FR3118144A3 - METHOD AND APPARATUS FOR THE CRYOGENIC SEPARATION OF A MIXTURE OF HYDROGEN, METHANE, NITROGEN AND CARBON MONOXIDE - Google Patents

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Abstract

Titre : PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION CRYOGENIQUE D’UN MELANGE D’HYDROGENE, DE METHANE, D’AZOTE ET DE MONOXYDE DE CARBONE Procédé de séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène, de méthane, d’azote et de monoxyde de carbone dans lequel le mélange (1) est séparé par condensation partielle et/ou par épuisement pour réduire sa teneur en hydrogène en produisant un gaz appauvri en hydrogène (13), le gaz appauvri en hydrogène est séparé dans une première colonne de distillation (K1) pour produire un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote (21), au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote est envoyée à un condenseur de tête (R1) de la première colonne de distillation où elle se vaporise partiellement en produisant un premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane (44) et un liquide contenant du monoxyde de carbone et du méthane (27), le premier gaz servant comme gaz de cycle pour tenir le procédé en froid. Figure de l’abrégé : Figure uniqueTitle: PROCESS AND APPARATUS FOR THE CRYOGENIC SEPARATION OF A MIXTURE OF HYDROGEN, METHANE, NITROGEN AND CARBON MONOXIDE Process for the cryogenic separation of a mixture of hydrogen, methane, nitrogen and carbon monoxide wherein the mixture (1) is separated by partial condensation and/or stripping to reduce its hydrogen content producing a hydrogen-depleted gas (13), the hydrogen-depleted gas is separated in a first distillation column (K1) to produce a nitrogen enriched gas and a carbon monoxide enriched and nitrogen depleted liquid (21), at least a part of the carbon monoxide enriched and nitrogen depleted liquid is sent to an overhead condenser (R1) of the first distillation column where it partially vaporizes producing a first gas enriched in carbon monoxide containing methane (44) and a liquid containing carbon monoxide and methane (27), the first gas serving as cycle gas for ten ir the cold process. Abstract Figure: Single Figure

Description

PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION CRYOGENIQUE D’UN MELANGE D’HYDROGENE, DE METHANE, D’AZOTE ET DE MONOXYDE DE CARBONEMETHOD AND APPARATUS FOR THE CRYOGENIC SEPARATION OF A MIXTURE OF HYDROGEN, METHANE, NITROGEN AND CARBON MONOXIDE

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène, d’azote, de méthane et de monoxyde de carbone.The present invention relates to a process and an apparatus for the cryogenic separation of a mixture of hydrogen, nitrogen, methane and carbon monoxide.

Les unités de production de monoxyde de carbone et d’hydrogène peuvent être séparées en deux parties :The carbon monoxide and hydrogen production units can be separated into two parts:

Génération du gaz de synthèse (mélange contenant H2, CO, CH4, CO2, Ar et N2essentiellement). 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. La conception de cette unité qui comprend un réacteur de gazéification du charbon avec de l’oxygène et de la vapeur d’eau, est basée sur les productions en CO et hydrogène requises. Generation of synthesis gas (mixture containing H 2 , CO, CH 4 , CO 2 , Ar and N 2 essentially). Among the various industrial routes for the production of syngas, that based on coal gasification seems to be developing more and more, particularly in countries rich in coal deposits such as China. The design of this unit, which includes a coal gasification reactor with oxygen and steam, is based on the CO and hydrogen production required.

Purification du gaz de synthèse . On retrouve : Syngas purification . We find :

  • une unité de lavage à un solvant liquide pour éliminer la plus grande partie des gaz acides contenus dans le gaz de synthèsea liquid solvent scrubbing unit to remove most of the acid gases contained in the synthesis gas
  • une unité d’épuration sur lit d’adsorbants.an adsorbent bed purification unit.
  • une unité de séparation par voie cryogénique dite boite froide pour la production de CO.a cryogenic separation unit called a cold box for the production of CO.

Généralement le gaz de synthèse comprend un mélange à haute pression (autour de 60 bar) et est très riche en CO (au moins 40% mol, par exemple environ 50% mol). Un autre avantage du procédé de gazéification au charbon est la faible teneur en impuretés (CH4, Argon et Azote) présentes dans le gaz de synthèse à l’entrée de la boîte froide pour la production de CO pur.Generally, the synthesis gas comprises a mixture at high pressure (around 60 bar) and is very rich in CO (at least 40% mol, for example approximately 50% mol). Another advantage of the carbon gasification process is the low content of impurities (CH 4 , Argon and Nitrogen) present in the synthesis gas at the inlet of the cold box for the production of pure CO.

Lorsque les teneurs en azote ou en méthane sont trop élevées pour être acceptables dans le procédés aval, il conviendra de les séparer du gaz au moyen de colonnes appropriées.When the nitrogen or methane contents are too high to be acceptable in the downstream process, they should be separated from the gas using appropriate columns.

