WO2008017787A2 - Unité de production et de traitement d'un gaz de synthèse comprenant un reformeur à la vapeur. - Google Patents

Unité de production et de traitement d'un gaz de synthèse comprenant un reformeur à la vapeur. Download PDF

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WO2008017787A2
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Patrick Pereira
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L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated

Definitions

  • the present invention relates to a unit for the production and treatment of a synthesis gas obtained by reforming from a mixture of light hydrocarbons, of the type comprising at least one steam methane reformer (SMR) for the production of a synthesis gas, as well as elements
  • SMR steam methane reformer
  • the unit will conventionally comprise, in addition to the steam reformer, all or part of the following independent functional elements: a hydrodesulfurization module (hydro-desulfurization system or HDS in English), one or more elements functional cooling of the synthesis gas, a CO conversion module (English language shift), optionally a CO 2 removal module, a hydrogen separation module generally by pressure swing adsorption (pressure swing adsorption) or PSA in English), but also compressors as well as other various technical elements which are function of the supplies received from the outside - of the supplier or the customer - and made available in battery in limit.
  • a hydrodesulfurization module hydro-desulfurization system or HDS in English
  • one or more elements functional cooling of the synthesis gas a CO conversion module (English language shift)
  • a CO conversion module English language shift
  • optionally a CO 2 removal module optionally a CO 2 removal module
  • a hydrogen separation module generally by pressure swing adsorption (pressure swing adsorption) or PSA in English)
  • compressors as well as
  • the steam reformer includes in these outlines:
  • a radiation chamber it is equipped with tubes through which the mixture of hydrocarbons and water vapor are mixed, this is the place of the reforming reactions, the heat required for the reactions being supplied by heating the tubes via burners fed with fuel and air, - a convection chamber, it is the place of the convection chain, it recovers, via exchangers, the heat of the fumes generated in the radiation chamber; this heat serving in particular to generate the water vapor.
  • the steam reforming step is frequently preceded by a pre-reforming step.
  • the pre-reformer is directly linked to reformer and is not a separate functional element. This is the reason why it will not be considered in the rest of the description. It will be convenient to read the word reformer to understand reformer or group pre-reformer plus reformer.
  • all the functional elements concerned constitutive units of production is distributed around a rack (rack in English language).
  • This rack is in the form of a metal structure around which are arranged the various elements (functional elements and reformer); the space available under the rack is used for the passage of different incoming and outgoing fluids (electricity, gas, water, products, etc.) via pipes and pipelines, but also for the installation of various small equipment.
  • the reformer whether of the "top fired” or “side fired” type, is a rectangular shaped element at its base, it is placed on a long side of the rack, parallel to it,
  • the reformer is generally fueled at the rear, that is to say at the end of the reforming furnace, opposite the convection chain,
  • the other functional elements (adsorption with pressure modulation or PSA, hydrodesulphurization or HDS, cooling of the synthesis gas, etc.) are situated on the other long side of the rack, perpendicular thereto,
  • Useful fluids flow via piping along the rack. They are essentially powered and / or discharged at one end thereof, at the level of the battery limit, where the connection with the outside is made.
  • the connecting lines (pipes, power supply) between the different functional units are arranged along the rack.
  • the object of the present invention is a unit for producing a gas or a gaseous mixture obtained by treating a mixture of light hydrocarbons by reforming, of the type comprising at least one steam methane reformer.
  • the unit according to the invention will have a lower construction cost thanks to an optimized use of the racks by a more complete operation of both the perimeter of the rack and its surface, optimized use that allows to reduce the size.
  • the invention also makes it possible to reduce the lengths of collectors as well as piping and cables for the power supply, the civil engineering volumes located under the rack and the structure of the rack.
  • the invention relates to a unit for the production and treatment of synthesis gas from a hydrocarbon mixture, comprising at least: a steam reformer,
  • a rack of generally rectangular shape having two long sides of dimension L and two short sides, also called ends, for the distribution of said reformer and of said functional elements, as well as that of conduits for the transfer of gaseous, liquid and electric fluids, characterized in that the reformer is placed substantially perpendicular to the rack and at one end, and / or the functional elements are distributed on both sides of the L-size rack.
  • the reformer being placed at one of the two ends of the rack, and along an axis substantially perpendicular thereto, the installation will be said arranged according to a "T" architecture.
  • the fluids gaseous, liquid and electric
  • the rack as described above is a rack of rectangular shape, having two long sides of dimension L, called long sides, and two small sides or ends. It is obvious that its shape may have minor variations and that in particular the rack may be supplemented by additional rack elements, since their surfaces are much lower than those of the main rack.
  • at least functional elements being interconnected
  • At least two interconnected functional elements are placed substantially face to face, on either side of the rack.
  • One of the functional elements for the treatment of the hydrocarbon mixture upstream of the reformer may be a hydrodesulfurization module.
  • one of the functional elements for the upstream treatment of the reformer is a pre-treatment module for naphtha (or naphtha module).
