La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation cryogénique d'un gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, de l'azote, du monoxyde de carbone et éventuellement du méthane.The present invention relates to a method and an apparatus for the cryogenic separation of a synthesis gas containing hydrogen, nitrogen, carbon monoxide and possibly methane.
Le procédé produit un débit enrichi en monoxyde de carbone ayant une teneur maximale en azote, par exemple 2% mol d'azote. Le débit enrichi en monoxyde de carbone contient au moins 95% de monoxyde de carbone, voire au moins 98% de monoxyde de carbone. Les unités de production de monoxyde de carbone et d'hydrogène peuvent être séparées en deux parties : - génération du gaz de synthèse (mélange contenant H2, CO, CH4, CO2 , Ar et N2 essentiellement). Parmi les diverses voies industrielles de production de gaz de synthèse, celle à base de gazéification de charbon semble se développer de plus en plus notamment dans les pays riches en dépôts de charbon comme la Chine. Le procédé d'oxydation partielle du gaz naturel peut s'avérer également intéressant pour la production de CO seul ou avec des rapports de production H2/CO faibles. - purification du gaz de synthèse. On retrouve : - une unité de lavage à un solvant liquide pour éliminer la plus grande partie des gaz acides contenus dans le gaz de synthèse - une unité d'épuration sur lit d'adsorbants. - une unité de séparation par voie cryogénique dite boite froide pour la production de CO. La plupart des unités existantes de séparation cryogénique d'un mélange ayant pour composants H2, N2 et CO n'incluent pas de moyen de séparer le CO et l'azote 25 car les teneurs en N2 dans le gaz de synthèse sont compatibles avec la pureté du CO requise par l'unité aval. Comme la teneur en N2 dans la matière première à tendance à augmenter dans le temps (teneur de N2 augmente dans le gaz naturel, on utilise de l'azote comme fluide porteur du charbon...), la pureté du CO des unités de séparation cryogéniques 30 existantes se dégrade et conduit a des pertes de rendements de production des produits qui consomment le CO. Bien souvent sur un site de production existante, on est confronté à l'augmentation de production de CO pour suivre le développement des produits qui en sont consommateurs et à l'augmentation de la teneur de l'azote dans le gaz de 35 charge.The process produces a carbon monoxide enriched flow having a maximum nitrogen content, for example 2 mol% nitrogen. The carbon monoxide enriched flow contains at least 95% carbon monoxide or at least 98% carbon monoxide. The production units for carbon monoxide and hydrogen can be separated into two parts: - generation of the synthesis gas (mixture containing H2, CO, CH4, CO2, Ar and N2 essentially). Among the various synthetic gas production industries, the one based on coal gasification seems to develop more and more particularly in countries rich in coal deposits such as China. The partial oxidation process of natural gas can also be interesting for the production of CO alone or with low H2 / CO production ratios. - purification of the synthesis gas. We find: - a washing unit with a liquid solvent to remove most of the acid gases contained in the synthesis gas - an adsorbent bed purification unit. - A cryogenic separation unit called cold box for the production of CO. Most existing units for the cryogenic separation of a mixture having the components H2, N2 and CO do not include means for separating CO and nitrogen since the N2 contents in the synthesis gas are compatible with purity. CO required by the downstream unit. As the N2 content in the raw material tends to increase over time (N2 content increases in natural gas, nitrogen is used as the carrier fluid for coal ...), the purity of the CO of the separation units Existing cryogenic products are degraded and lead to losses in production yields of products that consume CO. Often on an existing production site, one is confronted with the increase of CO production to follow the development of the products which are consuming them and the increase of the nitrogen content in the charge gas.
Afin d'augmenter la production et la productivité des unités avals qui consomment du CO, on est amené sur un même site industriel d'un cote à augmenter le débit de production de CO et sa pureté. L'idée est donc à partir d'une même unité cryogénique de purifier le gaz de synthèse permettant d'augmenter la production de CO et de purifier le CO de l'unité cryogénique existante car la teneur d'azote augmente dans le temps ou que l'on souhaite augmenter la productivité des unités existantes en complément de l'augmentation de production. