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(11) | EP 4 249 837 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | PROCÉDÉ DE REMPLACEMENT D'UN PREMIER APPAREIL DE SÉPARATION D'UN MÉLANGE DE MONOXYDE DE CARBONE, DE MÉTHANE ET D'HYDROGÈNE |
| (57) Dans un procédé de remplacement d'un premier appareil de séparation d'un mélange
de monoxyde de carbone, de méthane et d'hydrogène utilisant une colonne de lavage
au méthane, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur
de monoxyde de carbone (C1) relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer
un débit D jusqu'à une pression P, P étant la pression de production du produit de
l'appareil, le premier appareil est remplacé par un deuxième appareil de séparation
d'un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d'hydrogène comprenant une colonne
d'épuisement (K1), une colonne de séparation (K2), des moyens pour envoyer le mélange
(3) sous forme liquide en tête de la colonne d'épuisement, des moyens pour soutirer
un gaz enrichi en hydrogène (5) en tête de la colonne d'épuisement et des moyens pour
soutirer un liquide de cuve (7) appauvri en hydrogène en cuve de la colonne d'épuisement,
des moyens pour vaporiser complètement une première partie (11) du liquide de cuve
pour envoyer le débit gazeux formé à une colonne de séparation, des moyens (R1) pour
vaporiser le reste (9) du liquide de cuve et de le renvoyer à la colonne d'épuisement,
des moyens pour soutirer un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (17) en tête
de la colonne et des moyens pour soutirer un débit liquide enrichi en méthane (15)
en cuve de la colonne, un compresseur (C1, C2) qui est le compresseur du premier appareil
et des moyens pour y envoyer le débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (23) pour
s'y comprimer.
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[0001] La présente invention est relative à un procédé de remplacement d'un premier appareil de séparation d'un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d'hydrogène. En particulier elle concerne un procédé de remplacement d'un appareil de séparation par distillation cryogénique d'un tel mélange.
[0002] Il est parfois nécessaire de changer de technologie pour une séparation d'un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone.
[0003] Parmi les technologies de pointe actuelles pour la séparation cryogénique d'un gaz de synthèse comprenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, on peut citer : 1. Lavage au solvant de gaz de synthèse (avec azote ou méthane comme liquide de lavage)
2. Condensation partielle
[0004] Alors que la première technique convient mieux à une composition de gaz de synthèse riche en H2, la deuxième fonctionne mieux pour une composition de gaz de synthèse riche en CO.
[0005] Il est courant dans l'industrie de modifier périodiquement le rapport de gaz de synthèse CO / H2 pour mieux suivre les besoins des consommateurs.
[0006] Dans le cas où cela se produit dans le sens d'une augmentation de la concentration de CO dans le gaz de synthèse, associée à une augmentation de la production, l'installation de séparation cryogénique du gaz de synthèse ne pourra plus traiter le nouveau fluide parce que :
- i) sa capacité sera insuffisante pour traiter l'augmentation de la production
- ii) le processus de lavage au solvant n'est plus le meilleur schéma de processus disponible.
[0007] Il sera alors nécessaire de remplacer l'installation par une nouvelle, fonctionnant par exemple avec un procédé de condensation partielle.
[0008] Dans cette situation, on pourrait être intéressé à conserver le compresseur de cycle CO de l'ancien appareil, car ce type de machine est très coûteux.
[0009] Cela présente deux défis:
- i) adapter le nouveau cycle à la capacité existante du compresseur
- ii) concevoir la colonne de séparation CO / CH4 pour disposer d'un équipement facile à réguler.
[0010] L'adaptation du cycle est un défi en raison de
- la capacité du compresseur relativement faible par rapport à la nouvelle taille de l'appareil
- le fait que la production de CO moyenne pression est excédentaire, alors que la production de CO haute pression n'est pas suffisante pour alimenter le rebouilleur de la colonne CO / CH4.
[0011] Cela conduit traditionnellement à concevoir une colonne CO / CH4 difficile à réguler et très sensible aux changements de conditions de procédé car:
- l'énergie de rebouillage manquante de la colonne CO / CH4 est fournie via un flux surchauffé de CO vaporisé impur
- le débit de liquide de cuve soutiré de la colonne d'épuisement (en anglais « stripping column ») et amené à la colonne CO/CH4 sous forme liquide est faible par rapport au le débit de liquide de cuve vaporisé.
[0012] Par conséquent, de petites instabilités dans la température de la ligne d'échange ou dans le flux de répartition du liquide de cuve soutiré de la colonne d'épuisement ont un impact important sur le profil de température de la colonne.