  • the invention is particularly suitable for hydrogen production, so a preferred embodiment of the invention relates to a unit which comprises functional elements for the treatment of synthesis gas for the production of hydrogen.
  • the plant for the production of hydrogen advantageously comprises all or part of the following functional elements:
  • HDS hydrodesulfurization unit
  • a module for cooling the synthesis gas a hydrogen purification module (PSA);
  • PSA hydrogen purification module
  • this relates to a unit characterized in that it comprises functional elements for the treatment of the synthesis gas in order to produce an H 2 / CO mixture.
  • the installation may include in particular all or part of the following functional elements:
  • this relates to a unit comprising functional elements for the treatment of synthesis gas in order to produce (also) carbon monoxide.
  • a unit comprising functional elements for the treatment of synthesis gas in order to produce (also) carbon monoxide.
  • it may include in addition to the above elements:
  • the reformer is of the type comprising a radiation chamber and a convection chamber; it is typically a steam reformer.
  • the reformer will advantageously be of the steam reformer type for the production of synthesis gas from a mixture of light hydrocarbons to be reformed comprising at least one reforming furnace containing reforming tubes for reforming the methane contained in said mixture as well as burners for supplying the heat necessary for reforming, feed means for said mixture to be reformed and for steam, means for feeding the furnace with fuel for supplying the fuel for the burners, a chain of convection for the recovery of fumes at the furnace outlet, wherein the fuel furnace supply means is located at the end of the furnace, convection chamber side, thereby limiting the length of the ducts.
  • FIGS. 1A, 2A, 3A and 4A illustrate conventional architectures according to FIG. prior art
  • Figures 1B, 2B, 3B and 4B illustrate architectures according to the invention.
  • Figure 1A schematically shows an installation for producing and processing synthesis gas according to a known conventional arrangement.
  • Figure 1 B schematically shows a comparable plant for production and treatment of synthesis gas arranged according to the "T" architecture of the invention.
  • Figure 2A schematically shows the utility manifolds of the installation of Figure 1A.
  • Figure 2B schematically shows the utilities collectors of the installation of Figure 1 B according to the invention.
  • Figure 3A schematically shows the interconnections between the functional assemblies of the installation of Figure 1 A.
  • FIG. 3B schematically shows the interconnections between the functional assemblies of the installation of FIG. 1B according to the invention.
  • Figure 4A illustrates the particular case of a conventional installation for the production of hydrogen.
  • Figure 4B illustrates the particular case of an installation equivalent to that of Figure 4A, but arranged according to the "T" architecture of the invention.
  • the installation shown in Figure 1A includes:
  • the reformer 1 A is arranged parallel to the rack 2 A , along one of the sides of length L A.
  • the six functional assemblies 3 to 8 are arranged on the other side of the rack 2A , perpendicular to it.
  • the installation according to the invention, shown in Figure 1 B, is comparable, it consists of the same number of elements of the same nature, that is to say: a reformer, a rack and the same six sous -sets or distinct functional assemblies, in which: - the reformer 1 B is a preferred reformer according to the invention: it is fed with fuel at the end of the convection oven chamber side, is substantially in its central part (it could be fed at its end, using suitable feeding means),
  • the rack 1 B is of length L, substantially of length L A / 2, - the six subsets 3 to 8 are the same as those of Figure 1 A.
  • the reformer 1 B according to the invention is placed perpendicularly to the rack at one of its ends, thereby freeing a rack in whole length L.
  • the six functional units 3-8 can thus be distributed on both sides of the rack available 2 B of length L where they have a total length of rack 2 x L, equivalent to that they have in the arrangement according to Figure 1A.
  • FIGS. 2A and 2B diagrammatically show the conduits intended to supply useful fluids to the reformer as well as the different functional assemblies 3 to 8 of the installations of FIGS. 1A and 1B.
  • Useful fluids (cooling water, air instrumentation , nitrogen, steam, flare gas, etc.) thus flow via pipes grouped at the rack level.
  • the pipes from the various elements among 1 B , and 3 to 8 join a collector called utility collector, disposed along the rack which therefore has a length substantially equal to that of the rack itself.
  • These collectors distribute all useful fluids along the rack between the pipes dedicated to the functional units or the reformer and the means for supplying or discharging said useful fluids, means located at the end of the rack where is traditionally done with the customer. They also distribute the fluids that can be generated by one of the sets.
  • FIGS. 3A and 3B schematically show certain interconnections between the different functional assemblies 3 to 8 constituting the installations of FIGS. 1A and 1B.
  • the functional assembly 3 is interconnected with the functional assemblies 5 and 6
  • the functional assembly 4 is interconnected with the functional assembly 8
  • the functional assembly 5 is further interconnected with the functional assemblies 6 and 7.
