[0001] La présente invention concerne un procédé de production d'un courant d'azote liquide,
d'un courant d'azote gazeux, d'un courant gazeux riche en hélium et d'un courant d'hydrocarbures
déazoté, à partir d'un courant de charge contenant des hydrocarbures, de l'hélium
et de l'azote.
[0002] Un tel procédé s'applique notamment au traitement des courants de charge constitués
de gaz naturel liquéfié (GNL) ou également de gaz naturel (GN) sous forme gazeuse.
[0003] Ce procédé s'applique aux nouvelles unités de liquéfaction de gaz naturel ou aux
nouvelles unités de traitement de gaz naturel sous forme gazeuse. L'invention s'applique
également à l'amélioration des performances des unités existantes.
[0004] Dans ces installations, le gaz naturel doit être déazoté avant d'être envoyé au consommateur,
ou avant d'être stocké ou transporté. En effet, le gaz naturel extrait des gisements
souterrains contient souvent une quantité non négligeable d'azote. Il contient en
outre fréquemment de l'hélium.
[0005] Les procédés de déazotation connus permettent d'obtenir un courant d'hydrocarbures
déazoté qui peut être envoyé vers une unité de stockage sous forme liquide dans le
cas du GNL, ou vers une unité de distribution de gaz dans le cas du GN.
[0006] Ces procédés de déazotation produisent en outre des courants riches en azote qui
sont utilisés soit pour fournir de l'azote nécessaire au fonctionnement de l'installation,
soit pour fournir un gaz combustible riche en azote qui sert de combustible pour les
turbines à gaz des compresseurs utilisés lors de la mise en oeuvre du procédé. En
variante, ces courants riches en azote sont relâchés dans l'atmosphère dans une torche
après incinération des impuretés, telles que le méthane.
[0007] Les procédés précités ne donnent pas entière satisfaction, notamment en raison des
nouvelles contraintes environnementales s'appliquant à la production d'hydrocarbures.
En effet, pour que l'azote produit par le procédé puisse être utilisé dans l'unité
de production, ou relâché dans l'atmosphère, il doit être tres pur.
[0008] Les courants de combustible produits par le procédé et destinés à être utilisés dans
les turbines à gaz doivent au contraire contenir moins de 15 à 30 % d'azote pour être
brûlés dans des brûleurs spéciaux conçus pour limiter, la production d'oxydes d'azotes
rejetés dans l'atmosphère. Ces rejets se produisent notamment lors des phases de démarrage
des installations servant à la mise en oeuvre du procédé, dans lesquelles le procédé
de déazotation n'est pas encore très efficace.
[0009] En outre, pour des raisons économiques, le rendement énergétique de tels procédés
de déazotation doit en permanence être amélioré. Les procédés du type précité ne permettent
pas de valoriser l'hélium contenu dans le gaz naturel extrait du sous sol, cet hélium
étant pourtant un gaz rare d'une grande valeur économique.
[0010] Pour pallier au moins partiellement ces problèmes,
US 2007/0245771 décrit un procédé du type précité, qui produit simultanément un courant d'azote liquide,
un courant riche en hélium, et un courant gazeux contenant environ 30 % d'azote et
environ 70 % d'hydrocarbures. Ce courant gazeux riche en azote est destiné, dans cette
installation, à former un courant de combustible.
[0011] Toutefois ce procédé n'est pas entièrement satisfaisant, puisque la quantité d'azote
pur produite est relativement faible. En outre, le courant de combustible contient
une forte quantité d'azote qui n'est pas compatible avec toutes les turbines à gaz
existantes, et qui est susceptible de générer de nombreuses émissions polluantes.
[0012] US 2004/231359 décrit un procédé d'élimination d'azote à partir de gaz naturel condensé pour produire
un gaz naturel liquéfié sous-refroidi. Ce procédé n'est pas destiné à produire un
courant d'azote liquide, ni un courant gazeux riche en hélium.
[0013] US 4 778 498 décrit un procédé de production de gaz méthane sous pression produisant une phase
gazeuse contenant de l'hélium.
[0014] US 5 339 641 décrit un procédé de production d'azote liquide et d'un gaz riche en hélium.
[0015] Un but de l'invention est d'obtenir un procédé économique de déazotation d'un courant
de charge d'hydrocarbures, qui permet de valoriser l'azote et l'hélium contenu dans
le courant de charge, tout en limitant au minimum les émissions nocives pour l'environnement.
[0016] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé selon la revendication 1.
[0017] Le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques
des revendications 2 à 10.
[0018] L'invention a également pour objet une installation
selon la revendication 11.
[0019] L'installation selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques
des revendications 12 et 13.
[0020] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée
uniquement à titre d'exemple, et faite en ce référant aux dessins annexés, sur lesquels
:
- la Figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel d'une première installation de mise
en oeuvre d'un premier procédé de production selon l'invention ;
- la Figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une deuxième installation de mise
en oeuvre d'un deuxième procédé de production selon l'invention ;
- la Figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'une troisième installation de mise
en oeuvre d'un troisième procédé de production selon l'invention ;
- la Figure 4 est une vue analogue à la figure 1 d'une quatrième installation de mise
en oeuvre d'un quatrième procédé de production selon l'invention ;
- la Figure 5 est une vue analogue à la figure 1 d'une cinquième installation de mise
en oeuvre d'un cinquième procédé de production selon l'invention ; et
- la Figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une sixième installation de mise
en oeuvre d'un sixième procédé de production selon l'invention.
[0021] La Figure 1 illustre une première installation 10 selon l'invention destinée à produire,
à partir d'un courant de charge liquide 12 obtenu à partir d'une charge de gaz naturel
liquéfié (GNL), un courant 14 de GNL déazoté riche en hydrocarbures, un courant d'azote
gazeux 16 destiné à être utilisé dans l'installation 10, un courant d'azote liquide
18, et un courant 20 riche en hélium.
[0022] Comme illustré par la Figure 1, l'installation 10 comprend une partie amont 22 de
refroidissement de la charge, et une partie aval 24 de fractionnement.
[0023] La partie amont 22 comprend une turbine liquide de détente 26, un échangeur de chaleur
amont 28, destiné au refroidissement du courant de charge 12 à l'aide d'un cycle de
refroidissement 30.
[0024] Dans cet exemple, le cycle de refroidissement 30 est un cycle fermé de type Brayton
inversé. Il comprend un échangeur thermique de cycle 32, un appareil amont 34 de compression
à étages, et une turbine de détente dynamique 36.
[0025] Dans l'exemple de la Figure 1, l'appareil amont de compression à étages 34 comprend
deux étages, chaque étage comprenant un compresseur 38A, 38B et un réfrigérant 40A,
40B refroidi à l'air ou à l'eau. Au moins un des compresseurs 38A de l'appareil amont
34 est couplé à la turbine de détente dynamique 36 pour augmenter l'efficacité du
procédé.
[0026] La partie aval de fractionnement 24 comprend une colonne de fractionnement 50 présentant
une pluralité d'étages théoriques de fractionnement. La partie aval 24 comprend en
outre un premier échangeur aval 52 de fond de colonne, un deuxième échangeur aval
54, et un troisième échangeur aval 56.
[0027] La partie aval 24 comprend en outre un appareil aval 58 de compression à étages et
un premier ballon de séparation 60 de tête de colonne.
[0028] L'appareil de compression aval 58 comprend dans cet exemple trois étages de compression
montés en série, chaque étage comprenant un compresseur 62A, 62B, 62C placé en série
avec un réfrigérant 64A, 64B, 64C refroidi à l'eau ou à l'air.
[0029] Un premier procédé de production selon l'invention va maintenant être décrit.
[0030] Dans tout ce qui suit, on désignera par une même référence un courant de fluide et
la conduite qui le véhicule. De même, les pressions considérées sont des pressions
absolues, et sauf indication contraire, les pourcentages considérés sont des pourcentages
molaires.
[0031] Le courant de charge liquide 12 est dans cet exemple un courant de gaz naturel liquéfié
(GNL) comprenant en moles 0,1009% d'hélium, 8,9818% d'azote, 86,7766% de méthane,
2,9215% d'éthane, 0,8317% de propane, 0,2307% d'hydrocarbures en i-C4, 0,1299% d'hydrocarbures
en n-C4, 0,0128% d'hydrocarbures en i-C5, 0,0084% d'hydrocarbures en n-C5, 0,0005%
d'hydrocarbures en n-C6, 0,0001% de benzène, 0,0050 % de dioxyde de carbone.
