WO2019141909A1 - Procede de traitement d'un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone - Google Patents

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WO2019141909A1
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retentate
line
fluidly connected
membrane
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Phuc-Tien THIERRY
Denis Chretien
Claire Weiss
Salim AZZI
Aneke IGWUME
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    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a membrane-type treatment method of a natural gas from a deposit for extracting the fraction of carbon dioxide that it contains in order to be able to reinject it within the deposit.
  • the invention also relates to an installation adapted to the implementation of this method.
  • Natural gas purification processes must therefore be able to produce carbon dioxide of sufficient quality and be capable of processing a natural gas comprising an increasing fraction of carbon dioxide.
  • carbon dioxide is compressed using a compressor, which can increase the energy bill for this type of process.
  • Another type of treatment relies on cryogenic processes. Their energy interest is even greater than the concentration of carbon dioxide in the original gas is high.
  • An example of a cryogenic process is given in US 4,152,129.
  • a finishing treatment, for example of the amine type is therefore essential if a severe carbon dioxide specification is required.
  • this method is difficult to achieve in a modular manner.
  • membrane modules are another type of treatment.
  • the applications of these membrane modules for medium carbon dioxide gases have greatly increased in recent years.
  • the membrane surface required depends on the composition of the natural gas to be treated, the gas pressure at the inlet of the modules and the pressure of the permeate.
  • Membrane module treatment is advantageous for relatively high carbon dioxide concentrations and for a certain range of "inlet / permeate" partial pressure ratios. It is also possible to provide several treatment stages by membrane module to concentrate the carbon dioxide in the permeate, which requires the provision of intermediate compressions of the permeate. The reinjection of carbon dioxide requires additional compression, from the low pressure of the final permeate, which further increases the energy bill for this type of process.
  • the first stage of treatment extracts carbon dioxide at a moderate rate so as not to cause too much natural gas such as methane to reach the required purity of carbon dioxide.
  • the retentate obtained comprising a large fraction of carbon dioxide is sent to the second treatment stage in which the carbon dioxide is extracted at a high rate so that to obtain a retentate having a satisfactory purity.
  • a significant amount of natural gas from the second stage of treatment passes into the permeate. The carbon dioxide thus produced does not meet the required specifications and, after compression, is recycled to the inlet of the first treatment stage.
  • the first treatment stage allows a strong extraction of the carbon dioxide in order to obtain a fraction of natural gas having directly the required specifications.
  • This first stage of treatment results in a significant loss of natural gas in the permeate which is recovered in the second stage of treatment after compression.
  • the production of permeate is limited so as not to affect the purity of the carbon dioxide produced in the second permeate.
  • the retentate produced is therefore a mixture that does not satisfy any of the purities required for natural gas and carbon dioxide and is recycled to the inlet of the first treatment stage.
  • the fraction of gas passing through the membrane and the resulting retentate and permeate compositions depend on the relative partial pressures of CO 2 , methane and other constituents of the gas to be treated.
  • the feed of the second treatment stage also depends on the composition of the feed gas.
  • the increase in the carbon dioxide content in the feed gas is achieved by increasing the membrane surface of the first treatment stage.
  • the surface becomes so large that the gas is sufficiently purified to reduce the need for membrane surface at the second treatment stage, resulting in a total excess membrane as the carbon dioxide content in the feed gas increases.
  • the installed surface of the second treatment stage becomes partly unused because the purified natural gas at the first treatment stage requires less treatment at the second treatment stage.
  • the total power consumed in the treatment unit is constant, its distribution between the recycle compressor and the carbon dioxide injection in the reservoir varies greatly complicating the design of the machines.
  • the membrane surface of the second treatment stage that must be increased to compensate for the increase in the carbon dioxide content in the natural gas to be treated.
  • the area required for the first stage of treatment eventually decreases, so that the required total area varies substantially less than in the retentate mode, so that the installed area is almost fully utilized regardless of the evolution of the content of the surface.
  • Carbon dioxide in the feed gas allows for efficient use of the invested membrane surface.
  • the invention relates to a method for treating a natural gas containing carbon dioxide in an installation that comprises a plurality of membrane modules,
  • the first treatment stage and the second treatment stage being fluidly connected in retentate or permeate mode, wherein when one of the treatment stages requires less membrane surface for gas treatment and the other treatment stage requires more membrane surface for gas treatment, then the process includes a reassignment step to the stage requiring more membrane surface of at least one membrane module assigned to the floor requiring less membrane surface.
  • the method of treating a natural gas of the present invention overcomes the disadvantages of the state of the art.
  • the membrane surface requirement of the treatment stages is a function of the carbon dioxide content in the natural gas to be treated, this content being caused to change over time.
  • the method which is the subject of the present invention makes it possible to modulate and optimize the membrane surface required by each treatment stage for the treatment of a natural gas, as a function of the evolution of the carbon dioxide content in this natural gas. by limiting the number of membrane modules to be provided for the entire installation.
  • the optimization of the membrane-type natural gas treatment according to the invention is carried out by adapting the membrane surface of the two treatment stages by transfer of at least one membrane module of a stage requiring less than Membrane surface to another floor requiring more membrane surface.
  • the number of membrane modules of the stage requiring less membrane surface to be reassigned to the floor requiring more membrane surface may depend on the carbon dioxide content in the natural gas, in particular its increase.
  • the number of membrane modules of the stage requiring less membrane surface to be reassigned to the floor requiring more membrane surface may depend on the evolution of the pressure of the natural gas.
  • the two treatment stages can be fluidly connected in retentate mode and the installation can furthermore comprise:
  • each of the membrane modules comprising an inlet, a permeate outlet and a retentate outlet; wherein, in the first processing stage, all of the module inputs are fluidly connected to the supply line, the set of permeate module outputs are fluidly connected to the permeate collection line, and the all of the retentate module outputs are fluidly connected to the retentate transfer line, itself fluidly connected to the transfer input line;
  • the step of reassigning the second treatment stage to the first treatment stage comprising:
  • the two treatment stages can be fluidically connected in permeate mode, and the installation can furthermore comprise:
  • each of the membrane modules comprising an inlet, a permeate outlet and a retentate outlet;
  • the step of reassigning the first treatment stage to the second treatment stage comprising:
  • the invention relates to a method of treating a natural gas containing carbon dioxide in an installation which comprises membrane modules,
  • the treatment of the natural gas is carried out according to the retentate mode, then when the carbon dioxide content present in the natural gas reaches a given value, the treatment of the natural gas is carried out according to the permeate mode, or -
  • the natural gas treatment is performed in the permeate mode, then when the carbon dioxide content in the natural gas reaches a given value, the natural gas treatment is carried out according to the retentate mode.
  • the natural gas treatment of the invention can advantageously be optimized by adapting the procedure to be followed during treatment, in particular by sequentially going from one operating mode to another.
  • another more economical operating mode for the treatment of a natural gas according to the evolution of the carbon dioxide content in natural gas that is to say to go from the retentate mode permeate mode and vice versa.
  • the installation can comprise:
  • each of the membrane modules comprising an inlet, a permeate outlet and a retentate outlet
  • the first treatment stage and the second treatment stage being in series of permeate so that:
  • all the module inputs are fluidly connected to the supply line
  • the set of retentate module outputs are fluidly connected to the retentate collection line
  • all the outputs permeate modules are fluidly connected to the permeate transfer line, itself fluidly connected to the transfer input line;
  • all the module inputs are fluidly connected to the transfer input line
  • the set of permeate module outputs are fluidly connected to the permeate collection line
  • all retentate module outputs are fluidly connected to the retentate transfer line, itself fluidly connected to the supply line;
  • the passage from permeate mode to retentate mode is carried out as follows: the fluidic disconnection of the inlet, the permeate outlet and the retentate outlet of the membrane modules; and fluidically connecting the inlet, the permeate outlet, and the retentate outlet of at least a portion of the membrane modules so that:
  • all the module inputs are fluidly connected to the supply line
  • the set of permeate module outputs are fluidly connected to the permeate collection line
  • all the outputs retentate module are fluidly connected to the retentate transfer line, itself fluidly connected to the transfer input line;
  • all of the module inputs are fluidly connected to the transfer input line
  • the set of retentate module outputs are fluidly connected to the retentate collection line
  • all permeate module outputs are fluidly connected to the permeate transfer line, itself fluidly connected to the supply line.
  • the installation implemented may further comprise a compressor adapted to compress the permeate recovered in the permeate transfer line.
  • the treatment of the natural gas containing a certain carbon dioxide content requires a total required membrane surface S r , the membrane modules providing a total available area, wherein when the total available membrane area exceeds the total area required for the separation of the carbon dioxide, the pressure of the permeate can be increased on any of the stages of the unit.
  • the increase of the pressure of the permeate can be achieved by:
  • the natural gas treatment method according to the invention additionally allows the adjustment of the pressure of the permeate in order to make maximum use of the membrane surface installed at the treatment stages and to reduce the energy consumption of this installation.
  • the natural gas treatment process according to the invention is particularly advantageous when the content of carbon dioxide present in the natural gas to be treated increases with time.
  • the invention also relates to a plant for treating a natural gas containing carbon dioxide, comprising: a supply line;
  • each of the membrane modules comprising an input fluidically connectable to the supply line and the transfer input line, a retentate outlet fluidly connectable to the retentate collection line and the transfer line retentate, and a permeate outlet fluidly connectable to the permeate collection line and the permeate transfer line, each of the membrane modules being fluidly isolable from the lines;
  • valve system adapted to allocate a portion of the membrane modules to a first treatment stage and another portion of the membrane modules to a second treatment stage so that:
  • all the module inputs are fluidly connected to the supply line
  • the set of permeate module outputs are fluidly connected to the permeate collection line
  • all the outputs retentate module are fluidly connected to the retentate transfer line, itself fluidly connected to the transfer input line;
  • all of the module inputs are fluidly connected to the transfer input line
  • the set of retentate module outputs are fluidly connected to the retentate collection line
  • all permeate module outputs are fluidly connected to the permeate transfer line, itself fluidly connected to the supply line;
  • all the module inputs are fluidly connected to the supply line
  • the set of retentate module outputs are fluidly connected to the retentate collection line
  • all the outputs permeate modules are fluidly connected to the permeate transfer line, itself fluidly connected to the transfer input line;
  • all the module inputs are fluidly connected to the transfer input line
  • the set of permeate module outputs are fluidly connected to the permeate collection line
  • all module outputs retentate are fluidly connected to the retentate transfer line, itself fluidly connected to the feed line.
  • Figure la schematically shows a conventional installation in serial operating mode of the retentate in which the first stage of treatment and the second stage of treatment are fluidly connected in retentat mode.
  • Fig. 1b schematically shows a conventional plant in serial operating mode of the permeate in which the first process stage and the second process stage are fluidically connected in permeate mode.
  • Figure 2 schematically shows an installation for implementing the method of the invention.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c schematically represent an installation for implementing the method of the invention in which the first treatment stage and the second treatment stage are connected fluidly in retentate mode, and in which a membrane module of the second treatment stage is reassigned to the first stage of treatment.
  • FIGS. 4a, 4b and 4c schematically represent an installation for carrying out the method of the invention in which the first treatment stage and the second treatment stage are fluidically connected in permeate mode, and in which a membrane module of the first treatment stage is reassigned to the second stage of treatment.
  • FIG. 5 is a graph showing the evolution of the membrane surface used by a method of the invention comprising steps of reallocation of the membrane modules and a step of passing from the permeate mode to the retentate mode.
  • Figure 6 is a graph showing the evolution of the total power required for the operation of the method of the invention comprising steps of reallocation of the membrane modules and a step of permeate mode to retentate mode.
  • Figure 7 is a graph showing the evolution of membrane surfaces required of a prior art process in which the first treatment stage and the second treatment stage are fluidly connected in retentate mode.
  • FIG. 8 is a graph showing the evolution of the power consumed by a method of the prior art in which the first treatment stage and the second treatment stage are fluidly connected in retentate mode.
  • Figure 9 is a graph showing the evolution of membrane surfaces required of a prior art process in which the first treatment stage and the second treatment stage are fluidically connected in permeate mode.
  • Figure 10 is a graph showing the evolution of the power consumed by a method of the prior art in which the first treatment stage and the second treatment stage are fluidically connected in permeate mode.
  • the installation I comprises:
  • Each of the membrane modules M comprises an input EM fluidly connectable to the supply line LA and to the transfer input line LET, a retentate output SR fluidically connectable to the retentate collecting line LCR and to the transfer line. LTR retentate, and a permeate outlet SP fluidly connectable to the LCP permeate collection line and the LTP permeate transfer line.
  • Each of the membrane modules M can be fluidly isolated from the lines.
  • the valve system SV is adapted to allocate a part of the membrane modules M to a first treatment stage El and another part of the membrane modules M to a second treatment stage E2 according to a retentate series procedure (or "retentate mode") or a series procedure of the permeate (or "permeate mode").
  • membrane module means a unit comprising an inlet EM, a permeate outlet SP and a retentate outlet SR connectable to lines described above.
  • Each of the membrane modules M may comprise one or more membrane elements connected in series or in parallel and making it possible to purify the natural gas by separating it from the impurities it comprises, in particular C0 2 .
  • a membrane module M is the smallest gas permeation object that can be isolated from the others, in particular by the SV valve system.
  • the membrane module M may be of the frontal membrane separation type, with tangential membrane separation at cocurrent, with tangential membrane separation with counterflow or with tangential membrane separation with cross currents.
  • a membrane module M is composed of one or more membrane elements that can be chosen from a spiral planar membrane or a hollow fiber membrane.
  • Such an installation I allows both the allocation of membrane modules M to one or other of the treatment stages E1, E2, the reassignment to one of the treatment stages of one or more membrane modules M previously assigned to the other of the treatment stages according to the evolution of the operating parameters, and the passage of the operating mode between a retentate mode or a permeate mode.
  • the valve system SV may further comprise for each of the membrane modules M:
  • a feed-module pipe CAM fixed at one of its ends to the feed line LA and at the other end thereof to the inlet EM of the membrane module M, the supply-module pipe CAM comprising a valve VAM allowing flow control within it, including its obstruction;
  • a transfer-module line CTM fixed at one of its ends to the transfer input line LET and at the other of its ends to the input EM of the membrane module M, the transfer-module line CTM comprising a valve VTM allowing flow control within it, including its obstruction;
  • a CTR retentate transfer-modulus conduit attached at one of its ends to the retentate output SR of the membrane module M and attached at the other end thereof to the retentate transfer line LTR, the module-transfer conduit retentate CTR comprising a VTR valve for controlling the flow rate of the retentate circulating therein, including its obstruction;
  • the module-collection conduit CCR retentate comprising a VCR valve for controlling the flow rate of the retentate circulating therein, including its obstruction;
  • a CTP permeate transfer-modulus conduit attached at one of its ends to the permeate outlet SP of the membrane module M and attached at the other end thereof to the permeate transfer line LTP, the module-transfer conduit permeate CTP comprising a VTP valve for controlling the flow rate of the permeate circulating therein, including its obstruction;
  • the module-collection conduit of permeate PCC comprising a VCP valve for controlling the flow of permeate circulating therein, including its obstruction.
  • the SV valve system may further include:
  • a CAR retentate transfer-supply line attached at one of its ends to the LTR retentate transfer line and at the other end thereof to the LA feed line, the CAR retentate transfer-feed line comprising a VAR valve for controlling the flow of the retentate circulating therein, including its obstruction;
  • CER retentate transfer-inlet line attached at one end to the LTR retentate transfer line and at the other end to the LET transfer line, the CER retentate transfer-inlet line comprising a VER valve for controlling the flow rate of the retentate circulating therein, including its obstruction;
  • a CAP permeate transfer-feed line attached at one end to the LTP permeate transfer line and at the other end to the LA feed line, the CAP permeate transfer-feed line comprising a VAP valve for controlling the flow rate of the permeate circulating therein, including its obstruction; and a CEP permeate transfer-inlet conduit attached at one end to the LTP permeate transfer line and at the other end thereof to the LET transfer line, the permeate transfer-inlet conduit CEP comprising a VEP valve for controlling the flow of permeate circulating therein, including its obstruction.
  • each valve may be selected from a gate valve, a gate valve, a plug valve, a gate valve, a butterfly valve, a piston valve, a needle valve and a diaphragm valve.
  • the valves mentioned above are all-or-nothing valves (with the exception of the valves of the bypass lines if they are provided which are preferably valves for regulating the flow rate including the obstruction) .
  • valve system SV may further include a valve control for electrical control of the opening and closing of the valves.
  • valves are coupled in pairs so that if one of them is open, the other is closed. Coupling pairs are:
  • valves VAR and VER the valves VAR and VER;
  • valves VAP and VEP are the valves VAP and VEP.
  • valves VTR, VCR, VTP, and VCP can also be coupled together so that only one or the other of the following configurations can be achieved when the membrane module Corresponding M is in operating mode:
  • VTR and VCP valves are open, the VTP and VCR valves are closed; and the VTP and VCR valves are open, the VTR and VCP valves are closed.
  • the plant I may further comprise a recycle compressor CompTR in the permeate transfer line LTP in order to compress the permeate recovered therein.
  • the recirculation compressor CompTR is adapted to increase the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the second treatment stage E2 in the permeate transfer line LTP, this compressed permeate can then be injected into the membrane module M of the first treatment stage El.
  • the recirculation compressor CompTR is adapted to increase the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 in the LTP permeate transfer line, this compressed permeate can then be injected into the membrane module M of the second treatment stage E2.