  • FIG. 3B where the reformer is placed at the end of the rack, and where the functional assemblies are distributed on either side of the rack, in accordance with the "T" architecture according to the invention, the cumulative length of pipes Rack is greatly reduced, especially when the elements are highly interconnected. In this case, a judicious distribution of functional elements on both sides of the rack, including some functional elements interconnected face to face allows to create direct links between these functional elements and thus to free up space at the rack .
  • the installation for the production of hydrogen of Figure 4A is a typical installation comprising: a reformer 41A of the type supplied with fuel at the back in a known manner;
  • a rack 42 A of length L 4A the following 5 functional units, referenced 43 to 47: • 43: a hydrodesulfurization unit (HDS) for the treatment of the hydrocarbon mixture upstream of the reformer,
  • HDS hydrodesulfurization unit
  • This plant is intended to produce hydrogen from a hydrocarbon source composed of natural gas and operates in the following manner: the natural gas GN feeds the hydrodesulfurization unit 43, and the outgoing desulfurized gas is introduced into a reformer 41 where it is reformed to provide a hot syngas.
  • the hot synthesis gas passes into the cooling module 44 and is then introduced into the PSA purification module 45 to produce hydrogen.
  • UH 2 product is mainly sent to the end of the rack towards the customer, a fraction of H 2 being sent to the set HDS 43 after compression in the compressor 46.
  • the nitrogen starter module 47 feeds the reformer 41 A and the HDS 43 nitrogen for startup phases. A non-zero fraction of the natural gas supplied to the installation is used as fuel for the reformer in addition to the waste gas of the
  • the reformer 41 A is arranged parallel to the rack 42 A , along one of the sides of length L 4A .
  • the functional assemblies 43 to 47 are arranged on the other side of the rack, perpendicular to it.
  • FIG. 4B The installation according to the invention, represented in FIG. 4B, is comparable, it consists of the same number of elements of the same nature, ie:
  • a reformer 41 B but it is here of the preferred reformer type according to the invention, that is to say that it is fueled at the end of the convection chamber furnace, or substantially in its central part.
  • HDS hydrodesulphurization unit
  • Figure 4B works in the same way as in Figure 4A, ie as follows: this facility is intended to produce hydrogen from a natural gas source ; the natural gas GN feeds the hydrodesulphurization unit 43, then the desulphurized gas is introduced into the reformer 41 B where it is reformed to provide a hot synthesis gas. The hot synthesis gas passes into the cooling module 44 and is then introduced into the PSA purification module 45 to produce hydrogen. L 1 H 2 product is mainly sent to the end of the rack to the client a fraction of H 2 is sent to all HDS 43 after compression in the compressor 46. Furthermore, the module 47 feeds the reformer 41B as well as HDS 43 nitrogen for startup phases. A non-zero fraction of the natural gas supplied to the facility is used as fuel for the reformer in addition to the waste gas from the PSA.
  • the reformer 41 B is a preferred reformer according to the invention: it is fueled at the end of the furnace on the convection chamber side, or substantially in its central part.
  • the rack 42 B is of length L 4B, 4A is substantially L / 2,
  • the five elements 43 to 47 are the same as those of FIG. 4A.
  • the reformer 41 B according to the invention is placed perpendicularly to the rack, at one of its ends, thus completely releasing a length of rack L 4A / 2.
  • the five functional elements can thus be distributed on both sides available the rack where they have thus twice the rack length L 48 , equivalent to L 4A (the one they have in the arrangement according to Figure 4A).
  • the arrangement of the elements 43 to 47 is chosen judiciously so as to make the best use of the space available around the rack, but also so as to minimize the lengths of pipes.
  • the element 46 (recycle compressor) which is placed substantially in front of the PSA 45 and substantially in front of I ⁇ DS 43.
  • the length of the pipes conveying the different fluids is minimized partly by the placement of the elements relative to each other. to others, but also, and especially because the rack is twice as short as in the known classic solution.
  • the arrangement of facilities for the steam reforming of a mixture of light hydrocarbons for the production of a synthesis gas and the treatment subsequent synthesis gas can significantly reduce the construction costs of the installation through the decrease:
  • the invention can also be implemented for the production of carbon monoxide and / or a mixture of both, when using a reformer equipped with a oven and a convection chamber.

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Abstract

L'invention concerne une unité pour la production et le traitement de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures comprenant au moins un reformeur à la vapeur ainsi que des éléments fonctionnels pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur et/ou le traitement du gaz de synthèse en aval du reformeur, distribués autour d'un rack de longueur L, unité dans laquelle le reformeur est placé perpendiculairement au rack et à l`une de ses extrémités et les ensembles fonctionnels sont répartis sur les deux côtés du rack de longueur L, de sorte à minimiser la taille du rack. L'invention concerne en particulier une unité de production d'hydrogène.

Description

UNITE DE PRODUCTION ET DE TRAITEMENT D'UN GAZ DE SYNTHESE COMPRENANT UN REFORMEUR A LA VAPEUR.
