau déterminé H.A partir de ce niveau, la différence de densité vis-à-vis du liquide environnant est importante,
Dans l'émulseur naturel au contraire, le dégazage est très progressif. Pour obtenir la même force motrice que dans le cas précédent il devra commencer à une profondeur H1 notablement supérieure à H.
La densité de l'émulsion, voisine de celle du liquide seul dans la région profonde où commence le dégazage, ira en s'abaissant très progressivement et ce n'est que dans la partie supérieure du tuyau que du gaz sera présent en quantités importantes.
Or la perte de rendement dans un émulseur industriel dont la conduite est oblique résulte de la formation de poches de gaz importantes favorisées par le rassemblement du gaz le long de la génératrice supérieure de la conduite.
Dans un émulseur naturel, dans toute la partie de la conduite où le gaz n'est présent que sous forme de bulles individuelles de petit diamètre, la tendance de ces bulles à se rassembler est faible, et ce n'est donc que dans la partie supérieure d'un émulseur naturel dont la conduite est oblique que l'on observera les phénomènes perturbateurs ; ils n'auront donc qu'une incidence limitée sur l'ensemble de la force motrice créee dans le système.
C'est ainsi qu'un captage dont la conduite, horizontale à son extrémité inférieure, se relevait jusqu'à une inclinaison voisine de 45 au voi sinage de la surface pour déboucher dans un séparateur situé sur le rivage, développait encore une force motrice équivalante à une colonne d' eau de 4,9 mètres de hauteur, contre 5,8 mitres d'eau -la même conduite,
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en position verticale. La perte de force motrice causée par la position très fortement oblique du système ne s'élevait donc qu'à 15,5%.
Eu égard aux avantages de l'exploitation en position oblique, il est clair que l'on aura grand intérêt à adopter de préférence cette disposition et à compenser la perte de force motrice par un abaissement du niveau du séparateur tel qu'il a été décrit ci-dessus, sous 1.
Subsidiairement., , il résulte de ce qui précède que pour limiter la perte on aura intérêt, si les lieux s'y prêtent, à déboucher à la rive en un endroit où celle-ci est abrupte, de façon à redresser la partie ter- minale de la conduite, ou éventuellement à utiliser un quai ou tout autre dispositif équivalent.
3. Mais même ainsi il subsiste généralement dans l'exploitation envisagée un inconvénient grave. En effet, le gaz combustible contient des quantités importantes de gaz inertes, constitués en majeure partie par du CO2. De ce fait, le gaz brut recueilli au séparateur a un pouvoir calorifique réduite C'est ainsi par exemple qu'un gaz à 24% de CH1, à 74% de CO2 et 2% de gaz inertes divers n'aura qu'un pouvoir calorifique de 2000 kcal par mètre cube normal environ contre 8.500 pour du méthane pur et de 7.850 pour le gaz précédent débarrassé de tout son CO2 Du gaz à faible pouvoir calori fi que présente pour toutes les utilisations que l'on peut envisager l'inconvénient d'un rendement réduit, et pour certaines d'entre-elles, (distribution domestique, mise en bonbonnes,
moteurs thermiquesà haute compression, etc.) on doit considérer son enrichissement plus ou moins poussé comme absolument indispensable.
Or l'épuration d'un gaz à haute teneur en CO2 par les méthodes classiques de l'industrie est une opération coûteuse tant en frais de pre- mière installation qu'en consommation d'énergieo
Un autre but de la présente invention est d'obtenir directe- ment du gaz de pouvoir calorifique élevé sans aucune dépense supplémentaire d'énergie et même avec une utilisation de l'énergie de dissolution supéri- eure à celle du pompage par émulsion naturelleo Il a été constaté que le gaz qui sort de solution sous une pression supérieure à la pression atmos- phérique; dans les régions profondes de la zône de dégazage de la conduite est notablement plus riche en méthane que l'on ne pourrait s'y attendre.
Les observations montrent que le CO subit par rapport au méthane un retard à la désorption tel que la composition du gaz s'écarte notablement de la composition prévue. Si par conséquent un séparateur partiel est installé sur la conduite de oaptage à une profondeur telle qu'il opère sous une pression suffisante; on pourra recueillir, sous cette pression, la presque totalité du méthane accompagné seulement d'une quantité réduite de CO2.
Au-dessus de ce séparateur, le gaz résiduel de l'eau, composé presque exclusivement de CO2, se désorbe à son tour et contribue à la circulation du liquide par émulsion naturelle.
Bien entendu le soutirage de gaz diminue la force motrice totale développée par le système et réduit donc son débit.