  • the installation I may further comprise a CompTP reinjection compressor in the LCP permeate collection line for compressing the permeate recovered therein. This compressed permeate comprising CO 2 can then be injected into a petroleum deposit.
  • the CompTP reinjection compressor is adapted to increase the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 in the LCP permeate collection line, this compressed permeate can then be reinjected into the gas field.
  • the CompTP reinjection compressor is adapted to increase the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the second treatment stage E2 in the LCP permeate collection line, this compressed permeate can then be reinjected into the gas field.
  • compressor means a device for increasing the pressure of a gas.
  • first and second compressors may be rotary compressors comprising separately selected blades from a centrifugal compressor, an axial compressor or a helical compressor.
  • the installation I may also comprise at least one of: a BAP bypass line of the membrane modules connecting the feed line LA directly to the permeate collection line LCP (bypass BAP) for sampling a part of the gas present in the feed line and bring it directly to the permeate collection line; a BAR bypass line of the membrane modules connecting the feed line LA directly to the collection line of the retentate LCR (bypass BAR) for the removal of a portion of the gas present in the feed line LA and bring it directly at the LCR retentate collection line; a BTP bypass line of the membrane modules connecting the LET transfer input line directly to the LCP permeate collection line (BTP bypass) for the removal of a portion of the gas present in the LET transfer input line and bring it directly to the LCP permeate collection line; and a BTR bypass line of the membrane modules connecting the LET transfer input line directly to the collection line of the LCR retentate (bypass BTR) for the removal of a portion of the gas present in the LET transfer input line and
  • each bypass comprises a pipe and a corresponding valve: the ends of the pipe of the BAP bypass are connected to the supply line LA and the permeate collection line LCP; the ends of the BAR bypass line are connected to the LA feed line and the LCR retentate collection line; the ends of the BTP bypass line are connected to the LET transfer line and the LCP permeate collection line; and the ends of the BTR bypass line are connected to the LET transfer input line and the LCR retentate collection line.
  • FIG. 2 A second possibility is illustrated in FIG. 2: the BAP bypass and BTP bypass share a BPP bypass line to the LCP permeate collection line, one of its ends being connected to this permeate collection line LCP, the another of its ends being bifurcated to connect to both the LA feed line and the LET transfer line, a valve being provided on each of the bifurcations; and bypass BAP and bypass BTR shares an BPR bypass line to the LCR retentate collection line, one of its ends being connected to this LCR retentate collection line, the other of its ends being bifurcated to connect at both the LA feed line and the LET transfer line, a valve being provided on each of the bifurcations.
  • bypass BAP and bypass BAR share a bypass line from the feed line LA, one of its ends being connected to this feed line LA, the other of its ends being bifurcated to connect to both the LCP permeate collection line and the LCR retentate collection line, a valve being provided on each of the bifurcations; and the BTP and bypass bypass BTR share a bypass line from the LET transfer input line, one of its ends being connected to this LET transfer input line, the other of its ends being bifurcated to connect to both the LCP permeate collection line and the LCR retentate collection line, with one valve provided on each of the bifurcations.
  • the allocation of the membrane modules M in the retentate mode is carried out in the following manner (see FIGS. 1a and 3a).
  • the set of inputs EM of the membrane modules M are fluidly connected to the supply line LA
  • the set of permeate outputs SP are fluidly connected to the permeate collection line LCP
  • the set of retentate outputs SR are fluidly connected to the retentate transfer line LTR, itself fluidly connected to the LET transfer input line.
  • the allocation of membrane modules M to the first treatment stage El can be easily performed by:
  • the set of inputs EM of the membrane modules M are fluidly connected to the transfer input line LET
  • the set of retentate outputs SR are fluidly connected to the LCR retentate collection line.
  • the set of permeate outlets SP are fluidly connected to the permeate transfer line LTP, itself fluidly connected to the feed line LA.
  • the allocation of membrane modules M to the second treatment stage E2 can be easily performed by:
  • the retentate outputs SR of the membrane modules M of the first processing stage E1 are fluidly connected to the inputs EM of the membrane modules M of the second treatment stage E2.
  • the table below summarizes the different connections in retentat mode:
  • the table below summarizes the open or closed state of the valves in retentate mode:
  • the allocation of the membrane modules M in the permeate mode is carried out as follows (see FIGS. 1b and 4a).
  • the set of inputs EM of the membrane modules M are fluidly connected to the supply line LA
  • the set of retentate outputs SR are fluidly connected to the collection line of retentate LCR
  • the set of permeate outlets SP are fluidly connected to the permeate transfer line LTP, itself fluidly connected to the transfer input line LET.
  • the allocation of membrane modules M to the first treatment stage El can be easily performed by:
  • the set of inputs EM of the membrane modules M are fluidly connected to the transfer input line LET
  • the set of permeate outputs SP are fluidly connected to the LCP permeate collection line.
  • all of the retentate outputs SR are fluidly connected to the retentate transfer line LTR, itself fluidly connected to the LA feed line.
  • the allocation of membrane modules M to the second treatment stage E2 can be easily performed by:
  • the permeate outlets SP of the membrane modules M of the first treatment stage are fluidly connected to the module EM inputs of the membrane modules M of the second treatment stage E2.
  • the table below summarizes the different connections in the permeate mode:
  • the present invention relates to a method of treating a natural gas containing carbon dioxide in an installation I which comprises a plurality of membrane modules M, for example as described above.
  • the term "natural gas” a gaseous mixture comprising hydrocarbons such as methane, ethane, propane and butane and impurities such as carbon dioxide (C0 2 ).
  • the CO 2 content in the natural gas to be treated by the process of the present invention may be 10 mol%. at 80 mol%. In the vast majority of cases, this C0 2 content in natural gas increases over time. However, the present invention is not limited to this case can be used also in the case where the CO 2 content in natural gas decreases over time, or more generally fluctuates with time.
  • the natural gas to be treated by the process of the present invention is introduced into the membrane module M via the inlet EM.
  • a permeate comprising CO 2 is recovered at the permeate outlet SP while a retentate comprising the natural gas is recovered at the SR retentate outlet.
  • the permeate and the retentate are thus recovered separately at the outlet of the membrane module M thus allowing purification of the natural gas.
  • the C0 2 recovered can be injected into a petroleum field and the purified natural gas can be marketed after possible treatments.
  • Part of the membrane modules M are assigned to a first treatment stage E1 defining a membrane surface and another part of the membrane modules M are assigned to a second treatment stage E2 defining a membrane surface.
  • the membrane surface of each of the treatment stages necessary for treating the natural gas to be treated depends on the content of CO 2 in the gas to be treated.
  • the first treatment stage E1 and the second treatment stage E2 can be connected fluidically either in retentate mode or in permeate mode.
  • the CO 2 content in the natural gas may require a total required membrane surface S r , the membrane modules M providing a total available surface, when the total available membrane area exceeds the total area required for the separation of C0 2 , while the pressure of the permeate can be increased on any of the stages of the installation I.
  • This pressure increase can be carried out by the CompTR recycle compressor or the CompTP reinjection compressor.
  • the natural gas to be treated comprising CO 2 is introduced into each membrane module M of the first treatment stage El via their inputs EM via the feed line LA.
  • the permeate of the first treatment stage El comprising the CO 2 is recovered at the permeate outlet SP of each membrane module M of the first treatment stage E1 in the permeate collection line LCP.
  • the retentate of the first treatment stage comprising the natural gas and residual CO 2 is recovered via the retentate outlet SR of each membrane module M of the first treatment stage E1 in the retentate transfer line LTR.
  • the retentate of the first treatment stage E1 is then introduced into each membrane module M of the second treatment stage E2 via their inputs EM by the transfer input line LET.
  • the membrane module (s) M of the second treatment stage E2 make it possible to improve the purification of the natural gas by separating it from the residual C0 2 .
  • the retentate of the second treatment stage E2 comprising the purified natural gas is recovered via the retentate outlet SR of each membrane module M of the second treatment stage E2 in the LCR retentate collection line.
  • the permeate of the second treatment stage E2 comprising the residual C0 2 is in turn recovered via the permeate outlet SP of each membrane module M of the second treatment stage E2 in the permeate transfer line LTP. This permeate is then introduced into each membrane module M of the first treatment stage E1 via the feed line LA to increase the amount of C0 2 recovered in the permeate collection line LCP.
  • the permeate of the first treatment stage E1 may comprise more than 75 mol%. of C0 2 , in particular of 80 mol%. at 99 mol%. of C0 2 , especially 94% mol. at 97 mol% CO 2 , for example about 95 mol%
  • the retentate of the second treatment stage E 2 may comprise more than 75 mol%. natural gas, in particular 80 mol%. at 99 mol%. natural gas, especially 94 mol%. at 98 mol%. of natural gas.
  • the permeate of the first treatment stage E1 comprising C0 2 can be reinjected into a petroleum deposit.
  • the retentate of the second treatment stage E2 comprising purified natural gas may be marketed.
  • the retentate method may further comprise increasing the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the second treatment stage E2 in the LTP permeate transfer line.
  • the method according to the retentate mode further comprises increasing the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 in the permeate collection line LCP.
  • the natural gas to be treated comprising CO 2 is introduced into each membrane module M of the first treatment stage El via their input EM via the feed line LA.
  • the retentate of the first treatment stage E1 comprising purified natural gas is recovered via the retentate outlet SR of each membrane module M of the first treatment stage E1 in the retentate collecting line LCR.
  • the permeate of the first treatment stage E1 comprising C0 2 and residual natural gas is recovered via the permeate outlet SP of each membrane module M of the first treatment stage E1 in the LTP permeate transfer line. This permeate is then introduced into the membrane modules M of the second treatment stage E2 via their input EM via the transfer input line LET.
  • the membrane module (s) M of the second treatment stage E2 makes it possible to reduce the content of residual natural gas in the C0 2 by separating the residual natural gas from the C0 2 .
  • the membrane module (s) M of the second treatment stage E2 therefore makes it possible to improve the quality of the C0 2 so that it can be injected into a petroleum deposit.
  • the permeate of the second treatment stage E2 comprising C0 2 is recovered via the permeate outlet SP of each membrane module M of the second treatment stage E2 in the permeate collection line LCP.
  • the retentate of the second treatment stage E2 comprising natural gas is recovered via the output of the retentate module SR of each membrane module M of the second treatment stage E2 in the retentate transfer line LTR. This retentate is then introduced into each membrane module M of the first treatment stage E1 via the feed line LA to increase the amount of purified natural gas recovered in the LCR retentate collection line.
  • the purified natural gas recovered in the LCR retentate collection line may be marketed after possible subsequent treatments.
  • the C0 2 recovered in the permeate collection line LCP can be injected into a petroleum deposit.
  • the permeate of the second treatment stage E2 may comprise more than 75 mol%. of C0 2 , in particular of 80 mol%. at 99 mol%. of C0 2 , especially 94% mol. at 97 mol% C0 2 ,
  • the retentate of the first treatment stage E1 may comprise more than 75 mol%. natural gas, in particular 80 mol%. at 99 mol%. natural gas, especially 94 mol%. at 95 mol%. of natural gas.
  • the permeate of the second treatment stage E2 comprising CO 2 can be re-injected into a petroleum deposit.
  • the retentate of the first treatment stage E1 comprising natural gas may be marketed.
  • the permeate method may further comprise increasing the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 in the permeate transfer line LTP.
  • the method according to the retentate mode further comprises increasing the pressure of the permeate recovered via the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 in the permeate collection line LCP.
  • all the membrane modules M for the first and second treatment stages E1, E2 are pooled.
  • the method comprises a stage reassignment step requiring more membrane surface of at least one membrane module M assigned to the stage requiring less membrane surface.
  • the membrane surface of each of the treatment stages depends on the number of membrane modules M allocated to each stage.
  • the number of membrane modules M to be reassigned from one stage to another may depend on the C0 2 content in natural gas, mainly the increase in this content, but may also depend on the decrease or variation in this content.
  • the number of membrane modules M of the floor requiring less membrane surface to be reassigned to the floor requiring more membrane surface may also depend on the evolution of the pressure of the natural gas.
  • the step of reallocating the process that is the subject of the present invention makes it possible to modulate the membrane surface required by each treatment stage and thus to optimize the total membrane surface of the plant I.
  • the total membrane surface installed can be decreased.
  • the step of reallocating the process makes it possible to optimize the power consumed by the method (see the examples).
  • the reallocation of membrane modules M according to the needs is not necessarily carried out continuously, but is preferably carried out in steps, the steps corresponding for example to the intervals (in% mol.) Of C0 2 content of the gas to be treated. following:] 10; 20]; ] 20; 30] ; ]30 ; 40]; ] 40; 50]; ] 50; 60]; ] 60; 70]; and] 70; 80]
  • Others bearings may be provided, for example in place of the bearings] 30; 40]; ] 40; 50] and] 50; 60], it is possible to have] 30; 44]; ] 44; 60] instead (1 step less).
  • a bypass of the second permeate treatment stage or of the first retentat treatment stage may be provided. This bypass takes a portion of the gas arriving at the inlet of the second treatment stage E2 in permeate mode or the first treatment stage El in retentate mode to direct it to the LCP permeate collection line.
  • a bypass of the first permeate processing stage or the second retentat processing stage may be provided. This bypass takes a portion of the gas arriving at the entrance of the first treatment stage El in permeate mode or the second treatment stage E2 in retentate mode to direct it directly to the collection line of the retentate LCR.
  • the reallocation step of the process of the invention can be implemented when the content of C0 2 in the natural gas reaches a threshold value, Tco2 Sem1 ⁇
  • the threshold value Tco2 Seml depends on various parameters such as the pressure of CO 2 , the content of C0 2 , the specifications, the membrane system, the performance of the membranes ....
  • the threshold value T C o2 Seml is 10 mol%. at 75 mol%, especially 20 mol%. at 60 mol%, especially 30 mol%. at 50 mol%.
  • the method may comprise increasing the pressure of the permeate which is recirculated, in particular via the recycle compressor CompTR, that is to say the pressure of the permeate recovered at the permeate outlet SP of the second treatment stage E2, in which case the method may further comprise injecting the compressed permeate, in particular via the CompTR recycle compressor, at the inlet of the first treatment stage El.
  • the method may furthermore comprise increasing the pressure of the permeate recovered at the permeate outlet SP of the first treatment stage E1. This compressed permeate, in particular via the CompTP reinjection compressor, comprising C0 2 can then be injected into a deposit. oil.
  • the increase in permeate pressure can be achieved by decreasing the speed of rotation of the CompTR recycle compressor or by changing the orientation of the bladders of the CompTR recycle compressor.
  • the increase in permeate pressure can be achieved by decreasing the rotational speed of the CompTP feedback compressor or by changing the orientation of the blades of the CompTP feedback compressor.
  • the permeate pressure at the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 can be from 0.1 bar to 10 bar, in particular from 1 bar to 7 bar, more particularly from 1.5 bar to 5 bar.
  • the permeate pressure at the permeate outlet SP of the membrane module M of the second treatment stage E2 can be from 0.1 bar to 10 bar, in particular from 1 bar to 7 bar, more particularly from 1.5 bar to 5 bar.
  • the inlet pressure EM of the membrane module M of the first treatment stage E1 or of the membrane module M of the second treatment stage E2 can be from 20 bar to 120 bar, in particular from 40 bar to 100 bar, more particularly from 60 bar to 90bar.
  • the reassignment stage of the second treatment stage E 2 to the first processing stage E1 comprises the following steps: the fluidic disconnection of the input EM, the retentate output SR and the permeate output SP of the membrane module or modules M to be reassigned; the fluidic connection of the input EM of the membrane module (s) M to reassign to the power supply line LA;
  • the step of reallocating one or more membrane modules M from the second processing stage E2 to the first processing stage E1 can be implemented very simply in the following manner.
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by closing the open valves which establish the fluidic connection:
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by opening the closed valves establishing the fluidic connection:
  • the step of reassigning the first treatment stage El to the second stage of treatment E2 comprises the following steps:
  • the step of reallocating one or more membrane modules M from the first treatment stage E1 to the second treatment stage E2 can be implemented very simply, in particular by means of the valve system SV, in the following manner.
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by closing the open valves which establish the fluidic connection:
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by opening the closed valves establishing the fluidic connection:
  • the first treatment stage El and the second treatment stage E2 are fluidically connected in permeate mode.
  • the realignment step of the process of the invention can be carried out when the C0 2 content in the natural gas reaches a threshold value, T C o 2.
  • the threshold value T C o 2 Seml depends on various parameters such as C0 2 pressure, the content of C0 2, the specifications, the membrane system, the membrane performance ....
  • the tCO2 SEML threshold value is 10% mol. at 75 mol%, especially 20 mol%. at 60 mol%, especially 30 mol%. at 50 mol%.
  • the method may comprise increasing the pressure of the permeate recovered at the permeate outlet SP of the first treatment stage E1, in particular via the recirculation compressor CompTR, in which case the process may also comprise the injection of the compressed permeate via the compressor COMPTR recycle at the entrance of the second stage of treatment E2.
  • the method may furthermore comprise increasing the pressure of the permeate recovered at the permeate outlet SP of the second treatment stage E2, in particular via the CompTP reinjection compressor.
  • This permeate compressed via CompTP reinjection compressor comprising C0 2 can then be injected into a petroleum deposit.
  • the increase in permeate pressure can be achieved by decreasing the speed of rotation of the CompTR recycle compressor or by changing the orientation of the bladders of the CompTR recycle compressor.
  • the increase in permeate pressure can be achieved by decreasing the rotational speed of the CompTP feedback compressor or by changing the orientation of the blades of the CompTP feedback compressor.
