FR3133665A1 - Procédé et appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène - Google Patents

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Abstract

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène Dans un procédé de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène dans lequel le mélange (3) est envoyé sous forme liquide en tête d’une colonne d’épuisement (K1), un gaz enrichi en hydrogène (5) est soutiré en tête de la colonne d’épuisement et un liquide de cuve (7, 11) appauvri en hydrogène est soutiré en cuve de la colonne d’épuisement, on vaporise complètement une première partie (11) du liquide de cuve et on envoie la première partie complètement vaporisée à une colonne de séparation, on vaporise le reste (9) du liquide de cuve de la colonne d’épuisement et on envoie le débit vaporisé à la colonne d’épuisement, on soutire un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (17) en tête de la colonne de séparation et on soutire un débit liquide enrichi en méthane (15) en cuve de la colonne de séparation. Figure unique

Description

Procédé et appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène. En particulier il concerne un procédé de distillation cryogénique d’un tel mélange.
Il est parfois nécessaire de changer de technologie pour une séparation d’un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone.
Parmi les technologies de pointe actuelles pour la séparation cryogénique d’un gaz de synthèse comprenant de l’hydrogène et du monoxyde de carbone, on peut citer :
1. Lavage au solvant de gaz de synthèse (avec azote ou méthane comme liquide de lavage)
2. Condensation partielle
Alors que la première technique convient mieux à une composition de gaz de synthèse riche en H2, la deuxième fonctionne mieux pour une composition de gaz de synthèse riche en CO.
Il est courant dans l’industrie de modifier périodiquement le rapport de gaz de synthèse CO / H2 pour mieux suivre les besoins des consommateurs.
Dans le cas où cela se produit dans le sens d'une augmentation de la concentration de CO dans le gaz de synthèse, associée à une augmentation de la production, l'installation de séparation cryogénique du gaz de synthèse ne pourra plus traiter le nouveau fluide parce que :
i) sa capacité sera insuffisante pour traiter l'augmentation de la production
ii) le processus de lavage au solvant n'est plus le meilleur schéma de processus disponible.
Il sera alors nécessaire de remplacer l'installation par une nouvelle, fonctionnant par exemple avec un procédé de condensation partielle.
Dans cette situation, on pourrait être intéressé à conserver le compresseur de cycle CO de l'ancien appareil, car ce type de machine est très coûteux.
Cela présente deux défis:
i) adapter le nouveau cycle à la capacité existante du compresseur
ii) concevoir la colonne de séparation CO / CH4pour disposer d'un équipement facile à réguler.
L’adaptation du cycle est un défi en raison de
  • la capacité du compresseur relativement faible par rapport à la nouvelle taille de l'appareil
  • le fait que la production de CO moyenne pression est excédentaire, alors que la production de CO haute pression n'est pas suffisante pour alimenter le rebouilleur de la colonne CO / CH4.
Cela conduit traditionnellement à concevoir une colonne CO / CH4difficile à réguler et très sensible aux changements de conditions de procédé car:
  • l'énergie de rebouillage manquante de la colonne CO / CH4est fournie via un flux surchauffé de CO vaporisé impur
  • le débit de liquide de cuve soutiré de la colonne d’épuisement (en anglais « stripping column ») et amené à la colonne CO/CH4sous forme liquide est faible par rapport au le débit de liquide de cuve vaporisé.
Par conséquent, de petites instabilités dans la température de la ligne d'échange ou dans le flux de répartition du liquide de cuve soutiré de la colonne d’épuisement ont un impact important sur le profil de température de la colonne.
Un objet de l’invention est d’apporter une solution aux défis ci-dessus.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène dans lequel le mélange est envoyé sous forme liquide en tête d’une colonne d’épuisement, un gaz enrichi en hydrogène est soutiré en tête de la colonne d’épuisement et un liquide de cuve appauvri en hydrogène est soutiré en cuve de la colonne d’épuisement, on vaporise complètement une première partie du liquide de cuve et on envoie la première partie complètement vaporisée à une colonne de séparation, on vaporise le reste du liquide de cuve de la colonne d’épuisement et on envoie le débit vaporisé à la colonne d’épuisement, on soutire un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone en tête de la colonne de séparation et on soutire un débit liquide enrichi en méthane en cuve de la colonne de séparation.