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation cryogénique 10 de gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'azote et éventuellement du méthane dans lequel : i) un premier débit de gaz de synthèse est envoyé à une première unité de séparation cryogénique dans lequel il se refroidit dans un premier échangeur de chaleur et est séparé pour former un premier débit enrichi en monoxyde de carbone 15 contenant de l'azote ii) un deuxième débit de gaz de synthèse est envoyé à une deuxième unité de séparation cryogénique dans lequel il se refroidit dans un deuxième échangeur de chaleur et est séparé pour former un deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote 20 iii) le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone sont envoyés à une colonne de déazotation disposée dans la même enceinte isolée que la deuxième unité de séparation cryogénique iv) on soutire un troisième débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne 25 de déazotation comme produit final, le troisième débit contenant moins d'azote que les premier et deuxième débits enrichi en monoxyde de carbone et plus de monoxyde de carbone que le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et éventuellement que le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone. Selon d'autres objets facultatifs : 30 - la première unité de séparation cryogénique comprend une étape de lavage au méthane et/ou de condensation partielle et/ou de lavage au monoxyde de carbone. - la deuxième unité de séparation cryogénique comprend une étape de lavage au méthane et/ou de condensation partielle et/ou de lavage au monoxyde de 35 carbone. - la première unité de séparation cryogénique produit le premier débit enrichi en monoxyde de carbone par une étape de traitement qui enrichit le fluide traité en monoxyde de carbone et en azote. - la première unité de séparation cryogénique produit le premier débit enrichi en monoxyde de carbone par une étape de traitement qui enrichit le fluide traité en monoxyde de carbone et l'appauvrit en azote. - le troisième débit enrichi en monoxyde de carbone est comprimé dans au moins une étape de compression et une partie du gaz comprimé est renvoyée à la deuxième unité comme gaz de cycle. - le premier débit enrichi en monoxyde de carbone est comprimé dans au moins une étape de compression, une partie du gaz comprimé est renvoyée à la première unité comme gaz de cycle et une autre partie du gaz comprimé est envoyée à la deuxième unité pour être appauvri en azote. - le premier débit enrichi en monoxyde de carbone se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur et se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur avant d'être envoyé à la colonne de déazotation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation cryogénique de gaz de synthèse contenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'azote et éventuellement du méthane comprenant une première unité de séparation cryogénique comprenant un premier échangeur de chaleur, une deuxième unité de séparation cryogénique comprenant un deuxième échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer un premier débit de gaz de synthèse dans la première unité de séparation cryogénique pour se refroidir dans le premier échangeur de chaleur et se séparer, des moyens pour sortir un premier débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote de la première unité de séparation cryogénique, des moyens pour envoyer un deuxième débit de gaz de synthèse dans la deuxième unité de séparation cryogénique pour se refroidir dans le deuxième échangeur de chaleur et se séparer pour former un deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone contenant de l'azote, une colonne de déazotation disposée dans la même enceinte isolée que la deuxième unité de séparation cryogénique, des moyens pour envoyer le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone sont envoyés à le colonne de déazotation disposée dans la même enceinte isolée que la deuxième unité de séparation cryogénique pour produire un troisième débit enrichi en monoxyde de carbone et des moyens pour soutirer le troisième débit enrichi en monoxyde de carbone de la colonne de déazotation comme produit final, le troisième débit contenant moins d'azote que les premier et deuxième débits enrichis en monoxyde de carbone et plus de monoxyde de carbone que le premier débit enrichi en monoxyde de carbone et éventuellement que le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui représente un procédé selon l'invention. Un premier débit de gaz de synthèse S1 est envoyé à une enceinte isolée BF1 contenant une première unité de séparation cryogénique A. L'unité de séparation cryogénique contient un premier échangeur de chaleur et un système de colonnes. La séparation comprend au moins une des étapes suivantes : lavage au méthane, condensation partielle, lavage au monoxyde de carbone. Dans la figure sont représentées une colonne de lavage au méthane C1, une colonne d'élimination d'hydrogène C2 et une colonne de séparation CO/CH4 C3. Le système de colonne ne comprend pas de colonne de déazotation pour éliminer l'azote dans le premier débit enrichi en monoxyde de carbone 1 produit par la colonne