L’hydrogène séparé du CO est requis à haute pression pour pouvoir le valoriser, soit dans un PSA, soit dans une unité de synthèse de méthanol (MeOH).The hydrogen separated from the CO is required at high pressure to be able to recover it, either in a PSA or in a methanol synthesis unit (MeOH).

Une partie de l‘énergie de séparation de ladite boite froide est assurée par détente libre entre le gaz de synthèse et le CO pur produit à basse pression, mais dans la plupart des cas, cette détente libre n’est pas suffisante pour boucler le bilan frigorifique de l’unité. Un apport d’azote liquide est nécessaire pour le maintien en froid de la boite froide et boucler le bilan frigorifique.Part of the separation energy of said cold box is ensured by free expansion between the synthesis gas and the pure CO produced at low pressure, but in most cases, this free expansion is not sufficient to complete the balance. unit refrigerator. A supply of liquid nitrogen is necessary to keep the cold box cold and complete the refrigeration balance.

Le gaz de synthèse à une pression autour de 60 bar venant d’une unité de prétraitement (séparation CO2et MeOH) est refroidi dans la ligne d’échange principale, partiellement condensé avant d’alimenter un pot séparateur de condensation partielle à une étape. La vapeur riche en hydrogène est envoyée dans une unité de MeOH ou vers un PSA après réchauffement dans la ligne d’échange. Le liquide de cuve est envoyé vers une colonne d’épuisement à 16 bar environ après détente. La vapeur de tête de la colonne d’épuisement sort de la boîte froide après réchauffement et est envoyée comme carburant ou recyclée dans le système via un compresseur.The synthesis gas at a pressure of around 60 bar coming from a pre-treatment unit (CO 2 and MeOH separation) is cooled in the main exchange line, partially condensed before feeding a one-stage partial condensation separator pot . The hydrogen-rich vapor is sent to a MeOH unit or to a PSA after heating in the exchange line. The bottom liquid is sent to a stripping column at approximately 16 bar after expansion. The overhead vapor from the stripping column leaves the cold box after warming up and is sent as fuel or recycled to the system via a compressor.

Le liquide de cuve de la colonne d’épuisement qui contient le CO à purifier est ensuite envoyé vers les autres colonnes pour purification finale.The bottom liquid of the stripping column which contains the CO to be purified is then sent to the other columns for final purification.

Suivant les puretés requises, il est possible d’envoyer tout d’abord ce liquide vers la colonne de séparation CO/N2ou vers la colonne CO/CH4.Depending on the purities required, it is possible to first send this liquid to the CO/N 2 separation column or to the CO/CH 4 column.

Commencer par la colonne CO/N2permet deStarting with the CO/N 2 column makes it possible to

  • Produire le CO directement à la pression de production depuis la colonne CO/CH4sans avoir besoin de recourir à une compression de produit.Produce CO directly at production pressure from the CO/CH 4 column without the need for product compression.
  • Réduire la pression de la colonne CO-CH4et donc par là-même :
    • Soit réduire la pression du fluide qui effectuera le rebouillage de la colonne CO-CH4et donc optimiser l’énergie.
    • Soit réduire la quantité de composants autre que le méthane dans la purge méthane en cuve de colonne CO-CH4, ce qui a pour effet de diminuer la température de la cuve CO-CH4mais a également pour conséquence de réduire le rendement d’extraction de CO.
    Reduce the pressure of the CO-CH 4 column and therefore thereby:
    • Either reduce the pressure of the fluid which will carry out the reboiling of the CO-CH 4 column and therefore optimize the energy.
    • Either reduce the quantity of components other than methane in the methane purge in the CO-CH 4 column bottom, which has the effect of reducing the temperature of the CO-CH 4 bottom but also has the effect of reducing the yield of CO removal.

Dans le cas où on commence par la séparation CO/N2, trois configurations sont possibles :If we start with the CO/N 2 separation, three configurations are possible:

  • La première dans laquelle le rebouillage de la colonne est effectué au moyen d’un rebouilleur. Dans ce cas, le fluide de rebouillage ne se mélange pas à la cuve de colonne.The first in which the reboiling of the column is carried out by means of a reboiler. In this case, the reboiling fluid does not mix with the column vessel.
  • La deuxième dans laquelle le rebouillage est effectué directement au moyen d’un fluide de CO plus chaud que la température de la cuve.The second in which the reboiling is carried out directly by means of a CO fluid warmer than the temperature of the tank.
  • La troisième solution intermédiaire où à la fois un rebouilleur et un rebouillage direct sont considérés (donc qui conjugue les avantages et les inconvénients de chaque solution au prorata de la répartition des rebouillages)The third intermediate solution where both a reboiler and direct reboiling are considered (therefore combining the advantages and disadvantages of each solution in proportion to the reboiling distribution)

Il est intéressant de noter que plus la teneur en azote requise dans le produit est faible, ou autrement dit, plus la quantité d’azote à enlever est élevée, plus le taux de rebouillage doit être important. Le besoin en condensation en tête de colonne est également plus élevé. On condense préférentiellement la tête de colonne CO/N2avec le liquide de cuve de la colonne CO/N2qui aura été préalablement détendu.It is interesting to note that the lower the nitrogen content required in the product, or in other words, the higher the quantity of nitrogen to be removed, the higher the reboiling rate must be. The need for condensation at the top of the column is also higher. The CO/N 2 column head is preferentially condensed with the bottom liquid of the CO/N 2 column which will have been expanded beforehand.