  • the permeate pressure at the permeate outlet SP of the membrane module M of the first treatment stage E1 can be from 0.1 bar to 10 bar, in particular from 1 bar to 7 bar, more particularly from 1.5 bar to 5 bar.
  • the permeate pressure at the permeate outlet SP of the membrane module M of the second treatment stage E2 may be from 0.1 bar to 10 bar, in particular from 1 bar to 7 bar, more particularly from 15 bar to 5 bar.
  • the inlet pressure EM of the membrane module M of the first treatment stage E1 or of the membrane module M of the second treatment stage may be from 20 bar to 120 bar, in particular from 40 bar to 100 bar, in particular from 60 bar to 90 bar. bar.
  • the step of reassigning the first treatment stage El to the second stage of treatment E2 comprises the following steps:
  • the step of reassigning the first processing stage E1 to the second processing stage E2 can be implemented very simply by means of the valve system SV in the following manner.
  • each membrane module M to be reassigned can thus be achieved by closing the open valves which establish the fluidic connection: between the input EM of each membrane module M to reassign and the feed line LA,
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by opening the closed valves establishing the fluidic connection:
  • the step of reassigning the second treatment stage E 2 to the first treatment stage E 1 comprises the steps following:
  • the step of reallocating one or more membrane modules M from the second processing stage E2 to the first processing stage E1 can be implemented very simply in the following manner.
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by closing the open valves which establish the fluidic connection:
  • each membrane module M to be reassigned can be achieved by opening the closed valves establishing the fluidic connection:
  • the treatment of natural gas is carried out either in the retentate mode (FIGS. 1a and 3a to 3c), sometimes in the permeate mode (FIGS. 1b and 4a to 4c) as described above.
  • the natural gas treatment is first carried out the retentate mode. Then, when the content of CO 2 present in the natural gas reaches a given value, the treatment of natural gas is carried out according to the permeate mode. In a second variant, the treatment of natural gas is carried out according to the permeate mode. Then when the content of C0 2 present in the natural gas reaches a given value, the treatment of natural gas is carried out according to the retentate mode.
  • the method according to the second aspect of the invention comprises a step of passing from one operating mode to another.
  • this method makes it possible to benefit from the advantages of the two operating modes as a function of the evolution of the CO 2 content in the natural gas to be treated. Indeed, when the C0 2 content in the gas to be treated is less than T C o2 decl, the permeate mode is more advantageous in terms of membrane area and power consumption. When the content of C0 2 is greater than Tco2 decl, then the retentate mode becomes more economical in terms of membrane surface and the consumed power becomes stable. In addition, by combining the two procedures, the total membrane surface to be installed is lower than using either of the two operating modes alone and the total power consumed is stabilized.
  • Tco2 decl The given value, Tco2 decl , of the content of C0 2 present in the natural gas that triggers the gas treatment according to the retentate mode or the permeate mode depends on various parameters such as the pressure of C0 2 , the content of C0 2 , specifications, membrane system, membrane performance ...
  • Tco2 decl can be 20 mol%. at 80 mol%, in particular 30 mol%. at 70 mol%, especially 40 mol%. at 60 mol%.
  • the membrane modules M are connected as described above (1.2.).
  • the step from permeate to retentate can be carried out very simply thanks to the valve system SV described above in connection with the method according to the first aspect of the invention.
  • each membrane module M can thus be realized by closing the open valves which make the fluidic connection:
  • each membrane module M can thus be made by opening the closed valves that make the fluid connection between:
  • the other membrane modules M that are not reconnected remain isolated.
  • the transition from retentate to permeate mode can be achieved by: disconnecting the input EM from at least a portion of the membrane modules M from the first processing stage E1 of the supply line LA and connecting them to the transfer input line LET, thereby assigning them to the second stage of treatment E2 permeate mode, the other part, if there is membrane modules M of the first treatment stage El being isolated;
  • transition from retentate to permeate mode can be achieved by:
  • membrane modules M reused after switching to permeate mode are never fully insulated allowing savings in closing operation and opening of valves.
  • the CO 2 content in the natural gas may require a total required membrane surface S r , the membrane modules M providing a total available surface, when the total available membrane area exceeds the total area required for the separation of C0 2 , while the permeate pressure can be increased on any of the stages of the installation I.
  • This pressure increase can be achieved by CompTR recycle compressors or CompTP recompression compressors.
  • the step from permeate to retentate can be carried out very simply thanks to the valve system SV described above in connection with the method according to the first aspect of the invention.
  • each membrane module M can thus be realized by closing the open valves which make the fluidic connection:
  • each membrane module M can thus be made by opening the closed valves that make the fluid connection between:
  • the other membrane modules M that are not reconnected remain isolated.
  • the transition from permeate mode to retentate mode can be achieved by:
  • the transition from permeate mode to retentate mode can be achieved by:
  • the CO 2 content in the natural gas may require a total required membrane surface S r , the membrane modules EM providing a total available surface, when the total available membrane area exceeds the total area required for the separation of C0 2 , then the permeate pressure can be increased on any of the stages of the installation. This pressure increase can be achieved by CompTR recycle compressors or CompTP recompression compressors.
  • modules Membrane M can be reassigned from one of the treatment stages to another.
  • the skilled person will achieve all the embodiments by combining the different steps described above.
  • Natural gas initially contains about 10 mol%. of C0 2 , then its C0 2 content of natural gas is increased to 80 mol%. by injection of C0 2 in the deposit.
  • MMSCFD means "million standard cubicfeet per day" and is 1177.17 Sm 3 / h at 15 ° C.
  • Example 1 A process that only implements the retentate mode
  • Figure 7 shows the evolution of the required membrane surfaces (in base 100, 100 being the membrane surface required in total to be installed at the beginning of treatment for a gas comprising approximately 10 mol% of C0 2 ) for the first treatment stage El the second treatment stage E2 and the effective total membrane surface as a function of the CO 2 content in the gas to be treated for the retentate mode.
  • the required membrane area of the first treatment stage E 1 increases from 2 to 34, thus allowing better separation of the gases at this stage and thus inducing less membrane surface for the second treatment stage E 2 which decreases from 98 to almost 0.
  • the total membrane surface therefore decreases when the content of CO 2 increases in the gas to be treated.
  • the membrane unit is constructed with membrane modules having a fixed surface. Arbitrary, it is assumed that a membrane module has a surface of 1 in base 100.
  • the total number of membrane modules to be installed is 98 for the second treatment stage and 34 for the first treatment stage, which makes a total number of membrane modules to install from 132.
  • Figure 8 shows the evolution of the total power consumed (in base 100, 100 being the total power consumed maximum permeate mode at the end of field life) by the recycle compressor in the membrane process but also for the reinjection compressor for the reinjection of C0 2 in the field.
  • the power for the feedback compressor increases as the C0 2 flow rate increases.
  • the flow rate to be recycled at the second treatment stage decreases because the The amount of hydrocarbon is decreasing in the field and the separation of gases at the first stage of treatment is becoming more efficient, which explains a decrease in the power consumed by the recycle compressor.
  • the total power consumed remains relatively stable throughout the life of the field.
  • FIG. 9 shows the evolution of the required membrane surfaces (in base 100, same base as Example 1) for the first treatment stage E1, the second treatment stage E2 and the total effective membrane surface and to be installed according to of the CO 2 content in the gas to be treated for the permeate mode.
  • the membrane surface of the first treatment stage increases (with a maximum at about 30% relative to the initial value) and then decreases with the increase of the CO 2 content in the gas to be treated.
  • the minimum membrane area required is 37 and the maximum required membrane area is 49 for the first treatment stage (base 100, same base as for Example 1).
  • the membrane surface of the second treatment stage increases, for its part, continuously because the quantity of CO 2 to be removed increases in the time from 1 to 28 (in base 100).
  • the total membrane surface to be installed if there is no reallocation of membrane modules from one treatment stage to another is 77 (base 100).
  • the membrane surface to be installed for this process is less than Example 1.
  • Example 3 Process Comprising Reassignment Steps for Membrane Modules and a Stage for Passing Permeate Mode to Retentate Mode
  • the installation I implementing the method comprises 66 membrane modules M (in base 100, same basis as for Example 1).
  • Table 2 Evolution of the allocation of the membrane modules M and the operating mode of the installation I as a function of the CO 2 content in the natural gas to be treated.
  • the plant I operates according to the permeate mode, 46 membrane modules M are assigned to the first treatment stage E1, 6 membrane modules M are assigned to the second treatment stage E2 and 14 membrane modules M are isolated, the. they are not fluidly connected.
  • an isolated membrane module M is reassigned to the first treatment stage E1 and 6 isolated membrane modules M are reassigned to the second treatment stage E2, all the membrane modules M are then used.
  • a permeate step 50 membrane modules M at the first treatment stage El and 16 modules membrane M at the second stage of treatment E2 of the permeate mode
  • the retentate mode (16 membrane modules M at the first treatment stage E1 and 50 membrane modules M at the second treatment stage E2 of the retentate mode) is produced by inverting the treatment stages.
  • This step is followed by a step of reallocating a membrane module M from the second treatment stage E2 to the first treatment stage E1.
  • 44% mol. at 60 mol% 17 membrane modules M are assigned to the first treatment stage E1 and 49 membrane modules M are assigned to the second treatment stage E2.
  • the step of reallocating a membrane module M can be performed before the step of permeate mode to retentate mode.
  • a membrane module M of the first treatment stage E1 is first reassigned to the second treatment stage E2, then the two treatment stages are inverted to carry out the transition from the permeate mode to the retentate mode.
  • the combined use of the two procedures as well as the transfer of membrane modules M from one treatment stage to the other makes it possible to limit the total membrane surface installed to 66 (in base 100) and to optimal use of the total membrane surface installed.
  • the optimization of the installed membrane surface induces a gas separation quality higher than that required.
  • the combined use of the two operating modes as well as the transfer of membrane modules M from one stage to the other makes it possible to limit the total power consumed, ie the total power necessary for the operation of the process. Indeed, the total power consumed is less than that of both Examples 1 and 2.
  • a bypass may be realized, it can be a bypass of the first stage of treatment in retentate mode in order to deplete the gas to reinject in C0 2 and / or a bypass of the second stage of treatment still in retentate mode in order to enrich the gas recovered at the end treatment in C0 2 .
  • the specifications are reached for the gas to be reinjected and the gas recovered at the end of the treatment.
  • the expected specifications are exceeded: the gas to be reinjected contains more than 96 mol%. of C0 2 instead of 95 mol%. and the gas recovered at the end of the treatment only contains 2.4% mol. of C0 2 instead of 5 mol%.
  • the total membrane surface to be installed according to Example 3, and thus invested corresponds to 66 (in base 100) whereas the required surface area appears in stages to be unused when the required surfaces are less than the surface. total membrane to install.
  • the membrane modules corresponding to this difference are then isolated and condemned and represent an unexploited capital. There is therefore interest in taking advantage of these unused surfaces. It is then possible to operate on the pressure of the permeate at the outlet of one or both stages of treatment in order to meet the specifications of the acid gas and the treated gas while keeping a constant membrane surface (bearing) and realizing a gain on the power consumed.
  • Table 3 below illustrates this option: for 70 mol%. of C0 2 in the gas to be treated, 52 membrane modules are required and the total power consumed is 56.1 (in base 100). When the content of C0 2 reaches 80 mol%, the 52 membrane modules are kept in use and the pressure of the permeate (initially set at 1.8 bar, see penultimate column) of the two treatment stages (respectively 5, 4 bar and 2.2 bar for first and second treatment stage, see last column). A 7% bypass of the gas is required on the first stage of treatment to meet the specification on the gas to be reinjected. In the end, we reduce the power consumed by 16%. Note that this calculation is done for illustration on a single level but the principle remains the same for all levels, saving energy will be higher on average.

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Abstract

Procédé de traitement d'un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone mettant en oeuvre des modules membranaires attribués à un premier étage de traitement ou à un deuxième étage de traitement et connecté fluidiquement en mode rétentat ou en mode perméat.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D’UN GAZ NATUREL CONTENANT DU DIOXYDE DE
CARBONE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un procédé de traitement de type membranaire d’un gaz naturel issu d'un gisement visant à extraire la fraction de dioxyde de carbone qu’il contient afin de pouvoir notamment la réinjecter au sein du gisement.
L’invention concerne aussi une installation adaptée à la mise en œuvre de ce procédé.
Contexte de l'invention
Dans le cadre de la production de gaz naturel, il est nécessaire de purifier le gaz naturel issu d'un gisement d'un certain nombre de contaminants, et notamment des gaz acides tels que le dioxyde de carbone. La réinjection du dioxyde de carbone ainsi obtenu dans un gisement est de plus en plus étudiée car elle permet de:
- séquestrer le dioxyde de carbone ;
- maintenir une pression élevée dans le gisement pour soutenir la production des champs pétrolifères lorsque la production décline; et
- améliorer la production de pétrole par balayage d'un réservoir du gisement.
Cependant pour pouvoir réinjecter le dioxyde de carbone extrait du gaz naturel au sein du gisement, celui-ci doit avoir une qualité suffisante. De plus, le dioxyde de carbone réinjecté au sein du réservoir finira par ressortir de ce réservoir, venant enrichir le gaz naturel issu du réservoir. Le dioxyde de carbone peut ainsi représenter une part importante du mélange gazeux issu d'un gisement de gaz naturel, jusqu'à plus de 70 % mol.
Les procédés de purification du gaz naturel doivent donc être capables de produire un dioxyde de carbone ayant une qualité suffisante et être capables de traiter un gaz naturel comprenant une fraction croissante de dioxyde de carbone.
De plus, afin d'être réinjecté dans le réservoir, le dioxyde de carbone est comprimé à l'aide d'un compresseur, ce qui peut alourdir la facture énergétique de ce type de procédé.
Plusieurs procédés sont connus dans le domaine, pour permettre de séparer le gaz naturel du dioxyde de carbone et ainsi en permettre la réinjection.
Le traitement le plus courant repose sur l'utilisation de solvants aminés. Cette méthode permet une séparation du dioxyde de carbone très sélective vis-à-vis des hydrocarbures et permet d'abaisser la concentration de dioxyde de carbone sous le seuil des 50 ppm. Mais cette méthode nécessite une énergie importante pour la régénération du solvant. Elle est par conséquent peu adaptée en cas de concentration importante de dioxyde de carbone dans le gaz d'origine. De plus, la régénération est quasi-atmosphérique, et nécessite une compression consommant beaucoup d'énergie si l'on envisage une réinjection du dioxyde de carbone séparé.
Un autre type de traitement repose sur les procédés cryogéniques. Leur intérêt énergétique est d'autant plus grand que la concentration de dioxyde de carbone dans le gaz d'origine est élevée. Un exemple de procédé cryogénique figure dans le document US 4,152,129. Toutefois, du fait de la cristallisation possible du dioxyde de carbone et/ou des conditions critiques en tête de colonne, un tel procédé ne permet pas d'atteindre des spécifications contraignantes en dioxyde de carbone. Un traitement de finition, par exemple de type aminé, est donc indispensable si une spécification dioxyde de carbone sévère est demandée. De plus ce procédé est difficilement réalisable de façon modulaire.
L'utilisation de modules membranaires semi-perméables constitue un autre type de traitement. Les applications de ces modules membranaires pour les gaz à teneur moyenne en dioxyde de carbone se sont beaucoup développées ces dernières années. D’une manière générale, la surface membranaire nécessaire dépend de la composition du gaz naturel à traiter, de la pression du gaz à l’entrée des modules ainsi que de la pression du perméat. Le traitement par modules membranaires est avantageux pour des concentrations de dioxyde de carbone relativement importantes et pour une certaine gamme de rapports de pressions partielles "entrée/perméat". Il est également possible de prévoir plusieurs étages de traitement par module membranaire pour concentrer le dioxyde de carbone dans le perméat, ce qui impose de prévoir des compressions intermédiaires du perméat. La réinjection du dioxyde de carbone nécessite une compression supplémentaire, à partir de la basse pression du perméat final, ce qui alourdit encore la facture énergétique de ce type de procédé.
En pratique, des systèmes à deux étages de traitement disposés en série sont fréquemment utilisés, chacun des étages comprenant une pluralité de modules membranaires. Ces systèmes présentent deux modes opératoires possibles, chacun de ces modes opératoires présentant des avantages et des inconvénients.
Selon le mode rétentat ("série de rétentat"), tel que représenté à la Ligure la, le premier étage de traitement extrait le dioxyde de carbone à un taux modéré afin de ne pas entraîner trop de gaz naturel tel que le méthane pour atteindre la pureté requise du dioxyde de carbone. Le rétentat obtenu comprenant une fraction importante de dioxyde de carbone est envoyé au niveau du deuxième étage de traitement dans lequel est extrait le dioxyde de carbone à un taux élevé afin d’obtenir un rétentat présentant une pureté satisfaisante. Une quantité non négligeable de gaz naturel du deuxième étage de traitement passe dans le perméat. Le dioxyde de carbone ainsi produit ne répondant pas aux spécifications requises est, après compression, recyclé à l’entrée du premier étage de traitement.
Selon le mode perméat ("série de perméat"), tel que représenté à la Figure lb, le premier étage de traitement permet une forte extraction du dioxyde de carbone afin d’obtenir une fraction de gaz naturel ayant directement les spécifications requises. Ce premier étage de traitement entraîne une perte importante de gaz naturel dans le perméat qui est récupéré dans le deuxième étage de traitement après compression. La production de perméat y est limitée de façon à ne pas affecter la pureté du dioxyde de carbone produit dans le second perméat. Le rétentat produit est donc un mélange qui ne satisfait à aucune des puretés requises pour le gaz naturel et le dioxyde de carbone et est recyclé à l’entrée du premier étage de traitement.