La présente invention est relative à une unité pour la production et le traitement d'un gaz de synthèse obtenu par reformage à partir d'un mélange d'hydrocarbures légers, du type comprenant au moins un reformeur de méthane à la vapeur (SMR) pour la production d'un gaz de synthèse, ainsi que des éléments
(ou groupes) fonctionnels indépendants pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformage et le traitement du gaz de synthèse en aval du reformage.
L'invention s'applique en particulier à une fourniture finale d'hydrogène. Dans ce cas, l'unité comprendra de façon classique, outre le reformeur à la vapeur tout ou partie des éléments fonctionnels indépendants suivants : un module d'hydro- désulfuration (hydro-desulfurization System ou HDS en langue anglaise), un ou des éléments fonctionnels de refroidissement du gaz de synthèse, un module de conversion de CO (shift en langue anglaise), éventuellement un module d'élimination de CO2, un module de séparation de l'hydrogène généralement par adsorption à modulation de pression (pressure swing adsorption ou PSA en langue anglaise), mais aussi des compresseurs ainsi que d'autres éléments techniques divers qui sont fonction des fournitures reçues de l'extérieur - du fournisseur ou du client - et mises à disposition en batterie en limite.
Ces différents éléments fonctionnels sont reliés entre eux et/ou au reformeur par un certain nombre de conduites de liaison avec leurs organes de sécurité ainsi que leurs vannes automatiques et/ou commandées à distance. Le reformeur à la vapeur comprend dans ces grandes lignes :
- une chambre de radiation, elle est équipée de tubes traversés par le mélange d'hydrocarbures et de la vapeur d'eau, c'est le lieu des réactions de reformage, la chaleur nécessaire aux réactions étant fournie par chauffage des tubes via des brûleurs alimentés en combustible et en air, - une chambre de convection, elle est le lieu de la chaîne de convection, on y récupère, via des échangeurs, la chaleur des fumées générées dans la chambre de radiation ; cette chaleur servant notamment à générer la vapeur d'eau.
L'étape de reformage à la vapeur est fréquemment précédée d'une étape de pré-reformage. De manière classique, le pré-reformeur est directement lié au reformeur et ne constitue pas un élément fonctionnel distinct. C'est la raison pour laquelle on ne le considérera pas dans la suite de la description. Il conviendra à la lecture du mot reformeur de comprendre reformeur ou groupe pré-reformeur plus reformeur. Ainsi, pour toute unité de production d'hydrogène (ou CO ou H2/CO) obtenu à partir d'un gaz de reformage issu d'un reformage à la vapeur, l'ensemble des éléments fonctionnels concernés constitutifs des unités de production est réparti autour d'un râtelier (rack en langue anglaise). Ce rack se présente sous la forme d'une structure métallique autour de laquelle sont disposés les différents éléments (éléments fonctionnels et reformeur) ; l'espace disponible sous le rack est utilisé pour le passage des différents fluides entrants et sortants (électricité, gaz, eau, produits, etc.) via des tuyaux et conduites divers, mais aussi pour l'installation de divers équipements de petite taille.
Dans un schéma d'architecture classique, l'agencement des différents éléments disposés autour du rack est réalisé de la manière suivante :
- le reformeur qu'il soit de type « top fired » ou « side fired », est un élément de forme rectangulaire à sa base, il est placé sur un côté long du rack, parallèlement à celui-ci,
- le reformeur est généralement alimenté en combustible sur l'arrière, c'est-à- dire à l'extrémité du four de reformage, à l'opposé de la chaîne de convection,
- les autres éléments fonctionnels (adsorption à modulation de pression ou PSA, hydrodésulfuration ou HDS, refroidissement du gaz de synthèse, etc..) sont situés sur l'autre côté long du rack, perpendiculairement à celui-ci,
- les fluides utiles (fluides d'alimentation, du procédé, produits, ainsi que les utilités : eau de refroidissement, air instrumentation, azote, vapeur, gaz de flare, etc.) circulent via des tuyauteries le long du rack. Ils sont pour l'essentiel alimentés et/ou évacués à une extrémité de celui-ci, au niveau de la batterie en limite, là où s'effectue la liaison avec l'extérieur.
- les conduites de liaison (tuyauteries, alimentation électrique) entre les différents ensembles fonctionnels sont disposées le long du rack.
L'objet de la présente invention est une unité de production d'un gaz ou d'un mélange gazeux obtenu par traitement d'un mélange d'hydrocarbures légers par reformage, du type comprenant au moins un reformeur de méthane à la vapeur
(SMR) pour la production d'un gaz de synthèse, ainsi que des éléments fonctionnels pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformage et le traitement du gaz de synthèse en aval du reformage. L'unité selon l'invention aura un coût de construction moins élevé grâce à une utilisation optimisée des racks par une exploitation plus complète tant du périmètre du rack que de sa surface, utilisation optimisée qui permet ainsi d'en diminuer la taille. L'invention permet aussi de diminuer les longueurs de collecteurs ainsi que de tuyauteries et de câbles pour l'alimentation électrique, les volumes de génie civil situés sous le rack et la structure du rack.
