EP0634618B1 - Procédé autoréfrigéré de fractionnement cryogénique et de purification de gaz et échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents
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Definitions
- the subject of the present invention is a method of cryogenic fractionation and of gas purification, as defined in the preamble of claim 1.
- Certain gases include both constituents which are fairly easily liquefiable at low temperature and constituents which are more difficult to liquefy or non-liquefiable. It is therefore common to try to separate them by cooling in order to condense the elements which are more easily liquefiable and thus separate them from the constituents which are more difficult to liquefy or non-liquefiable.
- mixtures of different hydrocarbons or non-hydrocarbon components such as nitrogen, hydrogen, argon and / or carbon monoxide and, for example , catalytic cracking or steam cracking gases.
- reflux exchangers also known as “dephlegmators”
- external refrigeration being usually supplied countercurrently through a refrigeration cycle or by dynamic gas expansion. This limits the use of these techniques to the temperatures at which the refrigeration cycles are available and to cases where the expansion of the effluents, for example hydrogen or methane, is possible.
- the technique consists in cooling the gas to be purified in a first exchanger, in separating the non-gas condensed from the first condensate formed, for example in a fractionation column, to further cool the uncondensed gas in a second exchanger to form a second condensate, to separate this second condensate from the uncondensed gas in a separator and to return the second condensate to the column as reflux.
- the uncondensed gas separated from the second condensate constitutes the purified gas.
- the cooling agent for the two exchangers consists of the first condensate which is subjected to vaporization by expansion and passes successively through the second then the first exchanger.
- the purified gas can itself pass through the second and then the first exchanger.
- the method and the device of the invention have the advantage of not generally requiring refrigeration using refrigerants foreign to the installation and of not requiring expansion of the constituent (s) ) the most difficult to liquefy (s) of the treated gas mixture.
- This last point is important because, on the one hand, liquefaction techniques most often require the application of high pressure and, on the other hand, certain separate gases obtained such as, for example, hydrogen and / or carbon monoxide are often reactants for chemical reactions which must themselves be carried out under high pressure. It would therefore be uneconomic to expand these gases during cryogenic separation and then have to recompress them.
- the method and the device of the invention are more economical than the known method of self-refrigeration because they require only a unitary exchanger which is less expensive than the multiple devices (at least two exchangers, a fractionation column , a separator and many circuits) of the known method. They also reduce heat losses and avoid high expenses for insulating circuits and devices.
- the gases to which the invention applies are mixtures of at least two, and preferably at least three, different chemical components and of different boiling (or condensation) temperatures under the conditions of the process, and, for example, a mixture of hydrogen, methane and at least one C2 hydrocarbon such as ethane or ethylene, with or without higher hydrocarbons (C3 or more).
- Other mixtures also contain carbon monoxide and / or nitrogen.
- the invention uses a unitary heat exchanger (a unitary heat exchange zone) as defined in claim 8.
- One of the circuits called the reflux circuit or first circuit, is arranged essentially in an upper portion. of the exchanger (the exchange zone), that is to say in a relatively cooler portion of the exchanger. It is preferably a "non-tortuous" circuit, that is to say in which the condensed liquid can flow in a generally descending direction.
- Another circuit (fifth circuit), preferably of the tortuous type, not suitable for reflux of liquid, is essentially arranged in a lower portion of the exchanger (the exchange zone), that is to say in a portion relatively cooler of the exchanger.
- circuit of the tortuous type directed generally vertically, is meant a circuit such that the fluid which is introduced therein at the base can progress generally from the bottom upwards without significant reflux of the liquid portions of this fluid, which supposes, by example, an average slope less steep than in the above-mentioned reflux circuit; in other words, all or almost all of the fluid (liquid and gaseous) will follow a generally ascending path in this circuit of tortuous type and will be collected at the top of said circuit, the point (or zone) of discharge being located in a portion intermediate of the heat exchanger, for example in the vicinity of the first third or half the height of the exchanger.
- the aforementioned tortuous circuit is in whole, or almost in whole, at a level lower than the reflux circuit, and, even better, than the two circuits are arranged substantially one above the other in the exchanger.
- the second, third and fourth circuits can be tortuous or not, preferably non-tortuous.
- the five aforementioned circuits are in heat exchange relationship with each other at each level of the exchanger where they are present, which supposes that the exchanger is preferably made of a good heat conductive material, with walls as thin as possible compatible with the resistance of the materials and having a high exchange surface. Specialists can easily make such exchangers from the previous indications.
- the aforementioned multi-component gaseous fluid (at least two and preferably at least three condensable components) is circulated from bottom to top in the fifth circuit, located in a lower portion of the exchanger, in conditions of temperature and pressure such that it can partially condense without backflow into said circuit.
- the mixture of gas and liquid (first condensate) withdrawn from the top of the fifth circuit is separated into a gas phase and a liquid phase, in a separation zone.
- the resulting gas phase is circulated from bottom to top in the first circuit (reflux circuit) preferably located above the fifth circuit, as indicated above.
- the second condensate thus formed can be mixed with the first condensate already present in the separation zone or be collected separately.
- the uncondensed gas collected at the top of the first circuit is returned to the exchanger by the aforementioned second circuit to circulate there from top to bottom against the current of the fluids circulating in the first circuit and in the fifth circuit. It comes out heated by constituting the purified gas, formed of the most volatile elements of the gaseous supply fluid.
- the liquid phase of the separation zone consisting of the first condensate alone or of the mixture of the first and second condensates, is circulated from the bottom to the top in the aforementioned third circuit where it undergoes sub-cooling. It is then relaxed, statically or dynamically, and circulated from top to bottom in the aforementioned fourth circuit of the exchanger where it vaporizes thanks to the heat removed from the fluids of the tortuous circuit, the first circuit and the third circuit.
- the gas stream discharged at the bottom of the fourth circuit contains the least volatile constituents of the gaseous supply fluid. It can, if desired, be partially recycled or otherwise treated.
