FR3113606A3 - Procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique - Google Patents

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Abstract

Titre : Procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique Un procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique, le mélange à séparer (1) contenant de l’azote, du méthane et au moins un des contaminants benzène, toluène et xylène comprend une étape de lavage (K0) avec un liquide enrichi en méthane (25) pour enlever l’au moins un contaminant choisi dans le groupe benzène, toluène et xylène en amont de l’étape de distillation cryogénique. Figure unique

Description

Procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique, le mélange à séparer contenant de l’azote, du méthane et au moins un des contaminants benzène, toluène et xylène.
Le gaz naturel brut peut contenir un grand nombre d’impuretés gênantes à retirer. L’azote en est un exemple. A partir d’une certaine concentration d’azote dans le gaz naturel, celui-ci n’est typiquement pas vendable à cause de son faible pouvoir calorifique. Pour retirer l’azote on utilise le plus souvent un procédé cryogénique appelé en anglais Nitrogen Rejection Unit (NRU).
La teneur en azote en entrée de la NRU a une grande importance dans les performances globales de l’unité, une faible teneur en azote réduisant la flexibilité, voire la faisabilité de certains schémas. Or il s’avère que dans l’exploitation de certains champs la teneur en azote a tendance à évoluer au cours du temps.
De même la variation de débit peut être une limite au fonctionnement des ces unités de séparation d’azote. En effet, il faut arriver à maintenir dans les colonnes à distiller un trafic liquide / vapeur suffisant.
Plusieurs familles de schéma existent, notamment :
  • Procédé simple colonne
  • Procédé double colonne
  • Procédé deux colonnes
  • Procédé trois colonnes
La présente invention s’intéresse particulièrement au procédé trois colonnes qui s’avère être particulièrement efficace pour des champs de gaz contenant entre 5 et 35% d’azote. Le problème est d’arriver à concilier ce type de schéma efficace avec des demandes d’opérateurs liées à la flexibilité (variations de composition, variations de débit).
Une étape souvent effectuée en premier lieu dans une NRU est un refroidissement du gaz naturel suivi par une étape de séparation, afin d’éviter tout risques que les hydrocarbures lourds contenus dans le gaz naturel (éthane et les autres alcanes plus lourds, jusqu’au C20, plus les BTX (benzène, toluène, xylène) puissent causer la condensation (riche en composants lourdes) de ce dernier lorsqu’il est transporté sous forme gazeuse par des longues canalisations.
Solutions existantes
Les schémas à trois colonnes permettent typiquement de traiter des gaz avec une teneur en azote relativement faible. Un exemple contient au moins les étapes suivantes :
  • Refroidissement du gaz d’alimentation et condensation partielle avant séparation dans un premier pot séparateur afin d’enlever avec le liquide les composants plus lourdes du gaz naturel. Le liquide de ce pot est éventuellement totalement ou partiellement vaporisé et produit directement comme condensat.
  • Refroidissement du gaz du pot séparateur puis introduction dans la colonne HP (haute pression), typiquement en tête
  • Rebouillage du liquide de la colonne HP
  • Vaporisation du liquide de la colonne HP pour produire un produit ‘MP (moyenne pression) CH4’
  • Refroidissement du gaz de la colonne HP et condensation au moins partielle de ce gaz avant détente et introduction dans la colonne MP (moyenne pression)
  • Sous-refroidissement et détente du liquide de la colonne MP puis introduction de ce courant dans la colonne BP
  • Extraction d’un liquide riche en azote du condenseur de la colonne MP pour être sous-refroidi puis utilisé comme reflux de la colonne BP (basse pression)
  • Rebouillage du liquide de la colonne BP thermiquement lié au condenseur de la colonne MP
  • Pompage du liquide de la colonne BP à une pression intermédiaire puis vaporisation contre le courant d’alimentation pour produit un produit ‘LP CH4’
En plus de cela, les étapes suivantes sont typiquement nécessaires pour produire un gaz naturel à une pression suffisante pour être exporté sur un réseau ou transporté jusqu’à une unité de liquéfaction :
  • Compression du ‘LP CH4’
  • Compression du ‘MP CH4’
Ces deux compressions peuvent par exemple être effectuées dans une première section pour ramener le ‘LP CH4’ à la même pression que le ‘MP CH4’ puis dans une deuxième section pour comprimer l’ensemble jusqu’à la pression finale.
La vaporisation du liquide riche en lourds condensé dans le premier pot est faite dans la ligne d’échange à pression plus basse par rapport au gaz naturel en entrée NRU, pour exploiter l’effet frigorifique venant de la détente des liquides en sortie pot. Ce liquide après détente est séparé dans un deuxième pot séparateur gaz/liquide avant son introduction dans la ligne d’échange.
Le défaut d’un tel schéma est que ce dernier pot est suffisant pour la séparation des alcanes avec plus de 6 atomes de carbones, mais pas pour les BTX.
De ce fait, cette solution peut poser plusieurs problèmes, notamment des risques de gel avec comme conséquence des dégivrages mensuels de la NRU, si la teneur en BTX envoyé avec le gaz naturel vers les parties froides de la NRU est supérieure á 1 ppmv.
Solution proposée / invention
