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Title:
METHOD AND APPARATUS FOR THE CRYOGENIC SEPARATION OF A SYNTHESIS GAS CONTAINING A NITROGEN SEPARATION STEP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115966
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for separating a gas mixture comprising carbon monoxide, nitrogen and hydrogen involves sending a hydrogen-depleted fluid to a denitrification column (K2) having a top condenser (C1) and a bottom reboiler (R2) in order to produce a nitrogen-enriched gas at the top of the column and a nitrogen-depleted liquid at the bottom of the column, cooling the condenser of the denitrification column by means of a nitrogen cycle using a nitrogen compressor (V1,V2,V3), vaporising, in the heat exchanger of the condenser, the liquid nitrogen (53) from the nitrogen cycle, and returning the nitrogen (55) vaporised in the heat exchanger to the nitrogen compressor.

Inventors:
HERNANDEZ, Antoine (29 Bis Avenue des Resedas, PONTAULT COMBAULT, 77340, FR)
Application Number:
FR2018/053280
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
December 13, 2018
Export Citation:
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Assignee:
L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (75 Quai d'Orsay, PARIS, PARIS, 75007, FR)
International Classes:
F25J3/02
Domestic Patent References:
WO2010139905A22010-12-09
Foreign References:
CN106979665A2017-07-25
CN106642989A2017-05-10
FR2916523A12008-11-28
DE102006056642A12008-06-05
DE2814660A11979-10-11
EP0928936A21999-07-14
DE19541339A11997-05-07
DE2814600A11978-10-19
DE2814660A11979-10-11
DE102012020469A12014-04-24
Attorney, Agent or Firm:
MERCEY, Fiona (L'AIR LIQUIDE S.A, Département de la Propriété Intellectuelle75 Quai d'Orsay, PARIS Cedex 07, 75321, FR)
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Claims:
en hydrogène alimentant la colonne de déazotation, la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K3) comprenant un condenseur de tête (C2) qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide le bain de liquide de a) ou b) étant alimenté par de l’azote liquide (61 ,63,65) provenant du cycle d’azote (59).

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie de l’azote liquide (53) du condenseur de tête (C2) de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane se vaporiser dans le condenseur de tête (C1 ) de la colonne de déazotation.

3. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on sépare le mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur (E1 , E2) par au moins une étape de condensation partielle afin de former un gaz appauvri en hydrogène (5), on envoie le gaz appauvri en hydrogène à un niveau intermédiaire d’une colonne d’épuisement (K1 ) ayant un rebouilleur de cuve (R1 ) et on envoie du liquide de cuve (19) de la colonne d’épuisement vers une colonne de déazotation (K2) selon le cas a) ou vers la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K3) selon le cas b).

4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on réchauffe le rebouilleur (R1 ) de la colonne d’épuisement (K1 ) et/ou le rebouilleur (R3) de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K2) avec au moins d’une partie du mélange gazeux (1 ).

5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la pression d’opération de la colonne de déazotation (K2) est d’au moins 7 bars abs, voire 8 bars abs et/ou la pression d’opération de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K3) est d’au moins 5 bars abs, voire 6 bars abs.

6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le condenseur de tête (C2) de la colonne CO/CH4 (K3) est refroidi uniquement par de l’azote de cycle.

7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on réchauffe le rebouilleur (R2) de la colonne de déazotation (K2) au moyen de l’azote de cycle.

8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l’azote utilisé pour réchauffer le rebouilleur (R2) de la colonne de déazotation (K2) est à la pression maximale du cycle azote.

9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’azote envoyé au bain du condenseur (C2) de la colonne CO/CH4 (K3) est condensé à la pression maximale du cycle azote.

10. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la pression d’opération de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane est d’au moins 5 bars abs, voire 6 bars abs.