- only part of the gaseous phase collected at the head of the first circuit is sent to the second circuit; the other part is expanded and used in the heat exchanger in the downward direction, either by passing through a sixth exchange circuit or, preferably, by passing through the fourth circuit, in admixture with the expanded liquid phase of the (or ) condensate (s) introduced therein, to allow vaporization at higher pressure.
- the production of purified gas under high pressure is less important, but this does not present any drawback when the gas stream from the fourth circuit is recycled or the gas stream from the sixth circuit is recompressed.
- Preferably 90 to 98% by mole of the gaseous phase collected at the head of the first circuit is sent to the second circuit and the other part (2 to 10 mol%) is expanded and joined to said liquid phase of the fourth circuit.
- part of the gas to be purified does not pass through the fifth circuit and is sent directly to the gas-liquid separation zone or to the first circuit.
- a fraction of 80 to 95 mol% of the gas passes through the fifth circuit, and a fraction of 5 to 20 mol% is sent to the separation zone. It is thus possible to maximize the quantity of purified gas obtained by the second circuit.
- Yet another variant consists in supplying a liquid phase of external origin to the exchanger, under conditions where this liquid phase can relax and evaporate after expansion during its passage from top to bottom in the exchanger.
- This liquid phase of external origin can first pass through the exchanger from bottom to top by an auxiliary circuit to undergo sub-cooling there before descending by an auxiliary circuit. This is advantageous when starting the installation to facilitate and accelerate its cooling. More simply, if its composition is compatible with that of the liquid of the third circuit, it can be mixed with the latter before the entry thereof into the third circuit or only before the entry of said liquid into the fourth circuit.
- the condensation rate of the gaseous supply fluid in the fifth circuit is also advantageous to adjust the condensation rate of the gaseous supply fluid in the fifth circuit to a value of 2 to 20% by mole.
- the temperature and pressure conditions in the unitary heat exchange zone of the invention depend, obviously, the composition of the feedstock, and the technician will be able to choose these conditions in each particular case using his knowledge, the main thing being to operate under conditions allowing partial condensation of the fluid. food. Due to the fact that it is a cryogenic process, the operation is carried out below ambient temperature, for example between 0 ° C. and -150 ° C. depending on the gas treated and the pressure chosen. As, moreover, an expansion of the condensates is provided, one advantageously operates at a super-atmospheric pressure, for example between 5 and 100 bars. Below are values given as examples.
- the invention also relates to a heat exchanger making it possible to implement the method described above.
- This exchanger is characterized in that it comprises at least five distinct circuits, generally vertical, designated respectively first, second, third, fourth and fifth circuits, in indirect heat exchange relationship with each other at each level of said exchanger, said circuits forming a unitary assembly, the first circuit being of the non-tortuous type and the fifth circuit of the tortuous type, the first circuit being disposed at a level higher than that of the fifth circuit, at least one direct junction between the top of the first circuit and the top of the second circuit, at least one junction through an expansion means between the top of the third circuit and the top of the fourth circuit, at least one zone of separation of phases connected by its upper part to the base of the first circuit, by its lower part to the base of the third circuit and laterally at the top of the fifth circuit.
- the first circuit is superimposed on the fifth circuit.
- FIGS 1 and 2 attached illustrate the invention without limitation.
- the heat exchanger E1 has five main circuits C1 to C5 corresponding respectively to the first, second, third, fourth and fifth circuits of the process.
- the gas to be purified is sent by lines 1 and 3 to the circuit C5 and leaves it by line 2 in the mixed gas / first condensate phase.
- the two phases separate in the flask B1: the gas phase is sent by line 16 to the circuit C1; it undergoes cooling there and a second condensate forms and flows back through line 17.
- the uncondensed gas leaves at the head and is sent by lines 5 and 7 to circuit C2. It comes out warmed at the bottom of this circuit by line 14. This gives the purified gas or the lightest fraction of the charge.
- the condensates coming from circuits C5 and C1 respectively by lines 2 and 17 are mixed and sent by line 4 to circuit C3 where they undergo sub-cooling. They come out at the head by line 8, pass through the expansion valve V1 and are sent to circuit C4 by line 9. They can pass through a balloon B2, in which case the gas phase and the liquid phase are sent to C4 respectively by the lines 18 and 19 to point 10.
- the condensates vaporized leaves the circuit C4 via line 11. These are the least volatile fractions of the charge.
- part of the gas from the circuit C1 is taken from line 5 and sent through the expansion valve V2 and line 6 to the cylinder B2.
- part of the starting gas is sent to the balloon B1 through the line 15 and the valve V4.
- a liquid phase compatible with the condensate of line 4 is sent by line 12 to an auxiliary circuit C6 to undergo sub-cooling there before passing through line 13 and the expansion valve V3 and sent to the balloon. B2, preferably by line 9.
- each circuit is separated from the neighboring circuit by a vertical sheet like the sheets 20, 21, 22, etc.
- each circuit is of the multi-channel type, circuits C1 and C3 being examples of this, in fact we see vertical sheets such as 23 (corrugated sheet) or 24 (flat partition). ) dividing the circuits into a plurality of elementary channels such as 25 and 26.
- channels 2, 16 and 17 relating to the fifth (2) and first (16 and 17) circuits of Figure 1, with their equivalents 2 ', 16', 17 ', 2'',16'' and 17 ".
- the lateral conduits 2, 16, 17 (and their prime and second equivalents) are connected to separate balloons B1 or to a common elongated balloon B1.
- Valves V2, V3 and V4 are closed.
- Line 6,111,703 kmol / h of hydrogen-enriched gas containing less than 1 mol% of ethylene is collected under a pressure of 34.7 bar abs and 10.086 kmol / h of gas highly enriched in ethylene in line 12 under a pressure of 1.8 bar abs.
- the latter gas can be sent to a distillation column to obtain an even richer stream of ethylene.
- Table 1 The current compositions of the installation are shown in Table 1.
- Example 2 The procedure is as in Example 1, however, partially opening the valve V2 to allow the vaporization of the fluid circulating in the circuit 4 at higher pressure.
- Tables 2 and 6 give respectively the compositions of the fluids, at the inlet and at the outlet, and the operating conditions.