Pour le ramener à sa valeur initiale il suffit d'abaisser de la quantité voulue le séparateur final travaillant au voi sinage de la pres- sion atmosphérique et à évacuer l'eau dégazée au moyen d'une pompe d'extrac- tiono La dépensa' d'énergie requise pour ce faire trouve une contrepartie dans la pression sous laquelle est recueilli le gaz riche au séparateurpar- tiel et qui peut être récupérée de diverses façons.
L'examen des courbes caractéristiquesd'une pompe à bulles montre que, pour les conditions dexploitation que l'on peut normalement envisager, la façon de procéder qui vient d'être exposée conduit à une amé- lioration du rendement énergétique de l'ensembleo En effet, dans une pompe à bulles le débit d'eau n'est pas une fonction linéaire du débit de gaz
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moteurs après un maximum du rapport volume d'eau,/volume de gaz correspondant à des valeurs relativement faibles du débit, le débit d'eau n'augmente plus que de plus en plus lentement avec le débit de gaz.
Dans toute exploitation économiquement acceptable, on devra atteindre des débits supérieurs à celui qui correspond au point optimum de la courbe et par conséquent le soutirage d'une partie du gaz ne provoquera qu'une réduction moins que proportionnelle du. débit d'eau. En d'autres termes, l'énergie retrouvée sous forme de pres- sion dans le gaz riche est supérieure à celle qu'il faut dépenser à la pom- pe d'extraction pour compenser la diminution de débit.
Ainsi qu'il a déjà été mentionné plus haut, on aura intérêt à abaisser le niveau du séparateur final d'une quantité supérieure à celle requise pour rétablir un débit équivalent à celui du pompage naturel, en vue d' améliorer la rentabilité des installations.
4. Le procédé qui vient d'être décrit permet d'obtenir du gaz com- bustible de pouvoir calorifique élevé, mais qui n'est cependant pas encore totalement exempt de CO2; la teneur en CO2 que l'on choisira d'admettre dans le gaz riche résultera ci.'un compromis entre la concentrati on de ce gaz et la perte inévitable de méthane qu'il faut consentir dans le gaz résiduel.
Par exemple on pourra, dans certaines conditions, être amené à décider de régler le fonctionnement du séparateur sous pression de telle façon que l'on obtienne un gaz riche à 70% de CH4 (pouvoir calorifique = 5900 kcal par mètre cube normal) en consentant une perte de 20% sur le méthane, ou bien préférer se contenter d'un gaz à 50% de CH (pouvoir calorifique = 4250 kcal par mètre cube normal) en ne perdant que 54 du méthane.
En vue d'obtenir finalement de façon très économique un gaz de pouvoir calorifique très élevé tout en ne consentant qu'une perte minime de méthane, il a été trouvé que l'énergie retrouvée sous forme de pression dans le gaz riche pouvait être utilisée à une épuration finale de ce gaz.
Pour cela il suffit d'utiliser ce gaz à l'élévation, par émul- sion, de l'eau de surface du lac au sommet d'une colonne de lavage, où le gaz, déjà partiellement débarrassé de son CO2 dans la conduite élévatrice de l'émulseur, achèvera d'être purifié. Le gaz final ne contiendra plus dans ces conditions que quelques pourcents de CO2 et sera totalement exempt de H2S.
On conçoit de ce qui précède que l'invention consiste, d'une façon générale, en un procédé d'extraction de gaz dissousdans les eaux profondescaractérisé par les points suivantsconsidérés séparément ou en combinaison : - on effectue, à un niveau situé au-dessous du niveau du lac et auquel s'est déjà produite une désorption au moins partielle de gaz d' avec l'eau, une séparation des gaz désorbés et de l'eau.
- la séparation des gaz désorbés et de l'eau est effectuée à un niveau situé au-dessous du niveau du lac en opérant à une pression voisi- ne de la pression atmosphérique, - la séparation des gaz désorbés et de l'eau est effectuée à un niveau situé au-dessous du niveau du lac et à une pression telle qu'il se produise une désorption d'une quantité relativement forte de gaz à récupé- rer et une désorption relativement fâible de gaz résiduel ou à rejeter; - on effectue, à un premier niveau, et sous une pression telle qu'il se produise une désorption relativement forte du gaz à récupérer et une désorption relativement faible du gaz résiduel ou à rejeter, une sépara- tion du gaz à récupérer désorbé et de l'eau contenant du gaz résiduel non encore désorbé;
on fait monter cette eau, sous l'effet de la désorption du gaz résiduel, à un second niveau situé au-dessus du premier niveau de sépara- tion; on opère à ce second niveau et avantageusement au voisinage de la pres- sion atmosphérique une séparation des gaz résiduels désorbés et de l'eau qui les contient ;
ondispose d'une part des gaz résiduels et d'autre part de 1'
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eau séparée à ce second niveau, - on utilise la poussée ascensionnelle du gaz à récupérer désor- bé et séparé au niveau inférieur de séparation pour élever au-dessus du ni- veau du lac, une certaine quantité d'eau, cette eau pouvant être notamment utilisée à le*épuration de ce naine gazo
D'autres points caractéristiques du procédé faisant l'objet de la présente invention,ainsi que lescaractéristiques du di spo sitif pour la mise en pratique du procédé, ressortiront de la description ci-dessous et des revendications.