Dans la première configuration, quel que soit le taux de rebouillage, le débit à traiter dans les colonnes suivantes n’augmente pas. Néanmoins, étant donné que le rebouilleur nécessite un fluide plus chaud que la cuve pour fonctionner (puisqu’il existe un ∆T d’approche minimum), il introduit une irréversibilité dans le système et augmente donc l’énergie pour fonctionner. De plus, étant donné que le débit en cuve de colonne reste constant, il faut parfois utiliser un complément afin de fournir assez de puissance frigorifique. La condensation de la tête de colonne CO/N2devient alors plus complexe.In the first configuration, whatever the reboiling rate, the flow to be processed in the following columns does not increase. However, since the reboiler requires a fluid hotter than the vessel to operate (since there is a minimum approach ∆T), it introduces irreversibility into the system and therefore increases the energy to operate. In addition, given that the flow rate in the column tank remains constant, it is sometimes necessary to use a supplement in order to provide enough cooling capacity. The condensation of the CO/N 2 column head then becomes more complex.

Dans la deuxième configuration, le rebouillage direct augmente la quantité de débit de cuve. Il redevient alors possible de condenser la tête de la colonne CO-N2avec la cuve de colonne sans avoir besoin de recourir à un complément de débit. Néanmoins, étant donné que le débit a augmenté, la colonne suivante devra donc traiter un débit plus important.In the second configuration, the direct reboil increases the amount of tank flow. It then becomes possible again to condense the head of the CO-N 2 column with the column bottom without having to resort to additional flow. However, since the flow has increased, the next column will therefore have to deal with a greater flow.

Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène, de méthane, d’azote et de monoxyde de carbone dans lequel :According to one object of the invention, there is provided a process for the cryogenic separation of a mixture of hydrogen, methane, nitrogen and carbon monoxide in which:

  1. le mélange est séparé par condensation partielle et/ou par épuisement pour réduire sa teneur en hydrogène en produisant un gaz appauvri en hydrogène,the mixture is separated by partial condensation and/or by exhaustion to reduce its hydrogen content by producing a hydrogen-depleted gas,
  2. le gaz appauvri en hydrogène est séparé dans une première colonne de distillation pour produire un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote,the gas depleted in hydrogen is separated in a first distillation column to produce a gas enriched in nitrogen and a liquid enriched in carbon monoxide and depleted in nitrogen,
  3. au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote est envoyée à un condenseur de tête de la première colonne de distillation où elle se vaporise partiellement en produisant un premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane et un liquide contenant du monoxyde de carbone et du méthane,at least a portion of the carbon monoxide-enriched, nitrogen-depleted liquid is sent to an overhead condenser of the first distillation column where it partially vaporizes producing a first carbon monoxide-enriched gas containing methane and a liquid containing carbon monoxide and methane,
  4. au moins un fluide contenant du monoxyde de carbone et du méthane est envoyé du condenseur de la première colonne à une deuxième colonne de distillation pour s’y séparer en produisant un liquide enrichi en méthane et un deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone plus riche en monoxyde de carbone que le premier gaz enrichi en monoxyde de carbone, le deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant au moins 98% mol de monoxyde de carbone et moins de 300ppm de méthane,at least one fluid containing carbon monoxide and methane is sent from the condenser of the first column to a second distillation column to separate therein producing a liquid enriched in methane and a second gas enriched in carbon monoxide richer in carbon monoxide than the first gas enriched in carbon monoxide, the second gas enriched in carbon monoxide containing at least 98% mol of carbon monoxide and less than 300ppm of methane,
  5. du froid pour le procédé est produit par un circuit de réfrigération d’un gaz enrichi en monoxyde de carbonecold for the process is produced by a carbon monoxide-enriched gas refrigeration circuit

caractérisé en ce que le gaz enrichi en monoxyde de carbone est constitué au moins partiellement d’une partie du premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane et le gaz de cycle contient au moins 98% mol de monoxyde de carbone et au moins 300 ppm de méthane, voire au moins 0.5% mol de méthane.characterized in that the carbon monoxide enriched gas consists at least partially of a portion of the first carbon monoxide enriched gas containing methane and the cycle gas contains at least 98 mol% carbon monoxide and at least 300 ppm of methane, or even at least 0.5% mol of methane.