[0032] Ainsi, ce courant 12 comprend une teneur molaire en hydrocarbures supérieure à 70
%, une teneur molaire en azote comprise entre 5 % et 30 %, et une teneur molaire en
hélium comprise entre 0,01 % et 0.5 %.
[0033] Le courant de charge 12 présente une température inférieure à -130°C, par exemple
inférieure à -145°C. Ce courant présente une pression supérieure à 25 bars, et notamment
égale à 34 bars.
[0034] Dans ce premier mode de réalisation, le courant de charge 12 est liquide, de sorte
qu'il constitue un courant de charge liquide 68 directement utilisable dans le procédé.
[0035] Le courant de charge liquide 68 est introduit dans la turbine de détente liquide
26, où il est détendu jusqu'à une pression inférieure à 15 bars, notamment égale à
6 bars jusqu'à une température inférieure à -130°C et notamment égale à -150,7°C.
[0036] A la sortie de la turbine de détente liquide 26, un courant de charge détendu 70
est formé. Ce courant de charge détendu 70 est divisé en un premier courant principal
d'introduction 72, destiné à être réfrigéré par le cycle de réfrigération 30, et en
un deuxième courant secondaire d'introduction 74.
[0037] Le premier courant d'introduction 72 présente un débit massique supérieur à 10 %
du courant de charge détendu 70. Il est introduit dans l'échangeur de chaleur amont
28, où il est refroidi jusqu'à une température inférieure à -150 °C et notamment égale
à -160°C pour donner un premier courant d'introduction refroidi 76.
[0038] Dans l'échangeur amont 28, le premier courant d'introduction 72 est placé en relation
d'échange thermique avec le courant de réfrigérant circulant dans le cycle 30, comme
on le décrira plus bas.
[0039] Le premier courant d'introduction refroidi 76 est détendu dans une première vanne
de détente 78 jusqu'à une pression inférieure à 3 bars puis est introduit à un étage
intermédiaire N1 de la colonne de fractionnement 50.
[0040] Le deuxième courant d'introduction 74 est convoyé jusqu'au premier échangeur aval
52 de fond de colonne, où il est refroidi jusqu'à une température inférieure à -150°C,
et notamment égale à -160°C pour donner un deuxième courant d'introduction refroidi
80.
[0041] Le deuxième courant d'introduction refroidi 80 est détendu dans une deuxième vanne
82 de détente jusqu'à une pression inférieure à 3 bars, puis est introduit à un étage
intermédiaire N1 de la colonne de fractionnement 50.
[0042] Dans cet exemple, le premier courant d'introduction refroidi 76 et le deuxième courant
d'introduction refroidi 80 sont introduits au même étage N1 de la colonne 50.
[0043] Un courant de rebouillage 84 est soutiré d'un étage inférieur N2 de la colonne de
fractionnement 50 situé sous l'étage intermédiaire N1. Le courant de rebouillage 84
passe dans le premier échangeur aval de fond 52, pour être placé en relation d'échange
thermique avec le deuxième courant d'introduction 74 et refroidir ce deuxième courant
74. Il est ensuite réintroduit au voisinage du pied de la colonne de fractionnement
50, au-dessous de l'étage inférieur N2.
[0044] La colonne de fractionnement 50 opère à basse pression, notamment inférieure à 5
bars, avantageusement inférieure à 3 bars. Dans cet exemple, la colonne 50 opère sensiblement
à 1,3 bars.
[0045] La colonne de fractionnement 50 produit un courant de pied 86 destiné à former le
courant riche de GNL déazoté 14. Ce courant de GNL déazoté contient une quantité d'azote
contrôlée, par exemple inférieure à 1 % molaire.
[0046] Le courant de pied 86 est pompé à 5 bars dans une pompe 88 pour former le courant
déazoté 14 riche en hydrocarbures et pour être expédié vers un stockage opérant à
pression atmosphérique et former le courant de GNL déazoté destiné à être exploité.
Le courant 14 est un courant de GNL qui peut être transporté sous forme liquide, par
exemple dans un méthanier.
[0047] La colonne de fractionnement 50 produit en outre un courant de tête 90 riche en azote
qui est extrait de la tête de cette colonne 50. Ce courant de tête 90 présente une
teneur molaire en hydrocarbures inférieure avantageusement à 1 %, et encore plus avantageusement
inférieure à 0,1 %. Il présente une teneur molaire en hélium supérieure à 0,2 % et
avantageusement supérieure à 0,5 %.
[0048] Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la composition molaire du courant de tête
90 est la suivante : hélium 0,54 %, azote 99,40 % et méthane 0,06 %.
[0049] Le courant de tête riche en azote 90 est alors successivement passé dans le deuxième
échangeur aval 54, dans le premier échangeur aval 52, puis dans le troisième échangeur
aval 56 pour être réchauffé successivement jusqu'à -20°C.
[0050] A la sortie du troisième échangeur aval 56, un courant riche en azote réchauffé 92
est obtenu. Ce courant 92 est alors divisé en une première partie minoritaire 94 d'azote
produit, et en une deuxième partie 96 d'azote recyclé.
[0051] La partie minoritaire 94 présente un débit massique compris entre 10 % et 50 % du
débit massique du courant 92. La partie minoritaire 94 est détendue à travers une
troisième vanne de détente 98 pour former le courant d'azote gazeux 16.
[0052] Ce courant d'azote gazeux 16 présente une pression supérieure à la pression atmosphérique
et notamment supérieure à 1,1 bars. Il présente une teneur molaire en azote supérieure
à 99%.
[0053] La partie majoritaire 96 est ensuite introduite dans l'appareil de compression aval
58, où elle passe successivement dans chaque étage de compression à travers un compresseur
62A, 62B, 62C et un réfrigérant 64A, 64B, 64C.
[0054] La partie majoritaire 96 est ainsi comprimée jusqu'à une pression supérieure à 20
bars et notamment sensiblement égale à 21 bars, pour former un courant d'azote recyclé
comprimé 100.
[0055] Le courant d'azote recyclé comprimé 100 présente ainsi une température supérieure
à 10°C et notamment égale à 38°C.
[0056] Le courant d'azote recyclé comprimé 100 passe successivement à travers le troisième
échangeur aval 56, puis à travers le premier échangeur aval de fond 52, et ensuite
à travers le premier échangeur aval 54.
[0057] Dans le deuxième échangeur aval 54 et dans le troisième échangeur aval 56, le courant
d'azote recyclé 100 circule à contre courant et en relation d'échange thermique avec
le courant d'azote de tête 90. Ainsi, le courant d'azote de tête 90 cède des frigories
au courant d'azote recyclé 100.
[0058] Dans le premier échangeur de chaleur 52 de fond, le courant d'azote recyclé 100 est
de plus placé en relation d'échange thermique avec le courant de rebouillage 84 pour
être refroidi par ce courant 84.
[0059] Après son passage dans le deuxième échangeur aval 54, le courant d'azote recyclé
100 forme un courant 102 d'azote recyclé condensé, essentiellement liquide. Ce courant
liquide contient une fraction de liquide supérieure à 90 % et présente une température
inférieure à -160°C et avantageusement égale à - 170°C.
[0060] Puis, le courant condensé 102 est détendu dans une quatrième vanne de détente 104
pour donner un flux diphasique 106 qui est introduit dans le premier ballon séparateur
60.
[0061] Le premier ballon séparateur 60 produit en tête un courant de tête gazeux riche en
hélium qui, après passage dans une cinquième vanne de détente 108, forme le courant
gazeux riche en hélium 20.
[0062] Le courant gazeux riche en hélium 20 présente une teneur en hélium supérieure à 10%
molaire. Il est destiné à être convoyé jusqu'à une unité de production d'hélium pur
pour y être traité. Le procédé selon l'invention permet de récupérer au moins 60 %
en moles de l'hélium présent dans le courant de charge 12.
[0063] Le premier ballon séparateur 60 produit en pied un courant de pied d'azote liquide
110. Ce courant de pied 110 est séparé en une partie minoritaire d'azote liquide produit
112 et une partie majoritaire d'azote de reflux 114.
[0064] La partie minoritaire 112 présente un débit massique inférieur à 10 %, et notamment
compris entre 0 % et 10 % du débit massique du courant de pied 110. La partie minoritaire
112 est détendue dans une sixième vanne de détente 116 pour former le courant d'azote
liquide produit 18. Le courant d'azote produit présente une teneur molaire en azote
supérieure à 99%.
