WO2019020918A2 - Procédé de purification d'un courant de gaz naturel - Google Patents

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    • F25J2245/02—Recycle of a stream in general, e.g. a by-pass stream

Definitions

  • the present invention relates to a process for purifying a gas containing hydrocarbons heavier than methane, for example natural gas or a gas associated with the production of oil or a flare gas or a gaseous refinery effluent.
  • a gas containing hydrocarbons heavier than methane for example natural gas or a gas associated with the production of oil or a flare gas or a gaseous refinery effluent.
  • NNLs Natural Gas Liquids
  • LPGs liquefied petroleum gases
  • Some alternative membrane technologies make it possible to concentrate the liquid derivatives of natural gas on the residue side (retentate) of a membrane.
  • the applicant has, for example, developed a polymer fiber, resistant to liquid formation and selective towards methane with respect to hydrocarbons having more than two or more carbon atoms: light hydrocarbons (and hydrogen) while the partial pressure of heavier hydrocarbons increases on the high pressure side (residual side of the membrane) thus resulting in a partial or complete condensation of heavy hydrocarbons.
  • the inventors of the present invention have developed a solution allowing the separation of a gas stream into a fraction enriched in methane and a fraction enriched in C2 hydrocarbons and higher by minimizing methane losses during this withdrawal and while minimizing the costs of deploying this type of process
  • the present invention relates to a method for purifying a natural gas feed stream comprising methane, and hydrocarbons having at least two carbon atoms, comprising the following steps:
  • the subject of the invention is also:
  • step f A method as defined above, characterized in that the heated stream from step f) is recycled by mixing with the feed stream.
  • step b) is mixed with said at least a portion of the liquid stream from step d) before step e ).
  • step c) A process as defined above, characterized in that at least a portion of the permeate stream enriched in methane from step c) is heated by introduction into the heat exchanger implemented in step a) to against the current of the supply current to cool the latter.
  • step d characterized in that at least a portion of the liquid stream from step d) is introduced into a third phase separator pot to produce at least two phases including a liquid stream and a current gaseous.
  • feed stream refers to any composition containing hydrocarbons including at least methane.
  • the heat exchanger may be any heat exchanger, unit or other arrangement adapted to allow the passage of a number of flows, and thus allow a direct or indirect heat exchange between one or more lines of refrigerant, and a or multiple feed streams.
  • the purified stream (liquid fraction of the residue) comprises at least 50 mol% of hydrocarbons other than methane.
  • the membrane separation unit implemented during step c) has a greater selectivity for methane than for hydrocarbons having at least two carbon atoms, preferably having at least three carbon atoms and functions in the presence of liquid .
  • the methane or even the hydrogen are found in the permeate stream leaving the membrane unit while the heavier hydrocarbons than the methane are on the residue side (retentate), generating a partial or total condensation of the hydrocarbon-rich liquid residue stream comprising at least two carbon atoms.
  • the present invention consists in the combination of a membrane unit with partial or total condensation on the residue side (retentate) and a heat exchanger between the feed gas cooled by the expanded gaseous fraction or the relaxed liquid fraction of said residue in order to perform an efficient separation between methane and heavier hydrocarbons.
  • the lower temperature thus obtained for the feed stream makes it possible to increase the rate of formation of liquid hydrocarbons.
  • a natural gas feed stream 1 is introduced into a heat exchanger 2 at a temperature T1.
  • the feed stream 1 may contain methane, ethane, propane, hydrocarbons having at least four carbon atoms, CO2, aromatics, nitrogen, water, sulfur compounds ( H2S for example).
  • the feed stream 1 can be compressed via a compressor 24 for example, so that the pressure is sufficient for the proper implementation of the method according to the invention.
  • a partially condensed stream 3 exits the heat exchanger 2 at a temperature T2 less than T1.
  • the stream 3 is introduced into a phase separator pot 4 from which there emerges a liquid stream 5 'rich in water, a hydrocarbon-rich liquid stream 5 having at least two carbon atoms and a gaseous stream 6 enriched in methane.