Selon d’autres aspects facultatifs :
  • le débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone est comprimé dans un compresseur ayant au moins deux étages.
  • un débit enrichi en monoxyde de carbone soutiré à un niveau intermédiaire du compresseur est envoyé réchauffer un rebouilleur de cuve de la colonne de séparation et/ou un rebouilleur de cuve de la colonne d’épuisement.
  • le débit enrichi en monoxyde de carbone se condense dans un rebouilleur de cuve de la colonne de séparation et/ou un rebouilleur de cuve de la colonne d’épuisement, est détendu et est envoyé à la tête de la colonne de séparation.
  • une partie du débit soutiré à un niveau intermédiaire du compresseur est refroidie et condensée et envoyée en tête de la colonne de séparation sans avoir réchauffé un rebouilleur de cuve.
  • le mélange ou un débit d’alimentation dont est séparé le mélangé se refroidit dans un échangeur de chaleur et la première partie du liquide de cuve se vaporise complètement dans l’échangeur de chaleur en amont de la colonne de séparation.
  • le mélange ou un débit d’alimentation dont est séparé le mélange se refroidit dans un échangeur de chaleur et la partie du débit envoyée en tête de la colonne de séparation sans avoir réchauffé un rebouilleur de cuve se condense en amont de la colonne de séparation dans l’échangeur de chaleur.
  • la première partie du liquide de cuve se vaporise par échange de chaleur avec au moins un débit enrichi en monoxyde de carbone soutiré à un niveau intermédiaire du compresseur pour sousrefroidir l’au moins un débit enrichi en monoxyde de carbone, voire pour condenser l’au moins un débit enrichi en monoxyde de carbone.
  • le mélange est produit par au moins une étape de condensation partielle
  • le débit d’alimentation est séparé par au moins une étape de condensation partielle pour former le mélange sous forme liquide
  • le débit liquide enrichi en méthane se vaporise dans l’échangeur de chaleur.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène comprenant une colonne d’épuisement, une colonne de séparation, des moyens pour envoyer le mélange sous forme liquide en tête de la colonne d’épuisement, des moyens pour soutirer un gaz enrichi en hydrogène en tête de la colonne d’épuisement et des moyens pour soutirer un liquide de cuve appauvri en hydrogène en cuve de la colonne d’épuisement, des moyens pour vaporiser complètement une première partie du liquide de cuve pour envoyer le débit gazeux formé à une colonne de séparation, des moyens pour vaporiser le reste du liquide de cuve et de le renvoyer à la colonne d’épuisement des moyens pour soutirer un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone en tête de la colonne et des moyens pour soutirer un débit liquide enrichi en méthane en cuve de la colonne.
Selon d’autres aspects facultatifs, l’appareil comprend
  • un compresseur ayant au moins deux étages et des moyens pour y envoyer le débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone pour s’y comprimer.
  • des moyens pour sortir un débit enrichi en monoxyde de carbone à un niveau intermédiaire du compresseur reliés à un rebouilleur de cuve de la colonne de séparation et/ou à un rebouilleur de cuve de la colonne d’épuisement pour y amener du gaz comprimé pour chauffer le rebouilleur.
  • un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le mélange ou un débit d’alimentation dont est séparé le mélangé se refroidir dans l’échangeur de chaleur, l’échangeur constituant les moyens pour vaporiser complètement le liquide de cuve.