Il est très courant d’avoir recours à des procédés à deux étages tels que décrits ci-dessus dès lors que les puretés en méthane et dioxyde de carbone deviennent un peu contraignantes.
La fraction de gaz traversant la membrane et les compositions des rétentat et perméat qui en résultent dépendent des pressions partielles relatives du C02, du méthane et des autres constituants du gaz à traiter. En répercutions, l’alimentation du deuxième étage de traitement dépend donc également de la composition du gaz d’alimentation.
On voit donc que dans les deux cas, le calcul de la surface de membranes à installer, ainsi que la composition de tous les flux dans le procédé, dépend de la composition du gaz d’alimentation.
Le calcul de la surface membranaire conduit à un certain dimensionnement initial de l’installation en début de vie du champ qui n’est pas nécessairement compatible avec l’évolution ultérieure de la composition du gaz. Il faut donc trouver des agencements d’étages de traitement qui permettent de tenir compte de l’évolution de la composition du gaz d’alimentation.
Dans le cas du mode rétentat, on fait face à l’augmentation de la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz d’alimentation en augmentant la surface membranaire du premier étage de traitement. Toutefois, la surface devient si importante que le gaz est suffisamment épuré pour diminuer le besoin de surface membranaire au deuxième étage de traitement, faisant apparaître au total un excédent de membrane à mesure que la teneur en gaz carbonique dans le gaz d’alimentation augmente. En d’autres termes, la surface installée du deuxième étage de traitement devient en partie inutilisée du fait que le gaz naturel épuré au premier étage de traitement nécessite moins de traitement au niveau du deuxième étage de traitement. Par ailleurs, si la puissance totale consommée dans l’unité de traitement est constante, sa répartition entre le compresseur de recyclage et celui d’injection du dioxyde de carbone dans le gisement varie considérablement complexifiant la conception des machines.
Dans le cas du mode perméat, c’est la surface membranaire du deuxième étage de traitement qu’il faut augmenter pour compenser l’augmentation de la teneur en dioxyde de carbone au sein du gaz naturel à traiter. La surface requise pour le premier étage de traitement finit par diminuer si bien que la surface totale requise varie sensiblement moins que dans le mode rétentat, ce qui fait que la surface installée est quasi-pleinement utilisée quelle que soit l’évolution de la teneur en gaz carbonique dans le gaz de charge permet une utilisation efficace de la surface membranaire investie.
Toutefois, la puissance requise pour la compression du perméat augmente fortement, de même que la puissance du compresseur de gaz carbonique produit, à mesure que la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz naturel augmente. Les compresseurs ne sont donc pas utilisés de façon optimale au cours du temps.
L’inconvénient principal de ces deux modes opératoires est qu’ils ne prennent pas en compte l’évolution de la composition du gaz naturel à traiter entraînant soit une surconsommation énergétique soit un surdimensionnement de la surface membranaire. En effet, le dimensionnement initial d’un étage de traitement en début de vie du champ n’est pas nécessairement compatible avec l’évolution ultérieure de la composition du gaz naturel.
Il existe par conséquent le besoin de mettre au point un procédé de traitement d’un gaz naturel issu d'un gisement dont la teneur en dioxyde de carbone évolue dans le temps qui soit optimisé d’un point de vue consommation énergétique et qui permette d’extraire une fraction de dioxyde de carbone de qualité suffisante pour être réinjectée au sein du gisement et une fraction de gaz naturel répondant aux spécifications requises.
Résumé de l’invention
Selon un premier aspect, l'invention porte sur un procédé de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone dans une installation qui comprend une pluralité de modules membranaires,
une partie des modules membranaires étant attribuée à un premier étage de traitement définissant une surface membranaire et une autre partie des modules membranaires étant attribuée à un deuxième étage de traitement définissant une surface membranaire,
le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement étant connectés fluidiquement en mode rétentat ou en mode perméat, dans lequel lorsque l’un des étages de traitement requiert moins de surface membranaire pour le traitement du gaz et que l’autre étage de traitement requiert plus de surface membranaire pour le traitement du gaz, alors le procédé comprend une étape de réattribution à l’étage requérant plus de surface membranaire d’au moins un module membranaire attribué à l’étage requérant moins de surface membranaire.
Le procédé de traitement d’un gaz naturel de la présente invention permet de surmonter les inconvénients de l’état de la technique. En effet, le besoin en surface membranaire des étages de traitement est fonction de la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz naturel à traiter, cette teneur étant amenée à évoluer dans le temps. Le procédé objet de la présente invention permet de moduler et d’optimiser la surface membranaire requise par chaque étage de traitement pour le traitement d’un gaz naturel, en fonction de l’évolution de la teneur en dioxyde de carbone dans ce gaz naturel tout en limitant le nombre de modules membranaires à prévoir pour l’ensemble de l’installation. En d’autres termes, l’optimisation du traitement de gaz naturel de type membranaire selon l’invention s’effectue en adaptant la surface membranaire des deux étages de traitement par transfert d'au moins un module membranaire d’un étage requérant moins de surface membranaire vers un autre étage requérant plus de surface membranaire.
En outre, le nombre de modules membranaires de l’étage requérant moins de surface membranaire à réattribuer à l’étage requérant plus de surface membranaire peut dépendre de la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz naturel, en particulier de son augmentation. Par ailleurs, le nombre de modules membranaires de l’étage requérant moins de surface membranaire à réattribuer à l’étage requérant plus de surface membranaire peut dépendre de l'évolution de la pression du gaz naturel.
Selon le procédé de traitement de l'invention, les deux étages de traitement peuvent être connectés fluidiquement en mode rétentat et l’installation peut comprendre en outre :
- une ligne d'alimentation en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert ;
- une ligne de collecte de perméat ;
- une ligne de collecte de rétentat ;
- une ligne de transfert de perméat ;
- une ligne de transfert de rétentat ;
chacun des modules membranaires comprenant une entrée, une sortie de perméat et une sortie de rétentat ; dans lequel, dans le premier étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation, l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat, et l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert ;
dans lequel, dans le deuxième étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert, l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat, et l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat, elle- même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation ;
dans lequel la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement augmente et la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement diminue,
l’étape de réattribution du deuxième étage de traitement vers le premier étage de traitement comprenant :
la déconnexion fluidique de l’entrée, de la sortie de rétentat et de la sortie de perméat du ou des modules membranaires à réattribuer;
la connexion fluidique de l’entrée du ou des modules membranaires à réattribuer à la ligne d'alimentation ;
la connexion fluidique de la sortie de perméat du ou des modules membranaires à réattribuer à la ligne de collecte de perméat, et
la connexion fluidique de la sortie de rétentat du ou des modules membranaires à réattribuer à ligne de transfert de rétentat.
Selon le procédé de traitement de l'invention, les deux étages de traitement peuvent être connectés fluidiquement en mode perméat, et l’installation peut comprendre en outre :
- une ligne d'alimentation en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert ;
- une ligne de collecte de perméat ;
- une ligne de collecte de rétentat ;
- une ligne de transfert de perméat ;
- une ligne de transfert de rétentat ;
chacun des modules membranaires comprenant une entrée, une sortie de perméat et une sortie de rétentat ;
dans lequel, dans le premier étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation, l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat, et l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert ;
dans lequel, dans le deuxième étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert, l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat, et l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation ;
dans lequel la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement augmente et la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement diminue,
l’étape de réattribution du premier étage de traitement vers le deuxième étage de traitement comprenant :
la déconnexion fluidique de l’entrée, de la sortie de perméat et de la sortie de rétentat du ou des modules membranaires à réattribuer;
la connexion fluidique de l’entrée du ou des modules membranaires à réattribuer à la ligne d'entrée de transfert ;
la connexion fluidique de la sortie de rétentat du ou des modules membranaires à réattribuer à la ligne de transfert de rétentat, et
la connexion fluidique de la sortie de perméat du ou des modules membranaires à réattribuer à ligne de collecte de perméat.
Selon un second aspect, l'invention porte sur un procédé de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone dans une installation qui comprend des modules membranaires,
une partie des modules membranaires étant attribuée à un premier étage de traitement définissant une surface membranaire et une autre partie des modules membranaires étant attribuée à un deuxième étage de traitement définissant une surface membranaire ;
dans un mode rétentat, le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement étant connectés fluidiquement en mode rétentat ;
dans un mode perméat, le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement étant connectés fluidiquement en mode perméat ;
- le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode rétentat, puis lorsque la teneur en dioxyde de carbone présente au sein du gaz naturel atteint une valeur donnée, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode perméat, ou bien - le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode perméat, puis lorsque la teneur en dioxyde de carbone présente au sein du gaz naturel atteint une valeur donnée, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode rétentat.
Grâce au procédé de traitement du second aspect de l'invention, le traitement du gaz naturel l’invention peut avantageusement être optimisé en adaptant le mode opératoire à suivre en cours de traitement, en particulier en passant de manière séquentielle d’un mode opératoire à un autre mode opératoire plus économique pour le traitement d’un gaz naturel en fonction de l’évolution de la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz naturel, c’est-à-dire de passer du mode rétentat au mode perméat et inversement.
Selon le procédé de traitement du second aspect de l'invention, l'installation peut comprendre :
- une ligne d'alimentation en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert ;
- une ligne de collecte de perméat ;
- une ligne de collecte de rétentat ;
- une ligne de transfert de perméat ;
- une ligne de transfert de rétentat ;
et chacun des modules membranaires comprenant une entrée, une sortie de perméat et une sortie de rétentat,
le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement étant en série du perméat de sorte que :
dans le premier étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation, l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat, et l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert ;
dans le deuxième étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert, l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat, et l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation ;
dans lequel, le passage du mode perméat au mode rétentat est réalisé de la manière suivante : la déconnexion fluidique de l’entrée, de la sortie de perméat et de la sortie de rétentat des modules membranaires ; et la connexion fluidique de l’entrée, de la sortie de perméat et de la sortie de rétentat d’au moins une partie des modules membranaires de manière à ce que :
dans le premier étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation, l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat, et l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert ;
dans le deuxième étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert, l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat, et l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation.
Alternativement ou additionnellement, dans le procédé selon l'invention, l’installation mise en œuvre peut comprendre en outre un compresseur adapté pour comprimer le perméat récupéré dans la ligne de transfert de perméat.
Alternativement ou additionnellement, le traitement du gaz naturel contenant une certaine teneur de dioxyde de carbone requiert une surface membranaire totale requise Sr, les modules membranaires offrant une surface totale disponible, dans lequel lorsque la surface totale disponible de membrane excède la surface totale requise pour la séparation du dioxyde de carbone, la pression du perméat peut être augmentée sur l’un quelconque des étages de l’unité.
Dans le procédé de l'invention l’augmentation de la pression du perméat peut être réalisée en :
- diminuant la vitesse de rotation du compresseur ; ou
- orientant les aubages du compresseur.
Avantageusement, le procédé de traitement de gaz naturel selon l’invention permet de surcroît l’ajustement de la pression du perméat afin d’exploiter au maximum la surface membranaire installée au niveau des étages de traitement et de diminuer la consommation énergétique de cette installation.
De plus, le procédé de traitement de gaz naturel selon l’invention est particulièrement avantageux lorsque la teneur en dioxyde de carbone présent au sein du gaz naturel à traiter augmente dans le temps.
Selon un troisième aspect, l'invention porte également sur une installation de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone, comprenant : une ligne d'alimentation ;
une ligne d'entrée de transfert ;
une ligne de collecte de perméat ;
une ligne de collecte de rétentat ;
une ligne de transfert de perméat ;
une ligne de transfert de rétentat ;
une pluralité de modules membranaires, chacun des modules membranaires comprenant une entrée connectable fluidiquement à la ligne d'alimentation et à la ligne d'entrée de transfert, une sortie de rétentat connectable fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat et à la ligne de transfert de rétentat, et une sortie de perméat connectable fluidiquement à la ligne de collecte de perméat et à la ligne de transfert de perméat, chacun des modules membranaires pouvant être isolé fluidiquement des lignes ; et
un système de vannes adapté pour attribuer une partie des modules membranaires à un premier étage de traitement et une autre partie des modules membranaires à un deuxième étage de traitement de manière à ce que :
selon un mode rétentat en série du rétentat :
dans le premier étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation, l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat, et l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert ;
dans le deuxième étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert, l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat, et l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation ;
selon un mode perméat en série du perméat :
dans le premier étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation, l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat, et l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert ;
dans le deuxième étage de traitement, l’ensemble des entrées de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert, l’ensemble des sorties de module de perméat sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat, et l’ensemble des sorties de module de rétentat sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation.
Figures
La Figure la représente schématiquement une installation classique en mode de fonctionnement en série du rétentat dans laquelle le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont connectés fluidiquement en mode rétentat.
La Figure lb représente schématiquement une installation classique en mode de fonctionnement en série du perméat dans laquelle le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont connectés fluidiquement en mode perméat.
La Figure 2 représente schématiquement une installation pour la mise en œuvre du procédé de l'invention.
Les Figures 3a, 3b et 3c représentent schématiquement une installation permettant la mise en œuvre du procédé de l'invention dans lequel le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont connectés fluidiquement en mode rétentat, et dans lequel un module membranaire du deuxième étage de traitement est réattribué au premier étage de traitement.
Les Figures 4a, 4b et 4c représentent schématiquement une installation permettant la mise en œuvre du procédé de l'invention dans lequel le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont connectés fluidiquement en mode perméat, et dans lequel un module membranaire du premier étage de traitement est réattribué au deuxième étage de traitement.
Dans les Figures 3a à 3c et 4a à 4c, les vannes fermées sont représentées en noir et les vannes ouvertes en blanc, les lignes utilisées sont en trait plein alors que les lignes non utilisées sont en pointillés.
La Figure 5 est un graphique présentant l'évolution de la surface membranaire utilisée par un procédé de l'invention comprenant des étapes de réattribution des modules membranaires et une étape de passage du mode perméat au mode rétentat.
La Figure 6 est un graphique présentant l'évolution de la puissance totale nécessaire au fonctionnement du procédé de l'invention comprenant des étapes de réattribution des modules membranaires et une étape de passage du mode perméat au mode rétentat.
La Figure 7 est un graphique présentant l'évolution des surfaces membranaires requises d'un procédé de l'art antérieur dans lequel le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont fluidiquement connectés en mode rétentat. La Figure 8 est un graphique présentant l'évolution de la puissance consommée par un procédé de l'art antérieur dans lequel le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont fluidiquement connectés en mode rétentat.
La Figure 9 est un graphique présentant l'évolution des surfaces membranaires requises d'un procédé de l'art antérieur dans lequel le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont fluidiquement connectés en mode perméat.
La Figure 10 est un graphique présentant l'évolution de la puissance consommée par un procédé de l'art antérieur dans lequel le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement sont fluidiquement connectés en mode perméat.
L'invention est maintenant décrite en référence aux Figures 1 à 5 non limitatives.
Description détaillée de l’invention
1. L'installation
Une installation de traitement d’un gaz naturel contenant du C02 selon l’invention est décrite ci- après en référence à la Figure 2. L’installation I comprend :
une pluralité de modules membranaires M ;
une ligne d'alimentation LA ;
une ligne d'entrée de transfert LET ;
une ligne de collecte de perméat LCP ;
une ligne de collecte de rétentat LCR ;
une ligne de transfert de perméat LTP ;
une ligne de transfert de rétentat LTR ; et
un système de vannes SV.
Chacun des modules membranaires M comprend une entrée EM connectable fluidiquement à la ligne d'alimentation LA et à la ligne d'entrée de transfert LET, une sortie de rétentat SR connectable fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat LCR et à la ligne de transfert de rétentat LTR, et une sortie de perméat SP connectable fluidiquement à la ligne de collecte de perméat LCP et à la ligne de transfert de perméat LTP. Chacun des modules membranaires M peut être isolé fluidiquement des lignes.
Le système de vannes SV est adapté pour attribuer une partie des modules membranaires M à un premier étage de traitement El et une autre partie des modules membranaires M à un deuxième étage de traitement E2 selon un mode opératoire en série du rétentat (ou "mode rétentat") ou un mode opératoire en série du perméat (ou "mode perméat").
Au sens de la présente invention, on entend par "module membranaire" une unité comprenant une entrée EM, une sortie de perméat SP et une sortie de rétentat SR connectables à des lignes décrites ci-dessus. Chacun des modules membranaires M peut comprendre un ou plusieurs éléments membranaires montés en série ou en parallèle et permettant de purifier le gaz naturel en le séparant des impuretés qu'il comprend, en particulier le C02. Ainsi, un module membranaire M est le plus petit objet de perméation de gaz pouvant être isolé des autres, notamment par le système de vannes SV.
Typiquement le module membranaire M peut être de type à séparation membranaire frontale, à séparation membranaire tangentielle à co-courant, à séparation membranaire tangentielle à contrecourant ou à séparation membranaire tangentielle à courants croisés.
Typiquement, un module membranaire M est composé d’un ou plusieurs éléments membranaires pouvant être choisis parmi une membrane plane spiralée ou une membrane en fibres creuses.