Pour cela, l'invention concerne une unité pour la production et le traitement de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comprenant au moins : - un reformeur à la vapeur,
- des éléments fonctionnels pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur et/ou le traitement du gaz de synthèse en aval du reformeur,
- un rack de forme globalement rectangulaire, présentant deux côtés longs de dimension L et deux côtés courts appelés aussi extrémités, pour la distribution dudit reformeur et desdits éléments fonctionnels, ainsi que celle des conduites permettant le transfert des fluides gazeux, liquides et électriques, caractérisé en ce que le reformeur est placé sensiblement perpendiculairement au rack et à une extrémité, et/ou les éléments fonctionnels sont répartis sur les deux côtés du rack de dimension L.
Le reformeur étant placé à l'une des deux extrémités du rack, et selon un axe sensiblement perpendiculaire à celui-ci, l'installation sera dite agencée selon une architecture « en T ». Les fluides (gazeux, liquides et électriques) sont avantageusement alimentés et/ou évacués au niveau de la seconde extrémité. Le rack tel que décrit ci-dessus est un rack de forme rectangulaire, présentant deux grands côtés de dimension L, appelés côtés longs, et deux petits côtés ou extrémités. Il est évident que sa forme peut présenter des variantes mineures et que notamment le rack peut être complété par des éléments de rack additionnels, dès lors que leurs surfaces sont très inférieures à celles du rack principal. De préférence, au moins des éléments fonctionnels étant interconnectés
(reliés directement) via des conduites, ils sont répartis de sorte à minimiser les longueurs desdites conduites.
De manière avantageuse, au moins deux éléments fonctionnels interconnectés sont placés sensiblement face à face, de part et d'autre du rack. Un des éléments fonctionnels pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur peut être un module d'hydrodésulfuration.
Lorsque au moins un fluide d'alimentation destiné à la production du gaz de synthèse est du naphta, un des éléments fonctionnels pour le traitement en amont du reformeur est un module de pré-traitement du naphta (ou module naphta).
L'invention est particulièrement adaptée pour une production d'hydrogène, ainsi un mode de réalisation préféré de l'invention concerne une unité qui comprend des éléments fonctionnels pour le traitement du gaz de synthèse en vue de produire de l'hydrogène. Dans ce cas, l'installation pour la production d'hydrogène comprend de façon avantageuse tout ou partie des éléments fonctionnels suivants :
- un ensemble d'hydrodésulfuration (HDS) pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur,
- un module de refroidissement du gaz de synthèse, - un module de purification d'hydrogène (PSA),
- un compresseur d'hydrogène recyclé pour l'alimentation de l'HDS, appelé aussi « compresseur de recycle H2 »,
- un module de démarrage à l'azote de l'HDS et du reformeur (SU Azote). Selon une autre variante de l'invention, celle-ci concerne une unité caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments fonctionnels pour le traitement du gaz de synthèse en vue de produire un mélange H2/CO.
Dans ce cas, l'installation pourra comprendre notamment tout ou partie des éléments fonctionnels suivants :
- un ensemble HDS, - un module de refroidissement du gaz de synthèse,
- un compresseur de recycle H2,
- un module de démarrage à l'azote.
Selon une autre variante de l'invention, celle-ci concerne une unité comprenant des éléments fonctionnels pour le traitement du gaz de synthèse en vue de produire (aussi) du monoxyde de carbone. Dans ce cas, elle pourra comprendre notamment outre les éléments ci-dessus :
- une unité pour l'élimination du CO2, du type MDEA par exemple,
- une boîte froide CO.
Le reformeur est du type comportant une chambre de radiation et une chambre de convection ; il s'agit typiquement d'un reformeur à la vapeur. Le reformeur sera avantageusement du type reformeur à la vapeur pour la production de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures légers à reformer comprenant au moins un four de reformage contenant des tubes de reformage pour le reformage du méthane contenu dans ledit mélange ainsi que des brûleurs destinés à fournir la chaleur nécessaire au reformage, des moyens d'alimentation en ledit mélange à reformer et en vapeur d'eau, un moyen d'alimentation du four en combustible destiné à fournir le combustible pour les brûleurs, une chaîne de convection pour la récupération des fumées en sortie de four, dans lequel le moyen d'alimentation du four en combustible est situé à l'extrémité du four, côté chambre de convection, permettant ainsi de limiter la longueur des conduits.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 A, 2A, 3A et 4A illustrent des architectures classiques selon l'art antérieur, tandis que les figures 1 B, 2B, 3B et 4B illustrent des architectures selon l'invention.
La Figure 1A présente schématiquement une installation de production et de traitement de gaz de synthèse selon un agencement classique connu.
La Figure 1 B présente schématiquement une installation comparable de production et de traitement de gaz de synthèse agencée selon l'architecture en « T » de l'invention.