Quant au dispositif, lesdessins annexés en représentent deux formes d'exécution, à savoirs la figure 1, un schéma d'une installation de. captage, de sépa- ration et dépuration à tuyau de captage vertical; la figure 2 un schéma d'une installation de captage, de sé- paration et d'épuration à tuyau de captage oblique,
Suivant le schéma représenté sur la figo 1, un tuyau de capta- ge A est immergé plus ou moins verticalement dans le lac de façon à ce que son extrémité inférieure plonge dans la couche d'eau à exploiter.
Son extrémité supérieure débouche dans un séparateur B disposé à une pro- fondeur convenable au-dessous du niveau 0 du lac, où s'effectue la sépara- ti on du gaz qui s'est dé sorbé dans le tuyau Ao Ce gaz s'évacue versla sur- face par la conduite C garnie d'un robinet r3.
Le niveau du séparateur B est choisi de façon à ce qu'il y règ- ne une pression à laquelle la majeure partie du méthane s'est désorbée de l'eau alors que la majeure partie du CO2 y reste encore dissoute. L'eau partiellement dégazée quitte le séparateur B par une conduite D dans laquelle la désorption notamment celle du CO2, se complète et qui débouche dans un second séparateur Eo Celui-ci est placé à un niveau tel que le débit du système soit satisfaisant dans le sens expliqué plus hauto Le gaz résiduel est évacué sous une pression voisine de la pression atmosphérique par le robinet r1 tandis que l'eau, dégazée à cette même pression, est reprise du séparateur E par une pompe d'extraction ou par tout autre dispositif ap- proprié pour etre envoyée, soit directement au lac,
en surface ou en pro- fondeur, soit à des installations de traitement, d'épuration ou de récupé- ràtion de sous-produits.
La mise en service de l'installation, telle qu'elle est re- présentée à la figo 1, se fait en enclenchant la pompe F, le robinet r étant ouvert et les robinets rl et r étant ferméso Lorsqu'une quantité. suffisante de gaz apparait au refoulement de la pompe, on ouvre r et r et on règle r de façon à maintenir le niveau d'eau constant dans le se parateur E. Pour mettre l'installation à l'arrêt, on ferme les robinets r1, r2 et r3 et on arrête la pompe.
Le gaz riche sous pression provenant du séparateur B est injec- té à la base, plongée dans le lac, d'un émulseur G dans lequel il élève 1' eau nécessaire à l'épuration finale.
Cette eau séparée du gaz riche dans un séparateur H alimente la colonne de lavage J, à la base de laquelle le gaz riche est introduit.
Le gaz épuré sortant de la colonne J est stocké dans un gazo- mètre K, tandis que l'eau ayant servi au lavage est rejetée.
Des appareils de mesure L, M et N permettent de contrôler le fonctionnement de l'installation.
EXEMPLE 1.
Supposons que l'on désire exploiter une couche d'eau contenant des gaz dissous située à une profondeur de 350 mètreso
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La détente de cette eau à pression atmosphérique libère deux litres de gaz par litre d'eau, la composition du gaz étant la suivante:
CH4 24%
CO2 74%
H2S 0,2%
Divers 1,8% L'installation de captage suivant la fig. 1 est supportée par un ponton flottant (non représenté); le tuyau vertical A plongeant dans la couche à exploiter aboutit au séparateur B dont la base se trouve à 15,5 mètres sous la surface du lac. Ce séparateur enlève un litre de gaz par litre d'eau débitée par le captage, le gaz ainsi séparé ayant la composition sui- vante:
CH4 46%
CO2 50,9%
H2S 0,1%
Divers 3%
Ce gaz est évacué par C à une pression de 1,7 atm. absolue.
L'eau partiellement dégazée quitte le séparateur B par une colonne montante D dans laquelle son dégazage se complète; la séparation de l'eau et du gaz résiduel s'opère dans le séparateur E où règne pratique- ment la pression atmosphérique, placé à une profondeur de 3,5 mètres sous le niveau du lac, cette dénivellation ayant été choisie de façon à assurer à l'eau une vitesse supérieure à un mètre par,seconde dans le tuyau de cap- tage A. suivante - Le gaz résiduel, rejeté à l'atmosphère par r1, a la composition
CH4 2%
CO2 97,1%
H2S 0,3%
Divers 0,65
L'eau dégazée est extraite du séparateur E au moyen de la pompe F.