11. Appareil de séparation d’un mélange gazeux comprenant du monoxyde de carbone, de l’azote, de l’hydrogène et du méthane comprenant un échangeur de chaleur (E1 , E2) pour refroidir le mélange, des moyens de séparation du mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de condensation partielle et/ou de distillation et/ou de lavage afin de former un fluide appauvri en hydrogène contenant du monoxyde de carbone et de l’azote, une colonne de déazotation (K2) ayant un condenseur de tête (C1 ) et éventuellement un rebouilleur de cuve (R2), une conduite pour envoyer le fluide appauvri en hydrogène vers la colonne de déazotation pour produire un gaz enrichi en azote en tête de colonne et un liquide appauvri en azote en cuve de colonne, un cycle d’azote utilisant un compresseur d’azote (V1 , V2, V3) à au moins un premier étage et une deuxième étage, la pression d’entrée de la première étage étant plus basse que celle du deuxième étage, des moyens pour envoyer du liquide du cycle d’azote vers le condenseur (C1 ) de la colonne de déazotation, des moyens pour détendre du liquide de cuve (21 ) de la colonne de déazotation, des moyens pour envoyer le liquide détendu vers le condenseur de tête de la colonne de déazotation pour se vaporiser au moins partiellement par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur du condenseur avec le gaz enrichi en azote qui s’en trouve condensé, des moyens pour envoyer de l’azote vaporisé (55) dans l’échangeur de chaleur du condenseur à l’entrée du deuxième étage (V3) du compresseur d’azote, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K3) comprenant un condenseur de tête (C2) qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide,

a) des moyens pour envoyer le liquide de cuve (33) de la colonne de déazotation à la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane ou b) la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane des moyens faisant partie des moyens de séparation du mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de distillation l’appareil comprenant également des moyens pour envoyer de l’azote liquide (61 ,63,65) provenant du cycle d’azote vers le condenseur de tête de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane.

12. Appareil selon la revendication 11 comprenant des moyens pour envoyer de l’azote liquide (53) du condenseur de tête (C2) de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K3) vers le condenseur de tête (C1 ) de la colonne de déazotation (K2).

13. Appareil selon l’une des revendications précédentes 11 ou 12 comprenant au moins un séparateur de phase (S1 , S3) pour séparer le mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par une étape de condensation partielle afin de former un gaz appauvri en hydrogène, une colonne d’épuisement (K1 ) et des moyens pour envoyer le gaz appauvri en hydrogène à un niveau intermédiaire de la colonne d’épuisement.

Description:
PROCEDE ET APPAREIL DE SEPARATION CRYOGENIQUE D’UN GAZ DE SYNTHESE CONTENANT UNE ETAPE DE SEPARATION DE L’AZOTE

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation cryogénique d’un gaz de synthèse contenant de l’azote. Habituellement ce gaz contient du monoxyde de carbone, de l’hydrogène, du méthane et de l’azote. Il contient de préférence moins que 50% mol de méthane. Il contient de préférence plus que 10% mol de monoxyde de carbone.

Les unités de production de monoxyde de carbone et d’hydrogène peuvent être séparées en deux parties :

• génération du gaz de synthèse (mélange contenant H2, CO, CH 4 , CO2, Ar et N2 essentiellement). Parmi les diverses voies industrielles de production de gaz de synthèse, celle à base de gazéification de charbon semble se développer de plus en plus notamment dans les pays riches en dépôts de charbon comme la Chine. Le procédé d’oxydation partielle du gaz naturel peut s’avérer également intéressant pour la production de CO seul ou avec des rapports de production H2/CO faibles. Une autre voie est le reformage à la vapeur.

• purification du gaz de synthèse. On retrouve :

une unité de lavage avec un solvant liquide pour éliminer la plus grande partie des gaz acides contenus dans le gaz de synthèse

une unité d’épuration sur lit d’adsorbants.

S une unité de séparation par voie cryogénique dite boite froide pour la production de CO.

Dans le cas où le gaz de synthèse est produit à partir d’une gazéification de charbon à lit entraîné ou lit fluidisé, le procédé de la boite froide est la condensation partielle. Dans le cas où le gaz de synthèse est contaminé avec du méthane, par exemple pour les applications MEG, TDI/MDI ou PC, il est nécessaire d’inclure une colonne de séparation du CH 4 dans la boite froide. Dans le cas où le gaz de synthèse est contaminé avec de l’azote, par exemple si de l’azote est utilisé pour transporter le charbon, il est nécessaire d’inclure une colonne de séparation de l’azote dans la boite froide. Dans DE19541339, une colonne CO/N2 est positionnée en amont d’une colonne CO/CH 4 . Le rebouillage de la colonne CO/CH 4 est assuré par condensation de l’azote de cycle. La condensation en la tête de colonne CO/N 2 est assurée par vaporisation de liquide N2 du cycle à basse pression.