[0065] La partie majoritaire 114 est détendue jusqu'à la pression de colonne à travers une
septième vanne de détente 118, pour former un premier courant de reflux, puis est
introduite à un étage de tête N3 de la colonne de fractionnement 50, situé sous la
tête de cette colonne et au-dessus de l'étage intermédiaire N1. La fraction molaire
d'azote dans la partie majoritaire 114 est supérieure à 99 %.
[0066] Dans l'exemple représenté sur la Figure 1, le cycle de refroidissement 30 est un
cycle fermé de type Brayton inversé utilisant un courant de réfrigérant exclusivement
gazeux.
[0067] Dans cet exemple, le courant de réfrigérant est formé par de l'azote sensiblement
pur dont la teneur en azote est supérieure à 99 %.
[0068] Le courant de réfrigérant 130 livré à l'échangeur amont 28 présente une température
inférieure à -150°C, et notamment égale à -165°C et une pression supérieure à 5 bars
et notamment sensiblement égale à 9,7 bars. Le courant de réfrigérant 130 circule
à travers l'échangeur thermique de cycle 32, où il est réchauffé par échange thermique
avec le premier courant principal d'introduction 72.
[0069] Ainsi, la température du courant de réfrigérant réchauffé 132 à la sortie de l'échangeur
amont 28 est inférieure à -150°C et notamment égale à -153°C.
[0070] Le courant réchauffé 132 subit un nouveau réchauffage dans l'échangeur thermique
de cycle 32, avant d'être introduit dans la succession de compresseurs 38A, 38B et
de réfrigérants 40A, 40B de l'appareil amont de compression à étages 34.
[0071] A la sortie de l'appareil amont 34, il forme un courant comprimé de réfrigérant 134
qui est refroidi par échange thermique avec le courant de réfrigérant réchauffé 132
issu de l'échangeur amont 28 dans l'échangeur thermique de cycle 32.
[0072] Le courant comprimé refroidi 136 présente ainsi une pression supérieure à 15 bars
et notamment sensiblement égale à 20 bars et une température inférieure à -130°C et
notamment sensiblement égale à -141°C.
[0073] Le courant comprimé refroidi 136 est ensuite introduit dans la turbine de détente
dynamique 36. Il subit une détente dynamique dans la turbine de détente 36 pour donner
le courant de réfrigérant 130 à la température et à la pression décrites plus haut.
[0074] Dans une variante avantageuse, les appareils de compression amont et aval 34 et 58
sont intégrés dans une même machine à plusieurs corps, avec un seul moteur pour propulser
les compresseurs 38A, 38B et les compresseurs 62A à 62C.
[0075] Des exemples de température, de pression, et de débits massiques des différents courants
illustrés dans le procédé de la Figure 1 sont résumés dans les Tableaux ci-dessous.
COURANT |
TEMPERATURE (°C) |
PRESSION (Bars) |
DEBIT (Kg/h) |
12 |
- 149,5 |
34 |
177 365 |
70 |
- 150,7 |
6 |
177365 |
76 |
- 160 |
6 |
135 142 |
80 |
- 160 |
6 |
42 223 |
84 |
-163.6 |
1.4 |
168 931 |
86 |
- 159,7 |
1,4 |
154 923 |
14 |
-159.5 |
5 |
154 923 |
90 |
- 193,4 |
1,3 |
55 761 |
92 |
-20 |
1,3 |
55 761 |
16 |
-20.4 |
1,1 |
20219 |
100 |
38 |
21 |
35 541 |
106 |
- 173 |
9 |
35 541 |
20 |
-180.5 |
4 |
1 663 |
18 |
-182 |
4 |
560 |
114 |
-173 |
9 |
33 319 |
130 |
- 165 |
9,7 |
86 840 |
132 |
- 153 |
9,7 |
86 840 |
136 |
- 141,5 |
19,5 |
86 840 |
[0076] La consommation énergétique du procédé est la suivante :
Compresseur 62A : |
1300 kW |
Compresseur 62B : |
1358 kW |
Compresseur 62C : |
1365 kW |
Compresseur 38B |
2023 kW |
Total : |
6046 kW |
[0077] Une deuxième installation 140 selon l'invention est représentée sur la Figure 2.
Cette deuxième installation 140 est destinée à la mise en oeuvre d'un deuxième procédé
de production selon l'invention.
[0078] Cette installation 140 diffère de la première installation 10 en ce qu'elle comprend
un deuxième ballon séparateur 142 interposé entre la sortie de la quatrième vanne
de détente 104 et l'entrée du premier ballon séparateur 60.
[0079] Le deuxième procédé selon l'invention diffère du premier procédé en ce qu'une partie
seulement du flux diphasique 106 résultant de la détente du courant d'azote recyclé
refroidi 102 dans la quatrième vanne de détente 104 est reçue dans le premier ballon
séparateur 60.
[0080] Ainsi, le flux diphasique 106 formé à la sortie de la quatrième vanne de détente
104 est introduit dans le deuxième ballon séparateur 142, et non directement dans
le premier ballon séparateur 60. En outre, le courant d'azote refroidi 102 ne passe
pas à travers le deuxième échangeur aval 54.
[0081] Le flux de tête 144 produit dans le deuxième ballon séparateur 142 est passé à travers
le deuxième échangeur aval 54 pour y être refroidi, puis est introduit sous forme
d'un flux de tête refroidi 146 dans le premier ballon séparateur 60.
[0082] Le flux de pied 148 tiré du pied du deuxième ballon séparateur 142 est divisé en
un deuxième courant de reflux d'azote 150 et en un courant d'appoint de refroidissement
152.
[0083] Le deuxième courant de reflux d'azote 150 est introduit, après détente dans une huitième
vanne de détente 154, à un étage de tête N4 de la colonne de fractionnement 50 situé
au voisinage et au-dessous de l'étage d'introduction N3 du premier courant de reflux
114 dans la colonne de fractionnement 50.
[0084] Dans une variante représentée en pointillés sur la Figure 2, les courants de reflux
114, 150 sont introduits au même étage de tête N3 de la colonne 50.
[0085] Le débit massique du deuxième courant de reflux 150 est supérieur à 90 % du flux
du débit massique du flux de pied 148.
[0086] Le deuxième courant de refroidissement d'appoint 152 est réintroduit dans le courant
de tête 90, en amont du deuxième échangeur aval 54, afin de fournir des frigories
destinées à refroidir et condenser partiellement le flux de tête 144 passant dans
le deuxième échangeur aval 54.
[0087] Le courant de mélange 156 résultant du mélange du courant de tête 90 et du courant
d'appoint de refroidissement 152 est introduit successivement dans le deuxième échangeur
aval 54, puis dans le premier échangeur aval 52 où il entre en relation d'échange
thermique avec le courant d'azote recyclé 100 et le deuxième courant d'introduction
74, pour refroidir ces courants.
[0088] Le deuxième procédé selon l'invention est par ailleurs opéré de façon analogue au
premier procédé selon l'invention.
[0089] Dans ce procédé, le courant de charge 12 est un courant de gaz naturel liquéfié (GNL)
comprenant une composition identique à celle décrite ci-dessus.
[0090] Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la composition molaire du courant de tête
90 est la suivante : hélium 0,54 %, azote 99,35 % et méthane 0,11 %.
[0091] Des exemples de température, de pression, et de débits massiques des différents courants
illustrés dans le procédé de la Figure 2 sont résumés dans les Tableaux ci-dessous.
COURANT |
TEMPERATURE (°C) |
PRESSION (Bars) |
DEBIT (Kg/h) |
12 |
- 149,5 |
34 |
177 365 |
70 |
- 150,7 |
6 |
177 365 |
76 |
- 160 |
6 |
134 400 |
80 |
- 160 |
6 |
43 150 |
84 |
-163.6 |
1.4 |
169 069 |
86 |
- 159,7 |
1,4 |
155 100 |
14 |
-159.5 |
5 |
155 100 |
90 |
- 193,4 |
1,3 |
52 390 |
92 |
-32 |
1,3 |
52 678 |
16 |
-32.1 |
1,1 |
22 140 |
100 |
38 |
19,7 |
30 550 |
106 |
-180 |
5 |
30 550 |
146 |
- 186 |
4,7 |
3 940 |
150 |
-179.8 |
5 |
26 320 |
152 |
-179.8 |
5 |
288 |
20 |
-186.3 |
4.7 |
271 |
18 |
-186.3 |
4.7 |
28 |
114 |
-186.3 |
4.7 |
3 640 |
130 |
- 163 |
9,7 |
112 100 |
132 |
- 154 |
9,7 |
112 100 |
136 |
-140 |
19,2 |
112 100 |
[0092] La consommation énergétique du procédé est la suivante :
Compresseur 62A : |
1482 kW |
Compresseur 62B : |
912 kW |
Compresseur 62C : |
708 kW |
Compresseur 38B |
2584 kW |
Total : |
5686 kW |
[0093] Une troisième installation 160 selon l'invention, pour la mise en oeuvre d'un troisième
procédé selon l'invention est illustrée par la Figure 3.