Le gaz riche provenant du séparateur B sous pression est intro- duit par C dans l'émulseur G dont la base est située à 6,5 mètres sous le niveau du lac. Cet émulseur élève à 3 ,5 mètres au-dessus du niveau du lac 0,7 litre d'eau de surface par litre de gaz riche compté à la pression at- mosphérique. Après séparation dans le séparateur H, l'eau, qui dans l'émul- seur G a déjà absorbé une certaine quantité de CO2, est utilisée à l' arro- sage de la colonne de lavage J contenant une couche d'anneaux Raschig ou autre remplissage, d'une hauteur utile de 2,5 m.
Le gaz riche est introduit à la base de la colonne J, où il est débarrassé, à contre-courant par rap- port à l'eau de lavage, de la presque totalité du CO2 qu'il contient et de toute la quantité de H2S, et est finalement envoyé au gazomètre K.
La composition du gaz final est la suivante :
CH4 87%
CO2 7,5%
H2S 0,0%
Divers 5,5%
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Son pouvoir calorifique inférieur est de 70400 kcal par mètre cube normale
Pour 100 mètres cubes de méthane pouvant être libéré de l'eau profonde à la pression atmosphérique 96 mètres cubes sont effectivement récupérés dans le gaz riches, 4 sont perdus dans le gaz résiduelo Ces 100 mètrescubes sont accompagnesde 30895 mètres cubesde CO2.Le gaz épuré n'en contient plus que 8,3.
Des 300,2 m3 qui ont été éliminés, 92,3 seule- ment on dû 1?être par les installations d'épuration, le reste donc plus de deux tiers étant éliminé par l'un des artifices qui font l'objet de la présente invention, c'est-à-dire que cet artifice réduit les installations dépuration à moins du tiers de leur importance normale; cette réduction affecte non seulement le volume des installations (réduction des frais de premier établissement) mais également leur consommation d'énergie qui est élevée (réduction des frais d'exploitation).
La consommation d'énergie du procédé se limite à l'extraction de l'eau dégazéeo
Pour les mêmes 100 mètres cubesde : thane 208 mètrescubes d'eau doivent être élevés de 3,5 m soit une dépense de 7300000 kilogrammè- très. Cette énergie se divise en deux'parts: celle qui compense l'énergie perdue par diminution de la quantité de gaz dans la conduite (D) mais que l'on récupère dans l'émulseur (G) grace auquel l'épuration s'effectue sans consommation d'énergie extérieureo Cette énergie représente l'éléva- tion de 146 m d'eau à 3,5 mètres soit 5100000 kilogrammètres.
L'autre partie, soit 2200000 kilogrammètres est une dépense d'énergie consentie en vue d'assurer à la tuyauterie de captage un débit économique.
En supposant que les 7300000 kilogrammètres soient fournis par une pompe actionnée par du courant électrique obtenu au départ du gaz épu- ré lui-même dans un groupe électrogène comportant un moteur à gaz à haute compression la consommation de gaz correspondante serait, en évaluant à 18% le rendement global de l'ensemble des machines de 1,28 m3 de gaz épuré à 7.400 kcalo (7.400 X 1,28 = 90500 kcal; 9500 x 18 = 10710 kcal;
100 1710 kcal x 427 = 730.000 kgm)
Ce chiffre correspond à 1,11 m3 de CH4 puro
Le rendement total sur méthane est donc de 100 - 4 - 191 = 94,895.
Grâce à la simplicité de l'appareillage requis, à cet excellent rendement s'ajoute Davantage d'une valeur minimum des investissements, EXEMPLE II.
La même exploitation est effectuée en utilisant un tuyau de cap- tage oblique débouchant sur la rive du lac.où se trouvent concentrées les installations (voir figure 2). Le séparateur sous pression B' est disposé à une certaine distance de la rive, de telle façon que sa profondeur d'im- mersion soit de 19 m.
De ce séparateur partent vers la rives 1. une conduite C' à gaz riche sous une pression de 1,7 atm. abs.
2. une conduite D' à eau débouchant au séparateur à pression atmosphérique E' situé à une profondeur de 7 m sous le niveau du laco
Les conditions d'exploitation seront les marnes que celles de l'exemple I sauf la consommation d'énergie qui sera doubleo
Ceci résulte de ce que, pour obtenir d'une conduite de même diamètre,9 le même débit en po si ti on oblique qu'en po si ti on verticale il est nécessaire de compenser; la La perte de charge plus élevée due au fait que la conduite est plus longue.
2. la diminution de la force motrice produite par l'émulsior gaz-eau dans un tuyau oblique.
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Le rendement total sera cette fois de
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l±l0 - 4 - 2 Q2 =9378%
On voit que même avec un tuyau oblique le rendement reste excellent.
REVENDICATIONS.