C3. Selon d'autres variantes de l'invention, une telle colonne de déazotation peut être présente. Si la teneur en azote du débit 1 est acceptable, aucune autre étape de purification n'est nécessaire. Or si le gaz de synthèse S1 devient plus riche en azote et/ou si le client requiert une teneur plus basse en monoxyde de carbone, il est nécessaire d'épurer le débit 1. Dans l'exemple le débit 1 contient 94% mol de monoxyde de carbone et 6% d'azote. Après réchauffage dans le premier échangeur de chaleur et compression dans le compresseur 3 pour le débit 5 formant partie du débit 1, le débit 1 est envoyé à une deuxième unité de séparation cryogénique. Un deuxième débit de gaz de synthèse S2, ayant la même composition que le gaz S1 ou pas, est envoyé à une enceinte isolée BF2 contenant une deuxième unité de séparation cryogénique B. L'unité de séparation cryogénique contient un deuxième échangeur de chaleur et un système de colonnes. La séparation comprend au moins une des étapes suivantes : lavage au méthane, condensation partielle, lavage au monoxyde de carbone. Dans la figure sont représentées une colonne de lavage au méthane C11, une colonne d'élimination d'hydrogène C12 et une colonne de séparation CO/CH4 C13. Le deuxième débit enrichi en monoxyde de carbone 2 est mélangé avec la partie 5 du débit 1, refroidie dans le deuxième échangeur de chaleur E, et le mélange 4 est envoyé à une colonne de déazotation C4. Le débit 2 peut être plus riche en monoxyde de carbone, aussi riche en monoxyde de carbone ou moins riche en monoxyde de carbone que le débit 1,5. La colonne de déazotation C4 produit un troisième débit 19 plus riche en monoxyde de carbone que les débits 1,4,5. Le débit 19 se réchauffe dans le deuxième échangeur de chaleur E et est envoyé à un compresseur 21 pour former le produit 23 contenant 98.5% mol monoxyde de carbone et 1,5% mol azote. Le compresseur 21 peut faire partie d'un compresseur de cycle à deux étages 21,27. Dans ce cas, une partie 25 du débit 19 est également comprimée dans l'étage 27 et renvoyé comme gaz de cycle 31 à la deuxième unité B. Un débit 29 du produit à pression élevée peut également être produit par le compresseur 21,27. Le compresseur de cycle 21,27 permet de purifier le gaz de synthèse S2 et également le CO basse pureté 5 de la première unité A. Il est également possible de fournir le premier débit enrichi en monoxyde de carbone à la deuxième unité sans l'avoir comprimé comme débit 17.In order to increase the production and productivity of downstream units that consume CO, one is brought to the same industrial site on one side to increase the CO production rate and purity. The idea is therefore to use the same cryogenic unit to purify the synthesis gas making it possible to increase the CO production and purify the CO of the existing cryogenic unit because the nitrogen content increases over time or when we want to increase the productivity of existing units in addition to the increase in production. According to one object of the invention, there is provided a method of cryogenic separation of synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, nitrogen and possibly methane in which: i) a first gas flow synthesis is sent to a first cryogenic separation unit in which it cools in a first heat exchanger and is separated to form a first nitrogen-containing carbon monoxide enriched flow ii) a second flow of synthesis gas is sent to a second cryogenic separation unit in which it cools in a second heat exchanger and is separated to form a second carbon monoxide enriched flow containing nitrogen; iii) the first carbon monoxide enriched flow and the second flow enriched in carbon monoxide are sent to a denitrogenation column disposed in the same insulated chamber as the second separation unit cryogenic iv) a third carbon monoxide enriched flow is withdrawn from the denitrogenation column 25 as the final product, the third flow containing less nitrogen than the first and second flow rates enriched in carbon monoxide and more carbon monoxide than the first flow enriched in carbon monoxide and possibly the second flow enriched in carbon monoxide. According to other optional objects: the first cryogenic separation unit comprises a step of washing with methane and / or partial condensation and / or washing with carbon monoxide. the second cryogenic separation unit comprises a step of washing with methane and / or partial condensation and / or washing with carbon monoxide. the first cryogenic separation unit produces the first flow enriched in carbon monoxide by a treatment step which enriches the treated fluid with carbon monoxide and with nitrogen. the first cryogenic separation unit produces the first flow enriched in carbon monoxide by a treatment step which enriches the treated fluid with carbon monoxide and depletes it of nitrogen. the third flow enriched in carbon monoxide is compressed in at least one compression step and a part of the