[0094] La troisième installation 160 diffère de la première installation 10 par la présence
d'une section de fractionnement 162 et d'un échangeur amont de liquéfaction 164, placés
en amont de la turbine de détente liquide 26.
[0095] Dans cet exemple, le courant de charge 12 est du gaz naturel (GN) sous forme gazeuse.
Il est introduit en premier lieu dans l'échangeur 164 de liquéfaction pour être refroidi
à une température inférieure à -20°C et sensiblement égale à - 30°C.
[0096] Le courant de charge 12 est alors envoyé dans la section de fractionnement 162 qui
produit un gaz traité 166 à faible teneur en hydrocarbures en C
5+ et une coupe 168 de gaz liquéfié riche en hydrocarbures en C
5+. La teneur molaire en hydrocarbures en C
5+ dans le gaz traité 166 est inférieure à 300 ppm.
[0097] Le gaz traité 166 est réintroduit dans l'échangeur de liquéfaction 164 pour être
liquéfié et donner un courant de charge liquide 68 à la sortie de l'échangeur de liquéfaction
164.
[0098] Le gaz traité 166 étant dépourvu de constituants lourds, tels que le benzène dont
la température de cristallisation est élevée, il peut être liquéfié facilement et
sans risque de bouchage dans l'échangeur de liquéfaction 164.
[0099] Pour fournir les frigories nécessaires au refroidissement du courant de charge 12
et du gaz traité 166, le troisième procédé selon l'invention comprend le passage du
courant riche en hydrocarbures déazoté 14 à travers l'échangeur 164 après son passage
dans la pompe 88.
[0100] A cet effet, le courant de pied 86 liquide de la colonne de fractionnement 50 est
pompé à une pression supérieure à 20 bars, avantageusement à 28 bars pour être vaporisé
dans l'échangeur de liquéfaction 164 et permettre le refroidissement du courant de
charge 12 et la liquéfaction du gaz traité 166.
[0101] La réfrigération fournie par la vaporisation du courant d'hydrocarbures déazoté 14
représente plus de 90 %, avantageusement plus de 98 %, de la réfrigération nécessaire
à la liquéfaction du courant de charge 12.
[0102] De même, un courant 170 de prélèvement est prélevé dans le courant d'azote 102 après
son passage dans l'échangeur aval de fond 52 et avant son introduction dans le troisième
échangeur aval 56. Le courant de prélèvement 170 est ensuite introduit dans l'échangeur
de liquéfaction 164 avant d'être délivré sous forme d'un courant d'azote gazeux auxiliaire
172 à la sortie de l'échangeur 164.
[0103] Le débit massique de la fraction de prélèvement 170 par rapport au débit massique
du courant de tête 90 riche en azote est par exemple compris entre 0 % et 50 %.
[0104] Le troisième procédé selon l'invention fonctionne par ailleurs de manière analogue
au premier procédé selon l'invention.
[0105] Le courant de charge 12 est dans cet exemple un courant de gaz naturel sous forme
gazeux comprenant en moles 0,1000% d'hélium, 8,9000% d'azote, 85,9950% de méthane,
3,0000% d'éthane, 1,0000% de propane, 0,4000% d'hydrocarbures en i-C4, 0,3000% d'hydrocarbures
en n-C4, 0,1000% d'hydrocarbures en i-C5, 0,1000% d'hydrocarbures en n-C5, 0,0800%
d'hydrocarbures en n-C6, 0,0200% de benzène, 0,0050 % de dioxyde de carbone.
[0106] Le courant de charge liquide 68 comprend alors la même composition que le courant
de GNL 12 décrit pour le premier et le deuxième procédé selon l'invention.
[0107] Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la composition molaire du courant de tête
90 est la suivante : hélium 1,19 %, azote 98,64 % et méthane 0,16 %.
[0108] Des exemples de température, de pression, et de débits massiques des différents courants
illustrés dans le procédé de la Figure 3 sont résumés dans les Tableaux ci-dessous.
COURANT |
TEMPERATURE (°C) |
PRESSION (Bars) |
DEBIT (Kg/h) |
12 |
38 |
40 |
182 700 |
166 |
- 38 |
35 |
177 470 |
68 |
- 152 |
34 |
177 470 |
70 |
- 152,8 |
6 |
177 470 |
76 |
- 159,5 |
6 |
139 733 |
80 |
- 160 |
6 |
37 779 |
84 |
-161.5 |
2.7 |
174 559 |
86 |
- 158,3 |
2,7 |
165 811 |
14 |
-157.2 |
28 |
165 811 |
90 |
- 186,7 |
2,6 |
24 896 |
92 |
-20 |
2,6 |
24 896 |
16 |
-20.7 |
2,5 |
11 083 |
100 |
38 |
39,7 |
13 813 |
106 |
- 177 |
9 |
13 813 |
20 |
-180.41 |
5 |
370 |
18 |
-179.8 |
5 |
248 |
114 |
-176.9 |
9 |
13 195 |
130 |
- 165,8 |
9,7 |
61 629 |
132 |
- 155 |
9,7 |
61 629 |
136 |
-143 |
19,2 |
61 629 |
[0109] La consommation énergétique du procédé est la suivante :
Compresseur 62A : |
632 kW |
Compresseur 62B : |
388 kW |
Compresseur 62C : |
325 kW |
Compresseur 38B |
1440 kW |
Total : |
2785 kW |
[0110] Une quatrième installation 180 selon l'invention, destinée à la mise en oeuvre d'un
quatrième procédé selon l'invention est représentée sur la figure 4. Cette quatrième
installation 180 diffère de la troisième installation 170 par la présence de deux
ballons séparateurs 60, 142 comme dans la deuxième installation.
[0111] Son fonctionnement est par ailleurs analogue à celui de la troisième installation
160.
[0112] Une cinquième installation 190 selon l'invention est représentée sur la Figure 5,
pour la mise en oeuvre d'un cinquième procédé selon l'invention.
[0113] La cinquième installation 190 diffère de la quatrième installation 180 en ce que
le cycle de refroidissement 30 est un cycle semi-ouvert. A cet effet, le fluide réfrigérant
du cycle de réfrigération 30 est formé par un courant de dérivation 192 du courant
d'azote recyclé comprimé 100 prélevé à la sortie de l'appareil de compression amont
58, à une première pression P1 sensiblement égale à 40 bars.
[0114] Le débit massique du courant de dérivation 192 est inférieur à 99 % du débit massique
de la partie majoritaire 96.
[0115] Le courant de dérivation 192 est introduit dans l'échangeur thermique de cycle 32
pour former, à la sortie de l'échangeur 32, le courant comprimé refroidi 136, puis
après détente dans la turbine 36, le courant 130 de réfrigération introduit dans l'échangeur
amont 28.
[0116] Le courant de réfrigération 130 présente ainsi une teneur molaire en azote supérieure
à 99 % et une teneur en hydrocarbures inférieure à 0.1 %.
[0117] Après son passage dans l'échangeur 32, le courant de réfrigération réchauffé 132
est introduit dans le compresseur 38A couplé à la turbine 36, puis dans le réfrigérant
40A, avant d'être réintroduit dans le courant d'azote recyclé comprimé 100, entre
l'avant-dernier étage et le dernier étage de l'appareil de compression 58, à une deuxième
pression P2 inférieure à la première pression P1.
[0118] Une sixième installation 200 selon l'invention est représentée sur la figure 6.
[0119] La sixième installation 200 selon l'invention diffère de la quatrième installation
180 en ce que l'échangeur de cycle 32 est constitué par le même échangeur thermique
que le troisième échangeur aval 56.
[0120] Le courant de réfrigérant réchauffé 132 issu de l'échangeur amont 28 est introduit
dans le troisième échangeur aval 56 où il est placé en relation d'échange thermique
avec le courant de mélange 156 issu du deuxième échangeur aval 52 et avec le courant
d'azote recyclé comprimé 100 issu de l'appareil aval de compression 58.