- Example 3 The procedure is as in Example 3 with, in addition, partial opening of the valve V3 allowing the introduction of a distillate consisting of a 50/50 mixture by volume of methane and ethylene, obtained by rectification of the purified gas from a previous operation.
- Such an operating mode is used when starting the installation to facilitate its cooling.
- Tables 4 and 8 give the compositions of the fluids and the operating conditions.
- TABLE 1 Gas to be purified (line 1) Purified gas (line 14) Separate gas (line 11) Molar composition Hydrogen % mol 62.3100 67.7567 1.9871 Carbon monoxide % mol 0.3814 0.4073 0.0941 Methane % mol 31.3551 31.0198 35.0688 Acetylene % mol 0.0369 0.0013 0.4312 Ethylene % mol 5.4370 0.8057 56.7295 Ethane % mol 0.4784 0.0092 5.6743 Propylene % mol 0.0012 0.0000 0.0149 Temperature ° C -93.00 -95.00 -100.00 Pressure abs bar 35.00 34.70 1.80 Molar flow Kmol / h 121,788 111.703 10,086 Gas to be purified (line 1) Purified gas (line 14) Separate gas (line 11) Molar composition Hydrogen % mol 62.3100 67.7566 12.87
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Description
- La présente invention a pour objet un procédé de fractionnement cryogénique et de purification de gaz, tel que défini dans le préambule de la revendication 1.
- Elle vise également un échangeur de chaleur pour l'exécution de ce procédé.
- Certains gaz comprennent à la fois des constituants assez facilement liquéfiables à basse température et des constituants plus difficilement liquéfiables ou non liquéfiables. IL est donc courant de chercher à les séparer par refroidissement pour condenser les éléments plus facilement liquéfiables et les séparer ainsi des constituants plus difficilement liquéfiables ou non liquéfiables.
- Parmi les gaz à plusieurs composants qui peuvent ainsi être traités, on peut citer les mélanges d'hydrocarbures différents ou des composants non hydrocarbonés tels que l'azote, l'hydrogène, l'argon et/ou le monoxyde de carbone et, par exemple, les gaz de craquage catalytique ou de vapocraquage.
- Pour obtenir le refroidissement nécessaire on fait appel dans la technique antérieure, à des échangeurs de chaleur, et notamment à des échangeurs à reflux, aussi désignés par "déphlegmateurs", la réfrigération externe étant fournie habituellement à contre-courant par un cycle de réfrigération ou par une détente dynamique de gaz. Ceci limite l'emploi de ces techniques aux températures auxquelles les cycles de réfrigération sont disponibles et aux cas où la détente des effluents, par exemple de l'hydrogène ou du méthane, est possible.
- On peut également utiliser une technique d'auto-réfrigération. La technique consiste à refroidir le gaz à purifier dans un premier échangeur, à séparer le gaz non condensé du premier condensat formé, par exemple dans une colonne de fractionnement, à refroidir davantage le gaz non condensé dans un deuxième échangeur pour former un second condensat, à séparer ce second condensat du gaz non condensé dans un séparateur et à renvoyer le second condensat à la colonne comme reflux.
- Le gaz non condensé séparé du second condensat constitue le gaz purifié. L'agent de refroidissement pour les deux échangeurs est constitué par le premier condensat qui est soumis à une vaporisation par détente et traverse successivement le second puis le premier échangeur. Le gaz purifié peut lui-même traverser le second puis le premier échangeur.
- Le procédé et le dispositif de l'invention présentent l'avantage de ne pas nécessiter, en règle générale, de réfrigération à l'aide de réfrigérants étrangers à l'installation et de ne pas exiger de détente du (ou des ) constituant(s) le(s) plus difficilement liquéfiable(s) du mélange gazeux traité. Ce dernier point est important car, d'une part, les techniques de liquéfaction exigent le plus souvent l'application d'une pression élevée et, d'autre part, certains gaz séparés obtenus tels que, par exemple, l'hydrogène et/ou le monoxyde de carbone sont souvent des réactifs pour des réactions chimiques qui doivent elles-mêmes être mises en oeuvre sous pression élevée. Il serait donc peu économique de détendre ces gaz au cours de la séparation cryogénique pour avoir ensuite à les recomprimer.
- D'autre part le procédé et le dispositif de l'invention sont plus économiques que le procédé connu d'auto-réfrigération car ils ne requièrent qu'un échangeur unitaire moins coûteux que les multiples appareils (au moins deux échangeurs, une colonne de fractionnement, un séparateur et de nombreux circuits) du procédé connu. Ils réduisent aussi les pertes thermiques et évitent des dépenses élevées d'isolation des circuits et appareils.
- Les gaz auxquels s'applique l'invention sont des mélanges d'au moins deux, et de préférence d'au moins trois, composants chimiques différents et de températures d'ébullition (ou de condensation) différentes dans les conditions du procédé, et, par exemple, un mélange d'hydrogène, de méthane et d'au moins un hydrocarbure en C2 tel que l'éthane ou l'éthylène, avec ou sans hydrocarbures supérieurs (C3 ou plus). D'autres mélanges renferment en outre du monoxyde de carbone et/ou de l'azote.
- Par ailleurs, on connaît d'après le document US-A-5 017 204 un procédé autoréfrigéré de fractionnement cryogénique et de purification d'un fluide gazeux d'alimentation, correspondant à l'état de la technique décrit dans le préambule de la revendication 1.