  • the current 3 may have been expanded to a current 3 ', via a Thomson Joule valve 26 for example, prior to its entry into the separator pot 4.
  • the gas stream 6 is then introduced into a membrane separation unit 7 having a greater methane selectivity than for hydrocarbons having more than two carbon atoms and operating in the presence of liquid formation on the residue side (retentate).
  • the stream is separated into a gaseous permeate stream 8 enriched in methane and whose pressure is lower than the pressure of stream 6 and a residue stream 9 partially condensed and enriched in at least one hydrocarbon having more than two atoms. of carbons.
  • the stream 9 is introduced into a phase separator pot 10. There emerges a liquid stream 1 1 rich in hydrocarbons having at least two carbon atoms and a gas stream 12.
  • the gas stream 12 may then, at least in part, be reheated in the heat exchanger 2 to a temperature fairly close to T1 (that is, at a temperature T4 greater than T2 and at least between T2 and T1).
  • the stream 12 heats up in the heat exchanger 2 against the direction of the feed stream 1, which in turn is cooled to the temperature T2.
  • the stream 15 may then optionally be mixed with the feed stream 1 to be recycled. This recycling can take place after passage in a dedicated compressor according to the needs and operating conditions if a treated gas compressor 24 is not used.
  • the stream 12 Prior to entering the heat exchanger 2, the stream 12 is expanded 14 by means of a Joule-Thomson valve 13.
  • liquid streams 5 and 1 1, at least partly, independently or after having been mixed 17 and optionally expanded via a Joule Thomson valve 36, in the heat exchanger 2 in order to be reheated 27 and partially (or totally) vaporized and serve to cool the feed stream 1.
  • Part of the liquid stream 1 1 can be introduced into a phase separator pot 21 after having been expanded via a Joule Thomson valve 28. It emerges from this phase separator pot 21, a liquid phase 22 enriched in heavy hydrocarbons and a phase gaseous 23.
  • the gas phase 23 and / or at least a portion 18 of the permeate stream 8 enriched in methane leaving the membrane unit 7 can be introduced (after mixing or not), after optional expansion 19, in the heat exchanger 2 so serve as a source of cold for cooling the feed gas 1.
  • At least one other portion 31 of this stream 29 could be again mixed with the portion 32 of the permeate stream 8 that would not have been sent to the heat exchanger 2.

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Abstract

Procédé de purification d'un courant gazeux d'alimentation de gaz naturel comprenant du méthane et des hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone comprenant les étapes suivantes: - Etape a): Refroidissement du courant gazeux d'alimentation dans un échangeur de chaleur; - Etape b) : Introduction du courant issu de l'étape a) dans un premier pot séparateur de phases pour produire un courant liquide et un courant gazeux; - Etape c) : Séparation du courant gazeux issu de l'étape b) dans une unité de perméation membranaire d'où sort au moins un courant perméat gazeux et un courant résidu partiellement condensé; - Etape d) : Introduction du courant résidu issu de l'étape c) dans un deuxième pot séparateur de phases pour produire au un courant liquide et un courant gazeux; - Etape e) : Introduction d'au moins une partie du courant liquide issu de l'étape d) dans un moyen de détente Joule Thomson; - Etape f) : Réchauffement d'au moins une partie du courant détenduissu de l'étape e) par introduction dans l'échangeur de chaleur à contre courant du courant d'alimentation.

Description

Procédé de purification d'un courant de gaz naturel
La présente invention concerne un procédé de purification d'un gaz contenant des hydrocarbures plus lourds que le méthane, par exemple le gaz naturel ou un gaz associé à la production de pétrole ou un gaz de torche ou un effluent gazeux de raffinerie.