[0121] De même, le courant comprimé de réfrigérant 134 passe dans le troisième échangeur
aval 56 pour être refroidi avant son introduction dans la turbine de détente dynamique
36.
[0122] Le fonctionnement du sixième procédé selon l'invention est par ailleurs analogue
à celui du quatrième procédé selon l'invention.
[0123] Grâce aux procédés selon l'invention, il est possible de produire, de manière flexible
et économique, de l'azote gazeux sensiblement pur 16, de l'azote liquide 18 sensiblement
pur, et un courant riche en hélium 20 qui peut être valorisé ultérieurement dans une
usine de production d'hélium.
[0124] Le procédé produit en outre un courant 14 riche en hydrocarbure déazoté qui peut
être utilisé sous forme liquide ou gazeuse.
[0125] Tous les fluides produits par le procédé sont donc utilisables et valorisables en
tant que tels.
[0126] Ce procédé peut être utilisé indifféremment avec un courant de charge 12 constitué
de gaz naturel liquéfié ou de gaz naturel sous forme gazeuse.
[0127] La quantité d'azote liquide 18 produite par le procédé peut être commandée de manière
simple en réglant la puissance thermique prélevée par le deuxième courant d'introduction
72 dans le courant de réfrigérant 130 du cycle de réfrigération 30.
1. Procédé de production d'un courant (18) d'azote liquide, d'un courant (16) d'azote
gazeux, d'un courant (20) gazeux riche en hélium et d'un courant (14) d'hydrocarbures
déazoté à partir d'un courant de charge contenant des hydrocarbures, de l'azote, et
de l'hélium, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- détente du courant de charge (12) pour former un courant de charge détendu (70)
;
- division du courant de charge détendu (70) en un premier courant d'introduction
(72) et en un deuxième courant d'introduction (74) ;
- refroidissement du premier courant d'introduction (72) au sein d'un échangeur thermique
amont (28) par échange thermique avec un courant de réfrigérant gazeux (130) obtenu
par détente dynamique dans un cycle de réfrigération (30), pour obtenir un premier
courant d'introduction refroidi (76) ;
- refroidissement du deuxième courant d'introduction (74) à travers un premier échangeur
thermique aval (52) pour former un deuxième courant d'introduction refroidi (80) ;
- introduction du premier courant d'introduction refroidi (76) et du deuxième courant
d'introduction refroidi (80) dans une colonne de fractionnement (50) comportant plusieurs
étages théoriques de fractionnement ;
- prélèvement d'au moins un courant de rebouillage (84) et circulation du courant
de rebouillage (84) dans le premier échangeur thermique aval (52) pour refroidir le
deuxième courant d'introduction (74) ;
- prélèvement au fond de la colonne de fractionnement (50) d'un courant de fond (86)
destiné à former le courant d'hydrocarbures déazoté (14);
- prélèvement en tête de la colonne de fractionnement (50) d'un courant de tête (90)
riche en azote ;
- réchauffage du courant de tête riche en azote (90) à travers au moins un deuxième
échangeur de chaleur aval (54, 56) pour former un courant riche en azote réchauffé
(92) ;
- prélèvement et détente d'une première partie (94) du courant riche en azote réchauffé
(92) pour former le courant d'azote gazeux (16) ;
- compression d'une deuxième partie (96) du courant riche en azote réchauffé (92)
pour former un courant d'azote recyclé comprimé (100) et refroidissement du courant
d'azote recyclé comprimé (100) par circulation à travers le premier échangeur aval
(52) et à travers le ou chaque deuxième échangeur aval (54, 56) ;
- liquéfaction et détente partielle du courant d'azote recyclé (100) pour former un
courant riche en azote détendu (106) ;
- introduction d'au moins une partie (106 ; 146) provenant du courant riche en azote
détendu (106) dans un premier ballon séparateur (60) ;
- récupération du courant de tête gazeux issu du premier ballon séparateur (60) pour
former le courant riche en hélium (20) ;
- récupération du courant liquide (110) issu du pied du premier ballon séparateur
(60) et séparation de ce courant liquide (110) en un courant d'azote liquide (18)
et en un premier courant de reflux (114) ;
- introduction du premier courant de reflux (114) en reflux dans la tête de la colonne
de fractionnement (50).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la totalité du courant riche en azote détendu (106) est introduit dans le premier
ballon séparateur (60), directement après sa détente.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant riche en azote détendu (106) est introduit dans un deuxième ballon séparateur
(142) placé en amont du premier ballon séparateur (60), le courant de tête (144) issu
du deuxième ballon séparateur (142) étant introduit dans le premier ballon séparateur
(60), au moins une partie du courant de pied (148) du deuxième ballon séparateur (142)
étant introduit en reflux dans la tête de la colonne de fractionnement (50).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le courant de pied (148) du deuxième ballon séparateur est séparé en un deuxième
courant de reflux (150) introduit dans la colonne de fractionnement (50) et en un
courant de refroidissement d'appoint (152), le courant de refroidissement d'appoint
(152) étant mélangé au courant de tête riche en azote (90), avant son passage dans
le deuxième échangeur thermique aval (54).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pression d'opération de la colonne de fractionnement (50) est inférieure à 5 bars,
avantageusement inférieure à 3 bars.
6. Procédé selon une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le cycle de réfrigération (30) est un cycle fermé de type Brayton inversé, le procédé
comprenant les étapes suivantes :
- réchauffement du courant de réfrigérant (130) dans un échangeur thermique de cycle
(32) jusqu'à une température sensiblement ambiante ;
- compression du courant de réfrigérant réchauffé (132) pour former un courant (134)
de réfrigérant comprimé et refroidissement dans l'échangeur thermique de cycle (32)
par échange thermique avec le courant de réfrigérant réchauffé (132) issu du premier
échangeur thermique amont (28) pour former un courant réfrigérant comprimé refroidi
(136) ;
- détente dynamique du courant réfrigérant comprimé refroidi (136) pour former le
courant de réfrigérant (130) et introduction du courant de réfrigérant (130) dans
le premier échangeur thermique amont (28).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'échangeur thermique de cycle (32) est formé par l'un (56) des échangeurs aval (52,
54, 56), le courant réfrigérant comprimé (134) étant refroidi au moins partiellement
par échange thermique dans ledit échangeur aval (56) avec le courant de tête riche
en azote (90) issu de la tête de la colonne de fractionnement (50).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisé en ce que le cycle de réfrigération (30) est un cycle semi-ouvert, le procédé comprenant les
étapes suivantes :
- prélèvement d'au moins une fraction du courant riche en azote recyclé comprimé (100)
à une première pression (P1) pour former un courant prélevé riche en azote (192) ;
- refroidissement du courant prélevé riche en azote (192) dans un échangeur thermique
de cycle (32) pour former un courant prélevé refroidi ;
- détente dynamique du courant prélevé refroidi issu de l'échangeur thermique de cycle
(32) pour former le courant de réfrigérant (130) et introduction du courant de réfrigérant
(130) dans l'échangeur thermique amont (28) ;
- compression du courant de réfrigérant (132) issu de l'échangeur thermique amont
dans un compresseur et réintroduction de ce courant dans le courant d'azote recyclé
comprimé (100) à une deuxième pression (P2) inférieure à la première pression (P1).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le courant de charge (12) est un courant gazeux, le procédé comprenant des étapes
suivantes :
- liquéfaction du courant de charge (12) pour former un courant de charge liquide
(68) par passage à travers un échangeur thermique de liquéfaction (164) ;
- vaporisation du courant d'hydrocarbures déazoté (14) issu du pied de la colonne
de fractionnement (50) par échange thermique avec un courant gazeux (166) issu du
courant de charge (12) dans l'échangeur thermique de liquéfaction (164).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la réfrigération fournie par la vaporisation du courant d'hydrocarbures déazoté (14)
représente plus de 90 %, avantageusement plus de 98 %, de la réfrigération nécessaire
à la liquéfaction du courant de charge (121).