Une telle installation I permet à la fois l’attribution de modules membranaires M à l’un ou l’autre des étages de traitement El, E2, la réattribution à l’un des étages de traitement d’un ou de plusieurs modules membranaires M précédemment attribués à l’autre des étages de traitement en fonction de l’évolution des paramètres opératoires, et le passage du mode opératoire entre un mode rétentat ou un mode perméat.
Le système de vannes SV peut en outre comprendre pour chacun des modules membranaires M :
une conduite alimentation-module CAM fixée à l’une de ses extrémités à la ligne d'alimentation LA et à l’autre de ses extrémités à l’entrée EM du module membranaire M, la conduite alimentation-module CAM comprenant une vanne VAM permettant le contrôle du débit en son sein, y compris son obstruction ;
une conduite transfert-module CTM fixée à l’une de ses extrémités à la ligne d'entrée de transfert LET et à l’autre de ses extrémités à l’entrée EM du module membranaire M, la conduite transfert-module CTM comprenant une vanne VTM permettant le contrôle du débit en son sein, y compris son obstruction ;
une conduite module-transfert de rétentat CTR fixée à l’une de ses extrémités à la sortie de rétentat SR du module membranaire M et fixée à l’autre de ses extrémités à la ligne de transfert de rétentat LTR, la conduite module-transfert de rétentat CTR comprenant une vanne VTR permettant de contrôler de débit du rétentat qui y circule, y compris son obstruction ;
une conduite module-collecte de rétentat CCR fixée à l’une de ses extrémités à la sortie de rétentat SR du module membranaire M et fixée à l’autre de ses extrémités à la ligne de collecte de rétentat LCR, la conduite module-collecte de rétentat CCR comprenant une vanne VCR permettant de contrôler de débit du rétentat qui y circule, y compris son obstruction ;
une conduite module-transfert de perméat CTP fixée à l’une de ses extrémités à la sortie de perméat SP du module membranaire M et fixée à l’autre de ses extrémités à la ligne de transfert de perméat LTP, la conduite module-transfert de perméat CTP comprenant une vanne VTP permettant de contrôler de débit du perméat qui y circule, y compris son obstruction ; et
une conduite module-collecte de perméat CCP fixée à l’une de ses extrémités à la sortie de perméat SP du module membranaire M et fixée à l’autre de ses extrémités à la ligne de collecte de perméat LCP, la conduite module-collecte de perméat CCP comprenant une vanne VCP permettant de contrôler de débit du perméat qui y circule, y compris son obstruction.
Le système de vannes SV peut en outre comprendre :
une conduite transfert-alimentation de rétentat CAR fixée à l’une de ses extrémités à la ligne de transfert de rétentat LTR et à l’autre de ses extrémités à la ligne d'alimentation LA, la conduite transfert-alimentation de rétentat CAR comprenant une vanne VAR permettant le contrôle du débit du rétentat qui y circule, y compris son obstruction ;
une conduite transfert-entrée de rétentat CER fixée à l’une de ses extrémités à la ligne de transfert de rétentat LTR et à l’autre de ses extrémités à la ligne d'entrée de transfert LET, la conduite transfert-entrée de rétentat CER comprenant une vanne VER permettant le contrôle du débit du rétentat qui y circule, y compris son obstruction ;
une conduite transfert-alimentation de perméat CAP fixée à l’une de ses extrémités à la ligne de transfert de perméat LTP et à l’autre de ses extrémités à la ligne d'alimentation LA, la conduite transfert-alimentation de perméat CAP comprenant une vanne VAP permettant le contrôle du débit du perméat qui y circule, y compris son obstruction ; et une conduite transfert-entrée de perméat CEP fixée à l’une de ses extrémités à la ligne de transfert de perméat LTP et à l’autre de ses extrémités à la ligne d'entrée de transfert LET, la conduite transfert-entrée de perméat CEP comprenant une vanne VEP permettant le contrôle du débit du perméat qui y circule, y compris son obstruction. Typiquement chaque vanne peut être choisie parmi une vanne à opercule, une vanne à clapet, une vanne à boisseau, une vanne à soupape, une vanne papillon, une vanne à piston, une vanne à pointeau et une vanne à membrane. De préférence, les vannes mentionnées ci-dessus sont des vannes tout-ou-rien (à l’exception des vannes des lignes de contournement si celles-ci sont prévues qui sont préférentiellement des vannes permettant de réguler le débit y compris l’obstruction).
Les vannes mentionnées ci-dessus sont avantageusement à commande électrique. Auquel cas, le système de vannes SV peut en outre comprendre une commande de vanne pour le pilotage électrique de l’ouverture et de la fermeture des vannes. De préférence, les vannes sont couplées par paires de manière à ce que si l'une d'elle est ouverte, l'autre est fermée. Les couplages par paires sont :
pour chaque module membranaire M en mode fonctionnement :
o les vannes VAM et VTM ;
o les vannes VTR et V CR ;
o les vannes VTP et VCP;
les vannes VAR et VER ; et
les vannes VAP et VEP.
En outre, pour chacun des modules membranaires M, les vannes VTR, VCR, VTP, et VCP peuvent également être couplées ensemble de manière à ce qu'on ne puisse avoir que l'une ou l'autre des configurations suivantes lorsque le module membranaire M correspondant est en mode fonctionnement :
les vannes VTR et VCP sont ouverte, les vannes VTP et VCR sont fermées; et les vannes VTP et VCR sont ouverte, les vannes VTR et VCP sont fermées.
Typiquement l’installation I peut comprendre en outre un compresseur de recycle CompTR dans la ligne de transfert de perméat LTP afin de comprimer le perméat qui y est récupéré. Selon le mode rétentat, le compresseur de recycle CompTR est adapté pour augmenter la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de transfert de perméat LTP, ce perméat comprimé peut ensuite être injecté dans le module membranaire M du premier étage de traitement El. Selon le mode perméat, le compresseur de recycle CompTR est adapté pour augmenter la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de transfert de perméat LTP, ce perméat comprimé peut ensuite être injecté dans le module membranaire M du deuxième étage de traitement E2. Typiquement l’installation I peut comprendre en outre un compresseur de réinjection CompTP dans la ligne de collecte de perméat LCP pour comprimer le perméat qui y est récupéré. Ce perméat comprimé comprenant du C02 peut ensuite être injecté dans un gisement pétrolier. Selon le mode rétentat, le compresseur de réinjection CompTP est adapté pour augmenter la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de collecte de perméat LCP, ce perméat comprimé peut ensuite être réinjecté dans le gisement gazier. Selon le mode perméat, le compresseur de réinjection CompTP est adapté pour augmenter la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de collecte de perméat LCP, ce perméat comprimé peut ensuite être réinjecté dans le gisement gazier.
Au sens de la présente invention, on entend par "compresseur" un dispositif permettant d'augmenter la pression d'un gaz. Typiquement les premier et deuxième compresseurs peuvent être des compresseurs rotatifs comprenant des aubages séparément choisis parmi un compresseur centrifuge, un compresseur axial ou un compresseur hélicoïdal.
Par ailleurs, l’installation I peut également comprendre au moins l’une parmi : une ligne de contournement BAP des modules membranaires reliant la ligne d’alimentation LA directement à la ligne de collecte du perméat LCP ( bypass BAP) pour le prélèvement d’une partie du gaz présent dans la ligne d’alimentation et l’amener directement à la ligne de collecte du perméat ; une ligne de contournement BAR des modules membranaires reliant la ligne d’alimentation LA directement à la ligne de collecte du rétentat LCR ( bypass BAR) pour le prélèvement d’une partie du gaz présent dans la ligne d’alimentation LA et l’amener directement à la ligne de collecte du rétentat LCR ; une ligne de contournement BTP des modules membranaires reliant la ligne d’entrée de transfert LET directement à la ligne de collecte du perméat LCP ( bypass BTP) pour le prélèvement d’une partie du gaz présent dans la ligne d’entrée de transfert LET et l’amener directement à la ligne de collecte du perméat LCP ; et une ligne de contournement BTR des modules membranaires reliant la ligne d’entrée de transfert LET directement à la ligne de collecte du rétentat LCR ( bypass BTR) pour le prélèvement d’une partie du gaz présent dans la ligne d’entrée de transfert LET et l’amener directement à la ligne de collecte du rétentat LCR. Afin de réaliser ces contournements, il y a plusieurs possibilités.
Selon la première possibilité la plus directe, chacune des bypass comprend une conduite et une vanne correspondante : les extrémités de la conduite de la bypass BAP sont connectées à la ligne d’alimentation LA et à la ligne de collecte de perméat LCP ; les extrémités de la conduite de la bypass BAR sont connectées à la ligne d’alimentation LA et à la ligne de collecte de rétentat LCR ; les extrémités de la conduite de la bypass BTP sont connectées à la ligne d’entrée de transfert LET et à la ligne de collecte de perméat LCP ; et les extrémités de la conduite de la bypass BTR sont connectées à la ligne d’entrée de transfert LET et à la ligne de collecte de rétentat LCR.
Une deuxième possibilité est illustrée par la Figure 2 : les bypass BAP et bypass BTP partagent une conduite de contournement BPP vers la ligne de collecte de perméat LCP, l’une de ses extrémités étant connectée à cette ligne de collecte de perméat LCP, l’autre de ses extrémités étant bifurquée pour se connecter à la fois à la ligne d’alimentation LA et à la ligne d’entrée de transfert LET, une vanne étant prévue sur chacune des bifurcations ; et les bypass BAR et bypass BTR partage une conduite de contournement BPR vers la ligne de collecte de rétentat LCR, l’une de ses extrémités étant connectée à cette ligne de collecte de rétentat LCR, l’autre de ses extrémités étant bifurquée pour se connecter à la fois à la ligne d’alimentation LA et à la ligne d’entrée de transfert LET, une vanne étant prévue sur chacune des bifurcations.
Dans une troisième possibilité : les bypass BAP et bypass BAR partagent une conduite de contournement à partir de la ligne d’alimentation LA, l’une de ses extrémités étant connectée à cette ligne d’alimentation LA, l’autre de ses extrémités étant bifurquée pour se connecter à la fois à la ligne de collecte du perméat LCP et à la ligne de collecte du rétentat LCR, une vanne étant prévue sur chacune des bifurcations ; et les bypass BTP et bypass BTR partagent une conduite de contournement à partir de la ligne d’entrée de transfert LET, l’une de ses extrémités étant connectée à cette ligne d’entrée de transfert LET, l’autre de ses extrémités étant bifurquée pour se connecter à la fois à la ligne de collecte du perméat LCP et à la ligne de collecte du rétentat LCR, une vanne étant prévue sur chacune des bifurcations.
1.1. Opération en mode rétentat
L’attribution des modules membranaires M dans le mode rétentat est réalisée de la manière suivante (voir Figures la et 3a).
Dans le premier étage de traitement El, l’ensemble des entrées EM des modules membranaires M sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation LA, l’ensemble des sorties de perméat SP sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat LCP, et l’ensemble des sorties de rétentat SR sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat LTR, elle- même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert LET.
L’attribution de modules membranaires M au premier étage de traitement El peut être effectuée facilement en :
ouvrant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'alimentation LA VAM ;
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de transfert de rétentat
Figure imgf000019_0001
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de collecte de perméat
Figure imgf000019_0002
fermant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires et la ligne d'entrée de transfert LET VTM ;
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires et la ligne de collecte de rétentat
Figure imgf000019_0003
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de transfert de perméat
Figure imgf000019_0004
Dans le deuxième étage de traitement E2, l’ensemble des entrées EM des modules membranaires M sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert LET, l’ensemble des sorties de rétentat SR sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat LCR, et l’ensemble des sorties de perméat SP sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat LTP, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation LA.
L’attribution de modules membranaires M au deuxième étage de traitement E2 peut être effectuée facilement en :
- ouvrant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'entrée de transfert LET
Figure imgf000020_0001
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de collecte de rétentat
Figure imgf000020_0002
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de transfert de perméat
Figure imgf000020_0003
fermant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'alimentation LA VAM ;
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de transfert de rétentat
Figure imgf000020_0004
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de collecte de perméat
Figure imgf000020_0005
En d’autres termes plus généraux, dans le mode rétentat, les sorties de rétentat SR des modules membranaires M du premier étage de traitement El sont connectées fluidiquement aux entrées EM des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2.
Le tableau ci-dessous résume les différentes connections dans le mode rétentat :
Figure imgf000020_0006
Le tableau ci-dessous résume l'état ouvert ou fermé des vannes dans le mode rétentat:
Figure imgf000021_0004
'o' indique que la vanne est ouverte; '·' indique que la vanne est fermée
1 2 Opération en mode perméat
L’attribution des modules membranaires M dans le mode perméat est réalisée de la manière suivante (voir Figures lb et 4a).
Dans le premier étage de traitement El, l’ensemble des entrées EM des modules membranaires M sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation LA, l’ensemble des sorties rétentat SR sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat LCR, et l’ensemble des sorties de perméat SP sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat LTP, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert LET.
L’attribution de modules membranaires M au premier étage de traitement El peut être effectuée facilement en :
ouvrant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'alimentation LA VAM ;
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de collecte de rétentat
Figure imgf000021_0001
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de transfert de perméat
Figure imgf000021_0002
fermant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'entrée de transfert LET
Figure imgf000021_0003
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de transfert de rétentat
Figure imgf000022_0001
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de collecte de perméat
Figure imgf000022_0002
Dans le deuxième étage de traitement E2, l’ensemble des entrées EM des modules membranaires M sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert LET, l’ensemble des sorties de perméat SP sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat LCP, et l’ensemble des sorties de rétentat SR sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat LTR, elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation LA.
L’attribution de modules membranaires M au deuxième étage de traitement E2 peut être effectuée facilement en :
ouvrant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'entrée de transfert LET
Figure imgf000022_0003
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de transfert de rétentat
Figure imgf000022_0004
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de collecte de perméat
Figure imgf000022_0005
fermant les vannes permettant la connexion fluidique entre :
o l’entrée EM des modules membranaires M et la ligne d'alimentation LA VAM ;
o le sortie de rétentat SR des modules membranaires M et la ligne de collecte de rétentat
Figure imgf000022_0006
o la sortie de perméat SP des modules membranaires M et la ligne de transfert de perméat
Figure imgf000022_0007
En d’autres termes plus généraux, dans le mode perméat, les sorties de perméat SP des modules membranaires M du premier étage de traitement sont connectées fluidiquement aux entrées EM de module des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2. Le tableau ci-dessous résume les différentes connections dans le mode perméat :
Figure imgf000023_0001
Le tableau ci-dessous résume l'état ouvert ou fermé des vannes dans le mode perméat :
Figure imgf000023_0002
'o' indique que la vanne est ouverte; '·' indique que la vanne est fermée
2. Procédés (étapes communes) La présente invention porte sur un procédé de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone dans une installation I qui comprend une pluralité de modules membranaires M, par exemple telle que décrite ci-dessus.
Au sens de la présente invention, on entend par "gaz naturel" un mélange gazeux comprenant des hydrocarbures tels que le méthane, l'éthane, le propane et le butane et des impuretés telles que le dioxyde de carbone (C02). Typiquement la teneur en C02 dans le gaz naturel à traiter par le procédé de la présente invention peut être de 10 % mol. à 80 % mol. Dans la grande majorité des cas, cette teneur en C02 dans le gaz naturel augmente au fil du temps. Cependant, la présente invention n’est pas limitée à ce cas-là est peut être utilisée également dans le cas où la teneur en C02 dans le gaz naturel diminue au fil du temps, ou plus généralement fluctue avec le temps. Classiquement le gaz naturel à traiter par le procédé de la présente invention est introduit dans le module membranaire M par l'entrée EM. Un perméat comprenant le C02 est récupéré à la sortie de perméat SP tandis qu'un rétentat comprenant le gaz naturel est récupéré à la sortie de rétentat SR. Le perméat et le rétentat sont donc récupérés séparément en sortie du module membranaire M permettant ainsi une purification du gaz naturel. De façon avantageuse, le C02 récupéré peut être injecté dans un gisement pétrolier et le gaz naturel purifié peut être commercialisé après d'éventuels traitements.
Une partie des modules membranaires M sont attribués à un premier étage de traitement El définissant une surface membranaire et une autre partie des modules membranaires M sont attribués à un deuxième étage de traitement E2 définissant une surface membranaire.
La surface membranaire de chacun des étages de traitement nécessaire au traitement du gaz naturel à traiter dépend de la teneur en C02 dans le gaz à traiter.
Le premier étage de traitement El et le deuxième étage de traitement E2 peuvent être connectés fluidiquement soit en mode rétentat soit en mode perméat.
Typiquement la teneur en C02 dans le gaz naturel peut requérir une surface membranaire totale requise Sr, les modules membranaires M offrant une surface totale disponible, lorsque la surface totale disponible de membrane excède la surface totale requise pour la séparation de C02, alors la pression du perméat peut être augmentée sur l’un quelconque des étages de l’installation I. Cette augmentation de pression peut être réalisée par le compresseur de recycle CompTR ou le compresseur de réinjection CompTP.
L’augmentation de la pression au perméat dégrade la force motrice (différence de pression transmembranaire) qui est compensée en utilisant toute la surface membranaire au lieu de la surface requise Sr (inférieure à la surface disponible).