De préférence, au moins un étage du compresseur autre que le dernier étage est constitué par un compresseur provenant d’un appareil préexistant.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un procédé de remplacement d’un premier appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène utilisant une colonne de lavage au méthane, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur de monoxyde de carbone relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer un débit D jusqu’à une pression P, P étant la pression de production du produit de l’appareil, le premier appareil étant remplacé par un deuxième appareil tel que décrit ci-dessus comprenant un système de séparation par condensation partielle et une, éventuellement la, colonne de séparation ainsi que le compresseur, le compresseur étant relié à la colonne de séparation pour comprimer un gaz enrichi en monoxyde de carbone ayant un débit D jusqu’à la pression P, étant relié à un autre compresseur qui comprime une première partie du débit D jusqu’à une pression P’, supérieure à P et à un cycle de CO où circule une deuxième partie du débit D.
Selon l’invention, il est mieux de vaporiser tout le liquide de cuve soutiré de la colonne d’épuisement (CO impur) destiné à la colonne CO/CH4avant de l’envoyer à la colonne CO/CH4entièrement sous forme gazeuse. Ceci élimine les problèmes dus aux instabilités et permet également de réduire le surchauffage du monoxyde de carbone, ce qui améliore l’efficacité exégétique du procédé.
Le reflux liquide insuffisant est complété en augmentant le débit de CO de cycle liquéfié dans la ligne d’échange contre le CO impur vaporisé mentionné auparavant.
Une optimisation supplémentaire est de chauffer la colonne avec du monoxyde de carbone à la moyenne pression, ce qui augmenter l’énergie de rebouillage et ainsi de réduire encore le surchauffage du liquide de cuve vaporisé provenant de la colonne d’épuisement. Ceci aura pour avantage de réduire la sensibilité de la colonne aux instabilités de la ligne d’échange thermique.
Ainsi il devient possible d’exploiter le compresseur de cycle existant qui aurait sinon, comme déjà mentionné, une production de monoxyde de carbone moyenne pression excédentaire et une production de monoxyde de carbone haute pression insuffisante.
L’invention s’applique à tout cas où un compresseur de cycle CO a une production de monoxyde de carbone moyenne pression excédentaire et/ou une production de monoxyde de carbone haute pression insuffisante pour le procédé dans lequel il doit être incorporé.
L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure.
représente un procédé selon l’invention.
L’appareil utilisé comprend une colonne d’épuisement K1 et une colonne de séparation CO/CH4K2 ainsi qu’un système de séparation S en amont de la colonne de l’épuisement. Ce système S opère à une température cryogénique et permet de séparer un débit 1 contenant du monoxyde de carbone, du méthane et de l’hydrogène et éventuellement de l’azote par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage afin de produire au moins un mélange 3 sous forme liquide contenant du monoxyde de carbone, du méthane et de l’hydrogène. Le système S emploie par exemple produit par au moins une étape de condensation partielle pour produire le mélange. Le mélange peut être le liquide produit par au moins une étape de condensation partielle, par exemple. Le mélange est envoyé en tête d’une colonne d’épuisement qui en élimine au moins partiellement l’hydrogène qui forme le gaz de tête 5 de la colonne. Le gaz 5 se réchauffe dans un échangeur de chaleur par contact indirect E, par exemple un échangeur à plaques et à ailettes, où se refroidit le débit 1 pour l’amener à une température cryogénique.
Une partie du liquide de cuve 7 de la colonne K1 est vaporisé dans un rebouilleur R1 et envoyé en cuve de la colonne K1. Tout le reste du liquide 11 est détendu dans une vanne V3, vaporisé dans l’échangeur E et envoyé à une température intermédiaire de l’échanger E alimenter la colonne de séparation K2 à un niveau intermédiaire de celle-ci, se trouvant entièrement sous forme gazeuse.
La colonne de séparation K2 séparer le gaz formé en vaporisant le liquide 11 pour former un gaz de tête 17 enrichi en monoxyde de carbone et un liquide riche en méthane. Une partie 13 du liquide de cuve est vaporisée dans un rebouilleur R2 et le reste du liquide 15 est réchauffé dans l’échangeur E pour former un produit ou du carburant pour un procédé annexe.