11. Installation (10; 140; 160; 180; 190; 200) de production d'un courant d'azote liquide
(18), d'un courant d'azote gazeux (16), d'un courant gazeux (20) riche en hélium et
d'un courant d'hydrocarbures déazoté (14) à partir d'un courant de charge (12) contenant
des hydrocarbures, de l'azote, et de l'hélium, l'installation comprenant :
- des moyens (26) de détente du courant de charge (12) pour former un courant de charge
détendu (70) ;
- des moyens de division du courant de charge détendu (70) en un premier courant d'introduction
(72) et en un deuxième courant d'introduction (74) ;
- des moyens (28 ; 30) de refroidissement du premier courant d'introduction (72) comprenant
un échangeur thermique amont (28) et un cycle de réfrigération (30), pour obtenir
un premier courant d'introduction refroidi (76) par échange thermique avec un courant
de réfrigérant gazeux (130) obtenu par détente dynamique dans le cycle de réfrigération
(30);
- des moyens de refroidissement du deuxième courant d'introduction (74) comprenant
un premier échangeur thermique aval (52) pour former un deuxième courant d'introduction
refroidi (80) ;
- une colonne de fractionnement (50) comportant plusieurs étages théoriques de fractionnement
;
- des moyens d'introduction du premier courant d'introduction refroidi (76) et du
deuxième courant d'introduction refroidi (80) dans la colonne de fractionnement (50)
;
- des moyens de prélèvement d'au moins un courant de rebouillage (84) et des moyens
de circulation du courant de rebouillage (84) dans le premier échangeur thermique
aval (52) pour refroidir le deuxième courant d'introduction (74) ;
- des moyens de prélèvement au fond de la colonne de fractionnement (50) d'un courant
de fond (86) destiné à former le courant d'hydrocarbures déazoté (14);
- des moyens de prélèvement en tête de la colonne de fractionnement (50) d'un courant
de tête riche en azote (90) ;
- des moyens de réchauffage du courant de tête riche en azote (90) comprenant au moins
un deuxième échangeur de chaleur aval (54, 56) pour former un courant riche en azote
réchauffé (92) ;
- des moyens de prélèvement et de détente d'une première partie (94) du courant riche
en azote réchauffé (92) pour former le courant d'azote gazeux (16) ;
- des moyens (58) de compression d'une deuxième partie (96) du courant riche en azote
réchauffé (92) pour former un courant d'azote recyclé (100) et des moyens de refroidissement
du courant d'azote recyclé comprimé (100) par circulation à travers le premier échangeur
aval (52) et à travers le ou chaque deuxième échangeur aval (54, 56) ;
- des moyens (104) de liquéfaction partielle et de détente du courant d'azote recyclé
(100) pour former un courant riche en azote détendu (106) ;
- un premier ballon séparateur (60) ;
- des moyens d'introduction d'au moins une partie provenant du courant riche en azote
détendu (106) dans le premier ballon séparateur (60) ;
- des moyens de récupération du courant de tête gazeux issu du premier ballon séparateur
(60) pour former le courant riche en hélium (20) ;
- des moyens de récupération du courant liquide (110) issu du pied du premier ballon
séparateur (60) et de séparation de ce courant en un courant d'azote liquide (112)
et en un premier courant de reflux (114) ;
- des moyens d'introduction du premier courant de reflux (114) en reflux dans la tête
de la colonne de fractionnement (50).
12. Installation (10; 160) selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens d'introduction de la totalité du courant riche en azote détendu
(106) dans le premier ballon séparateur (60).
13. Installation (140 ; 180 ; 190 ; 200) selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'elle comprend un deuxième ballon séparateur (142) placé en amont du premier ballon
séparateur (60), et des moyens d'introduction du courant riche en azote détendu (106)
dans le deuxième ballon séparateur (142), l'installation comprenant des moyens d'introduction
du courant de tête (144) issu du deuxième ballon séparateur (142) dans le premier
ballon séparateur (60), et des moyens d'introduction d'au moins une partie du courant
de pied (148) du deuxième ballon séparateur (142) en reflux dans la tête de la colonne
de fractionnement (50).
1. Verfahren zur Herstellung eines Stroms (18) aus flüssigem Stickstoff, eines Stroms
(16) aus gasförmigem Stickstoff, eines gasförmigen Stroms (20) reich an Helium und
eines entstickten Stroms (14) aus Kohlenwasserstoffen aus einem Ladestrom, der Kohlenwasserstoffe,
Stickstoff und Helium enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Entspannung des Ladestroms (12), um einen entspannten Ladestrom (70) zu bilden;
- Teilung des entspannten Ladestroms (70) in einen ersten Zufuhrstrom (72) und einen
zweiten Zufuhrstrom (74);
- Kühlung des ersten Zufuhrstroms (72) innerhalb eines vorgelagerten Wärmetauschers
(28) durch Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Kühlstrom (130), erhalten durch dynamische
Entspannung in einem Kühlkreislauf (30), um einen ersten gekühlten Zufuhrstrom (76)
zu erhalten;
- Kühlung des zweiten Zufuhrstroms (74) über einen ersten nachgelagerten Wärmetauscher
(52), um einen zweiten gekühlten Zufuhrstrom (80) zu bilden;
- Einführung des ersten gekühlten Zufuhrstroms (76) und des zweiten gekühlten Zufuhrstroms
(80) in eine Trennsäule (50), die mehrere theoretische Trennstufen umfasst;
- Entnahme von mindestens einem Reboilerstrom (84) und Fließen des Reboilerstroms
(84) in den ersten nachgelagerten Wärmetauscher (52), um den zweiten Zufuhrstrom (74)
zu kühlen;
- Entnahme am Boden der Trennsäule (50) eines Bodenstroms (86), dazu bestimmt, den
entstickten Kohlenwasserstoffstrom zu bilden (14);
- Entnahme am Kopf der Trennsäule (50) eines Kopfstroms (90) reich an Stickstoff;
- Aufwärmung des an Stickstoff reichen Kopfstroms (90) durch mindestens einen zweiten
nachgelagerten Wärmetauscher (54, 56), um einen aufgewärmten stickstoffreichen Strom
zu bilden;
- Entnahme und Entspannung eines ersten Teils (94) des aufgewärmten stickstoffreichen
Stroms (92), um den gasförmigen Stickstoffstrom (16) zu bilden;
- Kompression eines zweiten Teils (96) des aufgewärmten stickstoffreichen Stroms (92),
um einen komprimierten recycelten Stickstoffstrom (100) zu bilden, und Kühlung des
komprimierten recycelten Stickstoffstroms (100) durch Fließen durch den ersten nachgelagerten
Wärmetauscher (52) und durch den oder jeden zweiten nachgelagerten Wärmetauscher (54,
56);
- Verflüssigung und teilweise Entspannung der recycelten Stickstoffstroms (100), um
einen entspannten stickstoffreichen Strom (106) zu bilden;
- Einführung von mindestens einem Teil (106; 146) aus dem entspannten stickstoffreichen
Strom (106) in einen ersten Abscheiderkessel (60);
- Gewinnung des gasförmigen Kopfstroms, austretend aus dem ersten Abscheiderkessel
(60), um den heliumreichen Strom (20 zu bilden;
- Gewinnung des flüssigen Stroms (110), austretend vom Boden des ersten Abscheiderkessels
(60), und Trennung dieses flüssigen Stroms (110) in einen flüssigen Stickstoffstrom
(18) und einen ersten Rückstrom (114);
- Einführung des ersten Rückstroms (114) zurück in den Kopf der Trennsäule (50).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte entspannte stickstoffreiche Strom (106) in den ersten Abscheiderkessel
(60) eingeführt wird, direkt nach seiner Entspannung.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der entspannte stickstoffreiche Strom (106) in einen zweiten Abscheiderkessel (142)
eingeführt wird, der vor dem ersten Abscheiderkessel (60) platziert ist, wobei der
aus dem zweiten Abscheiderkessel (142) austretende Kopfstrom (144) in den ersten Abscheiderkessel