L'azote vaporisé dans les condenseurs des colonnes CO/N 2 et CO/CH 4 retourne à l'aspiration du compresseur du cycle d’azote.

La colonne CO/N 2 opère à une pression relativement basse (2,6 bar).

La pression de la colonne CO/CH 4 est relativement basse.

La condensation de tête de la colonne CO/N2 est assurée par vaporisation de la cuve de la colonne CO/CH 4 et en complément par réchauffement de la fraction riche en hydrogène du pot de condensation partielle du gaz de synthèse

Le produit CO à la sortie de la colonne CO/N2 revient à l’aspiration du compresseur CO pour être comprimé jusqu’à la pression requise.

Le condenseur de tête de la colonne CO/N2 a un volume important car le complément est apporté par réchauffement de l’hydrogène, donc un débit gazeux important : comme cet échangeur doit être positionné en hauteur par rapport à la tête de la colonne CO/N2, son volume important rendrait difficile le transport du paquet contenant la colonne CO/N2.

La configuration conduit à une consommation d’énergie au niveau du compresseur de cycle CO importante car le CO produit doit être comprimé

Ceci nécessite l’investissement d’un compresseur CO plus coûteux qu’un compresseur N2.

Le couplement condenseur CO/N2 et rebouilleur CO/CH 4 rend difficile le fonctionnement de l’unité lorsque les teneurs en CH 4 et N2 dans le gaz de synthèse entrant varient.

DE2814600 décrit un procédé de séparation utilisant une colonne d’élimination de méthane, suivie d’une double colonne dont la tête de la colonne de séparation CO/argon chauffe la cuve de la colonne de déazotation.

Le condenseur de tête de déazotation vaporise le liquide de la cuve de la colonne de déazotation après détente et vaporisation d’un liquide de cycle azote. Par contre le cycle d’azote ne sert pas comme fluide réfrigérant pour condenser la tête de séparation d’une colonne de séparation CH4 ni dans la colonne de 28 ni dans la colonne 13. La tête de colonne de séparation de CH4 13 est refroidi par de l'hydrogène. Ceci conduit à un échangeur en tête de colonne 13 plus gros qui prend plus de place dans le paquet de la boite froide et donc est plus difficile à transporter. De plus l’apport de froid n'est pas suffisant et il reste du CH4 dans le fluide envoyé à la deuxième colonne alors que selon l'invention, une seule colonne enlève tout le CH4.

DE2814860 a un circuit N2 vers le rebouiileur de la cuve de la colonne argon/CO qui est aussi à une pression supérieure à celle de la présente invention où le rebouillage de la colonne CO/CH4 est effectué par le gaz de synthèse.

Selon cet art antérieur, le rebouillage de la séparation CO/N2 est apporté par le cycle N2 via le rebouiileur de cuve de la colonne argon/CO, ce qui requiert une pression plus haute que celle selon l’invention, où on a besoin d’azote de rebouillage uniquement à la pression de la colonne CO/N2.

Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange gazeux comprenant du monoxyde de carbone, de l’azote, de l’hydrogène et éventuellement du méthane dans lequel :

i) On refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur,

ii) On sépare le mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de condensation partielle et/ou de distillation et/ou de lavage afin de former un fluide appauvri en hydrogène contenant du monoxyde de carbone et de l’azote,

iii) On envoie le fluide appauvri en hydrogène vers une colonne de déazotation ayant un condenseur de tête et un rebouilleur de cuve pour produire un gaz enrichi en azote en tête de colonne et un liquide appauvri en azote en cuve de colonne, iv) On refroidit le condenseur de la colonne de déazotation au moyen d’un cycle d’azote utilisant un compresseur d’azote à au moins un premier étage et une deuxième étage, la pression d’entrée de la première étage étant plus basse que celle du deuxième étage,

v) On détend du liquide de cuve de la colonne de déazotation, on l’envoie vers le condenseur de tête de la colonne de déazotation pour se vaporiser au moins partiellement par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur du condenseur avec le gaz enrichi en azote qui s’en trouve condensé, et