La Figure 2A présente schématiquement les collecteurs d'utilités de l'installation de la Figure 1A.
La Figure 2B présente schématiquement les collecteurs d'utilités de l'installation de la Figure 1 B selon l'invention. La Figure 3A présente schématiquement les interconnections entre les ensembles fonctionnels de l'installation de la Figure 1 A.
La figure 3B présente schématiquement les interconnections entre les ensembles fonctionnels de l'installation de la Figure 1 B selon l'invention.
La Figure 4A illustre le cas particulier d'une installation classique pour la production d'hydrogène.
La Figure 4B illustre le cas particulier d'une installation équivalente à celle de la Figure 4A, mais agencée selon l'architecture « en T » de l'invention.
Il doit être entendu que l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, sur les figures 1 B à 4B notamment. En effet des installations selon l'invention ne contiendront pas tous les ensembles fonctionnels décrits, tandis que des installations selon l'invention pourront par ailleurs contenir d'autres ensembles fonctionnels.
L'installation représentée à la Figure 1 A comprend :
- un reformeur 1A du type alimenté en combustible sur l'arrière de manière classique,
- un rack 2A de longueur LA,
- six sous-ensembles ou ensembles fonctionnels distincts, référencés 3 à 8.
Le reformeur 1 A est disposé parallèlement au rack 2A, le long d'un des côtés de longueur LA. Les six ensembles fonctionnels 3 à 8 sont disposés de l'autre côté du rack 2A, perpendiculairement à celui-ci.
L'installation selon l'invention, représentée à la Figure 1 B, est comparable, elle est constituée du même nombre d'éléments de même nature, c'est-à-dire : un reformeur, un rack ainsi que les mêmes six sous-ensembles ou ensembles fonctionnels distincts, dans lesquels : - le reformeur 1 B est un reformeur préféré selon l'invention : il est alimenté en combustible à l'extrémité du four côté chambre de convection, soit sensiblement en sa partie centrale (il pourrait être alimenté à son extrémité, en utilisant des moyens d'alimentation adaptés),
- le rack 1 B est de longueur L, soit sensiblement de longueur LA/2, - les six sous-ensembles 3 à 8 sont les mêmes que ceux de la Figure 1 A.
Le reformeur 1 B selon l'invention est placé perpendiculairement au rack, à l'une de ses extrémités, libérant ainsi en totalité une longueur de rack L. Les six ensembles fonctionnels 3 à 8 peuvent ainsi être répartis sur les deux côtés disponibles du rack 2B de longueur L où ils disposent d'une longueur totale de rack 2 x L, soit équivalente à celle dont ils disposent dans l'agencement selon la figure 1A.
Sur les Figures 2A et 2B, on a représenté schématiquement les conduites destinées à alimenter en fluides utiles le reformeur ainsi que les différents ensembles fonctionnels 3 à 8 des installations des Figures 1 A et 1 B. Les fluides utiles (eau de refroidissement, air instrumentation, azote, vapeur, gaz de flare, ...) circulent ainsi via des tuyauteries regroupées au niveau du rack. Pour chaque fluide, les tuyauteries issues des différents éléments parmi 1 B, et 3 à 8 rejoignent un collecteur appelé collecteur d'utilité, disposé le long du rack qui présente donc une longueur sensiblement égale à celle du rack lui-même. Ces collecteurs assurent la distribution de l'ensemble des fluides utiles le long du rack entre les conduites dédiées aux ensembles fonctionnels ou au reformeur et les moyens d'alimentation ou d'évacuation en lesdits fluides utiles, moyens situés à l'extrémité du rack où se fait traditionnellement la liaison avec le client. Ils assurent aussi la distribution des fluides pouvant être générés par l'un des ensembles. Ainsi, là où l'installation de la figure 2A nécessite des collecteurs de longueur
2 x L, celle de la figure 2B n'a besoin que de collecteurs de longueur L. Les conduites voient de la même manière leurs longueurs divisées par 2 (diminuées de L), ce qui se traduit par une économie importante.
Par ailleurs, et selon leurs fonctions, un certain nombre d'ensembles fonctionnels doivent être interconnectés. Sur les Figures 3A et 3B, on a représenté schématiquement certaines interconnexions entre les différents ensembles fonctionnels 3 à 8 constitutifs des installations des Figures 1 A et 1 B.
Ainsi, l'ensemble fonctionnel 3 est interconnecté avec les ensembles fonctionnels 5 et 6, l'ensemble fonctionnel 4 est interconnecté avec l'ensemble fonctionnel 8 et l'ensemble fonctionnel 5 est de plus interconnecté avec les ensembles fonctionnels 6 et 7.
Sur la figure 3A, où les ensembles fonctionnels sont regroupés le long du rack et sur un seul côté, selon l'architecture classique connue, ces interconnexions nécessitent de disposer l'ensemble des tuyauteries parallèlement le long du rack, ce qui correspond à des longueurs cumulées de tuyauteries importantes, d'autant plus que la longueur du rack est importante.