Selon d’autres aspects facultatifs :According to other optional aspects:

  • une partie du liquide de cuve de la première colonne est envoyée à un condenseur de tête de la première colonne où il se vaporise partiellement.part of the bottom liquid of the first column is sent to a top condenser of the first column where it partially vaporizes.
  • le liquide non vaporisé dans le condenseur de tête de la première colonne est envoyé à la deuxième colonne après détente.the liquid not vaporized in the top condenser of the first column is sent to the second column after expansion.
  • la partie du liquide de cuve de la première colonne envoyée à un condenseur de tête de la première colonne est le seul liquide alimentant ce condenseur.the part of the bottom liquid of the first column sent to a top condenser of the first column is the only liquid feeding this condenser.
  • une partie du liquide de cuve de la première colonne est envoyée à un condenseur de tête de la deuxième colonne.part of the bottom liquid of the first column is sent to a top condenser of the second column.
  • une partie du premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane est envoyée se séparer dans la deuxième colonne.part of the first gas enriched in carbon monoxide containing methane is sent to separate in the second column.
  • du gaz de cycle est envoyé en cuve de la première colonne pour s’y séparer.cycle gas is sent to the bottom of the first column to separate there.
  • le gaz de cycle liquéfié est envoyé au condenseur de tête de la deuxième colonne.the liquefied cycle gas is sent to the top condenser of the second column.

Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène, de méthane, d’azote et de monoxyde de carbone comprenant des moyens pour séparer le mélange par condensation partielle et/ou par épuisement pour réduire sa teneur en hydrogène en produisant un gaz appauvri en hydrogène, une première colonne de distillation, ayant un condenseur de tête, pour séparer le gaz appauvri en hydrogène pour produire un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote, des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote au condenseur de tête de la première colonne de distillation où elle se vaporise partiellement en produisant un premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane et un liquide contenant du monoxyde de carbone et du méthane, une deuxième colonne de distillation, des moyens pour envoyer au moins un fluide contenant du monoxyde de carbone et du méthane du condenseur de la première colonne à la deuxième colonne de distillation pour s’y séparer en produisant un liquide enrichi en méthane et un deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone plus riche en monoxyde de carbone que le premier gaz enrichi en monoxyde de carbone, le deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant au moins 98% mol de monoxyde de carbone et moins de 300ppm de méthane, un circuit de réfrigération pour produire du froid pour le procédé utilisant un gaz enrichi en monoxyde de carbone comme gaz de cycleAccording to another aspect of the invention, there is provided an apparatus for the cryogenic separation of a mixture of hydrogen, methane, nitrogen and carbon monoxide comprising means for separating the mixture by partial condensation and/or by stripping to reduce its hydrogen content by producing a hydrogen-depleted gas, a first distillation column, having an overhead condenser, for separating the hydrogen-depleted gas to produce a nitrogen-enriched gas and a carbon monoxide-enriched liquid and depleted in nitrogen, means for sending at least part of the liquid enriched in carbon monoxide and depleted in nitrogen to the top condenser of the first distillation column where it partially vaporizes by producing a first gas enriched in carbon monoxide containing methane and a liquid containing carbon monoxide and methane, a second distillation column, means for sending at least one fluid containing carbon monoxide carbon and methane from the condenser of the first column to the second distillation column to separate therein producing a liquid enriched in methane and a second gas enriched in carbon monoxide richer in carbon monoxide than the first gas enriched in monoxide of carbon, the second gas enriched in carbon monoxide containing at least 98% mol of carbon monoxide and less than 300ppm of methane, a refrigeration circuit for producing cold for the process using a gas enriched in carbon monoxide as cycle

caractérisé en ce que le gaz enrichi en monoxyde de carbone provient au moins en partie du condenseur de tête de la première colonne et contient au moins 98% mol de monoxyde de carbone et au moins 300 ppm de méthane, voire au moins 0.5% mol de méthane.characterized in that the gas enriched in carbon monoxide comes at least in part from the top condenser of the first column and contains at least 98% mol of carbon monoxide and at least 300 ppm of methane, even at least 0.5% mol of methane.

L’appareil peut comprendre des moyens pour envoyer du gaz du condenseur de tête et/ou du liquide du condenseur de tête se séparer dans la deuxième colonne.The apparatus may include means for directing gas from the overhead condenser and/or liquid from the overhead condenser to separate into the second column.

La deuxième colonne peut comprendre un rebouilleur de cuve.The second column may include a bottom reboiler.

La première colonne peut ne pas comprendre de rebouilleur de cuve.The first column may not include a bottom reboiler.

L’appareil peut comprendre des moyens pour envoyer du deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone vers le cycle.The apparatus may comprise means for sending second gas enriched in carbon monoxide to the cycle.

En choisissant de dissocier la pureté du cycle de la pureté de la production, on peut choisir de ne traiter dans la/ou les colonnes suivantes que le débit nécessaire à la production.By choosing to dissociate the purity of the cycle from the purity of the production, it is possible to choose to treat in the following columns only the flow rate necessary for the production.

Ainsi, on bénéficie des avantages du rebouillage direct, à savoir :Thus, we benefit from the advantages of direct reboiling, namely:

  • l’absence de ∆T d’approche nécessaire,the absence of a necessary approach ∆T,
  • l’absence d’appoint d’un autre fluide pour condenser,the absence of additional fluid to condense,
  • un condenseur plus compact (du fait d’une configuration à deux fluides)) sans surdimensionner la partie aval.a more compact condenser (due to a two-fluid configuration) without oversizing the downstream part.