vi) On vaporise également dans l’échangeur de chaleur du condenseur de l’azote liquide provenant du cycle d’azote et on renvoie l’azote vaporisé dans l’échangeur de chaleur à l’entrée du deuxième étage du compresseur d’azote et

a) on envoie du liquide de cuve de la colonne de déazotation vers une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane comprenant un condenseur de tête qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide ou

b) la séparation de l’étape ii) comprend une étape de distillation dans une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane pour séparer un débit appauvri en méthane d’un débit enrichi en méthane et au moins une partie du débit appauvri en méthane constitue le fluide appauvri en hydrogène alimentant la colonne de déazotation, la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane comprenant un condenseur de tête qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide le bain de liquide de a) ou b) étant alimenté par de l’azote liquide provenant du cycle d’azote.

Selon d’autres aspects facultatifs de l’invention :

le mélange contient du méthane.

la séparation de l’étape ii) comprend une étape de distillation dans une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane pour séparer un débit appauvri en méthane d’un débit enrichi en méthane et au moins une partie du débit appauvri en méthane constitue le fluide appauvri en hydrogène alimentant la colonne de déazotation.

on envoie du liquide de cuve de la colonne de déazotation vers une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane.

la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane comprend un condenseur de tête qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide.

le condenseur de tête de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane est alimenté par de l’azote liquide provenant du cycle d’azote. on envoie de l’azote liquide du condenseur de tête de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane se vaporiser dans le condenseur de tête de la colonne de déazotation.

on sépare le mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de condensation partielle afin de former un gaz appauvri en hydrogène, on envoie le gaz appauvri en hydrogène à un niveau intermédiaire d’une colonne d’épuisement ayant un rebouilleur de cuve et on envoie du liquide de cuve de la colonne d’épuisement vers une colonne de déazotation selon le cas a) ou vers la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane selon le cas b).

on réchauffe le rebouilleur de la colonne d’épuisement et/ou le rebouilleur de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane avec au moins d’une partie du mélange gazeux.

la pression d’opération de la colonne de déazotation est d’au moins 7 bars abs, voire 8 bars abs

la pression d’opération de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane est d’au moins 5 bars abs, voire 6 bars abs.

le condenseur de tête de la colonne CO/CH4 est refroidi uniquement par de l’azote de cycle.

on réchauffe le rebouilleur de la colonne de déazotation au moyen de l’azote de cycle.

l’azote utilisé pour réchauffer le rebouilleur de la colonne de déazotation est à la pression maximale du cycle azote .

l’azote envoyé au bain du condenseur de la colonne CO/CH4 est condensé à la pression maximale du cycle azote.

Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange gazeux comprenant du monoxyde de carbone, de l’azote, de l’hydrogène et éventuellement du méthane comprenant un échangeur de chaleur pour refroidir le mélange, des moyens de séparation du mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de condensation partielle et/ou de distillation et/ou de lavage afin de former un fluide appauvri en hydrogène contenant du monoxyde de carbone et de l’azote, une colonne de déazotation ayant un condenseur de tête et éventuellement un rebouilleur de cuve, une conduite pour envoyer le fluide appauvri en hydrogène vers la colonne de déazotation pour produire un gaz enrichi en azote en tête de colonne et un liquide appauvri en azote en cuve de colonne, un cycle d’azote utilisant un compresseur d’azote à au moins un premier étage et une deuxième étage, la pression d’entrée de la première étage étant plus basse que celle du deuxième étage, des moyens pour envoyer du liquide du cycle d’azote vers le condenseur de la colonne de déazotation, des moyens pour détendre du liquide de cuve de la colonne de déazotation, des moyens pour envoyer le liquide détendu vers le condenseur de tête de la colonne de déazotation pour se vaporiser au moins partiellement par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur du condenseur avec le gaz enrichi en azote qui s’en trouve condensé et des moyens pour envoyer de l’azote vaporisé dans l’échangeur de chaleur à l’entrée du deuxième étage du compresseur d’azote, une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane comprenant un condenseur de tête qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide,

a) des moyens pour envoyer le liquide de cuve de la colonne de déazotation à la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane ou b) la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane des moyens faisant partie des moyens de séparation du mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de distillation

l’appareil comprenant également des moyens pour envoyer de l’azote liquide provenant du cycle d’azote vers le condenseur de tête de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane.