La plupart des unités traditionnelles utilisées pour extraire les dérivés liquides de gaz naturel (en anglais : « NGLs » pour Natural Gas Liquids) ou les gaz de pétrole liquéfiés (en anglais : « LPGs » pour Liquid Petroleum Gases) sont des unités cryogéniques. Ces dernières sont en général coûteuses et consomment beaucoup d'électricité. Certaines technologies alternatives membranaires permettent de concentrer les dérivés liquides de gaz naturel du côté résidu (rétentat) d'une membrane. La demanderesse a, par exemple, développé une fibre polymère, résistante à la formation de liquides et sélective vis- à-vis du méthane par rapport aux hydrocarbures ayant plus de deux ou plus de trois atomes de carbone : les hydrocarbures légers (et l'hydrogène) perméent alors que la pression partielle d'hydrocarbures plus lourds augmente du côté haute pression (côté résidu de la membrane) résultant ainsi en une condensation partielle voire totale des hydrocarbures lourds.
Les inventeurs de la présente invention ont mis au point une solution permettant la séparation d'un courant de gaz en une fraction enrichie en méthane et une fraction enrichie en hydrocarbures en C2 et supérieurs en minimisant les pertes de méthane lors de ce retrait et tout en minimisant les coûts nécessaires au déploiement de ce type de procédés
La présente invention a pour objet un procédé de purification d'un courant gazeux d'alimentation de gaz naturel comprenant du méthane, et des hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone comprenant les étapes suivantes :
- Etape a) : Refroidissement du courant gazeux d'alimentation dans un échangeur de chaleur ;
- Etape b) : Introduction du courant issu de l'étape a) dans un premier pot séparateur de phases pour produire un courant liquide appauvri en méthane et enrichi en hydrocarbures ayant plus de deux atomes de carbone et un courant gazeux ;
- Etape c) : Séparation du courant gazeux issu de l'étape b) dans une unité de perméation membranaire d'où sort au moins un courant perméat gazeux enrichi en méthane et un courant résidu partiellement condensé enrichi en hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone ;
- Etape d) : Introduction du courant résidu issu de l'étape c) dans un deuxième pot séparateur de phases pour produire au moins deux phases dont un courant liquide et un courant gazeux ;
- Etape e) : Introduction d'au moins une partie du courant liquide issu de l'étape d) dans un moyen de détente Joule Thomson ;
- Etape f) : Réchauffement d'au moins une partie du courant détendu issu de l'étape e) par introduction dans l'échangeur de chaleur mis en œuvre à l'étape a) à contre courant du courant d'alimentation.
Selon d'autres modes de réalisation, l'invention a aussi pour objet :
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant réchauffé issu de l'étape f) est recyclé par mélange avec le courant d'alimentation.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'au moins une partie du courant liquide issu de l'étape b) est mélangée à ladite au moins une partie du courant liquide issu de l'étape d) avant l'étape e).
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'au moins une partie du courant perméat enrichi en méthane issu de l'étape c) est réchauffée par introduction dans l'échangeur de chaleur mis en œuvre à l'étape a) à contre courant du courant d'alimentation afin de refroidir ce dernier.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que la dite au moins une partie du courant perméat issu de l'étape d) subit une détente Joule- Thomson préalablement à son introduction dans l'échangeur de chaleur.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'au moins une partie du courant liquide issu de l'étape d) est introduite dans un troisième pot séparateur de phases afin de produire au moins deux phases dont un courant liquide et un courant gazeux.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit courant gazeux en sortie du troisième pot séparateur de phases est réchauffé par introduction dans l'échangeur de chaleur mis en œuvre à l'étape a) à contre courant d'alimentation afin de refroidir ce dernier.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit courant gazeux en sortie du troisième pot séparateur de phases est mélangé au courant perméat issu de l'étape c).
L'expression "courant d'alimentation" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane.
L'échangeur de chaleur peut être tout échangeur thermique, toute unité ou autre agencement adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation.
De préférence, le courant purifié (fraction liquide du résidu) comprend au moins 50% mol d'hydrocarbures autres que le méthane.