2.1. Opération en mode rétentat
Selon ce mode opératoire particulier (Figures la et 3a), le gaz naturel à traiter comprenant du C02 est introduit dans chaque module membranaire M du premier étage de traitement El via leurs entrées EM par la ligne d'alimentation LA. Le perméat du premier étage de traitement El comprenant le C02 est récupéré à la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de collecte de perméat LCP. Le rétentat du premier étage de traitement comprenant le gaz naturel et du C02 résiduel est récupéré via la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de transfert de rétentat LTR. Le rétentat du premier étage de traitement El est ensuite introduit dans chaque module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 via leurs entrées EM par la ligne d'entrée de transfert LET.
Le ou les modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 permettent d'améliorer la purification du gaz naturel en le séparant du C02 résiduel. Ainsi le rétentat du deuxième étage de traitement E2 comprenant le gaz naturel purifié est récupéré via la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de collecte de rétentat LCR. Le perméat du deuxième étage de traitement E2 comprenant le C02 résiduel est quant à lui récupéré via la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de transfert de perméat LTP. Ce perméat est ensuite introduit dans chaque module membranaire M du premier étage de traitement El par la ligne d'alimentation LA pour augmenter la quantité de C02 récupéré dans la ligne de collecte de perméat LCP.
Typiquement lorsque le premier étage de traitement El et le deuxième étage de traitement de l'installation I sont connectés fluidiquement en mode rétentat alors:
le perméat du premier étage de traitement El peut comprendre plus de 75 % mol. de C02, en particulier de 80 % mol. à 99 % mol. de C02, tout particulièrement de 94 % mol. à 97 % mol.de C02, par exemple environ 95 % mol., le rétentat du deuxième étage de traitement E2 peut comprendre plus de 75 % mol. de gaz naturel, en particulier de 80 % mol. à 99 % mol. de gaz naturel, tout particulièrement de 94% mol. à 98 % mol. de gaz naturel.
De façon avantageuse le perméat du premier étage de traitement El comprenant du C02 peut être réinjecté dans un gisement pétrolier. De même, après d'éventuels traitements, le rétentat du deuxième étage de traitement E2 comprenant du gaz naturel purifié peut être commercialisé.
Par ailleurs, le procédé selon le mode rétentat peut comprendre en outre l’augmentation de la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de transfert de perméat LTP.
En outre ou alternativement, le procédé selon le mode rétentat eut comprendre en outre l’augmentation de la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de collecte de perméat LCP.
2.2. Opération en mode perméat
Selon ce mode opératoire particulier (Figures lb et 4a), le gaz naturel à traiter comprenant du C02 est introduit dans chaque module membranaire M du premier étage de traitement El via leur entrée EM par la ligne d'alimentation LA. Le rétentat du premier étage de traitement El comprenant du gaz naturel purifié est récupéré via la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de collecte de rétentat LCR. Le perméat du premier étage de traitement El comprenant du C02 et du gaz naturel résiduel est récupéré via la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de transfert de perméat LTP. Ce perméat est ensuite introduit dans les modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 via leur entrée EM par la ligne d'entrée de transfert LET.
Le ou les modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 permettent de diminuer la teneur en gaz naturel résiduel dans le C02 en séparant le gaz naturel résiduel du C02. Le ou les modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 permettent donc d'améliorer la qualité du C02 de sorte qu'il puisse être injecté dans un gisement pétrolier. Le perméat du deuxième étage de traitement E2 comprenant du C02 est récupéré via la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de collecte de perméat LCP. Le rétentat du deuxième étage de traitement E2 comprenant du gaz naturel est quant à lui récupéré via la sortie du module de rétentat SR de chaque module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 dans la ligne de transfert de rétentat LTR. Ce rétentat est ensuite introduit dans chaque module membranaire M du premier étage de traitement El par la ligne d'alimentation LA pour augmenter la quantité de gaz naturel purifié récupéré dans la ligne de collecte de rétentat LCR.
De façon avantageuse le gaz naturel purifié récupéré dans la ligne de collecte de rétentat LCR peut être commercialisé après d'éventuels traitements ultérieurs. Le C02 récupéré dans la ligne de collecte de perméat LCP peut être injecté dans un gisement pétrolier.
Typiquement lorsque le premier étage de traitement El et le deuxième étage de traitement E2 de l'installation I sont connectés fluidiquement en mode perméat alors:
le perméat du deuxième étage de traitement E2 peut comprendre plus de 75 % mol. de C02, en particulier de 80 %mol. à 99 % mol. de C02, tout particulièrement de 94 % mol. à 97 % mol.de C02,
le rétentat du premier étage de traitement El peut comprendre plus de 75 % mol. de gaz naturel, en particulier de 80 % mol. à 99 % mol. de gaz naturel, tout particulièrement de 94 % mol. à 95 % mol. de gaz naturel.
De façon avantageuse le perméat du deuxième étage de traitement E2 comprenant du C02 peut être réinjecté dans un gisement pétrolier. De même, après d'éventuels traitements, le rétentat du premier étage de traitement El comprenant du gaz naturel peut être commercialisé.
Par ailleurs, le procédé selon le mode perméat peut comprendre en outre l’augmentation de la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de transfert de perméat LTP. En outre ou alternativement, le procédé selon le mode rétentat eut comprendre en outre l’augmentation de la pression du perméat récupéré via la sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El dans la ligne de collecte de perméat LCP.
3. Procédé : réattribution d’un module membranaire
Selon un premier aspect, l’ensemble des modules membranaires M pour les premier et deuxième étages de traitement El, E2 sont mis en commun.
Ainsi, lorsque l’évolution des conditions opératoires conduit à ce que l’un des étages de traitement requiert moins de surface membranaire pour le traitement du gaz et que l’autre étage de traitement requiert plus de surface membranaire pour le traitement du gaz, alors le procédé comprend une étape de réattribution à l’étage requérant plus de surface membranaire d’au moins un module membranaire M attribué à l’étage requérant moins de surface membranaire.
La surface membranaire de chacun des étages de traitement dépend du nombre de modules membranaires M attribués à chaque étage. Le nombre de modules membranaires M à réattribuer d’un étage à l’autre peut dépendre de la teneur en C02 dans le gaz naturel, principalement de l'augmentation de cette teneur, mais peut aussi dépendre de la diminution ou de la variation de cette teneur.
Le nombre de modules membranaires M de l’étage requérant moins de surface membranaire à réattribuer à l’étage requérant plus de surface membranaire peut également dépendre de l'évolution de la pression du gaz naturel.
Typiquement un seul ou plusieurs modules membranaires M de l’étage requérant moins de surface membranaire peuvent être réattribués à l'étage requérant plus de surface membranaire.
De façon avantageuse, l'étape de réattribution du procédé objet de la présente invention permet de moduler la surface membranaire requise par chaque étage de traitement et ainsi d'optimiser la surface membranaire totale de l'installation I. Ainsi, par rapport aux procédés de l’art antérieur, la surface membranaire totale installée peut être diminuée. De plus, l'étape de réattribution du procédé permet d'optimiser la puissance consommée par le procédé (voir les exemples).
Par ailleurs, la réattribution de modules membranaires M selon les besoins n’est pas nécessairement réalisée continûment, mais est de préférence réalisée par paliers, les paliers correspondant par exemple aux intervalles (en % mol.) de teneur en C02 du gaz à traiter suivants : ] 10 ; 20] ; ]20 ; 30] ; ]30 ; 40] ; ]40 ; 50] ; ]50 ; 60] ; ]60 ; 70] ; et ]70 ; 80] D’autres paliers peuvent être prévus, par exemple à la place des paliers ]30 ; 40] ; ]40 ; 50] et ]50 ; 60], il est possible d’avoir ]30 ; 44] ; ]44 ; 60] à la place (1 palier en moins).
En outre, le changement du nombre de modules membranaires par paliers induit un excédent e surface membranaire pour le premier étage de traitement et/ou le deuxième étage de traitement.
Ceci peut aboutir à un gaz à réinjecter avec une teneur en C02 supérieure aux spécifications requises qui sont généralement de 95 % mol. Afin de revenir à la valeur des spécifications, un contournement ( bypass ) du deuxième étage de traitement en mode perméat ou du premier étage de traitement en mode rétentat peut être prévu. Ce contournement prélève une partie du gaz arrivant à l’entrée du deuxième étage de traitement E2 en mode perméat ou du premier étage de traitement El en mode rétentat pour le diriger directement vers la ligne de collecte du perméat LCP.
Ceci peut également aboutir à un gaz récupéré en fin de traitement avec une teneur en C02 inférieure aux spécifications qui sont généralement de 5 % mol. Afin de revenir à la valeur des spécifications, un contournement du premier étage de traitement en mode perméat ou du deuxième étage de traitement en mode rétentat peut être prévu. Ce contournement prélève une partie du gaz arrivant à l’entrée du premier étage de traitement El en mode perméat ou du deuxième étage de traitement E2 en mode rétentat pour le diriger directement vers la ligne de collecte du rétentat LCR.
Les caractéristiques différentes selon le mode opératoire sont décrites ci-après.
3.1. Opération en mode rétentat
Typiquement l'étape de réattribution du procédé de l'invention peut être mise en œuvre lorsque la teneur en C02 dans le gaz naturel atteint une valeur seuil, Tco2Sem1· La valeur seuil Tco2Seml dépend de différents paramètres tels que la pression de C02, la teneur en C02, les spécifications, le système membranaire, les performances des membranes.... Typiquement la valeur seuil TCo2Seml est de 10 % mol. à 75 % mol., en particulier de 20 % mol. à 60 % mol., tout particulièrement de 30 % mol. à 50 % mol.
Le procédé peut comprendre l’augmentation de la pression du perméat qui est recirculé, notamment via le compresseur de recycle CompTR, c'est-à-dire la pression du perméat récupéré en sortie de perméat SP du deuxième étage de traitement E2, auquel cas, le procédé peut comprendre en outre l’injection du perméat comprimé, notamment via le compresseur de recycle CompTR, à l’entrée du premier étage de traitement El. Le procédé peut comprendre en outre l’augmentation de la pression du perméat récupéré en sortie de perméat SP du premier étage de traitement El. Ce perméat comprimé, notamment via le compresseur de réinjection CompTP, comprenant du C02 peut ensuite être injecté dans un gisement pétrolier.
Typiquement l'augmentation de la pression du perméat peut être réalisée en diminuant la vitesse de rotation du compresseur de recycle CompTR ou en modifiant l'orientation des aubages du compresseur de recycle CompTR.
Typiquement l'augmentation de la pression du perméat peut être réalisée en diminuant la vitesse de rotation du compresseur de réinjection CompTP ou en modifiant l'orientation des aubages du compresseur de réinjection CompTP.
La pression du perméat en sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El peut être de 0,1 bar à 10 bar, en particulier de 1 bar à 7bar, tout particulièrement de 1, 5 bar à 5 bar.
La pression du perméat en sortie de perméat SP du module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 peut être de 0,1 bar à 10 bar, en particulier de 1 bar à 7 bar, tout particulièrement de 1,5 bar à 5 bar.
La pression en entrée EM du module membranaire M du premier étage de traitement El ou du module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 peut être de 20 bar à 120 bar, en particulier de 40 bar à 100 bar, tout particulièrement de 60 bar à 90bar.
Dans ce mode rétentat, le sens de réattribution le plus avantageux est du deuxième étage de traitement E2 vers le premier étage de traitement El et il sera décrit en premier. Néanmoins, le sens de réattribution inverse est également possible.
3.1.1. Réattribution du deuxième étage de traitement vers le premier étage de traitement
Typiquement, lorsque l’évolution des conditions opératoires conduit à ce que la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement El augmente et la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement E2 diminue, l’étape de réattribution du deuxième étage de traitement E2 vers le premier étage de traitement El comprend les étapes suivantes : la déconnexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de rétentat SR et de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer ; la connexion fluidique de l’entrée EM du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne d'alimentation LA ;
la connexion fluidique de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne de collecte de perméat LCP, et
la connexion fluidique de la sortie de rétentat SR du ou des modules membranaires M à réattribuer à ligne de transfert de rétentat LTR.
Typiquement l'étape de réattribution d’un ou de plusieurs modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 vers le premier étage de traitement El peut être mise en œuvre très simplement de la manière suivante.
Les déconnexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en fermant les vannes ouvertes qui établissent la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'entrée de transfert LET,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de rétentat LCR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces vannes ouvertes deviennent alors des vannes fermées et chaque module membranaire M à réattribuer est isolé du deuxième étage de traitement E2.
Les connexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en ouvrant les vannes fermées établissant la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'alimentation LA,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de rétentat LTR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de perméat LCP.
Ces trois vannes fermées deviennent alors des vannes ouvertes et les modules sont alors réattribués au premier étage de traitement El. 3.1.2. Réattribution du premier étage de traitement vers le deuxième étage de traitement
Typiquement, lorsque l’évolution des conditions opératoires conduit à ce que la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement E2 augmente et la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement El diminue, l’étape de réattribution du premier étage de traitement El vers le deuxième étage de traitement E2 comprend les étapes suivantes :
la déconnexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de rétentat SR et de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer ;
la connexion fluidique de l’entrée EM du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne d'entrée de transfert LET ;
la connexion fluidique de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne de transfert de perméat LTP, et
la connexion fluidique de la sortie de rétentat SR du ou des modules membranaires M à réattribuer à ligne de collecte de rétentat LCR.
Typiquement l'étape de réattribution d’un ou de plusieurs modules membranaires M du premier étage de traitement El vers le deuxième étage de traitement E2 peut être mise en œuvre très simplement, notamment grâce au système de vannes SV, de la manière suivante.
Les déconnexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en fermant les vannes ouvertes qui établissent la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'alimentation LA,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de rétentat LTR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de perméat LCP.
Ces vannes ouvertes deviennent alors des vannes fermées et chaque module membranaire M à réattribuer est isolé du premier étage de traitement El.
Les connexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en ouvrant les vannes fermées établissant la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'entrée de transfert LET, entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire à réattribuer M et la ligne de collecte de rétentat LCR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire à réattribuer M et la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces trois vannes fermées deviennent alors des vannes ouvertes et les modules sont alors réattribués au deuxième étage de traitement E2.
3.2. Opération en mode perméat
Selon ce mode de réalisation particulier, illustré par les Figures 4a, 4b et 4c, le premier étage de traitement El et le deuxième étage de traitement E2 sont connectés fluidiquement en mode perméat.
Typiquement l'étape de réattribution du procédé de l'invention peut être mise en œuvre lorsque la teneur en C02 dans le gaz naturel atteint une valeur seuil, TCo2Seui1· La valeur seuil TCo2Seml dépend de différents paramètres tels que la pression de C02, la teneur en C02, les spécifications, le système membranaire, les performances des membranes.... Typiquement la valeur seuil Tco2Seml est de 10 % mol. à 75 % mol., en particulier de 20 % mol. à 60 % mol., tout particulièrement de 30 % mol. à 50 % mol.
Le procédé peut comprendre l’augmentation de la pression du perméat récupéré en sortie de perméat SP du premier étage de traitement El, notamment via le compresseur de recycle CompTR, auquel cas, le procédé peut comprendre en outre l’injection du perméat comprimé via le compresseur de recycle CompTR à l’entrée du deuxième étage de traitement E2.
Le procédé peut comprendre en outre l’augmentation de la pression du perméat récupéré en sortie de perméat SP du deuxième étage de traitement E2, notamment via le compresseur de réinjection CompTP. Ce perméat comprimé via le compresseur de réinjection CompTP comprenant du C02 peut ensuite être injecté dans un gisement pétrolier.
Typiquement l'augmentation de la pression du perméat peut être réalisée en diminuant la vitesse de rotation du compresseur de recycle CompTR ou en modifiant l'orientation des aubages du compresseur de recycle CompTR.
Typiquement l'augmentation de la pression du perméat peut être réalisée en diminuant la vitesse de rotation du compresseur de réinjection CompTP ou en modifiant l'orientation des aubages du compresseur de réinjection CompTP. La pression du perméat en sortie de perméat SP du module membranaire M du premier étage de traitement El peut être de 0,1 bar à 10 bar, en particulier de lbar à 7bar, tout particulièrement de 1,5 bar à 5 bar.
La pression du perméat en sortie de perméat SP du module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 peut être de 0,1 bar à 10 bar, en particulier de lbar à 7 bar, tout particulièrement de l.5bar à 5 bar.
La pression en entrée EM du module membranaire M du premier étage de traitement El ou du module membranaire M du deuxième étage de traitement peut être de 20 bar à 120 bar, en particulier de 40 bar à 100 bar, tout particulièrement de 60 bar à 90 bar.
Dans ce mode perméat, le sens de réattribution le plus avantageux est du premier étage de traitement El vers le deuxième étage de traitement E2 et il sera décrit en premier. Néanmoins, le sens de réattribution inverse est également possible.
3.2.1. Réattribution du premier étage de traitement vers le deuxième étage de traitement
Typiquement, lorsque l’évolution des conditions opératoires conduit à ce que la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement E2 augmente et la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement El diminue, l’étape de réattribution du premier étage de traitement El vers le deuxième étage de traitement E2 comprend les étapes suivantes :
la déconnexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de rétentat SR et de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer ;
la connexion fluidique de l’entrée EM du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne d'entrée de transfert LET ;
la connexion fluidique de la sortie de rétentat SR du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne de transfert de rétentat LTR, et
la connexion fluidique de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer à ligne de collecte de perméat LCP.
Typiquement l'étape de réattribution du premier étage de traitement El vers le deuxième étage de traitement E2 peut être mise en œuvre très simplement grâce au système de vannes SV de la manière suivante.