L’appareil peut comprendre des moyens pour envoyer de l’azote liquide du condenseur de tête de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane vers le condenseur de tête de la colonne de déazotation.

L’appareil peut comprendre au moins un séparateur de phase pour séparer le mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par une étape de condensation partielle afin de former un gaz appauvri en hydrogène, une colonne d’épuisement et des moyens pour envoyer le gaz appauvri en hydrogène à un niveau intermédiaire de la colonne d’épuisement. Selon l’invention le rebouillage de la colonne CO/CHU est par refroidissement du gaz de synthèse alors qu'il est par condensation du cycle dans le DEXX : dans notre schéma cela a pour avantage de pouvoir augmenter la pression de la colonne CO/CH 4 sans augmenter la pression sortie du compresseur N2.

Le condenseur de la tête de colonne CO/N 2 est refroidi par vaporisation d'au moins une partie du liquide de cuve de la colonne CO/N2 après détente ainsi que par vaporisation de liquide IM2 à moyenne pression. Dans l’art antérieur, le refroidissement s’effectue par vaporisation de liquide N2 du cycle à basse pression. Le fait de vaporiser le liquide de cuve après détente permet de réduire considérablement le débit de cycle N2 à vaporiser dans le condenseur, ce qui réduit le débit de cycle N2 et donc la puissance du compresseur de cycle N2. Dans l’art antérieur le débit d’azote est relativement important par rapport au débit de CO produit.

Selon l’invention, l'azote vaporisé dans les condenseurs des colonnes CG/IM2 et CO/CH 4 retourne à un inter-étage du compresseur de N 2 alors que dans l’art antérieur il retourne à l'aspiration du compresseur. L'art antérieur conduit donc à augmenter l'énergie de compression du cycle. Dans l’art antérieur ; le débit 54 retourne à la même pression (2,4 bar) que le débit 2 nécessaire au refroidissement du gaz de synthèse dans le E2 alors que dans notre schéma le débit de N2 vaporisé dans les condenseurs retourne au compresseur 2 à une pression plus haute que le débit de N2 nécessaire au refroidissement du gaz de synthèse. Dans notre cas cela est rendu possible car on opère la colonne CO/N2 à une pression plus élevée (au moins 7 bars, par exemple à 8,5 bar) par rapport à l’art antérieur (2,6 bar).

- La figure 3 du DE102012020469 inclut une pompe pour augmenter la pression de la colonne CO/CH4, mais celle-ci reste faible (3.8 bar) par rapport aux schémas selon i’invention (au moins 5 bars, voire au moins 6 bars) et y compris dans la figure 3, le liquide N2 du condenseur de la colonne CO/CH4 est à basse pression et retourne à l'aspiration du compresseur alors que dans notre schéma l'azote du condenseur de tête de colonne CO/CH4 retourne à un inter-étage du compresseur N2 (à une pression pius élevée que l’azote qui sert à refroidir le gaz de synthèse dans l'échangeur principal).

Corne selon l’invention la colonne CO/N 2 est à plus haute pression, ceci permet de produire le CO directement sans recompression. L’énergie de condensation de la tête de la colonne CO/N2 est apportée par vaporisation du liquide de cuve après détente et complément par vaporisation d’azote basse pression du cycle N2. Ceci réduit la taille du condenseur de tête et rend transportable le paquet contenant la colonne CO/N2 et son condenseur de tête.

L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux deux figures qui représentent chacune un procédé de séparation selon l’invention.