- Le procédé de l'invention est un procédé autoréfrigéré de fractionnement cryogénique et de purification d'un fluide gazeux d'alimentation à au moins deux composants condensables de températures de condensation différentes, respectivement au moins un composant relativement lourd à éliminer et au moins un composant relativement léger à récupérer de manière à produire un gaz purifié comprenant préférentiellement le(s) composant(s) relativement léger (s) et un gaz séparé comprenant préférentiellement le(s) composant(s) relativement lourd(s), dans lequel :
- on opère dans une zone d'échange thermique formant un ensemble unitaire et comprenant au moins cinq circuits distincts, désignés respectivement par premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième circuits, en relation d'échange thermique indirect les uns avec les autres à chaque niveau de la zone d'échange thermique, globalement verticaux,
- on refroidit au moins une fraction du fluide gazeux d'alimentation dans des conditions telles qu'il puisse se condenser en partie pour donner un premier condensat et ce premier condensat est entraîné sans reflux substantiel par ledit fluide gazeux, on décharge le mélange résultant de gaz non condensé et du premier condensat dans une zone de séparation de phases,
- on sépare ledit gaz non condensé dudit premier condensat, dans ladite zone de séparation de phases, on fait circuler le gaz ainsi séparé globalement de bas en haut, dans le premier circuit, ou circuit de reflux, dans des conditions telles qu'une partie du gaz puisse donner un deuxième condensat et que ce deuxième condensat puisse refluer dans ledit premier circuit et être collecté à sa base,
- on fait circuler une partie au moins du gaz non condensé, déchargé du haut du premier circuit, globalement du haut vers le bas dans le deuxième circuit, à contre-courant du fluide circulant dans le premier circuit et on décharge le gaz purifié résultant,
- on fait circuler le premier condensat et le deuxième condensat globalement de bas en haut dans au moins un troisième circuit pour y subir un sous-refroidissement,
- on décharge du haut d'un au moins troisième circuit les premier et deuxième condensats sous-refroidis résultants,
- on les détend et on les fait circuler globalement du haut vers le bas dans au moins un quatrième circuit où ils se vaporisent en prélevant de la chaleur sur les fluides des premier et troisième circuits et
- on décharge enfin lesdits condensats vaporisés du bas d'un au moins quatrième circuit, ces condensats vaporisés constituant le gaz séparé,
- Ainsi l'invention met en oeuvre un échangeur de chaleur unitaire (une zone unitaire d'échange de chaleur) tel que défini en revendication 8. L'un des circuits, appelé circuit de reflux ou premier circuit, est disposé essentiellement dans une portion supérieure de l'échangeur (la zone d'échange), c'est-à-dire dans une portion relativement plus froide de l'échangeur. Il s'agit, de préférence, d'un circuit "non tortueux" c'est-à-dire dans lequel le liquide condensé peut ruisseler en sens globalement descendant. Un autre circuit (cinquième circuit), de préférence de type tortueux, non apte au reflux de liquide, est 11disposé essentiellement dans une portion inférieure de l'échangeur (la zone d'échange), c'est-à-dire dans une portion relativement moins froide de l'échangeur.
- Par circuit de type tortueux, dirigé globalement verticalement, on entend un circuit tel que le fluide qui y est introduit à la base puisse progresser de manière générale du bas vers le haut sans reflux important des portions liquides de ce fluide, ce qui suppose, par exemple, une pente moyenne moins forte que dans le circuit de reflux précité ; en d'autres termes, la totalité ou presque du fluide (liquide et gazeux) suivra un chemin globalement ascendant dans ce circuit de type tortueux et sera recueillie en haut dudit circuit, le point (ou la zone) de décharge étant situé dans une portion intermédiaire de l'échangeur de chaleur, par exemple au voisinage du premier tiers ou de la demi-hauteur de l'échangeur.
- Il est préférable que le circuit tortueux précité soit en totalité, ou presque en totalité, à un niveau plus bas que le circuit de reflux, et, encore mieux, que les deux circuits soient disposés sensiblement l'un au-dessus de l'autre dans l'échangeur.
- Les deuxième, troisième et quatrième circuits peuvent être tortueux ou non, de préférence non tortueux.
- Il n'est cependant pas indispensable d'utiliser un circuit tortueux et un circuit non tortueux pour obtenir les résultats ci-dessus (reflux et non-reflux respectivement). On peut en effet agir sur la section du circuit et/ou la vitesse de circulation du fluide d'alimentation dans ce circuit. Une vitesse faible dans un canal relativement large permet en effet le reflux tandis qu'une vitesse élevée dans un canal relativement étroit a pour résultat l'entraînement du condensat, l'empêchant ainsi de refluer. Un circuit à multi-canaux de faible section et une grande vitesse de circulation sont donc avantageux, notamment pour le cinquième circuit.
- Les cinq circuits précités sont en relation d'échange thermique les uns avec les autres à chaque niveau de l'échangeur où ils sont présents, ce qui suppose que l'échangeur soit de préférence réalisé dans une matière bonne conductrice de chaleur, avec des parois d'aussi faible épaisseur que possible compatible avec la résistance des matériaux et comportant une surface d'échange élevée. Les spécialistes pourront sans difficulté réaliser de tels échangeurs à partir des indications précédentes.
- Selon l'invention, le fluide gazeux multi-composants précité (au moins deux et de préférence au moins trois composants condensables) est mis en circulation de bas en haut dans le cinquième circuit, situé dans une portion inférieure de l'échangeur, dans des conditions de température et de pression telles qu'il puisse se condenser en partie sans refluer dans ledit circuit. Le mélange de gaz et de liquide (premier condensat) soutiré du sommet du cinquième circuit est séparé en une phase gazeuse et une phase liquide, dans une zone de séparation. La phase gazeuse résultante est mise en circulation de bas en haut dans le premier circuit (circuit de reflux) situé de préférence au-dessus du cinquième circuit, comme indiqué plus haut. Dans cette portion relativement froide de l'échangeur une partie du gaz se condense et le condensat (deuxième condensat) redescend vers la zone de séparation précitée, ceci en raison du caractère non tortueux de ce premier circuit ou de la faible vitesse ascensionnelle du gaz.
- Le deuxième condensat ainsi formé peut être mélangé au premier condensat déjà présent dans la zone de séparation ou être recueilli séparément. Le gaz non condensé recueilli au sommet du premier circuit est renvoyé dans l'échangeur par le deuxième circuit précité pour y circuler du haut vers le bas à contre-courant des fluides circulant dans le premier circuit et dans le cinquième circuit. Il ressort réchauffé en constituant le gaz purifié, formé des éléments les plus volatils du fluide gazeux d'alimentation.