Le gaz enrichi en monoxyde de carbone 17 est réchauffé dans l’échangeur de chaleur E dans un compresseur comprenant au moins deux étages C1, C2. Une partie 19 du gaz comprimé par exemple uniquement dans le premier étage et se trouvant à une pression intermédiaire du compresseur est refroidie dans l’échangeur de chaleur E. Une partie 24 du gaz est soutirée de l’échangeur à une température intermédiaire de celui-ci et sert à réchauffer le rebouilleur R1 et/ou le rebouilleur R2. Ici les deux rebouilleurs sont chauffés par deux débits 26, 28 formés en séparant en deux la partie 24 pour chauffer les rebouilleurs R1, R2 en série. Les liquides formés sont détendus dans les vannes V1, V2 respectivement, puis mélangés pour former un débit 30 qui est sousrefroidi dans l’échangeur E pour former un liquide qui alimente la tête de la colonne de séparation K2.
Optionnellement une partie 23 du gaz 19 se refroidit jusqu’au bout froid de l’échangeur E, s’y condensant, s’y sous refroidit, est détendue dans une vanne V4 et est envoyée également en tête de la colonne de séparation K2.
La colonne K2 ne comprend pas de condenseur de tête. Le produit principal du procédé est le gaz enrichi en CO 21 comprimé dans le dernier étage C2 du compresseur.
En cas de restructuration d’un appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, d’hydrogène et de méthane, un compresseur C1 d’un procédé existant peut être incorporé dans ce nouveau procédé. Le fait que le compresseur existant soit dimensionné pour produire un débit plus grand que le débit 21 ne pose aucun problème puisque l’étage C1 doit justement comprimer les débit 19, 21, alors que l’étage 21 ne comprime que le débit 21.
Les frigories du procédé sont fournies par une turbine (non-illustrée) qui détend du CO du cycle cryogénique et / ou par un apport de liquide froid provenant d’une source extérieure.
Ainsi on peut remplacer un premier appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène utilisant une colonne de lavage au méthane ou une colonne de lavage au monoxyde de carbone, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur de monoxyde de carbone relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer un débit D jusqu’à une pression P, P étant la pression de production du produit de l’appareil. Le premier appareil est remplacé par un deuxième appareil tel que décrit ci-dessus et illustré dans la figure comprenant un système de séparation par condensation partielle et une, éventuellement la préexistante, colonne de séparation ainsi que le compresseur préexistant, le compresseur étant relié à la colonne de séparation pour comprimer un gaz enrichi en monoxyde de carbone ayant un débit D jusqu’à la pression P, étant relié à un autre compresseur qui comprime une première partie du débit D jusqu’à une pression P’, supérieure à P et à un cycle de CO où circule une deuxième partie du débit D.

Claims (14)

  1. Procédé de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène dans lequel le mélange (3) est envoyé sous forme liquide en tête d’une colonne d’épuisement (K1), un gaz enrichi en hydrogène (5) est soutiré en tête de la colonne d’épuisement et un liquide de cuve (7, 11) appauvri en hydrogène est soutiré en cuve de la colonne d’épuisement, on vaporise complètement une première partie (11) du liquide de cuve et on envoie la première partie complètement vaporisée à une colonne de séparation, on vaporise le reste (9) du liquide de cuve de la colonne d’épuisement et on envoie le débit vaporisé à la colonne d’épuisement, on soutire un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (17) en tête de la colonne de séparation et on soutire un débit liquide enrichi en méthane (15) en cuve de la colonne de séparation.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone est comprimé dans un compresseur (C1, C2) ayant au moins deux étages.
  3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel un débit enrichi en monoxyde de carbone (24, 26, 28) soutiré à un niveau intermédiaire du compresseur est envoyé réchauffer un rebouilleur de cuve (R2) de la colonne de séparation (K2) et/ou un rebouilleur de cuve (R1) de la colonne d’épuisement (K1).
  4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le débit enrichi en monoxyde de carbone (26, 28) se condense dans le rebouilleur de cuve (R2) de la colonne de séparation (K2) et/ou le rebouilleur de cuve (R1) de la colonne d’épuisement (K1), est détendu et est envoyé à la tête de la colonne de séparation.