[0014] Selon un aspect de l'invention, il est prévu un procédé de remplacement d'un premier appareil de séparation d'un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d'hydrogène utilisant une colonne de lavage au méthane, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur de monoxyde de carbone relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer un débit D jusqu'à une pression P, P étant la pression de production du produit de l'appareil, le premier appareil étant remplacé par un deuxième appareil tel que décrit ci-dessus comprenant un système de séparation par condensation partielle et une, éventuellement la, colonne de séparation ainsi que le compresseur, le compresseur étant relié à la colonne de séparation pour comprimer un gaz enrichi en monoxyde de carbone ayant un débit D jusqu'à la pression P, étant relié à un autre compresseur qui comprime une première partie du débit D jusqu'à une pression P', supérieure à P et à un cycle de CO où circule une deuxième partie du débit D. Selon d'autres aspects facultatifs :
- le deuxième appareil comprend un rebouilleur de cuve de la colonne de séparation et des moyens pour sortir un débit enrichi en monoxyde de carbone du compresseur reliés au rebouilleur de cuve de la colonne de séparation pour y amener du gaz comprimé pour chauffer le rebouilleur de cuve de la colonne de séparation.
- le deuxième appareil comprend un rebouilleur de cuve de la colonne d'épuisement et des moyens pour sortir un débit enrichi en monoxyde de carbone du compresseur reliés au rebouilleur de cuve de la colonne d'épuisement pour y amener du gaz comprimé pour chauffer le rebouilleur de cuve de la colonne d'épuisement.
[0015] Selon l'invention, il est mieux de vaporiser tout le liquide de cuve soutiré de la colonne d'épuisement (CO impur) destiné à la colonne CO/CH4 avant de l'envoyer à la colonne CO/CH4 entièrement sous forme gazeuse. Ceci élimine les problèmes dus aux instabilités et permet également de réduire le surchauffage du monoxyde de carbone, ce qui améliore l'efficacité exégétique du procédé.
[0016] Le reflux liquide insuffisant est complété en augmentant le débit de CO de cycle liquéfié dans la ligne d'échange contre le CO impur vaporisé mentionné auparavant. Une optimisation supplémentaire est de chauffer la colonne avec du monoxyde de carbone à la moyenne pression, ce qui augmenter l'énergie de rebouillage et ainsi de réduire encore le surchauffage du liquide de cuve vaporisé provenant de la colonne d'épuisement. Ceci aura pour avantage de réduire la sensibilité de la colonne aux instabilités de la ligne d'échange thermique.
[0017] Ainsi il devient possible d'exploiter le compresseur de cycle existant qui aurait sinon, comme déjà mentionné, une production de monoxyde de carbone moyenne pression excédentaire et une production de monoxyde de carbone haute pression insuffisante.
[0018] L'invention s'applique à tout cas où un compresseur de cycle CO a une production de monoxyde de carbone moyenne pression excédentaire et/ou une production de monoxyde de carbone haute pression insuffisante pour le procédé dans lequel il doit être incorporé.
[0021] L'appareil utilisé comprend une colonne d'épuisement K1 et une colonne de séparation CO/CH4 K2 ainsi qu'un système de séparation S en amont de la colonne de l'épuisement. Ce système S opère à une température cryogénique et permet de séparer un débit 1 contenant du monoxyde de carbone, du méthane et de l'hydrogène et éventuellement de l'azote par condensation partielle et/ou distillation et/ou lavage afin de produire au moins un mélange 3 sous forme liquide contenant du monoxyde de carbone, du méthane et de l'hydrogène. Le système S emploie par exemple produit par au moins une étape de condensation partielle pour produire le mélange. Le mélange peut être le liquide produit par au moins une étape de condensation partielle, par exemple. Le mélange est envoyé en tête d'une colonne d'épuisement qui en élimine au moins partiellement l'hydrogène qui forme le gaz de tête 5 de la colonne. Le gaz 5 se réchauffe dans un échangeur de chaleur par contact indirect E, par exemple un échangeur à plaques et à ailettes, où se refroidit le débit 1 pour l'amener à une température cryogénique.
[0022] Une partie du liquide de cuve 7 de la colonne K1 est vaporisé dans un rebouilleur R1 et envoyé en cuve de la colonne K1. Tout le reste du liquide 11 est détendu dans une vanne V3, vaporisé dans l'échangeur E et envoyé à une température intermédiaire de l'échanger E alimenter la colonne de séparation K2 à un niveau intermédiaire de celle-ci, se trouvant entièrement sous forme gazeuse.
[0023] La colonne de séparation K2 séparer le gaz formé en vaporisant le liquide 11 pour former un gaz de tête 17 enrichi en monoxyde de carbone et un liquide riche en méthane. Une partie 13 du liquide de cuve est vaporisée dans un rebouilleur R2 et le reste du liquide 15 est réchauffé dans l'échangeur E pour former un produit ou du carburant pour un procédé annexe.