Les déconnexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent ainsi être réalisées en fermant les vannes ouvertes qui établissent la connexion fluidique : entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'alimentation LA,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de rétentat LCR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces vannes ouvertes deviennent alors des vannes fermées et chaque module membranaire M à réattribuer fluidiquement déconnecté est isolé du premier étage de traitement El.
Les connexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en ouvrant les vannes fermées établissant la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'entrée de transfert LET,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de rétentat LTR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de perméat LCP.
Ces trois vannes fermées deviennent alors des vannes ouvertes et les modules sont alors réattribués au deuxième étage de traitement E2.
3.2.2. Réattribution du deuxième étage de traitement vers le premier étage de traitement
Typiquement, lorsque la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement El augmente et la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement E2 diminue, l’étape de réattribution du deuxième étage de traitement E2 vers le premier étage de traitement El comprend les étapes suivantes :
la déconnexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de rétentat SR et de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer ;
la connexion fluidique de l’entrée EM du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne d'alimentation LA;
la connexion fluidique de la sortie de perméat SP du ou des modules membranaires M à réattribuer à la ligne de transfert de perméat LTP, et
la connexion fluidique de la sortie de rétentat SR du ou des modules membranaires M à réattribuer à ligne de collecte de rétentat LCR. Typiquement l'étape de réattribution d’un ou de plusieurs modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 vers le premier étage de traitement El peut être mise en œuvre très simplement de la manière suivante.
Les déconnexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en fermant les vannes ouvertes qui établissent la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'entrée de transfert LET,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de rétentat LTR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de perméat LCP.
Ces vannes ouvertes deviennent alors des vannes fermées et chaque module membranaire M à réattribuer est isolé du deuxième étage de traitement E2.
Les connexions fluidiques de chaque module membranaire M à réattribuer peuvent être réalisées en ouvrant les vannes fermées établissant la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne d'alimentation LA,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de collecte de rétentat LCR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M à réattribuer et la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces trois vannes fermées deviennent alors des vannes ouvertes et les modules sont alors réattribués au premier étage de traitement El.
4. Procédé : Passage d’un mode opératoire à un autre
Selon un premier aspect, le traitement du gaz naturel est réalisé tantôt suivant le mode rétentat (Figures la et 3a à 3c), tantôt suivant le mode perméat (Figures lb et 4a à 4c) tels que décrits ci- dessus.
Dans une première variante, le traitement du gaz naturel est réalisé tout d’abord le mode rétentat. Puis, lorsque la teneur en C02 présente au sein du gaz naturel atteint une valeur donnée, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode perméat. Dans une deuxième variante, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode perméat. Puis lorsque la teneur en C02 présente au sein du gaz naturel atteint une valeur donnée, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode rétentat.
Ainsi, le procédé selon le second aspect de l'invention comprend une étape de passage d’un mode opératoire à l’autre.
De façon avantageuse, ce procédé permet de bénéficier des avantages des deux modes opératoires en fonction de l’évolution de la teneur en C02 dans le gaz naturel à traiter. En effet, lorsque la teneur en C02 dans le gaz à traiter est inférieur à TCo2decl, le mode perméat est plus avantageux en termes de surface membranaire et de puissance consommée. Lorsque la teneur en C02 est supérieure à Tco2decl alors le mode rétentat devient plus économique en termes de surface membranaire et la puissance consommée devient stable. De plus, en combinant les deux modes opératoires, la surface membranaire totale à installer est plus faible qu’en utilisant l’un ou l’autre des deux modes opératoires seuls et la puissance totale consommée est stabilisée.
La valeur donnée, Tco2decl, de la teneur en C02 présente au sein du gaz naturel déclenchant la réalisation du traitement du gaz suivant le mode rétentat ou le mode perméat dépend de différents paramètres tels que la pression de C02, la teneur en C02, les spécifications, le système membranaire, les performances des membrane...
Typiquement Tco2decl peut être de 20 % mol. à 80 % mol., en particulier de 30 % mol. à 70 % mol., tout particulièrement de 40 % mol. à 60 % mol.
4.1. Passage du mode rétentat au mode perméat
Le passage du mode rétentat (Ligure 3a) au mode perméat (Ligure 4a) est réalisé de la manière suivante :
la déconnexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de perméat SP et de la sortie de rétentat SR des modules membranaires M qui sont connectés tel que décrit ci-dessus (1.1.) ; et
la connexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de perméat SP et de la sortie de rétentat SR d’au moins une partie des modules membranaires M de manière à ce que :
o dans les premier et deuxième étage de traitements El, E2 de traitement, les modules membranaires M sont connectés comme décrit ci-dessus (1.2.). Typiquement l'étape de passage du mode perméat au mode rétentat peut être mise en œuvre très simplement grâce au système de vannes SV décrit ci-dessus en relation avec le procédé selon le premier aspect de l'invention.
Les déconnexions fluidiques de chaque module membranaire M peuvent ainsi être réalisées en fermant les vannes ouvertes qui réalisent la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M et la ligne d'alimentation LA ou la ligne d'entrée de transfert LET,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de rétentat LCR ou la ligne de transfert de rétentat LTR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de perméat LCP ou la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces vannes ouvertes deviennent alors des vannes fermées et chaque module membranaire M fluidiquement déconnecté est isolé.
Les connexions fluidiques de chaque module membranaire M peuvent ainsi être réalisées en ouvrant les vannes fermées qui réalisent la connexion fluidique entre :
dans le premier étage de traitement El :
o l'entrée EM de chaque module membranaire M et la ligne d'entrée d'alimentation
LA,
o la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de rétentat LCR,
o la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M et la ligne de transfert de perméat LTP,
dans le deuxième étage de traitement E2 :
o l'entrée EM de chaque module membranaire M et la ligne d'entrée de transfert
LET,
o la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M et la ligne de transfert de rétentat LTR,
o la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de perméat LCP.
Ces vannes fermées deviennent alors des vannes ouvertes.
Les autres modules membranaires M qui ne sont pas reconnectés restent alors isolés.
Alternativement, le passage du mode rétentat au mode perméat peut être réalisé en : déconnectant l’entrée EM d’au moins une partie des modules membranaires M du premier étage de traitement El de la ligne d'alimentation LA et les connecter à la ligne d'entrée de transfert LET, de ce fait les attribuant au deuxième étage de traitement E2 du mode perméat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du premier étage de traitement El étant isolés ;
déconnectant l’entrée EM d’au moins une partie des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 de la ligne d'entrée de transfert LET et les connecter à la ligne d'alimentation LA, de ce fait les attribuant au premier étage de traitement El du mode perméat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 étant isolés.
Alternativement, le passage du mode rétentat au mode perméat peut être réalisé en :
déconnectant la sortie de rétentat SR et la sortie de perméat SP d’au moins une partie des modules membranaires M du premier étage de traitement El respectivement de la ligne de transfert de rétentat LTR et de la ligne de collecte de perméat LCP et les connecter respectivement à la ligne de collecte de rétentat LCR et à la ligne de transfert de perméat LTP, de ce fait les attribuer au premier étage de traitement El du mode perméat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du premier étage de traitement El étant isolés ;
déconnectant la sortie de rétentat SR et la sortie de perméat SP d’au moins une partie des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 respectivement de la ligne de collecte de rétentat LCR et de la ligne de transfert de perméat LTP et les connecter respectivement à la ligne de transfert de rétentat LTR et à la ligne de collecte de perméat LCP, de ce fait les attribuer au deuxième étage de traitement E2 du mode perméat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 étant isolés.
Ainsi, dans ces deux alternatives, les modules membranaires M réutilisés après le passage au mode perméat ne sont jamais entièrement isolés permettant une économie en opération de fermeture et d’ouverture de vannes.
Typiquement la teneur en C02 dans le gaz naturel peut requérir une surface membranaire totale requise Sr, les modules membranaires M offrant une surface totale disponible, lorsque la surface totale disponible de membrane excède la surface totale requise pour la séparation de C02, alors la pression du perméat peut être augmentée sur l’un quelconque des étages de l’installation I. Cette augmentation de pression peut être réalisée par les compresseurs de recycle CompTR ou de réinjection CompTP.
4.2. Passage du mode perméat au mode rétentat
Le passage du mode perméat au mode rétentat est réalisé de la manière suivante :
la déconnexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de perméat SP et de la sortie de rétentat SR des modules membranaires M qui sont connectés tel que décrit ci-dessus (1.2.) ; et
la connexion fluidique de l’entrée EM, de la sortie de perméat SP et de la sortie de rétentat SR d’au moins une partie des modules membranaires M de manière à ce que : o dans les premier et deuxième étage de traitements El, E2, les modules membranaires M sont connectés comme décrit ci-dessus (1.1.).
Typiquement l'étape de passage du mode perméat au mode rétentat peut être mise en œuvre très simplement grâce au système de vannes SV décrit ci-dessus en relation avec le procédé selon le premier aspect de l'invention.
Les déconnexions fluidiques de chaque module membranaire M peuvent ainsi être réalisées en fermant les vannes ouvertes qui réalisent la connexion fluidique :
entre l'entrée EM de chaque module membranaire M et la ligne d'alimentation LA ou la ligne d'entrée de transfert LET,
entre la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de rétentat LCR ou la ligne de transfert de rétentat LTR, et
entre la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de perméat LCP ou la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces vannes ouvertes deviennent alors des vannes fermées et chaque module membranaire M fluidiquement déconnecté est isolé.
Les connexions fluidiques de chaque module membranaire M peuvent ainsi être réalisées en ouvrant les vannes fermées qui réalisent la connexion fluidique entre :
dans le premier étage de traitement El :
o l'entrée EM de chaque module membranaire M et la ligne d'entrée d'alimentation
LA,
o la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M et la ligne de transfert de rétentat LTR, o la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de perméat LCP,
dans le deuxième étage de traitement E2 :
o l'entrée EM de chaque module membranaire M et la ligne d'entrée de transfert
LET,
o la sortie de rétentat SR de chaque module membranaire M et la ligne de collecte de rétentat LCR,
o la sortie de perméat SP de chaque module membranaire M et la ligne de transfert de perméat LTP.
Ces vannes fermées deviennent alors des vannes ouvertes.
Les autres modules membranaires M qui ne sont pas reconnectés restent alors isolés.
Alternativement, le passage du mode perméat au mode rétentat peut être réalisé en :
déconnectant l’entrée EM d’au moins une partie des modules membranaires M du premier étage de traitement El de la ligne d'alimentation LA et les connecter à la ligne d'entrée de transfert LET, de ce fait les attribuant au deuxième étage de traitement E2 du mode rétentat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du premier étage de traitement El étant isolés ;
déconnectant l’entrée EM d’au moins une partie des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 de la ligne d'entrée de transfert LET et les connecter à la ligne d'alimentation LA, de ce fait les attribuant au premier étage de traitement El du mode rétentat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 étant isolés.
Alternativement, le passage du mode perméat au mode rétentat peut être réalisé en :
déconnectant la sortie de rétentat SR et la sortie de perméat SP d’au moins une partie des modules membranaires M du premier étage de traitement El respectivement de la ligne de collecte de rétentat LCR et de la ligne de transfert de perméat LTP et les connecter respectivement à la ligne de transfert de rétentat LTR et à la ligne de collecte de perméat LCP, de ce fait les attribuer au premier étage de traitement El du mode perméat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du premier étage de traitement El étant isolés ;
déconnectant la sortie de rétentat SR et la sortie de perméat SP d’au moins une partie des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 respectivement de la ligne de transfert de rétentat LTR et de la ligne de collecte de perméat LCP et les connecter respectivement à la ligne de collecte de rétentat LCR et à la ligne de transfert de perméat LTP, de ce fait les attribuer au deuxième étage de traitement E2 du mode rétentat, l’autre partie, s’il y a, des modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 étant isolés. Ainsi, dans ces deux alternatives, les modules membranaires M réutilisés après le passage au mode rétentat ne sont jamais entièrement isolés permettant une économie en opération de fermeture et d’ouverture de vannes.
Typiquement la teneur en C02 dans le gaz naturel peut requérir une surface membranaire totale requise Sr, les modules membranaires EM offrant une surface totale disponible, lorsque la surface totale disponible de membrane excède la surface totale requise pour la séparation de C02, alors la pression du perméat peut être augmentée sur l’un quelconque des étages de l’installation. Cette augmentation de pression peut être réalisée par les compresseurs de recycle CompTR ou de réinjection CompTP.
5. Procédé combinant le procédé selon le premier aspect de l'invention et le procédé selon le second aspect de l'invention.
Le procédé selon le premier aspect de l'invention et le procédé selon le second aspect de l'invention peuvent être combinés, c'est-à-dire que pendant le fonctionnement selon l’un ou l’autre des modes opératoires, des modules membranaires M peuvent être réattribués de l’un des étages de traitement à l’autre. L'homme du métier saura réaliser tous les modes de réalisation en combinant les différentes étapes décrites ci-dessus.
Exemples
Dans les exemples suivants, les caractéristiques et la composition initiale du gaz naturel à traiter sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous. Le gaz naturel contient initialement environ 10 % mol. de C02, puis sa teneur en C02 du gaz naturel est augmentée jusqu'à 80 % mol. par injection de C02 dans le gisement.
Tableau 1 : Caractéristiques et composition initiale du gaz naturel
Figure imgf000042_0001
MMSCFD signifiant « million standard cubicfeet per day » et vaut 1177,17 Sm 3 /h à 15 °C.
C„ indiquant les hydrocarbures à n carbone(s), 4+ renvoyant aux hydrocarbures avec 4 carbones ou plus. Exemple 1 : Procédé ne mettant en œuyre que le mode rétentat
La Figure 7 présente l'évolution des surfaces membranaires requises (en base 100, 100 étant la surface membranaire nécessaire au total à installer en début de traitement pour un gaz comprenant environ 10 % mol. de C02) pour le premier étage de traitement El, le deuxième étage de traitement E2 et de la surface membranaire totale effective en fonction de la teneur en C02 dans le gaz à traiter pour le mode rétentat.
On peut voir que la surface membranaire requise du premier étage de traitement El augmente de 2 à 34, permettant ainsi une meilleure séparation des gaz à cet étage et induisant ainsi moins de surface membranaire pour le deuxième étage de traitement E2 qui elle diminue de 98 à presque 0. La surface membranaire totale diminue donc lorsque la teneur en C02 augmente dans le gaz à traiter.
L’unité membranaire est construite avec des modules membranaires ayant une surface fixe. De façon arbitraire, on suppose qu’un module membranaire présente une surface de 1 en base 100.
Dans le cas où il n’y a pas réattribution de modules membranaires ni passage du mode rétentat au mode perméat, le nombre de modules membranaires total à installer est de 98 pour le deuxième étage de traitement et de 34 pour le premier étage de traitement, ce qui fait un nombre total de modules membranaires à installer de 132.
L’intérêt du procédé comprenant des étapes de réattribution de modules membranaires dans le cadre d’un mode rétentat est simple à comprendre. En se référant à nouveau à la Figure 7, on constate que la surface membranaire totale effective le long de la vie du champ ne dépasse jamais la valeur au début (lorsque le gaz à traiter comprend environ 10 % mol. de C02). Ainsi, il est possible de réutiliser une part des modules membranaires au départ attribués au deuxième étage de traitement mais qui deviennent inutiles à cet étage de traitement pour les réattribuer au premier étage de traitement qui a besoin de plus en plus de modules membranaires.
Ainsi, seulement 100 modules membranaires doivent être installés ; on constate que la réattribution de modules membranaires permet l’économie de 32 modules membranaires par rapport au procédé sans réattribution de modules membranaires d’un étage à l’autre.
La Figure 8 présente l'évolution de la puissance totale consommée (en base 100, 100 étant la puissance totale consommée maximale en mode perméat en fin de vie du champ) par le compresseur de recycle dans le procédé membranaire mais également pour le compresseur de réinjection pour la réinjection de C02 dans le champ.
La puissance pour le compresseur de réinjection augmente au fur et à mesure car le débit de C02 enlevé augmente. Par contre, le débit à recycler au deuxième étage de traitement diminue car la quantité d’hydrocarbure diminue dans le champ et que la séparation des gaz au premier étage de traitement est de plus en plus efficace, ce qui explique une baisse de la puissance consommée au compresseur de recycle. La puissance totale consommée reste relativement stable pendant toute la durée de vie du champ.
Exemple 2 : Procédé ne mettant en œuyre que le mode perméat
La Figure 9 présente l’évolution des surfaces membranaires requises (en base 100, même base que l’Exemple 1) pour le premier étage de traitement El, le deuxième étage de traitement E2 et de la surface membranaire totale effective et à installer en fonction de la teneur en C02 dans le gaz à traiter pour le mode perméat.
La surface membranaire du premier étage de traitement augmente (avec un maximum à environ 30% par rapport à la valeur initiale) puis diminue avec l’augmentation de la teneur en C02 dans le gaz à traiter. La surface membranaire nécessaire minimale est de 37 et la surface membranaire nécessaire maximale est de 49 pour le premier étage de traitement (en base 100, même base que pour l’Exemple 1).
La surface membranaire du second étage de traitement augmente, quant à elle, continuellement car la quantité de C02 à enlever augmente dans le temps passant de 1 à 28 (en base 100).
Ainsi, la surface membranaire totale à installer s’il n’y a pas de réattribution de modules membranaires d’un étage de traitement à l’autre est de 77 (base 100).
La surface membranaire à installer pour ce procédé est inférieure à l’Exemple 1.