compressed gas is returned to the second unit as a cycle gas. the first flow enriched in carbon monoxide is compressed in at least one compression stage, a part of the compressed gas is returned to the first unit as a cycle gas and another part of the compressed gas is sent to the second unit to be depleted; in nitrogen. the first flow enriched in carbon monoxide heats up in the first heat exchanger and cools in the second heat exchanger before being sent to the denitrogenation column. According to another object of the invention, there is provided a cryogenic separation apparatus for synthesis gas containing hydrogen, carbon monoxide, nitrogen and optionally methane comprising a first cryogenic separation unit comprising a first heat exchanger, a second cryogenic separation unit comprising a second heat exchanger, means for sending a first flow of synthesis gas into the first cryogenic separation unit for cooling in the first heat exchanger and separating, means for outputting a nitrogen-containing first carbon-enriched stream of the first cryogenic separation unit, means for sending a second synthesis gas stream to the second cryogenic separation unit to cool in the second heat exchanger and separate to form a second flow enriched in carbon monoxide containing nitrogen, a denitrogenation column disposed in the same insulated chamber as the second cryogenic separation unit, means for sending the first carbon monoxide enriched flow and the second carbon monoxide enriched flow are sent to the column. denitrogenation arranged in the same insulated chamber as the second cryogenic separation unit to produce a third flow enriched in carbon monoxide and means for withdrawing the third carbon monoxide enriched flow from the denitrogenation column as the final product, the third flow containing less nitrogen than the first and second flows enriched in carbon monoxide and more carbon monoxide than the first flow enriched in carbon monoxide and possibly the second flow enriched in carbon monoxide. The invention will be described in more detail with reference to the figure which represents a method according to the invention. A first synthesis gas flow S1 is sent to an insulated enclosure BF1 containing a first cryogenic separation unit A. The cryogenic separation unit contains a first heat exchanger and a column system. The separation comprises at least one of the following steps: methane washing, partial condensation, carbon monoxide washing. In the figure are shown a C1 methane wash column, a C2 hydrogen removal column and a CO / CH4 C3 separation column. The column system does not include a denitrogenation column to remove nitrogen in the first carbon monoxide enriched flow 1 produced by column C3. According to other variants of the invention, such a denitrogenation column may be present. If the nitrogen content of flow 1 is acceptable, no further purification step is necessary. However, if the synthesis gas S1 becomes richer in nitrogen and / or if the customer requires a lower carbon monoxide content, it is necessary to purify the flow rate 1. In the example, the flow rate 1 contains 94 mol% of carbon monoxide and 6% nitrogen. After reheating in the first heat exchanger and compression in the compressor 3 for the flow 5 forming part of the flow 1, the flow 1 is sent to a second cryogenic separation unit. A second synthesis gas flow S2, having the same composition as the gas S1 or not, is sent to an insulated enclosure BF2 containing a second cryogenic separation unit B. The cryogenic separation unit contains a second heat exchanger and a column system. The separation comprises at least one of the following steps: methane washing, partial condensation, carbon monoxide washing. In the figure are shown a C11 methane scrubbing column, a C12 hydrogen removal column and a CO / CH4 C13 separation column. The second flow enriched in carbon monoxide 2 is mixed with the part 5 of the flow 1, cooled in the second heat exchanger E, and the mixture 4 is sent to a denitrogenation column C4. Flow 2 may be richer in carbon monoxide, as rich in carbon monoxide or less carbon monoxide rich than flow rate 1.5. The denitrogenation column C4 produces a third flow 19 richer in carbon monoxide than the flow rates 1,4,5. The flow 19 warms up in the second heat exchanger E and is sent to a compressor 21 to form the product 23 containing 98.5 mol% carbon monoxide and 1.5 mol% nitrogen. The compressor 21 may be part of a two-stage cycle compressor 21,27. In this case, a portion of the flow 19 is also compressed in the stage 27 and returned as cycle gas 31 to the second unit B. A flow 29 of the high pressure product may also be produced by the compressor 21,27. The cycle compressor 21, 27 makes it possible to purify the synthesis gas S2 and also the low purity CO 5 of the first unit A. It is also possible to supply the first carbon monoxide enriched flow to the second unit without having it. compressed as flow 17.