1. Procédé d' extracti on de gaz dissous dans les couches profondes des masses d'eau telles que lacs et autres, dénommées ci-après lac, par l'amenée de la so luti on de gaz dans l'eau depuisces couches à un niveau où règne une pression inférieure, caractérisé en ce qu'on effectue, à un niveau situé au-dessous du niveau du lac et auquel s'est déjà produite une désorption au moins partielle de gaz d'avec l'eau, une séparation des
EMI8.2
gaz désorooa. et de l'eau.
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The present invention relates to a process and the apparatuses used to carry it out, for the extraction of gases dissolved in the deep layers of bodies of water such as lakes and others, hereinafter referred to; lake, by supplying the gas solution in the water from these layers, by pumping and / or possibly by self-pumping, to a level where there is a lower pressure.
Before proceeding with the description of the invention itself, a description will be given of the problems to be solved in order to achieve an economic realization of the type of extraction considered.
For the sake of clarity this presentation will be subdivided into four parts dealing separately with the various problems in question. lo The deep waters of some lakes contain more or less important quantities of combustible gas maintained in dissolution by the hydos tic pressure o This gas is usually made up of methane accompanied by substantial quantities of CO2 and a small quantity of various gases, such as for example nitrogen, HS, argon, etc. It is evident that if the hydrostatic pressure is reduced in any way to a sufficient extent, degassing will occur which is the greater the greater the reduction in pressure.
This is particularly the case if a pipe is submerged in the lake in such a way that its lower end is located in the gas-rich layers, and if the water from the depths is brought up to the surface by means of a pump. As soon as the deep water reaches a level where the pressure is lower than the tension of the dissolved gases, degassing will begin.
From this stream, the pipe will contain a mixture of gas and water, the amount of gas increasing as one approaches the surface.
As soon as gases reach the pump, the efficiency of the latter is considerably reduced, the volume sucked now being the sum of the volume of water plus the volume of gasoline.
In some cases, the pump can be removed as soon as the priming is carried out -, in fact, the degassing of the water in the pipe spontaneously produces a bubble pump or foam concentrate, the principal of which is well known and which has long been used in industry ;,
However, a bubble pump only operates within fairly narrow limits, in particular, for a determined water-gas ratio, the flow rate decreases rapidly with the total load of the system considered.
As collection pipes are very expensive, efforts must be made to push their flow to the maximum, otherwise profitability becomes insufficient;
however, in natural emulsion pumping, there is no control over the flow rate of a pipe of given length and diameter.
Theoretically, this difficulty can be solved by having recourse to a submersible pump placed at a depth such that there can be no degassing at the suction of the pump.
In practice, in the case of the exploitation of the deep water of a lake, this solution comes up against difficulties which make it economically impracticable.
It has been found according to the invention that a better solution consists in carrying out the separation of water and gas in a separator operating at atmospheric pressure, or in the vicinity thereof, placed at a certain depth. below the level of the lake and to raise the degassed water by means of an extraction pump o The difference in level between the separator and the surface of the lake deducted from the pressure drop of the system, the flow rate of the latter, under the effect of the same natural driving force due to degassing,
will be increased
The energy required to raise the degassed water a few meters is low compared to the savings made on investments,
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2. It is a well-known characteristic of foam concentrates that the essential condition for their correct functioning is that the pipe be vertical or almost vertical.
It is clear that for the exploitation of the gases contained in the deep waters of a lake, the establishment of a vertical collection pipe is not very interesting: it indeed postulates the establishment of a floating pontoon at a more distance. or less from the bank. Anchoring this pontoon in deep water, the only ones likely to harbor gas, poses difficult problems (such as rapid corrosion of mooring lines, to name just one). For large-surface lakes, the possibility of real storms will cause additional concerns. The pontoon must be connected to the bank by pipes at the surface or at shallow depth which are liable to be easily damaged.
While the collection installations will be placed on board the pontoon, the treatment installations will have to be installed on land (the gas purification columns in particular cannot function correctly without a perfectly stable base). This assumes the presence of personnel at two distant points between which permanent links must be established.
In short, without the problems thus posed being really insoluble, it is clear that we will arrive in this way at a significantly less economical solution than if all the installations could be established on land, the collection pipe sinking obliquely. under water until it emerges in the usable layers.
The experiments carried out have led to establish the surprising fact that in the exploitation of dissolved gas in deep water, the obliqueness of the collection pipe only slightly affects the operation of the natural foam concentrate produced by the degassing of these waters, as long as the pipe does not have counter slopes in the part of the pipe where free gases are present.
The study of the phenomenon thus discovered shows that the cause is the following
In an industrial foam concentrate all of the gas is introduced into the liquid column at a determined level H. From this level, the difference in density with respect to the surrounding liquid is significant,
In the natural foam concentrate, on the contrary, degassing is very gradual. To obtain the same driving force as in the previous case, it will have to start at a depth H1 notably greater than H.