- La phase liquide de la zone de séparation, constituée du premier condensat seul ou du mélange des premier et second condensats, est mise en circulation du bas vers le haut dans le troisième circuit précité où elle subit un sous-refroidissement. Elle est alors détendue, statiquement ou dynamiquement, et mise en circulation du haut vers le bas dans le quatrième circuit précité de l'échangeur où elle se vaporise grâce à la chaleur enlevée aux fluides du circuit tortueux, du premier circuit et du troisième circuit. Le courant gazeux déchargé au bas du quatrième circuit renferme les constituants les moins volatils du fluide gazeux d'alimentation. Il peut, si on le désire, être recyclé en partie ou traité autrement.
- Selon une variante, on peut ne pas mélanger les premier et second condensats et leur faire parcourir séparément les troisième et quatrième circuits, ce qui explique que l'invention utilise "au moins un troisième circuit" et "au moins un quatrième circuit".
- Le schéma de procédé précité a ainsi permis, sans apport de froid d'origine externe au système, de fractionner un mélange gazeux à basse température, sans perte appréciable de pression pour les constituants les plus volatils de la charge.
- Diverses modifications ou variantes peuvent être apportées à l'invention.
- Selon une première variante, une partie seulement de la phase gazeuse recueillie en tête du premier circuit est envoyée dans le deuxième circuit ; l'autre partie est détendue et utilisée dans l'échangeur dans le sens descendant, soit par passage dans un sixième circuit d'échange soit, de préférence, par passage dans le quatrième circuit, en mélange avec la phase liquide détendue du (ou des) condensat(s) qui y est introduite, pour y permettre une vaporisation à pression plus élevée. Dans ce cas la production de gaz purifié sous haute pression est moins importante, mais cela ne présente pas d'inconvénient lorsqu'on procède à un recyclage du courant gazeux issu du quatrième circuit ou à une recompression du courant gazeux du sixième circuit. De préférence 90 à 98% en mole de la phase gazeuse recueillie en tête du premier circuit est envoyée au deuxième circuit et l'autre partie (2 à 10% en mole) est détendue et jointe à ladite phase liquide du quatrième circuit.
- Selon une autre variante, une partie du gaz à purifier ne traverse pas le cinquième circuit et est envoyée directement à la zone de séparation gaz-liquide ou au premier circuit. Ceci permet d'adapter le fonctionnement de l'installation aux modifications de composition de la charge. De préférence, dans ce cas, une fraction de 80 à 95% en mole du gaz passe dans le cinquième circuit, et une fraction de 5 à 20% en mole est envoyée à la zone de séparation. On peut ainsi maximiser la quantité de gaz purifié, obtenue par le deuxième circuit.
- Une autre variante encore consiste à effectuer un apport de phase liquide d'origine externe à l'échangeur, dans des conditions où cette phase liquide puisse se détendre et s'évaporer après détente lors de son passage de haut en bas dans l'échangeur. Cette phase liquide d'origine externe peut traverser d'abord l'échangeur de bas en haut par un circuit auxiliaire pour y subir un sous-refroidissement avant de redescendre par un circuit auxiliaire. Ceci est avantageux lors du démarrage de l'installation pour faciliter et accélérer sa mise en froid. Plus simplement, si sa composition est compatible avec celle du liquide du troisième circuit, elle peut être mélangée à ce dernier avant l'entrée de celui-ci dans le troisième circuit ou seulement avant l'entrée dudit liquide dans le quatrième circuit.
- Il est avantageux par ailleurs de régler le taux de condensation du fluide gazeux d'alimentation dans le cinquième circuit à une valeur de 2 à 20% en mole. Les conditions de température et de pression dans la zone d'échange thermique unitaire de l'invention dépendent, bien évidemment, de la composition de la charge d'alimentation, et le technicien saura choisir ces conditions dans chaque cas particulier à l'aide de ses connaissances, l'essentiel étant d'opérer sous des conditions permettant une condensation partielle du fluide d'alimentation. Du fait qu'il s'agit d'un procédé cryogénique, on opère au dessous de la température ambiante, par exemple entre 0°C et -150°C selon le gaz traité et la pression choisie. Comme, par ailleurs, une détente des condensats est prévue, on opère avantageusement à une pression super-atmosphérique, par exemple entre 5 et 100 bars. On trouvera ci-après des valeurs données à titre d'exemples.
- Grâce à un choix judicieux de conditions opératoires, on pourra aisément obtenir un gaz purifié renfermant moins de 1% molaire de composants relativement lourds et un gaz séparé renfermant au moins 30% molaires desdits composants relativement lourds.
- L'invention concerne aussi un échangeur de chaleur permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. Cet échangeur est caractérisé en ce qu'il comprend au moins cinq circuits distincts, globalement verticaux, désignés respectivement premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième circuits, en relation d'échange thermique indirect les uns avec les autres à chaque niveau dudit échangeur, lesdits circuits formant un ensemble unitaire, le premier circuit étant de type non tortueux et le cinquième circuit de type tortueux, le premier circuit étant disposé à un niveau supérieur à celui du cinquième circuit, au moins une jonction directe entre le sommet du premier circuit et le sommet du second circuit, au moins une jonction à travers un moyen de détente entre le sommet du troisième circuit et le sommet du quatrième circuit, au moins une zone de séparation de phases reliée par sa partie supérieure à la base du premier circuit, par sa partie inférieure à la base du troisième circuit et latéralement au sommet du cinquième circuit.
- De préférence, le premier circuit est superposé au cinquième circuit.
- Les figures 1 et 2 annexées illustrent l'invention de façon non limitative.
- L'échangeur de chaleur E1 comporte cinq circuits principaux C1 à C5 correspondant respectivement aux premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième circuits du procédé. Le gaz à purifier est envoyé par les lignes 1 et 3 au circuit C5 et en ressort par la ligne 2 en phase mixte gaz/premier condensat. Les deux phases se séparent dans le ballon B1 : la phase gazeuse est envoyée par la ligne 16 au circuit C1 ; elle y subit un refroidissement et un second condensat se forme et reflue par la ligne 17. Le gaz non condensé sort en tête et est envoyé par les lignes 5 et 7 au circuit C2. Il ressort réchauffé au bas de ce circuit par la ligne 14. On obtient ainsi le gaz purifié ou la fraction la plus légère de la charge.