Ainsi, le cycle CO sera un cycle impur (car le méthane ne sera pas séparé).Thus, the CO cycle will be an impure cycle (because the methane will not be separated).

Dans le produit CO, on peut atteindre < 300ppm voire < 10 ppm dépendant de l'application CO alors que dans le cycle CO, on aura CH4> 300ppm jusqu'à 0.5% typiquement.In the CO product, we can reach < 300ppm or even < 10 ppm depending on the CO application, whereas in the CO cycle, we will have CH 4 > 300ppm up to 0.5% typically.

Par exemple la composition du cycle CO impur est:For example the composition of the impure CO cycle is:

  • CO> 98% molCO> 98% mol
  • N2< 2% molN 2 < 2% mol
  • 10ppm - 300ppm < CH4< 0,5 %mol10ppm - 300ppm < CH 4 < 0.5 %mol

Ceci est à comparer avec la composition du CO produit:This is to be compared with the composition of the produced CO:

  • CO > 98%CO > 98%
  • CH4< 300ppmvCH 4 < 300ppmv

Ce qui change dans la qualité du cycle CO et du produit CO est surtout la teneur en CH4.What changes in the quality of the CO cycle and of the CO product is above all the CH 4 content.

Les avantages de cette configuration sont les suivants :The advantages of this configuration are:

  • Consommation énergétique améliorée (pas d’approche nécessaire, pas d’appoint d’un autre fluide pour condenser).Improved energy consumption (no approach necessary, no extra fluid to condense).
  • Optimisation des dimensionnements (colonnes suivantes non surdimensionnées, condenseur plus compact).Optimization of sizing (next columns not oversized, more compact condenser).

L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure.The invention will be described in more detail with reference to the figure.

illustre un procédé selon l’invention. illustrates a method according to the invention.

Un débit d’alimentation 1 contenant au moins 40% mol de monoxyde de carbone, du méthane, de l’azote et de l’hydrogène est refroidi dans un échangeur de chaleur 3 à une pression de 60 bars. D’autres pressions et compositions sont possibles et la source du débit peut être une gazéification de charbon entre autres. Le débit se refroidit dans un deuxième échangeur de chaleur 5 où il se condense partiellement. Il est séparé dans un séparateur de phases 7 pour produire un gaz enrichi en hydrogène 9 envoyé se réchauffer dans les échangeurs.A feed stream 1 containing at least 40% mol of carbon monoxide, methane, nitrogen and hydrogen is cooled in a heat exchanger 3 at a pressure of 60 bars. Other pressures and compositions are possible and the source of the flow can be coal gasification among others. The flow cools in a second heat exchanger 5 where it partially condenses. It is separated in a phase separator 7 to produce a hydrogen-enriched gas 9 sent to heat up in the exchangers.

Le liquide formé appauvri en hydrogène 11 est envoyé à une colonne d’épuisement F pour enlever un débit enrichi en hydrogène et produite un liquide 13 enrichi en monoxyde de carbone.The liquid formed depleted in hydrogen 11 is sent to a stripping column F to remove a flow enriched in hydrogen and produces a liquid 13 enriched in carbon monoxide.

Le liquide 13 est détendu dans une vanne et le débit partiellement condensé ainsi formé est séparé dans un séparateur de phases 15 dont le gaz 17 et le liquide 19 sont envoyés alimenter une première colonne de distillation K1. La colonne K1 produit un liquide de cuve 21 enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote contenant encore du méthane. Le gaz de tête est enrichi en azote et se condense dans le condenseur de tête R1 de la première colonne K1 dont on soutire une purge azote 63.The liquid 13 is expanded in a valve and the partially condensed flow thus formed is separated in a phase separator 15 whose gas 17 and liquid 19 are sent to supply a first distillation column K1. Column K1 produces a bottom liquid 21 enriched in carbon monoxide and depleted in nitrogen still containing methane. The top gas is enriched in nitrogen and condenses in the top condenser R1 of the first column K1 from which a nitrogen purge 63 is drawn off.

Le liquide de cuve 21 est divisé en deux, une partie 23 étant détendue et envoyée au condenseur de tête R1 comme seul liquide d’alimentation. Le condenseur de tête R1 est donc de construction simple car seuls deux fluides s’y échangent de la chaleur. Le liquide 23 s’y condense partiellement, le liquide restant 27 autour du condenseur R1 étant détendu et envoyé à une deuxième colonne K2 à un niveau intermédiaire.Bottom liquid 21 is split in two, part 23 being expanded and sent to head condenser R1 as the only feed liquid. The head condenser R1 is therefore of simple construction because only two fluids exchange heat there. The liquid 23 partially condenses there, the remaining liquid 27 around the condenser R1 being expanded and sent to a second column K2 at an intermediate level.