The density of the emulsion, close to that of the liquid alone in the deep region where degassing begins, will go down very gradually and it is only in the upper part of the pipe that gas will be present in large quantities.
However, the loss of yield in an industrial foam concentrate whose pipe is oblique results from the formation of large gas pockets favored by the gathering of gas along the upper generator of the pipe.
In a natural foam concentrate, throughout the part of the pipe where the gas is only present in the form of individual bubbles of small diameter, the tendency for these bubbles to collect is low, and so it is only in the part upper of a natural foam concentrate whose conduct is oblique that one will observe the disturbing phenomena; they will therefore have only a limited impact on the overall driving force created in the system.
This is how a catchment, the pipe of which, horizontal at its lower end, rose to an inclination of around 45 in the vicinity of the surface to emerge in a separator located on the shore, still developed an equivalent driving force. to a water column 4.9 meters high, against 5.8 miters of water - the same pipe,
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in vertical position. The loss of driving force caused by the very strongly oblique position of the system was therefore only 15.5%.
Having regard to the advantages of operation in an oblique position, it is clear that it will be of great interest to adopt this arrangement preferably and to compensate for the loss of driving force by lowering the level of the separator as has been described. above, under 1.
Subsidiarily., It follows from the foregoing that in order to limit the loss it will be advantageous, if the places are suitable, to emerge at the shore in a place where it is abrupt, so as to straighten the land part. minimum of the pipe, or possibly to use a dock or any other equivalent device.
3. Even so, however, there is generally a serious drawback in the operation envisaged. In fact, the fuel gas contains large quantities of inert gases, consisting mainly of CO2. As a result, the raw gas collected at the separator has a reduced calorific value It is thus for example that a gas with 24% CH1, 74% CO2 and 2% various inert gases will only have calorific of 2000 kcal per normal cubic meter approximately against 8.500 for pure methane and 7.850 for the previous gas stripped of all its CO2 Gas with low calorific value present for all uses that can be considered the disadvantage of '' a reduced yield, and for some of them (domestic distribution, bottling,
high compression thermal engines, etc.) its more or less extensive enrichment must be considered absolutely essential.
However, the purification of a gas with a high CO2 content by conventional methods in industry is a costly operation both in terms of initial installation costs and in energy consumption.
Another object of the present invention is to obtain gas of high calorific value directly without any additional expenditure of energy and even with a use of the energy of dissolution greater than that of pumping by natural emulsion. it has been observed that the gas which leaves solution under a pressure greater than atmospheric pressure; in the deep regions of the pipe degassing zone is notably richer in methane than one might expect.
Observations show that CO undergoes a delay in desorption relative to methane, such that the composition of the gas deviates significantly from the expected composition. If therefore a partial separator is installed in the suction line to such a depth that it operates under sufficient pressure; almost all of the methane with only a small amount of CO2 can be collected under this pressure.
Above this separator, the residual water gas, composed almost exclusively of CO2, in turn is desorbed and contributes to the circulation of the liquid by natural emulsion.
Of course, the gas withdrawal decreases the total motive force developed by the system and therefore reduces its flow.
To bring it back to its initial value, it suffices to lower the final separator by the desired quantity, working in the vicinity of atmospheric pressure and to evacuate the degassed water by means of an extraction pump. The energy required to do this finds a counterpart in the pressure under which the rich gas is collected at the partial separator and which can be recovered in various ways.
Examination of the characteristic curves of a bubble pump shows that, for the operating conditions that can normally be envisaged, the procedure which has just been explained leads to an improvement in the energy efficiency of the assembly. Indeed, in a bubble pump the water flow is not a linear function of the gas flow
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engines after a maximum of the water volume / gas volume ratio corresponding to relatively low flow rate values, the water flow rate increases only more and more slowly with the gas flow rate.
In any economically acceptable operation, flow rates greater than that which corresponds to the optimum point of the curve should be achieved and therefore the withdrawal of part of the gas will only cause a less than proportional reduction in. water flow. In other words, the energy found in the form of pressure in the rich gas is greater than that which must be expended at the extraction pump to compensate for the reduction in flow.
As already mentioned above, it will be advantageous to lower the level of the final separator by an amount greater than that required to restore a flow rate equivalent to that of natural pumping, in order to improve the profitability of the installations.
4. The process which has just been described makes it possible to obtain fuel gas with a high calorific value, but which is however not yet completely free of CO2; the CO 2 content which one chooses to admit into the rich gas will result from a compromise between the concentrati on of this gas and the inevitable loss of methane which must be allowed in the residual gas.