L'unité de séparation membranaire mise en œuvre lors de l'étape c) a une sélectivité pour le méthane plus importante que pour les hydrocarbures ayant au moins deux atomes carbone, de préférence ayant au moins trois atomes de carbone et fonctionne en présence de liquide. Le méthane voire l'hydrogène se retrouvent dans le courant perméat en sortie de l'unité membranaire alors que les hydrocarbures plus lourds que le méthane sont du côté résidu (rétentat), générant une condensation partielle ou totale du courant résidu liquide riche en hydrocarbures comportant au moins deux atomes de carbone.
La présente invention consiste en la combinaison d'une unité membranaire avec condensation partielle ou totale côté résidu (rétentat) et d'un échangeur de chaleur entre le gaz d'alimentation refroidi par la fraction gazeuse détendue ou la fraction liquide détendue dudit résidu afin d'effectuer une séparation efficace entre le méthane et les hydrocarbures plus lourds. La température plus basse ainsi obtenue pour le courant d'alimentation permet d'augmenter le taux de formation d'hydrocarbures liquides.
Un exemple de mise en œuvre de la présente invention est illustré sur la figure par l'exemple suivant.
Sur la figure, un courant d'alimentation de gaz naturel 1 est introduit dans un échangeur de chaleur 2 à une température T1 . Typiquement le courant d'alimentation 1 peut contenir du méthane, de l'éthane, du propane, des hydrocarbures ayant au moins quatre atomes de carbone, du CO2, des aromatiques, de l'azote, de l'eau, des composés soufrés (H2S par exemple).
Le courant d'alimentation 1 peut être comprimé via un compresseur 24 par exemple, afin que la pression soit suffisante pour la bonne mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Un courant partiellement condensé 3 sort de l'échangeur de chaleur 2 à une température T2 inférieure à T1 .
Le courant 3 est introduit dans un pot séparateur de phases 4 d'où il ressort un courant liquide 5' riche en eau, un courant liquide 5 riche en hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbones et un courant gazeux 6 enrichi en méthane. Le courant 3 peut avoir été détendu en un courant 3', via une vanne Joule Thomson 26 par exemple, préalablement à son entrée dans le pot séparateur 4.
Le courant gazeux 6 est ensuite introduit dans une unité de séparation membranaire 7 ayant une sélectivité pour le méthane plus importante que pour les hydrocarbures ayant plus de deux atomes de carbone et fonctionnant en présence de formation de liquide côté résidu (rétentat). Dans cette unité membranaire 7, le courant est séparé en un courant perméat 8 gazeux enrichi en méthane et dont la pression est inférieure à la pression du courant 6 et un courant résidu 9 partiellement condensé et enrichi en au moins un hydrocarbure ayant plus de deux atomes de carbones.
Le courant 9 est introduit dans un pot séparateur de phases 10. Il en ressort un courant liquide 1 1 riche en hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone et un courant gazeux 12.
Le courant gazeux 12 peut ensuite, au moins en partie, être réchauffé 15 dans l'échangeur de chaleur 2 jusqu'à une température assez proche de T1 (c'est-à-dire à une température T4 supérieure strictement à T2 et au moins comprise entre T2 et T1 ). Le courant 12 se réchauffe dans l'échangeur de chaleur 2 à contre sens du courant d'alimentation 1 qui, lui, est refroidi jusqu'à la température T2.
Le courant 15 peut ensuite éventuellement être mélangé au courant d'alimentation 1 afin d'être recyclé. Ce recyclage peut avoir lieu après passage dans un compresseur dédié 25 selon les besoins et conditions opératoires si un compresseur de gaz traité 24 n'est pas utilisé.
Préalablement à son entrée dans l'échangeur de chaleur 2, le courant 12 est détendu 14 à l'aide d'une vanne Joule-Thomson 13.
II est également possible d'introduire les courants liquides 5 et 1 1 , au moins en partie, indépendamment ou après avoir été mélangés 17 et éventuellement détendus via une vanne Joule Thomson 36, dans l'échangeur de chaleur 2 afin d'être réchauffés 27 et partiellement (voire totalement) vaporisés et de servir à refroidir le courant d'alimentation 1 .