L’invention proposée modifie un schéma à trois colonnes permettant de séparer l’azote du méthane à l’aide du colonnne HP puis d’une colonne MP, puis d’une colonne BP. Dans l’invention proposée, le premier pot est remplacé par une colonne de lavage du gaz naturel, ayant pour reflux une partie du gaz naturel liquéfié prélevé du fond de la colonne HP de la NRU.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique, le mélange à séparer contenant de l’azote, du méthane et au moins un des contaminants benzène, toluène et xylène dans un appareil comprenant une colonne de lavage alimentée en tête par un liquide enrichi en méthane et un système de colonnes comprenant une colonne d’épuisement et au moins une colonne de distillation dans lequel
  1. On envoie une partie du mélange à séparer à la colonne de lavage pour enlever l’au moins un contaminant choisi dans le groupe benzène, toluène et xylène
  2. On envoie un gaz épuré en benzène et/ou toluène et/ou xylène de la tête de la colonne de lavage vers la colonne d’épuisement
  3. Un liquide soutiré en cuve de la colonne d’épuisement sert en partie comme le liquide enrichi en méthane envoyé à la colonne de lavage
  4. Un gaz de la colonne d’épuisement est épuré dans l’au moins une colonne de distillation
  5. Un liquide riche en méthane et appauvri en azote et en l’au moins un des contaminants choisi dans le groupe benzène, toluène et xylène est soutiré de l’au moins une colonne de distillation et vaporisé pour servir de produit.
De préférence le mélange à séparer comprend au moins 1 ppmv de benzène et/ou toluène et/ou xylène.
De préférence le mélange à séparer comprend entre 5 et 35% d’azote.
De préférence le mélange à séparer comprend entre 65 et 95% de méthane.
montre un schéma type correspondant à cette invention.
montre un procédé à quatre colonnes K0, K1, K2, K3 où la colonne K0 est une colonne de lavage, la colonne K1 opère à une première pression dite haute pression, la colonne K2 à une deuxième pression dite moyenne pression plus basse que la première pression et la colonne K3 à une troisième pression dite basse pression plus basse que la deuxième pression.
Un débit gazeux 1 contient du méthane, de l’azote et au moins un contaminant choisi dans le groupe benzène, toluène, xylène, de préférence plus que 1ppmv composé d’au moins un des contaminants benzène, toluène, xylène. Il est de préférence du gaz naturel. Le débit 1 contient de préférence entre 5 et 35% d’azote.
Le débit est refroidi dans un échangeur de chaleur 3. Une partie 5 du gaz refroidi est envoyée à une colonne de lavage K0 alimentée en tête par un débit de méthane liquide 25 où le ou les contaminants dans le groupe benzène, toluène, xylène sont enlevés. Le gaz de tête 7 de la colonne K0 épuré en benzène et/ou toluène et/ou xylène est renvoyé à l’échangeur 3 pour être mélangé avec le débit 1. Le liquide de cuve 9 de la colonne K0 contenant le ou les contaminants est détendu dans une vanne, réchauffé dans l’échangeur 3 et produit comme condensat.
Le débit 1 refroidi à une température plus basse que celle du débit 5 est séparé pour former un débit 11 partiellement condensé qui alimente la colonne HP K1 en tête de colonne, qui est une colonne d’épuisement. Le gaz de tête 13 est renvoyé au débit 1. Le liquide de cuve 19 riche en méthane est en partie 21 vaporisé dans un rebouiller de cuve E2 par échange de chaleur avec un débit 23, en partie 25 renvoyé en tête de la colonne K0 et en partie 23 vaporisé dans l’échangeur 3 pour être comprimé dans le compresseur C1 et servir de produit 37 riche en méthane. Le reste du débit 1 mélangé avec le gaz 13 sort de l’échangeur 3 comme débit 15 et est détendu dans une vanne pour alimenter le bas de la colonne K2. Les colonnes K2, K3 fonctionnent comme une double colonne classique étant thermiquement intégrées par un rebouilleur E3 qui vaporise le liquide de cuve de K3 contre le gaz de tête 17 de K2.
Le débit 15 se sépare par distillation dans la colonne K2 pour former un liquide 27 qui est sous-refroidi dans l’échangeur E5 et envoyé au milieu de la colonne K3 comme reflux.
Une partie 29 du gaz de tête 17 enrichi en azote et condensé dans le rebouilleur E3 est envoyée en tête de la colonne K3.
Le liquide de cuve 33 de la colonne K3 est pressurisé par une pompe P, se vaporise dans l’échangeur 3 et est comprimé par le compresseur C2 jusqu’à une pression intermédiaire du compresseur C1. Le débit comprimé dans C2 est envoyé à un niveau intermédiaire du compresseur C1 pour former un débit 37 riche en méthane et appauvri en azote et au moins un des contaminants benzène, toluène et xylène.
La double colonne K2, K3 peut être remplacée par une simple colonne.

Claims (1)

  1. Procédé de séparation d’azote et de méthane par distillation cryogénique, le mélange à séparer contenant de l’azote, du méthane et au moins un des contaminants benzène, toluène et xylène dans un appareil comprenant une colonne de lavage (K0) alimentée en tête par un liquide enrichi en méthane et un système de colonnes comprenant une colonne d’épuisement (K1) et au moins une colonne de distillation (K2, K3) dans lequel
    1. On envoie une partie (5) du mélange à séparer à la colonne de lavage pour enlever l’au moins un contaminant choisi dans le groupe benzène, toluène et xylène
    2. On envoie un gaz (7) épuré en benzène et/ou toluène et/ou xylène de la tête de la colonne de lavage vers la colonne d’épuisement
    3. Un liquide (25) soutiré en cuve de la colonne d’épuisement sert en partie comme le liquide enrichi en méthane envoyé à la colonne de lavage
    4. Un gaz de la colonne d’épuisement (13) est épuré dans l’au moins une colonne de distillation
    5. Un liquide riche en méthane et appauvri en azote et en l’au moins un des contaminants choisi dans le groupe benzène, toluène et xylène (33) est soutiré de l’au moins une colonne de distillation et vaporisé pour servir de produit (37).
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