For example, under certain conditions, it may be necessary to decide to adjust the operation of the pressure separator in such a way that a gas rich with 70% CH4 is obtained (calorific value = 5900 kcal per normal cubic meter) by consenting a loss of 20% on the methane, or prefer to be satisfied with a gas with 50% CH (calorific value = 4250 kcal per normal cubic meter) while losing only 54 of the methane.
In order to finally obtain very economically a gas of very high calorific value while allowing only a minimal loss of methane, it was found that the energy found in the form of pressure in the rich gas could be used at a final purification of this gas.
To do this, it suffices to use this gas to elevate, by emulsion, the surface water of the lake to the top of a washing column, where the gas, already partially free of its CO2 in the elevator pipe of the foam concentrate, will complete being purified. Under these conditions, the final gas will only contain a few percent of CO2 and will be completely free of H2S.
It will be understood from the foregoing that the invention consists, in general, of a process for extracting dissolved gas in deep water, characterized by the following points considered separately or in combination: - is carried out at a level below from the level of the lake and which has already occurred at least partial desorption of gas from with water, separation of desorbed gas and water.
- the separation of the desorbed gases and the water is carried out at a level located below the level of the lake, operating at a pressure close to atmospheric pressure, - the separation of the desorbed gases and the water is carried out at a level below the level of the lake and at a pressure such that there occurs a desorption of a relatively large quantity of gas to be recovered and a relatively low desorption of residual gas or to be rejected; - Is carried out, at a first level, and under a pressure such that there occurs a relatively strong desorption of the gas to be recovered and a relatively weak desorption of the residual gas or to be rejected, a separation of the gas to be recovered desorbed and of water containing residual gas not yet desorbed;
this water is made to rise, under the effect of the desorption of the residual gas, to a second level situated above the first separation level; a separation of the desorbed residual gases and of the water which contains them is carried out at this second level and advantageously in the vicinity of atmospheric pressure;
on the one hand has residual gases and on the other hand 1 '
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water separated at this second level, - the upward thrust of the gas to be recovered desorbed and separated at the lower separation level is used to raise above the level of the lake, a certain quantity of water, this water being able to be used in particular for the * purification of this gasoline dwarf
Other characteristic points of the process forming the subject of the present invention, as well as the characteristics of the device for carrying out the process, will emerge from the description below and from the claims.
As for the device, the appended drawings represent two embodiments thereof, namely FIG. 1, a diagram of an installation. collection, separation and purification with vertical collection pipe; FIG. 2 is a diagram of a collection, separation and purification installation with an oblique collection pipe,
Following the diagram shown in fig. 1, a collection pipe A is immersed more or less vertically in the lake so that its lower end plunges into the layer of water to be exploited.
Its upper end opens into a separator B placed at a suitable depth below the level 0 of the lake, where the gas which has been desorbed in the pipe Ao is separated. This gas is evacuated towards the surface via pipe C fitted with a valve r3.
The level of separator B is chosen so that there is a pressure at which the major part of the methane has desorbed from the water while the major part of the CO2 still remains dissolved there. The partially degassed water leaves the separator B via a pipe D in which the desorption, in particular that of CO2, is completed and which opens into a second separator Eo This is placed at a level such that the flow of the system is satisfactory in the meaning explained above The residual gas is evacuated at a pressure close to atmospheric pressure by the valve r1 while the water, degassed at this same pressure, is taken from the separator E by an extraction pump or by any other device ap - suitable to be sent, either directly to the lake,
at the surface or at depth, or at facilities for the treatment, purification or recovery of by-products.
The installation, as shown in figo 1, is put into service by switching on the pump F, the valve r being open and the valves rl and r being closed o When a quantity. sufficient gas appears at the pump discharge, we open r and r and adjust r so as to maintain the water level constant in the separator E. To shut down the installation, close the taps r1 , r2 and r3 and the pump is stopped.
The pressurized rich gas coming from separator B is injected into the base, immersed in the lake, of an emulsifier G in which it raises the water necessary for the final purification.
This water separated from the rich gas in a separator H feeds the washing column J, at the base of which the rich gas is introduced.
The purified gas leaving column J is stored in a gas meter K, while the water used for washing is discarded.
L, M and N measuring devices are used to check the operation of the installation.
EXAMPLE 1.
Suppose we want to exploit a layer of water containing dissolved gases located at a depth of 350 meters.
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The expansion of this water to atmospheric pressure releases two liters of gas per liter of water, the composition of the gas being as follows:
CH4 24%
CO2 74%
H2S 0.2%
Miscellaneous 1.8% The collection installation according to fig. 1 is supported by a floating pontoon (not shown); the vertical pipe A plunging into the layer to be exploited ends at the separator B, the base of which is 15.5 meters below the surface of the lake. This separator removes one liter of gas per liter of water delivered by the collection, the gas thus separated having the following composition:
CH4 46%
CO2 50.9%
H2S 0.1%
Miscellaneous 3%
This gas is discharged through C at a pressure of 1.7 atm. absolute.