Une partie du courant liquide 1 1 peut être introduite dans un pot séparateur de phases 21 après avoir été détendue 20 via une vanne Joule Thomson 28. Il ressort de ce pot séparateur de phases 21 , une phase liquide 22 enrichie en hydrocarbures lourds et une phase gazeuse 23.
La phase gazeuse 23 et/ou au moins une partie 18 du courant perméat 8 enrichi en méthane sortant de l'unité membranaire 7 peut être introduite (après mélange ou pas), après une détente éventuelle 19, dans l'échangeur de chaleur 2 afin de servir de source de froid pour refroidir le gaz d'alimentation 1 . Il en résulte un courant 29 qui pourra servir au moins en partie de combustible 30 enrichi en méthane le cas échéant. Au moins une autre partie 31 de ce courant 29 pourrait être de nouveau mélangée à la partie 32 du courant perméat 8 qui n'aurait pas été envoyée vers l'échangeur de chaleur 2.
Il est possible également qu'une partie 33 du courant gazeux 12 en sortie du pot séparateur de phases 10 soit prélevée pour être mélangée au courant 32 ou au courant 30.
Ce mélange peut avoir lieu après des détentes via des vannes Joule-
Thomson 34 et 35 par exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de purification d'un courant gazeux d'alimentation de gaz naturel comprenant du méthane et des hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone comprenant les étapes suivantes :
- Etape a) : Refroidissement du courant gazeux d'alimentation (1 ) dans un échangeur de chaleur (2) ;
- Etape b) : Introduction du courant (3, 3') issu de l'étape a) dans un premier pot séparateur de phases (4) pour produire un courant liquide (5) appauvri en méthane et enrichi en hydrocarbures ayant plus de deux atomes de carbone et un courant gazeux (6) ;
- Etape c) : Séparation du courant gazeux (6) issu de l'étape b) dans une unité de perméation membranaire (7) d'où sort au moins un courant perméat gazeux (8) enrichi en méthane et un courant résidu (9) partiellement condensé enrichi en hydrocarbures ayant au moins deux atomes de carbone ;
- Etape d) : Introduction du courant résidu (9) issu de l'étape c) dans un deuxième pot séparateur de phases (10) pour produire au moins deux phases dont un courant liquide (1 1 ) et un courant gazeux (12) ;
- Etape e) : Introduction d'au moins une partie (16) du courant liquide (1 1 ) issu de l'étape d) dans un moyen de détente Joule Thomson (26) ;
- Etape f) : Réchauffement d'au moins une partie du courant détendu issu de l'étape e) par introduction dans l'échangeur de chaleur (2) mis en œuvre à l'étape a) à contre courant du courant d'alimentation (1 ).
2. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le courant réchauffé issu de l'étape f) est recyclé par mélange avec le courant d'alimentation (1 ).
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie (17) du courant liquide (5) issu de l'étape b) est mélangée à ladite au moins une partie (16) du courant liquide (1 1 ) issu de l'étape d) avant l'étape e).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie (18) du courant perméat (8) enrichi en méthane issu de l'étape c) est réchauffée par introduction dans l'échangeur de chaleur (2) mis en œuvre à l'étape a) à contre courant du courant d'alimentation (1 ) afin de refroidir ce dernier.
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la dite au moins une partie (18) du courant perméat (8) issu de l'étape d) subit une détente Joule-Thomson (19) préalablement à son introduction dans l'échangeur de chaleur (2).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins une partie (20) du courant liquide (1 1 ) issu de l'étape d) est introduite dans un troisième pot séparateur de phases (21 ) afin de produire au moins deux phases dont un courant liquide (22) et un courant gazeux (23).
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit courant gazeux (23) en sortie du troisième pot séparateur de phases (21 ) est réchauffé par introduction dans l'échangeur de chaleur (2) mis en œuvre à l'étape a) à contre courant d'alimentation (1 ) afin de refroidir ce dernier.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit courant gazeux (23) en sortie du troisième pot séparateur de phases (21 ) est mélangé au courant perméat (8) issu de l'étape c).
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