Sur la figure 3B, où le reformeur est placé en bout de rack, et où les ensembles fonctionnels sont répartis de part et d'autre du rack, conformément à l'architecture « en T » selon l'invention, la longueur cumulée de tuyauteries sur rack est ainsi fortement diminuée, et ceci d'autant plus quand les éléments sont fortement interconnectés. Dans ce cas, une répartition judicieuse des éléments fonctionnels de part et d'autres du rack, disposant notamment certains éléments fonctionnels interconnectés face à face permet de créer des liens directs entre ces éléments fonctionnels et donc de libérer de l'espace au niveau du rack. L'installation pour la production d'hydrogène de la Figure 4A est une installation classique qui comprend : un reformeur 41 A du type alimenté en combustible sur l'arrière de manière connue;
- un rack 42A de longueur L4A ; - les 5 ensembles fonctionnels suivants, référencés 43 à 47 : • 43 : un ensemble d'hydrodésulfuration (HDS) pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur,
• 44 : un module de refroidissement du gaz de synthèse,
• 45 : un module de purification d'hydrogène (PSA), • 46 : un compresseur d'hydrogène recyclé pour l'alimentation de l'HDS, appelé aussi « compresseur de recycle H2 »,
• 47 : un module de démarrage à l'azote de l'HDS et du reformeur (SU Azote).
Cette installation est destinée à produire de l'hydrogène à partir d'une source d'hydrocarbures composée gaz naturel et fonctionne de la manière suivante : le gaz naturel GN alimente l'ensemble 43 d'hydrodésulfuration, puis le gaz désulfuré sortant est introduit dans le reformeur 41 A où il est reformé pour fournir un gaz de synthèse chaud. Le gaz de synthèse chaud passe dans le module 44 de refroidissement, puis est introduit dans le module 45 de purification PSA pour produire de l'hydrogène. UH2 produit est majoritairement envoyé à l'extrémité du rack vers le client, une fraction d'H2 étant envoyé à l'ensemble HDS 43 après compression dans le compresseur 46. Par ailleurs, le module 47 de démarrage à l'azote alimente le reformeur 41 A ainsi que l'HDS 43 en azote destiné aux phases de démarrage. Une fraction non nulle du gaz naturel fourni à l'installation est utilisée en tant que combustible pour le reformeur en complément du gaz résiduaire du
PSA.
Le reformeur 41 A est disposé parallèlement au rack 42A, le long d'un des côtés de longueur L4A.
Les ensembles fonctionnels 43 à 47 sont disposés de l'autre côté du rack, perpendiculairement à celui-ci.
L'ensemble des fluides circule le long du rack. Il s'agit des fluides du procédé, soit le gaz naturel, le gaz de synthèse et l'hydrogène produit, mais aussi l'azote, l'hydrogène recyclé ainsi que l'ensemble des utilités.
L'installation selon l'invention, représentée à la Figure 4B, est comparable, elle est constituée du même nombre d'éléments de même nature, c'est à dire :
- un reformeur 41 B, mais il est ici du type reformeur préféré selon l'invention c'est à dire qu'il est alimenté en combustible à l'extrémité du four côté chambre de convection, soit sensiblement en sa partie centrale.
- un rack 42B de longueur L48 ; les 5 ensembles fonctionnels suivants, référencés 43 à 47 (ils sont identiques à ceux de la figure 4A):
• 43 : un ensemble d'hydrodésulfuration (HDS) pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur, • 44 : un module de refroidissement du gaz de synthèse,
• 45 : un module de purification d'hydrogène (PSA),
• 46 : un compresseur d'hydrogène recyclé pour l'alimentation de l'HDS, appelé aussi « compresseur de recycle H2 »,
• 47 : un module de démarrage à l'azote de l'HDS et du reformeur (SU Azote).
L'installation de la Figure 4B fonctionne de la même manière que celle de la Figure 4A, c'est-à-dire de la manière suivante : cette installation est destinée à produire de l'hydrogène à partir d'une source de gaz naturel ; le gaz naturel GN alimente l'ensemble 43 d'hydrodésulfuration, puis le gaz désulfuré est introduit dans le reformeur 41 B où il est reformé pour fournir un gaz de synthèse chaud. Le gaz de synthèse chaud passe dans le module 44 de refroidissement, puis est introduit dans le module 45 de purification PSA pour produire de l'hydrogène. L1H2 produit est majoritairement envoyé à l'extrémité du rack vers le client, une fraction d'H2 étant envoyé à l'ensemble HDS 43 après compression dans le compresseur 46. Par ailleurs, le module 47 alimente le reformeur 41 B ainsi que l'HDS 43 en azote destiné aux phases de démarrage. Une fraction non nulle du gaz naturel fourni à l'installation est utilisée en tant que combustible pour le reformeur en complément du gaz résiduaire du PSA.