The partially degassed water leaves separator B via a riser D in which its degassing is completed; the separation of water and residual gas takes place in separator E where atmospheric pressure practically reigns, placed at a depth of 3.5 meters below the level of the lake, this difference in level having been chosen so as to ensure to water at a speed greater than one meter per second in the collector pipe A. following - The residual gas, discharged into the atmosphere by r1, has the composition
CH4 2%
CO2 97.1%
H2S 0.3%
Miscellaneous 0.65
The degassed water is extracted from the separator E by means of the pump F.
The rich gas coming from separator B under pressure is introduced through C into the emulsifier G, the base of which is located 6.5 meters below the level of the lake. This foam concentrate raises to 3.5 meters above the level of the lake 0.7 liters of surface water per liter of rich gas counted at atmospheric pressure. After separation in the separator H, the water, which in the emulator G has already absorbed a certain quantity of CO 2, is used for the watering of the washing column J containing a layer of Raschig rings or other infill, with a useful height of 2.5 m.
The rich gas is introduced at the base of column J, where it is freed, in countercurrent to the washing water, of almost all of the CO2 that it contains and of all the quantity of H2S. , and is finally sent to the gasometer K.
The composition of the final gas is as follows:
CH4 87%
CO2 7.5%
H2S 0.0%
Miscellaneous 5.5%
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Its lower calorific value is 70,400 kcal per normal cubic meter
For 100 cubic meters of methane that can be released from deep water at atmospheric pressure 96 cubic meters are actually recovered in the rich gas, 4 are lost in the residual gas o These 100 cubic meters are accompanied by 30,895 cubic meters of CO2. 'contains more than 8.3.
Of the 300.2 m3 which were eliminated, only 92.3 had to be done by the purification installations, the remainder therefore more than two thirds being eliminated by one of the fireworks which are the subject of the present invention, that is to say that this device reduces the purification installations to less than a third of their normal size; this reduction affects not only the volume of the installations (reduction in initial establishment costs) but also their energy consumption, which is high (reduction in operating costs).
The energy consumption of the process is limited to the extraction of degassed water.
For the same 100 cubic meters of: thane 208 cubic meters of water must be raised 3.5 m or an expenditure of 7,300,000 kilogrammè- very. This energy is divided into two 'parts: that which compensates for the energy lost by reducing the quantity of gas in the pipe (D) but which is recovered in the foam concentrate (G) thanks to which the purification is carried out. without external energy consumption o This energy represents the raising of 146 m of water to 3.5 meters or 5,100,000 kilogrammeters.
The other part, that is to say 2,200,000 kilogrammeters, is an expenditure of energy granted in order to ensure an economical flow to the collection piping.
Assuming that the 7,300,000 kilogrammeters are supplied by a pump operated by electric current obtained from the purified gas itself in a generator set comprising a high compression gas engine, the corresponding gas consumption would be, evaluating at 18 % the overall efficiency of all the machines of 1.28 m3 of purified gas at 7.400 kcal (7.400 X 1.28 = 90500 kcal; 9500 x 18 = 10710 kcal;
100 1710 kcal x 427 = 730,000 kgm)
This figure corresponds to 1.11 m3 of CH4 puro
The total yield on methane is therefore 100 - 4 - 191 = 94.895.
Thanks to the simplicity of the equipment required, this excellent performance is combined with more minimum value of the investment, EXAMPLE II.
The same operation is carried out using an oblique collection pipe leading to the shore of the lake, where the installations are concentrated (see figure 2). The pressure separator B 'is placed at a certain distance from the shore, so that its immersion depth is 19 m.
From this separator leave towards the banks 1. a line C ′ for rich gas under a pressure of 1.7 atm. abs.
2. a water pipe D 'leading to the atmospheric pressure separator E' located at a depth of 7 m below the level of the lake
The operating conditions will be the same as those of example I except the energy consumption which will be double.
This results from the fact that, in order to obtain a pipe of the same diameter, 9 the same flow in po if ti on oblique as in po if ti on vertical it is necessary to compensate; The higher pressure drop due to the longer driving.
2. the decrease in the motive force produced by the gas-water emulsion in an oblique pipe.
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The total return this time will be
EMI8.1
l ± l0 - 4 - 2 Q2 = 9378%
We can see that even with an oblique pipe the performance remains excellent.
CLAIMS.
1. A process for extracting gas dissolved in the deep layers of water bodies such as lakes and others, hereinafter referred to as lakes, by supplying the so luti on of gas in water from these layers to a level at which a lower pressure prevails, characterized in that one carries out, at a level situated below the level of the lake and at which at least partial desorption of gas from the water has already occurred, a separation of
EMI8.2
gas désorooa. and water.