(60) eingeführt wird, wobei mindestens ein Teil des Unterstroms (148) des zweiten
Abscheiderkessels (60) zurück in den Kopf der Trennkolonne (50) eingeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterstrom (148) des zweiten Abscheiderkessels in einen zweiten Rückstrom (150),
der in die Trennsäule (50) eingeführt wird, und in einen unterstützenden Kühlstrom
(152) getrennt wird, wobei der unterstützende Kühlstrom (152) mit dem stickstoffreichen
Kopfstrom (90) gemischt wird, vor seinem Durchleiten in den zweiten nachgelagerten
Wärmetauscher (54).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck der Trennsäule (50) weniger als 5 bar beträgt, vorzugsweise weniger
als 3 bar.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (30) ein geschlossener Kreislauf vom Typ des invertierten Brayton-Kreislaufs
ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Aufwärmung des Kühlstroms (130) in einem Kreislaufwärmetauscher (32) bis zu einer
im Wesentlichen Umgebungstemperatur;
- Kompression des aufgewärmten Kühlstroms (132), um einen komprimierten Kühlstrom
(134) zu bilden, und Kühlung im Kreislaufwärmetauscher (32) durch Wärmeaustausch mit
dem aufgewärmten Kühlstrom (132) aus dem ersten vorgelagerten Wärmetauscher (28),
um einen gekühlten komprimierten Kühlstrom (136) zu bilden;
- dynamische Entspannung des gekühlten komprimierten Kühlstroms (136), um den Kühlstrom
(130) zu bilden, und Einführung des Kühlstroms (130) in den ersten vorgelagerten Wärmetauscher
(28).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislaufwärmetauscher (32) durch einen (56) der nachgelagerten Tauscher (52,
54, 56) gebildet wird, wobei der komprimierte Kühlstrom (134) mindestens teilweise
gekühlt wird, durch Wärmeaustausch in dem besagten nachgelagerten Tauscher (56) mit
dem stickstoffreichen Kopfstrom (90), der aus dem Kopf der Trennsäule (50) austritt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (30) ein halboffener Kreislauf ist, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst:
- Entnahme von mindestens einem Teil des komprimierten recycelten stickstoffreichen
Stroms (100) bei einem ersten Druck (P1), um einen stickstoffreichen entnommenen Strom
(192) zu bilden;
- Kühlung des stickstoffreichen entnommenen Stroms (192) in einem Kreislaufwärmetauscher
(32), um einen gekühlten entnommenen Strom zu bilden;
- dynamische Entspannung des gekühlten entnommenen Stroms aus dem Kreislaufwärmetauscher
(32), um den Kühlstrom (130) zu bilden, und Einführung des Kühlstroms (130) in den
vorgelagerten Wärmetauscher (28);
- Kompression des Kühlstroms (132) aus dem vorgelagerten Wärmetauscher in einem Kompressor
und Wiedereinführung dieses Stroms in den komprimierten recycelten Stickstoffstrom
(100) bei einem zweiten Druck (P2), der weniger als der erste Druck (P1) beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom (12) ein gasförmiger Strom ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
umfasst:
- Verflüssigung des Ladestroms (12), um einen flüssigen Ladestrom (68) durch Durchleiten
durch einen Verflüssigungswärmetauscher (164) zu bilden;
- Verdampfung des entstickten Kohlenwasserstoffstroms (14) austretend vom Boden der
Trennsäule (50) durch Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Strom (166), der aus dem
Ladestrom (12) in dem Verflüssigungswärmetauscher (164) austritt;
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Verdampfung des entstickten Kohlenwasserstoffstroms (14) gelieferte
Kühlung mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 98 % der Kühlung darstellt, die für die
Verflüssigung des Ladestroms (121) notwendig ist.
11. Anlage (10; 140; 160; 180; 190; 200) zur Herstellung eines flüssigen Stickstoffstroms
(18), eines gasförmigen Stickstoffstroms (16), eines gasförmigen Stroms (20) reich
an Helium und eines entstickten Kohlenwasserstoffstroms (14) aus einem Ladestrom (12),
der Kohlenwasserstoffe, Stickstoff und Helium enthält, wobei die Anlage umfasst:
- Mittel (26) zur Entspannung des Ladestroms (12), um einen entspannten Ladestrom
(70) zu bilden;
- Mittel zur Teilung des entspannten Ladestroms (70) in einen ersten Zufuhrstrom (72)
und in einen zweiten Zufuhrstrom (74),
- Mittel (28; 30) zur Kühlung des ersten Zufuhrstroms (72), umfassend einen vorgelagerten
Wärmetauscher (28) und einen Kühlkreislauf (30), um einen ersten gekühlten Zufuhrstrom
(76) durch Wärmeaustausch mit einem gasförmigen Kühlstrom (130), der durch dynamische
Entspannung in dem Kühlkreislauf (30) erhalten wird, zu erhalten;
- Mittel zur Kühlung des zweiten Zufuhrstroms (74), umfassend einen ersten nachgelagerten
Wärmetauscher (52), um einen zweiten abgekühlten Zufuhrstrom (80) zu bilden;
- eine Trennsäule (50), die mehrere theoretische Trennschritte umfasst;
- Mittel zur Einführung des ersten gekühlten Zufuhrstroms (76) und des zweiten gekühlten
Zufuhrstroms (80) in die Trennsäule (50);
- Mittel zur Entnahme von mindestens einem Reboilerstrom (84) und Mittel zum Fließen
des Reboilerstroms (84) in den ersten nachgelagerten Wärmetauscher (52), um den zweiten
Zufuhrstrom (74) zu kühlen;
- Mittel zur Entnahme am Boden der Trennsäule (50) eines Bodenstroms (86), der dazu
bestimmt ist, den entstickten Kohlenwasserstoffstrom zu bilden;
- Mittel zur Entnahme am Kopf der Trennsäule (50) eines stickstoffreichen Kopfstroms
(90);
- Mittel zum Aufwärmen des stickstoffreichen Kopfstroms (90), die mindestens einen
zweiten nachgelagerten Wärmetauscher (54, 56) umfassen, um einen aufgewärmten stickstoffreichen
Strom (92) zu bilden;
- Mittel zur Entnahme und zur Entspannung eines ersten Teils (94) des aufgewärmten
stickstoffreichen Stroms (92), um den gasförmigen Stickstoffstrom (16) zu bilden;
- Mittel (58) zur Kompression eines zweiten Teils (96) des aufgewärmten stickstoffreichen
Stroms (92), um einen recycelten Stickstoffstrom (100) zu bilden, und Mittel zur Kühlung
des komprimierten recycelten Stickstoffstroms (100) durch Fließen durch den ersten
nachgelagerten Tauscher (52) und durch den oder jeden zweiten nachgelagerten Tauscher
(54, 56);
- Mittel (104) zur teilweisen Verflüssigung und zur Entspannung des recycelten Stickstoffstroms
(100), um einen entspannten stickstoffreichen Strom (106) zu bilden;
- einen ersten Abscheiderkessel (60);
- Mittel zur Einführung von mindestens einem Teil aus dem entspannten stickstoffreichen
Strom (106) in den ersten Abscheiderkessel (60);
- Mittel zur Gewinnung des aus dem ersten Abscheiderkessel (60) austretenden gasförmigen
Kopfstroms, um den heliumreichen Strom (20) zu bilden;
- Mittel zur Gewinnung des flüssigen Stroms (110) vom Boden des ersten Abscheiderkessels
(60) und zur Trennung dieses Stroms in einen flüssigen Stickstoffstrom (112) und in
einen ersten Rückstrom (114);
- Mittel zur Einführung des ersten Rückstroms (114) zurück in den Kopf der Trennsäule
(50).
12. Anlage (10; 160) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Einführung des gesamten entspannten stickstoffreichen Stroms (106)
in den ersten Abscheiderkessel (60) umfasst.
13. Anlage (140; 180; 190; 200) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Abscheiderkessel (142) umfasst, der vor dem ersten Abscheiderkessel
(60) platziert ist, und Mittel zur Einführung des entspannten stickstoffreichen Stroms
(106) in den zweiten Abscheiderkessel (142), wobei die Anlage Mittel zur Einführung
des Kopfstroms (144), der aus dem zweiten Abscheiderkessel (142) austritt, in den
ersten Abscheiderkessel (60) umfasst, und Mittel zur Einführung von mindestens einem
Teil des Unterstroms (148) des zweiten Abscheiderkessels (142) zurück in den Kopf
der Trennsäule (50).