L'ensemble des fluides circule le long du rack. Il s'agit des fluides du procédé, soit le gaz naturel, le gaz de synthèse et l'hydrogène produit, mais aussi l'azote, l'hydrogène recyclé ainsi que l'ensemble des utilités.
- le reformeur 41 B est un reformeur préféré selon l'invention : il est alimenté en combustible à l'extrémité du four côté chambre de convection, soit sensiblement en sa partie centrale. - le rack 42B est de longueur L4B, soit sensiblement L4A/2,
- les cinq éléments 43 à 47 sont les mêmes que ceux de la Figure 4A.
Le reformeur 41 B selon l'invention est placé perpendiculairement au rack, à l'une de ses extrémités, libérant ainsi en totalité une longueur de rack L4A/2. Les cinq éléments fonctionnels peuvent ainsi être répartis sur les deux côtés disponibles du rack où ils disposent ainsi de deux fois la longueur de rack L48, équivalente à L4A (celle dont ils disposent dans l'agencement selon la figure 4A).
L'agencement des éléments 43 à 47 est choisi judicieusement de sorte à exploiter au mieux l'espace disponible autour du rack, mais aussi de sorte à minimiser les longueurs de conduites. Ainsi, l'élément 46 (compresseur de recycle) qui est placé sensiblement en face du PSA 45 et sensiblement en face de IΗDS 43. La longueur des conduites véhiculant les différents fluides est minimisée pour une part grâce au placement des éléments les uns par rapport aux autres, mais aussi, et surtout parce que le rack est deux fois plus court que dans la solution classique connue.
Ainsi donc, et comme l'illustrent les figures et exemples ci-dessus, l'agencement d'installations destinées au reformage à la vapeur d'un mélange d'hydrocarbures légers pour la production d'un gaz de synthèse ainsi qu'au traitement ultérieur du gaz de synthèse, selon l'architecture « en T » de l'invention, permet de diminuer de façon significative les coûts de construction de l'installation grâce à la diminution :
- d'un facteur sensiblement égal à deux de la longueur de rack nécessaire pour la distribution des éléments fonctionnels constituant l'installation, mais aussi
- d'un facteur moindre, mais significatif des longueurs de conduites pour ce qui concerne les tuyauteries assurant la circulation des fluides liquides et gazeux et pour ce qui concerne les câbles électriques.
Cet agencement sera d'autant plus avantageux si on utilise un reformeur dont le moyen d'alimentation du four en combustible est situé à l'extrémité du four, côté chambre de convection. Ceci permet de minimiser la longueur des conduites entre l'extrémité du rack et ledit moyen d'alimentation.
Particulièrement adaptée à la production d'hydrogène, l'invention peut aussi être mise en œuvre pour la production de monoxyde de carbone et/ou d'un mélange des deux, dès lors que l'on fait appel à un reformeur équipé d'un four et d'une chambre de convection.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Unité pour la production et le traitement de gaz de synthèse à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comprenant au moins :
- un reformeur à la vapeur, - des éléments fonctionnels pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur et/ou le traitement du gaz de synthèse en aval du reformeur,
- un rack de forme globalement rectangulaire, présentant deux côtés longs de dimension L et deux côtés courts appelés aussi extrémités, pour la distribution dudit reformeur ainsi que desdits ensembles fonctionnels, ainsi que celle des conduites permettant le transfert des fluides gazeux, liquides et électriques, caractérisé en ce que :
- le reformeur est placé sensiblement perpendiculairement au rack et à une extrémité et/ou les ensembles fonctionnels sont répartis sur les deux côtés du rack de dimension L.
2. Unité selon la revendication 1 caractérisée en ce que au moins des ensembles fonctionnels étant connectés entre eux via des conduites, ces ensembles fonctionnels sont répartis de sorte à minimiser les longueurs desdites conduites.
3. Unité selon la revendication 2 caractérisée en ce que au moins deux ensembles fonctionnels connectés l'un avec l'autre sont placés sensiblement face à face, de part et d'autre du rack.
4. Unité selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments fonctionnels pour le traitement du gaz de synthèse en vue de produire de l'hydrogène.
5. Unité pour la production d'hydrogène selon la revendication 4 comprenant tout ou partie des éléments fonctionnels suivants :
- un ensemble d'hydrodésulfuration (HDS) pour le traitement du mélange d'hydrocarbures en amont du reformeur, - un module de refroidissement du gaz de synthèse,
- un module de purification d'hydrogène (PSA),
- un compresseur d'hydrogène recyclé pour l'alimentation de l'HDS, appelé aussi « compresseur de recycle H2 », - un module de démarrage à l'azote de l'HDS et du reformeur (SU Azote)
6. Unité selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments fonctionnels pour le traitement du gaz de synthèse en vue de produire un mélange H2/CO.
7. Unité selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle comprend des éléments fonctionnels pour le traitement du gaz de synthèse en vue de produire du monoxyde de carbone.
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