- Les condensats provenant des circuits C5 et C1 respectivement par les lignes 2 et 17 sont mélangés et envoyés par la ligne 4 au circuit C3 où ils subissent un sous-refroidissement. Ils ressortent en tête par la ligne 8, traversent la vanne de détente V1 et sont envoyés au circuit C4 par la ligne 9. Ils peuvent traverser un ballon B2, auquel cas la phase gazeuse et la phase liquide sont acheminées à C4 respectivement par les lignes 18 et 19 vers le point 10. Les condensats vaporisés sortent du circuit C4 par la ligne 11. Il s'agit des fractions les moins volatiles de la charge.
- Selon la première variante, une partie du gaz issu du circuit C1 est prélevé sur la ligne 5 et envoyé à travers la vanne de détente V2 et la ligne 6 au ballon B2.
- Selon la seconde variante, une partie du gaz de départ est envoyée au ballon B1 à travers la ligne 15 et la vanne V4.
- Selon la troisième variante, une phase liquide compatible avec le condensat de la ligne 4 est envoyée par la ligne 12 à un circuit auxiliaire C6 pour y subir un sous-refroidissement avant passage dans la ligne 13 et la vanne de détente V3 et envoi au ballon B2, de préférence par la ligne 9.
- Sur la figure 2, on retrouve l'ensemble échangeur unitaire E1, comportant une pluralité de circuits remplissant, par groupes, la même fonction. Ainsi le circuit C1 de la figure 1 est subdivisé en C1, C1' et C1'', le circuit C2 est subdivisé en C2, C2', C2", etc. Chaque circuit est séparé du circuit voisin par une tôle verticale telles les tôles 20, 21, 22, etc. De préférence, chaque circuit est de type multi-canaux. Les circuits C1 et C3 en sont des exemples. On y voit en effet des tôles verticales telles que 23 (tôle ondulée) ou 24 (cloison plate) divisant les circuits en une pluralité de canaux élémentaires tels que 25 et 26.
- On retrouve latéralement la sortie des canaux 2, 16 et 17 relatifs aux cinquième (2) et premier (16 et 17) circuits de la figure 1, avec leurs équivalents 2', 16', 17', 2'', 16'' et 17". On n'a pas représenté les collecteurs placés à la partie supérieure et à la partie inférieure de l'échangeur E1 étant donné qu'ils sont de type classique. Par exemple, l'un des collecteurs réunira les effluents des circuits C1, C1' et C1''; de même pour C2, C2' et C2", etc. Les conduits latéraux 2, 16, 17 (et leurs équivalents prime et seconde) sont reliés à des ballons B1 distincts ou à un ballon B1 allongé commun.
- L'ordre de succession des circuits décrits ci-dessus, à savoir C1, C2, C3, C4, C5 n'est pas essentiel et toute autre combinaison peut être envisagée. Par exemple, on pourra avoir l'ordre C1, C4, C3, C2, C5 ou C2, C4, C1, C3, C5, etc... étant entendu que de préférence C1 est superposé à C5.
- Les exemples 1 à 4 suivants, donnés à titre non limitatif, illustrent l'invention.
- On traite un gaz disponible à -93°C sous 35 bar abs. Sa composition est donnée dans le tableau 1. Son débit est de 121,788 kmol/h.
- Les conditions de température et pression aux différents points des circuits sont données dans le tableau 5.
- Les vannes V2, V3 et V4 sont fermées.
- On recueille, dans la ligne 6,111,703 kmol/h de gaz enrichi en hydrogène et renfermant moins de 1% molaire d'éthylène, sous une pression de 34,7 bar abs et 10,086 kmol/h de gaz fortement enrichi en éthylène dans la ligne 12 sous une pression de 1,8 bar abs. Ce dernier gaz peut être envoyé à une colonne de distillation pour obtenir un courant encore plus riche en éthylène. Les compositions des courants de l'installation figurent au tableau 1.
- On opère comme dans l'exemple 1 en ouvrant toutefois partiellement la vanne V2 pour permettre la vaporisation du fluide circulant le circuit 4 à pression plus élevée.
- Les tableaux 2 et 6 donnent respectivement les compositions des fluides, à l'entrée et à la sortie, et les conditions opératoires.
- On opère comme dans l'exemple 2 avec, en outre, ouverture partielle de la vanne V4. Les tableaux 3 et 7 donnent les compositions des fluides et les conditions opératoires.
- On opère comme dans l'exemple 3 avec, en outre, ouverture partielle de la vanne V3 permettant l'introduction d'un distillat constitué d'un mélange 50/50 en volume de méthane et d'éthylène, obtenu par rectification du gaz purifié d'une opération antérieure.
- Un tel mode de fonctionnement est utilisé lors du démarrage de l'installation pour faciliter sa mise en froid.
- Les tableaux 4 et 8 donnent les compositions des fluides et les conditions opératoires.