En se référant à nouveau à la Figure 9, on constate que la surface membranaire totale effective le long de la vie du champ ne dépasse jamais la valeur 67 (base 100). Ainsi, il est possible de réutiliser une part des modules membranaires au départ attribués au premier étage de traitement mais qui deviennent inutiles à cet étage de traitement pour les réattribuer au deuxième étage de traitement qui a besoin de plus en plus de modules membranaires.
Ainsi, on constate que la réattribution de modules membranaires permet l’économie de 10 modules membranaires (on suppose toujours qu’un module membranaire présente une surface de 1 en base 100.
L’énergie consommée est croissante avec le temps comme le montre la Figure 10 qui présente l'évolution de la puissance totale consommée par le compresseur de recycle dans le procédé membranaire mais également pour le compresseur de réinjection pour la réinjection de C02 dans le champ. La puissance consommée augmente considérablement tout au long de la vie du champ. Elle est au départ inférieure à la puissance consommée par l’Exemple 1 puis devient supérieure quand le C02 contenu dans le gaz à traiter dépasse environ 44 % mol.
Exemple 3 : Procédé comprenant des étapes de réattribution des modules membranaires et une étape de passage du mode perméat au mode rétentat
Comme présentés dans le tableau 2 ci-dessous, l'installation I mettant en œuvre le procédé comprend 66 modules membranaires M (en base 100, même base que pour l’Exemple 1).
Tableau 2 : Évolution de l'attribution des modules membranaires M et du mode opératoire de l'installation I en fonction de la teneur en CO 2 dans le gaz naturel à traiter.
Figure imgf000045_0001
Entre 10 % mol. et 20 % mol. de C02 dans le gaz naturel à traiter, l'installation I fonctionne selon le mode perméat, 46 modules membranaires M sont attribués au premier étage de traitement El, 6 modules membranaires M sont attribués au deuxième étage de traitement E2 et 14 modules membranaires M sont isolés, Le. qu'ils ne sont pas connectés fluidiquement.
Lorsque la teneur en C02 dépasse les 20 % mol., 3 modules membranaires M isolés sont réattribués au premier étage de traitement El et 4 modules membranaires M isolés sont réattribués au deuxième étage de traitement E2.
Au-delà de 30 % mol., un module membranaire M isolé est réattribué au premier étage de traitement El et 6 modules membranaires M isolés sont réattribués au deuxième étage de traitement E2, tous les modules membranaires M sont alors utilisés. Lorsque la teneur en C02 dans le gaz à traiter atteint les 44 % mol., alors une étape de passage du mode perméat (50 modules membranaires M au premier étage de traitement El et 16 modules membranaires M au deuxième étage de traitement E2 du mode perméat) au mode rétentat (16 modules membranaires M au premier étage de traitement El et 50 modules membranaires M au deuxième étage de traitement E2 du mode rétentat) est réalisée en intervertissant les étages de traitement. Cette étape est suivie d'une étape de réattribution d’un module membranaire M du deuxième étage de traitement E2 au premier étage de traitement El. Ainsi, de 44 % mol. à 60 % mol., 17 modules membranaires M sont attribués au premier étage de traitement El et 49 modules membranaires M sont attribués au deuxième étage de traitement E2.
Alternativement, l’étape de réattribution d’un module membranaire M peut être effectuée avant l’étape de passage du mode perméat au mode rétentat. Ainsi, un module membranaire M du premier étage de traitement El est d’abord réattribué au deuxième étage de traitement E2, puis les deux étages de traitement sont inversés pour réaliser le passage du mode perméat au mode rétentat.
Lorsque la teneur en C02 dépasse 60%, 7 modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 sont réattribués au premier étage de traitement El et 14 modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 sont isolés.
Au-delà de 70% de C02, 5 modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 sont réattribués au premier étage de traitement El et 8 modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 membranaire sont isolés.
Alternativement, 5 modules membranaires M isolés sont attribués au premier étage de traitement El et 13 modules membranaires M du deuxième étage de traitement E2 sont isolés.
Comme illustrée par la Figure 5, l’utilisation combinée des deux modes opératoires ainsi que le transfert de modules membranaires M d’un étage de traitement à l’autre permet de limiter la surface membranaire totale installée à 66 (en base 100) et une utilisation optimale de la surface membranaire totale installée.
En effet, dans le cas où les modules membranaires M n’étaient pas réattribuables, pour réaliser le traitement ci-dessus, 50 modules membranaires auraient été nécessaire au premier étage de traitement et 49 au deuxième étage de traitement, soit un total de 99 modules membranaires nécessaires. Nous avons donc un gain de 33 %.
De plus l'optimisation de la surface membranaire installée induit une qualité de séparation des gaz supérieure à celle requise. Comme illustrée par la Figure 6, Futilisation combinée des deux modes opératoires ainsi que le transfert de modules membranaires M d’un étage à l’autre permet de limiter la puissance totale consommée, i.e. la puissance totale nécessaire au fonctionnement du procédé. En effet, la puissance totale consommée est inférieure à celles des deux Exemples 1 et 2.
Par ailleurs, il faut noter que le nombre de modules membranaires pour chacun des deux étages de traitement est modifié par paliers. En effet, il n’est pas réaliste que le changement de nombre de modules membranaires soit continu compte tenu de la surface membranaire fixe mise à disposition par chaque module membranaire. Ce changement par paliers est illustré par le tableau 2 ci-dessus et la Figure 5 (voir courbes « en escaliers »).
Il convient d’observer que ce changement par paliers induit un excédent de surface membranaire conduisant à une qualité de séparation des gaz supérieure à celle requise. Ainsi, afin de respecter les spécifications les plus courantes sur le gaz récupéré en fin de traitement (5 % mol. de C02) et sur le gaz à réinjecter (95 % mol. de C02), un contournement ( bypass ) peut être réalisé, cela peut être un contournement du premier étage de traitement en mode rétentat afin d’appauvrir le gaz à réinjecter en C02 et/ou un contournement du deuxième étage de traitement toujours en mode rétentat afin d’enrichir le gaz récupéré à la fin du traitement en C02.
Par exemple, pour les teneurs en C02 dans le gaz à traiter comprises entre 70 % mol. et 80 % mol., 29 modules membranaires dans le premier étage de traitement sont utilisés et 15 modules membranaires dans le deuxième étage de traitement. Pour une teneur de 70 % mol. de C02 dans le gaz à traiter, les spécifications sont atteintes pour le gaz à réinjecter et le gaz récupéré en fin de traitement. Lorsque cette teneur atteint 80 % mol., les spécifications attendues sont dépassées : le gaz à réinjecter contient plus de 96 % mol. de C02 au lieu de 95 % mol. et le gaz récupéré à la fin du traitement ne contient plus que 2,4 % mol. de C02 au lieu de 5 % mol. En réalisant un bypass de 3,7 % du gaz arrivant à l’entrée du premier étage de traitement et de 23,1 % du gaz arrivant à l’entrée du second étage de traitement, on atteint à nouveau les spécifications sans changer la surface membranaire utilisée.
Par ailleurs, la surface membranaire totale à installer selon l’Exemple 3, et donc investie, correspond à 66 (en base 100) alors que la surface requise fait apparaître par palier des surfaces inemployées dès lors que les surfaces requises sont inférieures à la surface membranaire totale à installer. Les modules membranaires correspondant à cette différence sont alors isolés et condamnés et représentent un capital inexploité. Il y a donc intérêt à tirer parti de ces surfaces inemployées. Il est alors possible de jouer sur la pression du perméat à la sortie d’un ou des deux étages de traitement afin de respecter les spécifications du gaz acide et du gaz traité tout en gardant une surface membranaire constante (palier) et en réalisant un gain sur la puissance consommée.
Le tableau 3 suivant illustre cette option : pour 70 % mol. de C02 dans le gaz à traiter, il faut 52 modules membranaires et la puissance totale consommée est de 56,1 (en base 100). Lorsque la teneur en C02 atteint 80 % mol., on conserve les 52 modules membranaires en utilisation et on augmente la pression du perméat (initialement fixée à 1,8 bar ; voir la pénultième colonne) des deux étages de traitement (respectivement 5,4 bar et 2,2 bar pour le premier et le second étage de traitement ; voir la dernière colonne). Un bypass de 7% du gaz est nécessaire sur le premier étage de traitement pour respecter la spécification sur le gaz à réinjecter. Au final, on diminue la puissance consommée de 16%. Notons que ce calcul est fait à titre d’illustration sur un seul palier mais le principe restant le même pour tous les paliers, l’économie d’énergie sera supérieure en moyenne.
Tableau 3 : Exemple d’utilisation de toute la surface membranaire investie et d’ optimisation de la pression au perméat

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone dans une installation (I) qui comprend une pluralité de modules membranaires (M),
une partie des modules membranaires (M) étant attribuée à un premier étage de traitement (El) définissant une surface membranaire et une autre partie des modules membranaires (M) étant attribuée à un deuxième étage de traitement (E2) définissant une surface membranaire, le premier étage de traitement (El) et le deuxième étage de traitement (E2) étant connectés fluidiquement en série de rétentat ou en série de perméat,
dans lequel lorsque l’évolution des conditions opératoires conduit à ce que l’un des étages de traitement requiert moins de surface membranaire pour le traitement du gaz et que l’autre étage de traitement requiert plus de surface membranaire pour le traitement du gaz, alors le procédé comprend une étape de réattribution à l’étage requérant plus de surface membranaire d’au moins un module membranaire (M) attribué à l’étage requérant moins de surface membranaire.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le nombre de modules membranaires (M) de l’étage requérant moins de surface membranaire à réattribuer à l’étage requérant plus de surface membranaire dépend de la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz naturel, en particulier de l'augmentation de cette teneur.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le nombre de modules membranaires (M) de l’étage requérant moins de surface membranaire à réattribuer à l’étage requérant plus de surface membranaire dépend de l'évolution de la pression du gaz naturel.
4. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel les deux étages de traitement sont connectés fluidiquement en série de rétentat, et dans lequel l’installation (I) comprend en outre :
- une ligne d'alimentation (LA) en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert (LET) ;
- une ligne de collecte de perméat (LCP) ;
- une ligne de collecte de rétentat (LCR) ;
- une ligne de transfert de perméat (LTP) ;
- une ligne de transfert de rétentat (LTR) ;
chacun des modules membranaires (M) comprenant une entrée (EM), une sortie de perméat (SP) et une sortie de rétentat (SR) ;
dans lequel, dans le premier étage de traitement (El), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA), l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP), et l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat (LTR), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
dans lequel, dans le deuxième étage de traitement (E2), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET), l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR), et l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat (LTP), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA) ;
dans lequel la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement (El) augmente et la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement (E2) diminue,
l’étape de réattribution du deuxième étage de traitement (E2) vers le premier étage de traitement (El) comprenant :
la déconnexion fluidique de l’entrée (EM), de la sortie de rétentat (SR) et de la sortie de perméat (SP) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer ;
la connexion fluidique de l’entrée (EM) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer à la ligne d'alimentation (LA) ;
la connexion fluidique de la sortie de perméat (SP) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer à la ligne de collecte de perméat (LCP), et
la connexion fluidique de la sortie de rétentat (SR) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer à ligne de transfert de rétentat (LTR).
5. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel les deux étages de traitement sont connectés fluidiquement en série de perméat, et, dans lequel l’installation (I) comprend en outre :
- une ligne d'alimentation (LA) en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert (LET) ;
- une ligne de collecte de perméat (LCP) ;
- une ligne de collecte de rétentat (LCR) ;
- une ligne de transfert de perméat (LTP) ;
- une ligne de transfert de rétentat (LTR) ;
chacun des modules membranaires (M) comprenant une entrée (EM), une sortie de perméat (SP) et une sortie de rétentat (SR) ;
dans lequel, dans le premier étage de traitement (El), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA), l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR), et l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat (LTP), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
dans lequel, dans le deuxième étage de traitement (E2), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET), l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP), et l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat (LTR), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA) ;
dans lequel la surface membranaire requise pour le deuxième étage de traitement (E2) augmente et la surface membranaire requise pour le premier étage de traitement (El) diminue, l’étape de réattribution du premier étage de traitement (El) vers le deuxième étage de traitement (E2) comprenant :
la déconnexion fluidique de l’entrée (EM), de la sortie de perméat (SP) et de la sortie de rétentat (SR) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer ;
la connexion fluidique de l’entrée (EM) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
la connexion fluidique de la sortie de rétentat (SR) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer à la ligne de transfert de rétentat (LTR), et
la connexion fluidique de la sortie de perméat (SP) du ou des modules membranaires (M) à réattribuer à ligne de collecte de perméat (LCP).
6. Procédé de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone dans une installation (I) qui comprend des modules membranaires (M),
une partie des modules membranaires (M) étant attribuée à un premier étage de traitement (El) définissant une surface membranaire et une autre partie des modules membranaires (M) étant attribuée à un deuxième étage de traitement (E2) définissant une surface membranaire ;
dans un mode rétentat, le premier étage de traitement (El) et le deuxième étage de traitement (E2) étant connectés fluidiquement en série de rétentat ;
dans un mode perméat, le premier étage de traitement (El) et le deuxième étage de traitement (E2) étant connectés fluidiquement en série de perméat ;
- le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode rétentat, puis lorsque la teneur en dioxyde de carbone présente au sein du gaz naturel atteint une valeur donnée, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode perméat, ou bien
- le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode perméat, puis lorsque la teneur en dioxyde de carbone présente au sein du gaz naturel atteint une valeur donnée, le traitement du gaz naturel est réalisé suivant le mode rétentat.
7. Procédé de traitement selon la revendication 6, dans lequel l'installation (I) comprend :
- une ligne d'alimentation (LA) en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert (LET) ;
- une ligne de collecte de perméat (LCP) ;
- une ligne de collecte de rétentat (LCR) ;
- une ligne de transfert de perméat (LTP) ;
- une ligne de transfert de rétentat (LTR) ;
chacun des modules membranaires (M) comprenant une entrée (EM), une sortie de perméat (SP) et une sortie de rétentat (SR) ;
le premier étage de traitement et le deuxième étage de traitement étant en série de perméat de manière à ce que :
dans le premier étage de traitement (El), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA), l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR), et l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat (LTP), elle- même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
dans le deuxième étage de traitement (E2), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET), l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP), et l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat (LTR), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA) ;
dans lequel, le passage du mode perméat au mode rétentat est réalisé de la manière suivante : la déconnexion fluidique de l’entrée (EM), de la sortie de perméat (SP) et de la sortie de rétentat (SR) des modules membranaires (M) ;
et la connexion fluidique de l’entrée (EM), de la sortie de perméat (SP) et de la sortie de rétentat (SR) d’au moins une partie des modules membranaires (M) de manière à ce que :
dans le premier étage de traitement (El), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA), l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP), et l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat (LTR), elle- même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
dans le deuxième étage de traitement (E2), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET), l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR), et l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat (LTP), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA).
8. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 et 7, comprenant en outre la compression du perméat récupéré dans la ligne de transfert de perméat (LTP).
9. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, 7 et 8, comprenant en outre la compression du perméat récupéré dans la ligne de collecte de perméat (LCP).
10. Procédé de traitement selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel la teneur en dioxyde de carbone dans le gaz naturel requiert une surface membranaire totale requise Sr, les modules membranaires (M) offrant une surface totale disponible, dans lequel lorsque la surface totale disponible de membrane excède la surface totale requise pour la séparation de C02, la pression du perméat étant augmentée sur l’un quelconque des étages de traitement de l’installation (I).
11. Procédé de traitement selon la revendication 8 ou la revendication 9, dans lequel l’augmentation de la pression du perméat est réalisée en :
- diminuant la vitesse de rotation d’un compresseur ; ou
- orientant les aubages d’un compresseur.
12. Installation (I) de traitement d’un gaz naturel contenant du dioxyde de carbone, comprenant :
- une ligne d'alimentation (LA) en gaz naturel ;
- une ligne d'entrée de transfert (LET) ;
- une ligne de collecte de perméat (LCP) ;
- une ligne de collecte de rétentat (LCR) ;
- une ligne de transfert de perméat (LTP) ;
- une ligne de transfert de rétentat (LTR) ;
une pluralité de modules membranaires (M), chacun des modules membranaires (M) comprenant une entrée (EM) connectable fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA) et à la ligne d'entrée de transfert (LET), une sortie de rétentat (SR) connectable fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR) et à la ligne de transfert de rétentat (LTR), et une sortie de perméat
(SP) connectable fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP) et à la ligne de transfert de perméat (LTP), chacun des modules membranaires (M) pouvant être isolé fluidiquement des lignes ; et un système de vannes (SV) adapté pour attribuer une partie des modules membranaires (M) à un premier étage de traitement (El) et une autre partie des modules membranaires (M) à un deuxième étage de traitement (E2) de manière à ce que :
selon un mode rétentat en série du rétentat :
dans le premier étage de traitement (El), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA), l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP), et l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat (LTR), elle- même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
dans le deuxième étage de traitement (E2), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET), l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR), et l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat (LTP), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA);
selon un mode perméat en série du perméat :
dans le premier étage de traitement (El), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA), l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de rétentat (LCR), et l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de perméat (LTP), elle- même connectée fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET) ;
dans le deuxième étage de traitement (E2), l’ensemble des entrées (EM) de module sont connectées fluidiquement à la ligne d'entrée de transfert (LET), l’ensemble des sorties de perméat (SP) sont connectées fluidiquement à la ligne de collecte de perméat (LCP), et l’ensemble des sorties de rétentat (SR) sont connectées fluidiquement à la ligne de transfert de rétentat (LTR), elle-même connectée fluidiquement à la ligne d'alimentation (LA).
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