[0024] Le gaz enrichi en monoxyde de carbone 17 est réchauffé dans l'échangeur de chaleur E dans un compresseur comprenant au moins deux étages C1, C2. Une partie 19 du gaz comprimé par exemple uniquement dans le premier étage et se trouvant à une pression intermédiaire du compresseur est refroidie dans l'échangeur de chaleur E. Une partie 24 du gaz est soutirée de l'échangeur à une température intermédiaire de celui-ci et sert à réchauffer le rebouilleur R1 et/ou le rebouilleur R2. Ici les deux rebouilleurs sont chauffés par deux débits 26, 28 formés en séparant en deux la partie 24 pour chauffer les rebouilleurs R1, R2 en série. Les liquides formés sont détendus dans les vannes V1, V2 respectivement, puis mélangés pour former un débit 30 qui est sousrefroidi dans l'échangeur E pour former un liquide qui alimente la tête de la colonne de séparation K2. Optionnellement une partie 23 du gaz 19 se refroidit jusqu'au bout froid de l'échangeur E, s'y condensant, s'y sous refroidit, est détendue dans une vanne V4 et est envoyée également en tête de la colonne de séparation K2.
[0025] La colonne K2 ne comprend pas de condenseur de tête. Le produit principal du procédé est le gaz enrichi en CO 21 comprimé dans le dernier étage C2 du compresseur.
[0026] En cas de restructuration d'un appareil de séparation d'un mélange de monoxyde de carbone, d'hydrogène et de méthane, un compresseur C1 d'un procédé existant peut être incorporé dans ce nouveau procédé. Le fait que le compresseur existant soit dimensionné pour produire un débit plus grand que le débit 21 ne pose aucun problème puisque l'étage C1 doit justement comprimer les débits 19, 21, alors que l'étage 21 ne comprime que le débit 21.
[0027] Les frigories du procédé sont fournies par une turbine (non-illustrée) qui détend du CO du cycle cryogénique et / ou par un apport de liquide froid provenant d'une source extérieure.
[0028] Ainsi on peut remplacer un premier appareil de séparation d'un mélange de monoxyde de carbone, de méthane et d'hydrogène utilisant une colonne de lavage au méthane ou une colonne de lavage au monoxyde de carbone, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur de monoxyde de carbone relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer un débit D jusqu'à une pression P, P étant la pression de production du produit de l'appareil. Le premier appareil est remplacé par un deuxième appareil tel que décrit ci-dessus et illustré dans la figure comprenant un système de séparation par condensation partielle et une, éventuellement la préexistante, colonne de séparation ainsi que le compresseur préexistant, le compresseur étant relié à la colonne de séparation pour comprimer un gaz enrichi en monoxyde de carbone ayant un débit D jusqu'à la pression P, étant relié à un autre compresseur qui comprime une première partie du débit D jusqu'à une pression P', supérieure à P et à un cycle de CO où circule une deuxième partie du débit D.
1. Procédé de remplacement d'un premier appareil de séparation d'un mélange de monoxyde
de carbone, de méthane et d'hydrogène utilisant une colonne de lavage au méthane,
une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane et un compresseur de
monoxyde de carbone (C1) relié à la colonne de séparation conçu pour comprimer un
débit D jusqu'à une pression P, P étant la pression de production du produit de l'appareil,
le premier appareil étant remplacé par un deuxième appareil de séparation d'un mélange
de monoxyde de carbone, de méthane et d'hydrogène comprenant une colonne d'épuisement
(K1), une colonne de séparation (K2), des moyens pour envoyer le mélange (3) sous
forme liquide en tête de la colonne d'épuisement, des moyens pour soutirer un gaz
enrichi en hydrogène (5) en tête de la colonne d'épuisement et des moyens pour soutirer
un liquide de cuve (7) appauvri en hydrogène en cuve de la colonne d'épuisement, des
moyens pour vaporiser complètement une première partie (11) du liquide de cuve pour
envoyer le débit gazeux formé à une colonne de séparation, des moyens (R1) pour vaporiser
le reste (9) du liquide de cuve et de le renvoyer à la colonne d'épuisement, des moyens
pour soutirer un débit gazeux enrichi en monoxyde de carbone (17) en tête de la colonne
et des moyens pour soutirer un débit liquide enrichi en méthane (15) en cuve de la
colonne, un compresseur (C1) ayant au moins deux étages qui est le compresseur du
premier appareil et des moyens pour y envoyer le débit gazeux enrichi en monoxyde
de carbone (23) pour s'y comprimer, le compresseur étant relié à la colonne de séparation
pour comprimer un gaz enrichi en monoxyde de carbone ayant un débit D jusqu'à la pression
P et étant relié à un autre compresseur (C2) qui comprime une première partie du débit
D jusqu'à une pression P', supérieure à P et à un cycle de CO où circule une deuxième
partie du débit D.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le deuxième appareil comprend un rebouilleur
de cuve (R2) de la colonne de séparation (K2) et des moyens pour sortir un débit enrichi
en monoxyde de carbone (24, 26) du compresseur reliés au rebouilleur de cuve de la
colonne de séparation pour y amener du gaz comprimé pour chauffer le rebouilleur de
cuve de la colonne de séparation.
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le deuxième appareil comprend un rebouilleur
de cuve (R1) de la colonne d'épuisement (K1) et des moyens pour sortir un débit enrichi
en monoxyde de carbone (24, 26) du compresseur reliés au rebouilleur de cuve de la
colonne d'épuisement pour y amener du gaz comprimé pour chauffer le rebouilleur de
cuve de la colonne d'épuisement.