TABLEAU 1 Gaz à purifier
(ligne 1)Gaz purifié
(ligne 14)Gaz séparé
(ligne 11)Composition molaire Hydrogène % mol 62,3100 67,7567 1,9871 Oxyde de carbone % mol 0,3814 0,4073 0,0941 Méthane % mol 31,3551 31,0198 35,0688 Acétylène % mol 0,0369 0,0013 0,4312 Ethylène % mol 5,4370 0,8057 56,7295 Ethane % mol 0,4784 0,0092 5,6743 Propylène % mol 0,0012 0,0000 0,0149 Température °C -93,00 -95,00 -100,00 Pression bar abs 35,00 34,70 1,80 Débit molaire Kmol/h 121,788 111,703 10,086 TABLEAU 2 Gaz à purifier
(ligne 1)Gaz purifié
(ligne 14)Gaz séparé
(ligne 11)Composition molaire Hydrogène % mol 62,3100 67,7566 12,8710 Oxyde de carbone % mol 0,3814 0,4073 0,1460 Méthane % mol 31,3551 31,0198 34,3984 Acétylène % mol 0,0369 0,0013 0,3600 Ethylène % mol 5,4370 0,8057 47,4753 Ethane % mol 0,4784 0,0092 4,7369 Propylène % mol 0,0012 0,0000 0,0124 Température °C -93,00 -95,00 -98,30 Pression bar abs 35,00 34,70 2,40 Débit molaire Kmol/h 121,788 109,703 12,086 TABLEAU 3 Gaz à purifier
(ligne 1)Gaz purifié
(ligne 14)Gaz séparé
(ligne 11)Composition molaire Hydrogène % mol 62,3100 67,4592 18,7556 Oxyde de carbone % mol 0,3814 0,4066 0,1682 Méthane % mol 31,3551 31,3225 31,6311 Acétylène % mol 0,0369 0,0012 0,3385 Ethylène % mol 5,4370 0,8021 44,6420 Ethane % mol 0,4784 0,0085 4,4529 Propylène % mol 0,0012 0,0000 0,0116 Température °c -93,00 -95,00 -99,39 Pression bar abs 35,00 34,70 2,40 Débit molaire Kmol/h 121,788 108,912 12,876 TABLEAU 4 Gaz à purifier
(ligne 1)Gaz purifié
(ligne 14)Gaz séparé
(ligne 11)Distillat
(ligne 12)Composition molaire Hydrogène % mol 62,3100 67,4592 9,1827 0,0000 Oxyde de carbone % mol 0,3814 0,4066 0,1097 0,0000 Méthane % mol 31,3551 31,3225 34,4823 50,0000 Acétylène % mol 0,0369 0,0012 0,3332 0,0000 Ethylène % mol 5,4370 0,8021 51,4970 50,0000 Ethane % mol 0,4784 0,0085 4,3836 0,0000 Propylène % mol 0,0012 0,0000 0,0115 0,0000 Température °c -93,00 -95,00 -99,19 -92,00 Pression bar abs 35,00 34,70 2,40 17,80 Débit molaire Kmol/h 121,788 108,912 13,076 2,000 TABLEAU 5 Désignation Flux n° Température °C Pression bar abs. Débit Kmol/h Gaz à purifier 1 -93,00 35,00 121,788 Gaz à purifier réfrigéré 2 -100,00 34,90 121,788 Gaz à purifier alimentant E1 3 -93,00 35,00 121,788 Liquide de B1 4 -101,47 34,90 10,086 Gaz purifié 5 -120,35 34,80 111,703 Gaz purifié injecté dans B2 6 -120,35 34,80 0,000 Gaz purifié réintroduit dans E1 7 -120,35 34,80 111,703 Liquide de B1 réfrigéré 8 -120,00 34,80 10,086 Alimentation de B2 9 -136,57 1,90 10,086 Gaz purifié 10 -136,57 1,90 10,086 Gaz purifié réchauffé 11 -100,00 1,80 10,086 Distillat 12 0,000 Distillat réfrigéré 13 0,000 Gaz purifié réchauffé 14 -95,00 34,70 111,703 Gaz à purifier injecté dans B1 15 -93,00 35,00 0,000 TABLEAU 6 Désignation Flux n° Température °C Pression bar abs. Débit Kmol/h Gaz à purifier 1 -93,00 35,00 121,788 Gaz à purifier réfrigéré 2 -100,00 34,90 121,788 Gaz à purifier alimentant E1 3 -93,00 35,00 121,788 Liquide de B1 4 -101,47 34,90 10,086 Gaz purifié 5 -120,35 34,80 111,703 Gaz purifié injecté dans B2 6 -120,35 34,80 0,000 Gaz purifié réintroduit dans E1 7 -120,35 34,80 111,703 Liquide de B1 réfrigéré 8 -120,00 34,80 10,086 Alimentation de B2 9 -136,57 2,50 12,086 Gaz purifié 10 -136,57 2,50 12,086 Gaz purifié réchauffé 11 -100,00 2,40 12,086 Distillat 12 0,000 Distillat réfrigéré 13 0,000 Gaz purifié réchauffé 14 -95,00 34,70 109,703 Gaz à purifier injecté dans B1 15 -93,00 35,00 0,000 TABLEAU 7 Désignation Flux n° Température °C Pression bar abs. Débit Kmol/h Gaz à purifier 1 -93,00 35,00 121,788 Gaz à purifier réfrigéré 2 -100,00 34,90 101,788 Gaz à purifier alimentant E1 3 -93,00 35,00 101,788 Liquide de B1 4 -96,75 34,90 9,576 Gaz purifié 5 -120,30 34,80 112,212 Gaz purifié injecté dans B2 6 120,30 34,80 3,300 Gaz purifié réintroduit dans E1 7 -120,30 34,80 108,912 Liquide de B1 réfrigéré 8 -120,00 34,80 9,576 Alimentation de B2 9 -137,56 2,50 12,876 Gaz purifié 10 -137,56 2,50 12,876 Gaz purifié réchauffé 11 -99,39 2,40 12,876 Distillat 12 0,000 Distillat réfrigéré 13 0,000 Gaz purifié réchauffé 14 -95,00 34,70 108,912 Gaz à purifier injecté dans B1 15 -93,00 35,00 20,000 TABLEAU 8 Désignation Flux n° Température °C Pression bar abs. Débit Kmol/h Gaz à purifier 1 -93,00 35,00 121,788 Gaz à purifier réfrigéré 2 -100,00 34,90 101,788 Gaz à purifier alimentant E1 3 -93,00 35,00 101,788 Liquide de B1 4 -96,75 34,90 9,576 Gaz purifié 5 -120,30 34,80 112,212 Gaz purifié injecté dans B2 6 -120,30 34,80 1,500 Gaz purifié réintroduit dans E1 7 -120,30 34,80 110,712 Liquide de B1 réfrigéré 8 -120,00 34,80 9,576 Alimentation de B2 9 -137,56 2,50 13,076 Gaz purifié 10 -136,87 2,50 13,076 Gaz purifié réchauffé 11 -99,19 2,40 13,076 Distillat 12 -92,00 17,76 2,000 Distillat réfrigéré 13 -120,00 17,66 2,000 Gaz purifié réchauffé 14 -95,00 34,70 110,712 Gaz à purifier injecté dans B1 15 -93,00 35,00 20,000
Claims (10)