Dans la Figure 1 , un mélange gazeux 1 , issu par exemple d’une gazéification de charbon, contient du monoxyde de carbone, de l’hydrogène, du méthane, de l’eau et de l’azote. Le gaz 1 est épuré dans des lits d’adsorbants 3A, 3B et refroidi dans un refroidisseur 4. Ensuite il est envoyé à un premier échangeur de chaleur E1 pour être refroidi. Des débits partiels du gaz de synthèse sont utilisés pour réchauffer les réchauffeurs R1 ,R2 dessinés deux fois à des endroits différents du dessin pour des raisons de clarté. Après détente dans une vanne, il est séparé dans un séparateur de phases S1 formant un gaz 5 et un liquide 7. Le gaz 5 est refroidi dans un échangeur de chaleur E2, détendu, envoyé à un séparateur de phases S4. Le gaz 9 de ce séparateur de phases S4, riche en hydrogène, se réchauffe dans les échangeurs de chaleur E2, E1 et une partie du gaz sert à régénérer les lits d’adsorbants 3A,3B. Une partie 1 1 du liquide du séparateur de phases S4 est détendue et envoyée en tête d’une colonne d’épuisement K1 opérant à 17,6 bar. La colonne K1 n’a pas de condenseur de tête mais a un rebouilleur de cuve R1 . Le reste 13 du liquide du séparateur de phases S4 est détendu et envoyé à un séparateur de phases S3. Le gaz de tête 17 de la colonne K1 se réchauffe dans les échangeurs E1 , E2.

Le liquide 7 du séparateur de phases S1 se mélange avec d’autres fluides (gaz de tête de séparateur S3, dérivé du liquide 13 provenant du séparateur S4) pour former le débit 8 qui est envoyé à un séparateur de phases S2 et ensuite à un niveau intermédiaire de la colonne d’épuisement K1 .

Le gaz du séparateur de phases S3 et le liquide du séparateur de phases S3 après vaporisation dans l’échangeur E2 sont mélangés avec le fluide 7 pour alimenter la colonne K1 .

Du liquide de cuve 19 de la colonne K1 est pris à -154°C, détendu à 8,3 bars, envoyé au séparateur de phases S5 et le gaz et le liquide du séparateur de phases sont envoyés un niveau intermédiaire de la colonne CO/N2 K2 opérant à 8,3 bars. La colonne K2 a un condenseur de tête C1 , constitué par un échangeur de chaleur à plaques, et un rebouilleur de cuve R2.

Le gaz de tête 27 de la colonne K2 se condense partiellement dans le condenseur C1 , le liquide formé L, 29 étant renvoyé vers la tête de la colonne K2 et en partie et le gaz restant V, enrichi en azote, étant réchauffé dans les échangeurs E2, E1 en tant que gaz 31.

Un liquide 53 provenant du condenseur de tête C2 de la colonne K3 se vaporise par échange de chaleur avec le gaz 27 dans le condenseur C1 formant le gaz 55 envoyé à l’entrée du compresseur V3.

Le liquide de cuve 33 enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote est divisé en deux 21 ,35 et détendu. Une partie détendue 21 à 6,5 bars est envoyée à un séparateur de phases dont le liquide sert en partie à refroidir le condenseur C1. Ainsi le condenseur de la tête C1 de colonne CO/N2 K2 est refroidi par vaporisation d'au moins une partie du liquide de cuve 33 de la colonne CO/N2 K2 après détente et vaporisation de l’azote liquide 53 à moyenne pression. Le fait de vaporiser le liquide de cuve 33 après détente permet de réduire considérablement le débit de cycle d’azote à vaporiser dans le condenseur C1 , ce qui réduit le débit de cycle d’azote et donc la puissance du compresseur de cycle d’azote V1 , V2, V3

Le reste du liquide provenant du séparateur S8 et la fraction 35 alimentent la colonne CO/CH 4 K3 après passage dans un séparateur de phases S6, dont le gaz et le liquide sont envoyés à des niveaux différents intermédiaires de la colonne K3.

La colonne K3 a un condenseur de tête C2, constitué par un échangeur de chaleur à plaques disposé dans un bain de liquide à vaporiser, et un rebouilleur de cuve R3. Le gaz de tète enrichi en monoxyde de carbone se condense dans le condenseur C2 et le liquide de cuve 39, riche en méthane, est détendu et réchauffé dans l’échangeur E1. La colonne K3 fonctionne à 6,6 bars.

L’échangeur à plaques est entouré par une barrière annulaire formant une paroi de débordement P. Ainsi le liquide entourant l’échangeur peut passer par-dessus la barrière P pour être soutiré comme liquides 43, 53.

