La présente invention est relative en premier lieu à une procédé de production d'hélium pur.
L'invention s'applique par exemple à la production d'hélium à partir d'un gaz résiduatre de liquéfacteur de gaz naturel, ce gaz résiduaire contenant, outre l'hélium, du méthane et de l'azote.
Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues.
Un procédé de ce type est décrit dans le
Lorsque l'hélium doit être purifié par voie cryogénique et/ou liquéfié, il existe un besoin de liquide cryogénique. L'invention a pour but de satisfaire ce besoin de façon particulièrement efficace.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé selon la revendication 1.
Ce procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
L'invention a également pour objet une unité selon la revendication 8.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la
Figure unique représente schématiquement uns installation de production d'hélium conforme à l'invention.
L'installation représentée au dessin comprend une unité A de production d'hélium impure, et une unité B de purification de l'hélium impur. Cette unité B comporte une partie cryogénique, qui peut être un appareil de purification cryogénique de l'hélium et éventuellement un appareil de liquéfaction de l'hélium pur.
L'unité A comprend essentiellement un compresseur d'alimentation 1 à deux étages, une ligne d'échange thermique 2, une colonne de distillation 3 munie d'un condenseur de tête 4, un échangeur de chaleur 5, deux séparateurs de phases 6 et 7, et un cycle frigorifique fermé 8 à azote.
L'unité A produit de l'hélium impur sous 25 bars (conduite 9), de l'azote gazeux sous 7 bars (conduite 10), de l'azote liquide sous 8 bars (conduite 11),un premier résiduaire W1 riche en méthane (conduite 12), un second résiduaire W2 riche en méthane (conduite 13), et un résiduaire W3 riche en azote (conduite 14). L'ensemble des parties froides de cette unité A est contenu dans une même boîte froide 15 convenablement isolée thermiquement.
En fonctionnement, un mélange d'alimentation basse pression sous 3,9 bars, amené par une conduite 16, est comprimé à 8 bars par le premier étage du compresseur 1, puis il est comprimé à 26 bars, c'est-à-dire légèrement au-dessus de la pression de production de l'hélium impur, en même temps qu'un mélange d'alimentation haute pression, amené par une conduite 17.
Le mélange comprimé est refroidi et partiellement condensé dans la ligne d'échange 2 et est introduit en cuve de la colonne 3. Le liquide de cuve de cette colonne est détendu dans une vanne de détente 18 à environ 4 bars et introduit dans la calandre 19 du condenseur 4 pour réfrigérer celui-ci.
Cette réfrigération provoque dans le condenseur 4 la condensation partielle du gaz de tête de la colonne. La fraction non condensée est un gaz intermédiaire contenant environ 25% d'hélium et 75% d'azote , et des traces de méthane.
Ce gaz intermédiaire est refroidi et partiellement condensé dans l'échangeur 5, puis séparé en deux phases dans le séparateur 6.
La vapeur issue de ce séparateur contient environ 70% d'hélium. Après réchauffement en 5 et en 2, cette vapeur constitue l'hélium impur de production de l'unité A, récupéré, après réchauffement en 5 puis en 2, via la conduite 9. Ce gaz sera ensuite traité dans l'unité B de purification, et éventuellement de liquéfaction, d'hélium.
Le gaz riche en méthane qui résulte de la vaporisation dans la calandre 19, contenant encore de l'hélium, est réchauffé en 2. Une partie majoritaire de ce gaz est recyclé via une conduite 20 à l'aspiration du premier étage du compresseur 1, et le reste est évacué via la conduite 12 en tant que résiduaire W1 riche en méthane.
Un débit du liquide contenu dans la calandre 19 est soutiré par une pompe 21, vaporisé et réchauffé dans la ligne d'échange 2 puis constitue l'autre résiduaire W2 riche en méthane, lequel est évacué via la conduite 13.
Bien entendu, les deux flux riches en méthane peuvent être valorisées, notamment pour leur pouvoir calorifique.
La phase liquide du séparateur 6 contient environ 99% d'azote. Après détente à 8 bars dans une vanne de détente 22, ce liquide est introduit dans le séparateur 7. La phase liquide constitue une production d'azote liquide de l'unité A, véhiculée via la conduite 11, tandis que la phase gazeuse constitue un résiduaire W3 riche en azote, à environ 95% d'azote, qui est évacué via la conduite 14.
Comme représenté, une partie de l'azote liquide est vaporisé dans l'échangeur 5 pour réfrigérer celui-ci, puis, après réchauffement en 2, forme le flux d'azote gazeux de production récupéré via la conduite 10.
Le cycle frigorifique à azote 8 est un cycle fermé à débit variable indépendant du reste de l'installation. Il comprend un compresseur de cycle 23 et un ensemble turbine 24-surpresseur 25 couplés l'un à l'autre.
L'azote de cycle, comprimé en 23 à 15 bars et surpressé en 25 à 23 bars, est refroidi dans la ligne d'échange 2 jusqu'à un niveau de température intermédiaire et détendu en 24 à 1,6 bar. L'azote ainsi refroidi sert à réfrigérer l'échangeur 5, puis poursuit son réchauffement en 2 et retourne à l'aspiration du compresseur 23.
Le débit d'azote de cycle est réglé en fonction du débit d'azote liquide produit. Cet azote liquide est au moins en partie envoyé via la conduite 11 à l'unité B de purification/liquéfaction, et éventuellement partiellement sorti de l'installation via une conduite de production 26 piquée sur la conduite 11.
L'unité B, alimentée en hélium impur par la conduite 9 et en azote liquide par la conduite 11, produit de l'hélium pur, éventuellement liquide, via une conduite 27, et un gaz résiduaire W4 via une conduite 28.
Ainsi, la production d'azote liquide est intégrée à l'unité A et notamment dans la boîte froide 15 de celle-ci.
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