- Procédé autoréfrigéré de fractionnement cryogénique et de purification d'un fluide gazeux d'alimentation à au moins deux composants condensables de températures de condensation différentes, respectivement au moins un composant relativement lourd à éliminer et au moins un composant relativement léger à récupérer de manière à produire un gaz purifié comprenant préférentiellement le(s) composant(s) relativement léger(s) et un gaz séparé comprenant préférentiellement le(s) composant(s) relativement lourd(s), dans lequel :- on opère dans une zone d'échange thermique formant un ensemble unitaire et comprenant au moins cinq circuits distincts, désignés respectivement par premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième circuits, en relation d'échange thermique indirect les uns avec les autres à chaque niveau de la zone d'échange thermique, globalement verticaux,- on refroidit au moins une fraction du fluide gazeux d'alimentation dans des conditions telles qu'il puisse se condenser en partie pour donner un premier condensat et ce premier condensat est entraîné sans reflux substantiel par ledit fluide gazeux, on décharge le mélange résultant de gaz non condensé et du premier condensat dans une zone de séparation de phases,- on sépare ledit gaz non condensé dudit premier condensat, dans ladite zone de séparation de phases, on fait circuler le gaz ainsi séparé globalement de bas en haut, dans le premier circuit, ou circuit de reflux, dans des conditions telles qu'une partie du gaz puisse donner un deuxième condensat et que ce deuxième condensat puisse refluer dans ledit premier circuit et être collecté à sa base,- on fait circuler une partie au moins du gaz non condensé, déchargé du haut du premier circuit, globalement du haut vers le bas dans le deuxième circuit, à contre-courant du fluide circulant dans le premier circuit et on décharge le gaz purifié résultant,- on fait circuler le premier condensat et le deuxième condensat globalement de bas en haut dans au moins un troisième circuit pour y subir un sous-refroidissement,- on décharge du haut d'un au moins troisième circuit les premier et deuxième condensats sous-refroidis résultants,- on les détend et on les fait circuler globalement du haut vers le bas dans au moins un quatrième circuit où ils se vaporisent en prélevant de la chaleur sur les fluides des premier et troisième circuits et- on décharge enfin lesdits condensats vaporisés du bas d'un au moins quatrième circuit, ces condensats vaporisés constituant le gaz séparé,caractérisé en ce que le premier circuit, ou circuit de reflux, est disposé essentiellement dans une portion supérieure et relativement plus froide de la zone d'échange thermique, le cinquième circuit est disposé essentiellement dans une portion inférieure et relativement moins froide de la zone d'échange thermique et en ce que l'on fait circuler la fraction du fluide gazeux d'alimentation globalement de bas en haut dans le cinquième circuit pour y effectuer ledit refroidissement et ladite condensation partielle de ladite fraction du fluide gazeux d'alimentation.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel-on opère dans des conditions telles que le gaz purifié renferme moins de 1% molaire des composants relativement lourds et que le gaz séparé renferme au moins 30% molaires desdits composants relativement lourds.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une fraction de 90 à 98% en mole du gaz non condensé, déchargé du haut du premier circuit, est mise en circulation dans le deuxième circuit, et une autre fraction dudit gaz représentant de 2 à 10% en mole dudit gaz non condensé est détendue et mise en circulation, après détente, dans la zone d'échange de chaleur dans le sens globalement de haut en bas en mélange avec le premier condensat ou le deuxième condensat ou les deux pour y permettre une vaporisation à pression plus élevée dudit (desdits) condensat(s).
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une fraction de 5 à 20% en mole du fluide gazeux d'alimentation ne traverse pas le cinquième circuit et est envoyée directement dans ladite zone de séparation de phases.
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel on fait varier la partie de fluide gazeux d'alimentation envoyée directement à la zone de séparation de phases en réponse aux variations de composition dudit fluide gazeux d'alimentation, de manière à maximiser la quantité de gaz purifié, obtenue par le deuxième circuit.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on effectue un apport de phase liquide, d'origine externe à la zone d'échange de chaleur, lors du démarrage de l'installation pour faciliter sa mise en froid dans des conditions où cette phase liquide puisse s'évaporer après détente et traverser la zone d'échange de chaleur de haut en bas.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on condense de 2 à 20% en mole du fluide gazeux d'alimentation dans le cinquième circuit.
- Echangeur de chaleur permettant une purification auto-réfrigérée, à reflux, de gaz, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant au moins cinq circuits distincts, globalement verticaux, désignés respectivement par premier, deuxième, troisième, quatrième et cinquième circuits (C1, C2, C3, C4, C5), en relation d'échange thermique indirect les uns avec les autres à chaque niveau dudit échangeur, caractérisé en ce que lesdits circuits forment un ensemble unitaire, le premier circuit (C1) étant de type non tortueux et le cinquième circuit (C5) de type tortueux, le premier circuit étant disposé à un niveau supérieur à celui du cinquième circuit, ledit échangeur comprenant en outre au moins une jonction directe (7) entre le sommet du premier circuit et le sommet du second circuit, au moins une jonction à travers un moyen de détente (V1) entre le sommet du troisième circuit et le sommet du quatrième circuit, au moins une zone de séparation de phases (B1) reliée par sa partie supérieure à la base du premier circuit, par sa partie inférieure à la base du troisième circuit et latéralement au sommet du cinquième circuit.
- Echangeur selon la revendication 8, dans lequel le premier circuit est superposé au cinquième circuit.
- Echangeur selon la revendication 8 ou 9, dans lequel au moins une partie des circuits est de type multi-canaux.
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