1. Process for producing a liquid nitrogen stream (18), a gaseous nitrogen stream (16),
a gaseous stream (20) which is rich in helium and a denitrided stream (14) of hydrocarbons
from a feed stream which contains hydrocarbons, nitrogen and helium, the process comprising
the following steps:
- expanding the feed stream (12) in order to form an expanded feed stream (70);
- dividing the expanded feed stream (70) into a first introduction stream (72) and
a second introduction stream (74);
- cooling the first introduction stream (72) within an upstream heat exchanger (28)
by heat exchange with a gaseous refrigerant stream (130) which is obtained by dynamic
expansion in a cooling cycle (30) in order to obtain a first cooled introduction stream
(76);
- cooling the second introduction stream (74) by means of a first downstream heat
exchanger (52) in order to form a second cooled introduction stream (80);
- introducing the first cooled introduction stream (76) and the second cooled introduction
stream (80) into a fractionating column (50) which comprises a plurality of theoretical
fractionating stages;
- tapping at least one reboiling stream (84) and circulating the reboiling stream
(84) in the first downstream heat exchanger (52) in order to cool the second introduction
stream (74);
- tapping, at the bottom of the fractionating column (50), a bottom stream (86) which
is intended to form the denitrided stream (14) of hydrocarbons;
- tapping, at the head of the fractionating column (50), a head stream (90) which
is rich in nitrogen;
- reheating the head stream (90) which is rich in nitrogen by means of at least one
second downstream heat exchanger (54, 56) in order to form a reheated stream (92)
which is rich in nitrogen;
- tapping and expanding a first portion (94) of the reheated stream (92) which is
rich in nitrogen in order to form the gaseous nitrogen stream (16);
- compressing a second portion (96) of the reheated stream (92) which is rich in nitrogen
in order to form a compressed, recycled nitrogen stream (100), and cooling the compressed,
recycled nitrogen stream (100) by means of circulation through the first downstream
heat exchanger (52) and the or each second downstream heat exchanger (54, 56);
- liquefying and partially expanding the recycled nitrogen stream (100) in order to
form an expanded nitrogen rich stream (106);
- introducing at least a portion (106; 146) obtained from the expanded nitrogen rich
stream (106) into a first separation container (60);
- recovering the gaseous head stream from the first separation container (60) in order
to form the helium rich stream (20);
- recovering the liquid stream (110) from the bottom of the first separation container
(60) and separating that liquid stream (110) into a liquid nitrogen stream (18) and
a first reflux stream (114);
- introducing the first reflux stream (114) as reflux into the head of the fractionating
column (50).
2. Process according to claim 1, characterised in that the whole of the expanded nitrogen rich stream (106) is introduced into the first
separation container (60) directly after the expansion thereof.
3. Process according to claim 1, characterised in that the nitrogen rich expanded stream (106) is introduced into a second separation container
(142) which is positioned upstream of the first separation container (60), the head
stream (144) from the second separation container (142) being introduced into the
first separation container (60), at least a portion of the bottom stream (148) of
the second separation container (142) being introduced as reflux into the head of
the fractionating column (50).
4. Process according to claim 3, characterised in that the bottom stream (148) of the second separation container is separated into a second
reflux stream (150) which is introduced into the fractionating column (50) and a supplementary
cooling stream (152), the supplementary cooling stream (152) being mixed with the
nitrogen rich head stream (90) before it is introduced into the second downstream
heat exchanger (54).
5. Process according to claim 4, characterised in that the operating pressure of the fractionating column (50) is less than 5 bar, advantageously
less than 3 bar.
6. Process according to any one of the preceding claims,
characterised in that the cooling cycle (30) is a closed cycle of the inverted Brayton type, the process
comprising the following steps:
• reheating the refrigerant stream (130) in a cycle heat exchanger (32) up to substantially
ambient temperature;
• compressing the reheated refrigerant stream (132) in order to form a compressed
refrigerant stream (134), and refrigerant in the cycle heat exchanger (32) by means
of heat exchange with the reheated refrigerant stream (132) from the first upstream
heat exchanger (28) in order to form a cooled, compressed refrigerant stream (136);
• dynamically expanding of the cooled, compressed refrigerant stream (136) in order
to form the refrigerant stream (130), and introducing the refrigerant stream (130)
into the first upstream heat exchanger (28).
7. Process according to claim 6, characterised in that the cycle heat exchanger (32) is formed by one (56) of the downstream heat exchangers
(52, 54, 56), the compressed refrigerant stream (134) being cooled at least partially
by heat exchange in the downstream heat exchanger (56) with the nitrogen rich head
stream (90) from the head of the fractionating column (50).
8. Process according to any one of claims 1 to 5,
characterised in that the cooling cycle (30) is a semi-open cycle, the process comprising the following
steps:
• tapping at least one fraction of the nitrogen rich recycled stream (100) which is
compressed at a first pressure (P1) in order to form a tapped stream (192) which is
rich in nitrogen;
• cooling the nitrogen rich tapped stream (192) which in a cycle heat exchanger (32)
in order to form a cooled, tapped stream;
• dynamically expanding of the cooled, tapped stream from the cycle heat exchanger
(32) in order to form the refrigerating stream (130), and introducing the refrigerant
stream (130) into the upstream heat exchanger (28);
• compressing the refrigerant stream (132) from the upstream heat exchanger in a compressor
and re-introducing that stream into the recycled nitrogen stream (100) which is compressed
at a second pressure (P2) less than the first pressure (P1).
9. Process according to any one of the preceding claims,
characterised in that the feed stream (12) is a gaseous stream, the process comprising the following steps:
• liquefying the feed stream (12) in order to form a liquid feed stream (68) by means
of introduction through a liquefying heat exchanger (164);
• vaporising the denitrided stream (14) of hydrocarbons from the bottom of the fractionating
column (50) by means of heat exchange with a gaseous stream (166) which is from the
feed stream (12) in the liquefying heat exchanger (164).
10. Process according to claim 9, characterised in that the cooling provided by the vaporisation of the denitrided stream (14) of hydrocarbons
constitutes more than 90%, advantageously more than 98%, of the cooling necessary
for liquefying the feed stream (121).
11. Installation (10; 140; 160; 180; 190; 200) for producing a liquid nitrogen stream
(18), a gaseous nitrogen stream (16), a gaseous stream (20) which is rich in helium
and a denitrided stream (14) of hydrocarbons from a feed stream (12) which contains
hydrocarbons, nitrogen and helium, the installation comprising:
- means (26) for expanding of the feed stream (12) in order to form an expanded feed
stream (70);
- means for dividing the expanded feed stream (70) into a first introduction stream
(72) and a second introduction stream (74);
- means (28; 30) for cooling the first introduction stream (72) comprising an upstream
heat exchanger (28) and a cooling cycle (30), in order to obtain a first cooled introduction
stream (76) by means of heat exchange with a gaseous refrigerant stream (130) which
is obtained by dynamic expansion in the cooling cycle (30);
- means for cooling the second introduction stream (74) comprising a first downstream
heat exchanger (52) in order to form a second cooled introduction stream (80);
- a fractionating column (50) comprising a plurality of theoretical fractionating
stages;
- means for introducing the first cooled introduction stream (76) and the second cooled
introduction stream (80) into the fractionating column (50);
- means for tapping at least one reboiling stream (84) and means for circulating the
reboiling stream (84) in the first downstream heat exchanger (52) in order to cool
the second introduction stream (74);
- means for tapping, at the bottom of the fractionating column (50), a bottom stream
(86) which is intended to form the denitrided stream (14) of hydrocarbons;
- means for tapping, at the head of the fractionating column (50), an head stream
(90) which is rich in nitrogen;
- means for reheating the nitrogen rich head stream (90) comprising at least a second
downstream heat exchanger (54, 56) in order to form a reheated stream (92) which is
rich in nitrogen;
- means for tapping and expanding a first portion (94) of the nitrogen rich reheated
stream (92) in order to form the gaseous nitrogen stream (16);
- means (58) for compressing a second portion (96) of the nitrogen rich reheated stream
(92) in order to form a recycled nitrogen stream (100) and means for cooling the compressed,
recycled nitrogen stream (100) by means of circulation through the first downstream
heat exchanger (52) and the or each second downstream heat exchanger (54, 56);
- means (104) for partially liquefying and expanding the recycled nitrogen stream
(100) in order to form an expanded nitrogen rich stream (106);
- a first separation container (60);
- means for introducing at least a portion obtained from the expanded nitrogen rich
stream (106) into the first separation container (60);
- means for recovering the gaseous head stream from the first separation container
(60) in order to form the helium rich stream (20);
- means for recovering the liquid stream (110) from the bottom of the first separation
container (60) and for separating that stream into a liquid nitrogen stream (112)
and a first reflux stream (114);
- means for introducing the first reflux stream (114) as reflux into the head of the
fractionating column (50).
12. Installation (10; 160) according to claim 11, characterised in that it comprises means for introducing the whole of the expanded nitrogen rich stream
(106) into the first separation container (60).
13. Installation (140; 180; 190; 200) according to claim 11, characterised in that it comprises a second separation container (142) which is positioned upstream of
the first separation container (60) and means for introducing the expanded nitrogen
rich stream (106) into the second separation container (142), the installation comprising
means for introducing the head stream (144) from the second separation container (142)
into the first separation container (60) and means for introducing at least a portion
of the bottom stream (148) of the second separation container (142) as reflux into
the head of the fractionating column (50).