Le gaz formé 44 dans le condenseur R1 est divisé en deux, une partie 47 étant envoyée à une deuxième colonne K2 à un niveau intermédiaire. L’autre partie 45 est détendue de 7,6 bars à 6,4 bars et constitue le gaz de cycle. Elle contient plus que 98% mol CO, moins que 2% mol d’azote et entre 10ppm - 300ppm et 0,5%mol de méthane.The gas formed 44 in condenser R1 is split in two, part 47 being sent to a second column K2 at an intermediate level. The other part 45 is expanded from 7.6 bars to 6.4 bars and constitutes the cycle gas. It contains more than 98% mol CO, less than 2% mol nitrogen and between 10ppm - 300ppm and 0.5% mol methane.

La deuxième colonne K2 produit une purge de méthane liquide 29, ayant un rebouilleur R3 extérieur alimenté par le liquide 31. Le monoxyde de carbone 73 produit en tête est le produit du procédé et dans ce cas n’est pas utilisé comme gaz de cycle. Il contient plus que 98% mol de monoxyde de carbone et moins que 300ppmv de méthane.The second column K2 produces a liquid methane purge 29, having an external liquid-fed reboiler R3 31. The carbon monoxide 73 produced overhead is the product of the process and in this case is not used as cycle gas. It contains more than 98% mol of carbon monoxide and less than 300ppmv of methane.

Il est néanmoins envisageable de mélanger une partie du gaz 73 avec le gaz 45 pour former un gaz de cycle plus pur en monoxyde de carbone et moins impur car contenant moins de méthane.It is nevertheless conceivable to mix part of the gas 73 with the gas 45 to form a cycle gas that is purer in terms of carbon monoxide and less impure because it contains less methane.

Le condenseur de tête R2 de la deuxième colonne K2 condense le monoxyde de carbone de tête contre du gaz de cycle liquéfié 49 mélangé avec une partie du liquide de cuve 25 de la première colonne K1. Le liquide 33 du condenseur R2 est divisé en deux. Une partie 35 se vaporise dans l’échangeur de chaleur 5 puis est mélangée avec le gaz formé en mélangeant le gaz 45 avec le gaz 55 du condenseur R2. Le mélange formé 57 se réchauffe dans l’échangeur de chaleur 3.The overhead condenser R2 of the second column K2 condenses the overhead carbon monoxide against liquefied cycle gas 49 mixed with part of the bottom liquid 25 of the first column K1. Liquid 33 from condenser R2 is split in two. Part 35 vaporizes in heat exchanger 5 and is then mixed with the gas formed by mixing gas 45 with gas 55 from condenser R2. The formed mixture 57 heats up in the heat exchanger 3.

La partie 37 du liquide du condenseur R2 est détendue jusqu’à 2 bars, partiellement condensée et envoyée à un séparateur de phases 39. Le liquide formé 43 se vaporise dans l’échangeur de chaleur 5 et est mélangé avec le gaz 41 pour former un gaz 59. Une fois réchauffé dans l’échangeur 3, ce gaz 53 alimente les premières étages C1, C2 du compresseur de cycle et est ensuite mélangé avec le gaz 57 à 5,8 bars. Le mélange formé est comprimé dans le dernier étage C3 et le gaz de cycle 61 à sa plus haute pression est refroidi dans l’échangeur 3. Ensuite il est divisé en deux, une partie 49 alimentant le rebouilleur R2 et le reste 51 étant envoyé en cuve de la première colonne K1 pour chauffer la colonne par échange de chaleur direct.Part 37 of the liquid from condenser R2 is expanded to 2 bars, partially condensed and sent to a phase separator 39. The liquid formed 43 vaporizes in the heat exchanger 5 and is mixed with the gas 41 to form a gas 59. Once heated in exchanger 3, this gas 53 supplies the first stages C1, C2 of the cycle compressor and is then mixed with gas 57 at 5.8 bars. The mixture formed is compressed in the last stage C3 and the cycle gas 61 at its highest pressure is cooled in the exchanger 3. Then it is divided into two, a part 49 supplying the reboiler R2 and the rest 51 being sent to tank of the first column K1 to heat the column by direct heat exchange.

Un débit d’azote liquide 71 est utilisé pour fournir du froid au procédé en se vaporisant dans les échangeurs 5,3 pour former le gaz LAN.A flow of liquid nitrogen 71 is used to provide cold to the process by vaporizing in the exchangers 5.3 to form the LAN gas.

Pour une meilleure stabilité d’opération, on choisira d’envoyer avec un léger excès de CO vers la colonne CO/CH4K2 vers le CO produit. Ainsi, on enverra en continu une partie du produit CO 73 vers le compresseur. En cas de fluctuations, ce débit de renvoi sera impacté mais le débit 73 produit vers le client pourra rester stable.For better operating stability, it will be chosen to send with a slight excess of CO to the CO/CH 4 K2 column towards the CO produced. Thus, part of the CO 73 product will be sent continuously to the compressor. In the event of fluctuations, this forwarding rate will be impacted but the rate 73 produced to the customer may remain stable.