  5. Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4 dans lequel une partie (23) du débit (19) soutiré à un niveau intermédiaire du compresseur est refroidie et condensée et envoyée en tête de la colonne de séparation (K2) sans avoir réchauffé un rebouilleur de cuve.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le mélange (3) ou un débit d’alimentation (1) dont est séparé le mélange (3) se refroidit dans un échangeur de chaleur et la première partie (11) de liquide de cuve se vaporise complètement dans l’échangeur de chaleur en amont de la colonne de séparation.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le mélange (3) ou un débit d’alimentation (1) dont est séparé le mélange se refroidit dans un échangeur de chaleur et la partie du débit envoyée en tête de la colonne de séparation sans avoir réchauffé un rebouilleur de cuve se condense en amont de la colonne de séparation (K2) dans l’échangeur de chaleur.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la première partie liquide de cuve (11) se vaporise par échange de chaleur avec au moins un débit enrichi en monoxyde de carbone (23, 30) soutiré à un niveau intermédiaire du compresseur pour sousrefroidir l’au moins un débit enrichi en monoxyde de carbone, voire pour condenser l’au moins un débit enrichi en monoxyde de carbone.
  9. Appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène comprenant une colonne d’épuisement (K1), une colonne de séparation (K2), des moyens pour envoyer le mélange (3) sous forme liquide en tête de la colonne d’épuisement, des moyens pour soutirer un gaz enrichi en hydrogène (5) en tête de la colonne d’épuisement et des moyens pour soutirer un liquide de cuve (7) appauvri en hydrogène en cuve de la colonne d’épuisement, des moyens pour vaporiser complètement une première partie (11) du liquide de cuve pour envoyer le débit gazeux formé à une colonne de séparation, des moyens (R1) pour vaporiser le reste (9) du liquide de cuve et de le renvoyer à la colonne d’épuisement, des moyens pour soutirer un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (17) en tête de la colonne et des moyens pour soutirer un débit liquide enrichi en méthane (15) en cuve de la colonne.
  10. Appareil selon la revendication 9 comprenant un compresseur (C1, C2) ayant au moins deux étages et des moyens pour y envoyer le débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (23) pour s’y comprimer.
  11. Appareil selon la revendication 10 dans lequel au moins un étage (C1) du compresseur autre que le dernier étage (C2) est constitué par un compresseur (C1) provenant d’un appareil préexistant.
  12. Appareil selon la revendication 10 ou 11 comprenant des moyens pour sortir un débit enrichi en monoxyde de carbone à un niveau intermédiaire du compresseur reliés à un rebouilleur de cuve de la colonne de séparation et/ou à un rebouilleur de cuve de la colonne d’épuisement pour y amener du gaz comprimé pour chauffer le rebouilleur.
  13. Appareil selon l’une des revendications précédentes 9 à 12 comprenant un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le mélange ou un débit d’alimentation dont est séparé le mélangé se refroidir dans l’échangeur de chaleur, l’échangeur constituant les moyens pour vaporiser complètement le liquide de cuve.
  14. Procédé de remplacement d’un premier appareil de séparation d’un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d’hydrogène utilisant une colonne de lavage au méthane, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur de monoxyde de carbone (C1) relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer un débit D jusqu’à une pression P, P étant la pression de production du produit de l’appareil, le premier appareil étant remplacé par un deuxième appareil selon l’une des revendications 10 à 12 comprenant un système de séparation par condensation partielle et une, éventuellement la, colonne de séparation (K2) ainsi que le compresseur, le compresseur étant relié à la colonne de séparation pour comprimer un gaz enrichi en monoxyde de carbone ayant un débit D jusqu’à la pression P, étant relié à un autre compresseur (C2) qui comprime une première partie du débit D jusqu’à une pression P’, supérieure à P et à un cycle de CO où circule une deuxième partie du débit D.
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