Une partie du produit CO 73 peut être envoyée vers le compresseur pour améliorer la stabilité du système entre le CO qui est envoyé dans la colonne CO/CH4versus le débit CO produit, le débit du produit CO vers le compresseur est pour l'excès de CO produit par la colonne CO/ CH4. On préfèrera opérer avec un léger excès de CO vers la colonne CO/CH4K2 versus le CO produit ; comme cela on améliore la stabilité du débit de CO vers le produit, on acceptera que l'excès du CO produit vers le compresseur C1, C2; C3 varie pour maintenir constant le débit CO produit 73 vers le client.Part of the CO 73 product can be sent to the compressor to improve the stability of the system between the CO which is sent to the CO/CH 4 column versus the CO flow produced, the CO product flow to the compressor is for the excess of CO produced by the CO/CH 4 column. It is preferable to operate with a slight excess of CO towards the CO/CH 4 K2 column versus the CO produced; as this improves the stability of the flow of CO to the product, it will be accepted that the excess CO produced to the compressor C1, C2; C3 varies to maintain constant the CO flow produced 73 towards the customer.

Claims (10)

Procédé de séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène, de méthane, d’azote et de monoxyde de carbone dans lequel :
  1. le mélange (1) est séparé par condensation partielle et/ou par épuisement pour réduire sa teneur en hydrogène en produisant un gaz appauvri en hydrogène (13),
  2. le gaz appauvri en hydrogène est séparé dans une première colonne de distillation (K1) pour produire un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote (21),
  3. au moins une partie du liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote est envoyée à un condenseur de tête (R1) de la première colonne de distillation où elle se vaporise partiellement en produisant un premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane (44) et un liquide contenant du monoxyde de carbone et du méthane (27),
  4. au moins un fluide (27, 47) contenant du monoxyde de carbone et du méthane est envoyé du condenseur de la première colonne à une deuxième colonne de distillation (K2) pour s’y séparer en produisant un liquide enrichi en méthane (29) et un deuxième gaz (73) enrichi en monoxyde de carbone plus riche en monoxyde de carbone que le premier gaz enrichi en monoxyde de carbone, le deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant au moins 98% mol de monoxyde de carbone et moins de 300ppm de méthane,
  5. du froid pour le procédé est produit par un circuit de réfrigération d’un gaz enrichi en monoxyde de carbone
caractérisé en ce que le gaz enrichi en monoxyde de carbone est constitué au moins partiellement d’une partie (45) du premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane et le gaz de cycle (57, 59, 61) contient au moins 98% mol de monoxyde de carbone et au moins 300 ppm de méthane, voire au moins 0.5% mol de méthane.
Process for the cryogenic separation of a mixture of hydrogen, methane, nitrogen and carbon monoxide in which:
  1. the mixture (1) is separated by partial condensation and/or by exhaustion to reduce its hydrogen content by producing a hydrogen-depleted gas (13),
  2. the gas depleted in hydrogen is separated in a first distillation column (K1) to produce a gas enriched in nitrogen and a liquid enriched in carbon monoxide and depleted in nitrogen (21),
  3. at least part of the liquid enriched in carbon monoxide and depleted in nitrogen is sent to a top condenser (R1) of the first distillation column where it partially vaporizes producing a first gas enriched in carbon monoxide containing methane ( 44) and a liquid containing carbon monoxide and methane (27),
  4. at least one fluid (27, 47) containing carbon monoxide and methane is sent from the condenser of the first column to a second distillation column (K2) to separate therein producing a liquid enriched in methane (29) and a second gas (73) enriched in carbon monoxide richer in carbon monoxide than the first gas enriched in carbon monoxide, the second gas enriched in carbon monoxide containing at least 98% mol of carbon monoxide and less than 300ppm of methane,
  5. cold for the process is produced by a refrigeration circuit of a gas enriched in carbon monoxide
characterized in that the carbon monoxide enriched gas consists at least partially of a portion (45) of the first carbon monoxide enriched gas containing methane and the cycle gas (57, 59, 61) contains at least 98 % mol of carbon monoxide and at least 300 ppm of methane, or even at least 0.5% mol of methane.
Procédé selon la revendication 1 dans lequel une partie (23) du liquide de cuve de la première colonne (K1) est envoyée au condenseur de tête (R1) de la première colonne (K1) où il se vaporise partiellement.Process according to Claim 1, in which part (23) of the bottom liquid of the first column (K1) is sent to the top condenser (R1) of the first column (K1) where it partially vaporizes. Procédé selon la revendication 2 où le liquide non vaporisé dans le condenseur de tête (R1) de la première colonne (K1) est envoyé à la deuxième colonne (K2) après détente.Process according to Claim 2, in which the liquid not vaporized in the top condenser (R1) of the first column (K1) is sent to the second column (K2) after expansion. Procédé selon la revendication 2 ou 3 où la partie (23) du liquide de cuve de la première colonne envoyée au condenseur de tête (R1) de la première colonne (K1) est le seul liquide alimentant ce condenseur.Process according to Claim 2 or 3, in which the part (23) of the bottom liquid of the first column sent to the top condenser (R1) of the first column (K1) is the only liquid feeding this condenser. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel une partie (25) du liquide de cuve de la première colonne est envoyée à un condenseur de tête (R2) de la deuxième colonne (K2).Process according to one of the preceding claims, in which part (25) of the bottom liquid of the first column is sent to a top condenser (R2) of the second column (K2). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel une partie (47) du premier gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane est envoyée se séparer dans la deuxième colonne (K2).Process according to one of the preceding claims, in which a part (47) of the first gas enriched in carbon monoxide containing methane is sent to separate in the second column (K2). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel du gaz de cycle (51) est envoyé en cuve de la première colonne (K1) pour s’y séparer.Process according to one of the preceding claims, in which cycle gas (51) is sent to the bottom of the first column (K1) to separate there. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz de cycle liquéfié (49) est envoyé au condenseur de tête (R2) de la deuxième colonne (K2).Process according to one of the preceding claims, in which the liquefied cycle gas (49) is sent to the top condenser (R2) of the second column (K2). Appareil de séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène, de méthane, d’azote et de monoxyde de carbone comprenant des moyens pour séparer le mélange (1) par condensation partielle et/ou par épuisement pour réduire sa teneur en hydrogène en produisant un gaz appauvri en hydrogène (13), une première colonne de distillation (K1), ayant un condenseur de tête (R1), pour séparer le gaz appauvri en hydrogène pour produire un gaz enrichi en azote et un liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote (21), des moyens pour envoyer au moins une partie (23) du liquide enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote au condenseur de tête de la première colonne de distillation où elle se vaporise partiellement en produisant un premier gaz (44) enrichi en monoxyde de carbone contenant du méthane et un liquide (27) contenant du monoxyde de carbone et du méthane, une deuxième colonne de distillation (K2), des moyens pour envoyer au moins un fluide (27, 47) contenant du monoxyde de carbone et du méthane du condenseur de la première colonne à la deuxième colonne de distillation pour s’y séparer en produisant un liquide enrichi en méthane (29) et un deuxième gaz (73) enrichi en monoxyde de carbone plus riche en monoxyde de carbone que le premier gaz enrichi en monoxyde de carbone, le deuxième gaz enrichi en monoxyde de carbone contenant au moins 98% mol de monoxyde de carbone et moins de 300ppm de méthane, un circuit de réfrigération (C1, C2, C3, 53, 57, 59, 61) pour produire du froid pour le procédé utilisant un gaz enrichi en monoxyde de carbone comme gaz de cycle
caractérisé en ce que le gaz enrichi en monoxyde de carbone du gaz de cycle provient au moins en partie du condenseur de tête de la première colonne et contient au moins 98% mol de monoxyde de carbone et au moins 300 ppm de méthane, voire au moins 0.5% mol de méthane.
Apparatus for the cryogenic separation of a mixture of hydrogen, methane, nitrogen and carbon monoxide comprising means for separating the mixture (1) by partial condensation and/or by exhaustion in order to reduce its hydrogen content by producing a hydrogen-depleted gas (13), a first distillation column (K1), having an overhead condenser (R1), for separating the hydrogen-depleted gas to produce a nitrogen-enriched gas and a carbon monoxide-enriched and depleted liquid nitrogen (21), means for sending at least a portion (23) of the liquid enriched in carbon monoxide and depleted in nitrogen to the top condenser of the first distillation column where it partially vaporizes producing a first gas (44 ) enriched with carbon monoxide containing methane and a liquid (27) containing carbon monoxide and methane, a second distillation column (K2), means for sending at least one fluid (27, 47) containing vs arbone and methane from the condenser of the first column to the second distillation column to separate therein producing a liquid enriched in methane (29) and a second gas (73) enriched in carbon monoxide richer in carbon monoxide than the first gas enriched in carbon monoxide, the second gas enriched in carbon monoxide containing at least 98% mol of carbon monoxide and less than 300ppm of methane, a refrigeration circuit (C1, C2, C3, 53, 57, 59 , 61) to produce cold for the process using a gas enriched in carbon monoxide as cycle gas
characterized in that the gas enriched in carbon monoxide of the cycle gas comes at least in part from the top condenser of the first column and contains at least 98% mol of carbon monoxide and at least 300 ppm of methane, or even at least 0.5% mol of methane.
Appareil selon la revendication 9 comprenant des moyens pour envoyer du gaz (47) du condenseur de tête (R1) et/ou du liquide (27) du condenseur de tête se séparer dans la deuxième colonne (K2).Apparatus according to claim 9 comprising means for passing gas (47) from the overhead condenser (R1) and/or liquid (27) from the overhead condenser to separate in the second column (K2).
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Title
"PROCESS AND APPARATUS FOR SEPARATION OF NITROGEN FROM CARBON MONOXIDE", RESEARCH DISCLOSURE, KENNETH MASON PUBLICATIONS, HAMPSHIRE, UK, GB, no. 426, 1 October 1999 (1999-10-01), XP000907751, ISSN: 0374-4353 *

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