Le condenseur de tête C2 de la colonne K3 est refroidi par de l’azote comprimé et détendu 59 provenant du compresseur de cycle d’azote V1 , V2, V3 après refroidissement dans les échangeurs E1 , E2. L’azote vaporisé est renvoyé en amont du dernier étage V3 du compresseur de cycle d’azote. L’azote à la pression de sortie de l’étage V3 sert également à rebouillir le rebouilleur R2 de la colonne K2.

Les rebouilleurs R1 et R3 des colonnes K1 et K3 sont réchauffés par des débits partiels de l’alimentation 1 en aval de l’échangeur E1 et en amont du séparateur de phases S1 . Ce rebouillage de la colonne CO/CH 4 K3 est par refroidissement du gaz de synthèse a pour avantage de pouvoir augmenter la pression de la colonne CO/CH 4 sans augmenter la pression de sortie du compresseur de cycle azote. Les débits partiels envoyés aux rebouilleurs R1 , R3 sont à la même température et la même pression.

De l’azote liquide 53 de la cuve du condenseur C2 de la colonne K3 est envoyé se vaporiser dans le condenseur C1 de la colonne K3 et ensuite est renvoyé en aval de l’étage V2 et en amont de l’étage V3. Ainsi l’azote vaporisé dans les condenseurs Ci , C3 des colonnes CO/N2 K2 et CO/CH4 K3 retourne à un inter-étage du compresseur d’azote V1 , V2, Le débit de N2 57 vaporisé dans les condenseurs Ci , C2 retourne au compresseur N2 à une pression plus haute que le débit de N2 nécessaire au refroidissement du gaz de synthèse. Dans notre cas cela est rendu possible car on opère la colonne CO/N2 K2 à une pression plus élevée (8,5 bar) par rapport à l'art antérieur (2,6 bar).

Un gaz 41 riche en monoxyde de carbone sort de la colonne K3 à 6,6 bars à - 170,4°C et se réchauffe dans les échangeurs de chaleur E1 , E2. De préférence, aucun compresseur de monoxyde de carbone n’est utilisé. Il constitue un produit du procédé et n’a pas été comprimé.

Un apport d’azote liquide 69 permet de compenser les fuites du cycle d’azote. Envoyé à un séparateur de phase S7, le liquide formé se vaporise dans l’échangeur E2, se mélange avec le gaz du séparateur S7 et est envoyé à l’entrée du compresseur V1 .

Une partie 47 de l'azote liquide du condenseur C2 est détendue, envoyée au séparateur S7 et le gaz formé 49 rentre à l’entrée du compresseur V1 .

Une autre partie 45 du même liquide est détendue à une pression plus basse et envoyée à la sortie du compresser V1 et l’entrée du compresseur V2.

La pression d’opération de la colonne de déazotation K2 est d’au moins 7 bars abs, voire 8 bars abs ; la pression d’opération de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane K3 est d’au moins 5 bars abs, voire 6 bars abs. Dans la Figure 2, l’ordre des colonnes de séparation de méthane et de monoxyde de carbone et de déazotation est inversé.

Ainsi ie liquide 19 de la cuve de la colonne d’épuisement est envoyé, non pas à la colonne de déazotaîion, mais à un point intermédiaire de la colonne de séparation CO/CH 4 K3 après séparation d’un séparateur de phases SS.

La colonne CO/CH 4 K3 a un rebouiiieur de cuve R3 chauffé par l’alimentation et un condenseur de tête C2 qui sert à condenser le gaz de tête 51 qui est renvoyé à la colonne K3 sous forme condensé. Le condenseur est refroidi avec de l’azote condensé 61 ,63 produit en condensant l’azote de cycle 59 provenant du compresseur V3 dans les échangeurs E1 , E2 et dans le rebouiiieur R2. Le liquide est partiellement vaporisé produisant un gaz 55 renvoyé à l’entrée du compresseur V3 et un liquide qui passe par-dessus la barrière P. Une partie 31 du liquide est vaporisée dans l’échangeur E2 et rejoint l’entrée du compresseur V3. L’autre partie 53 sert à refroidir ie condenseur de tête C1 de la colonne K2, comme précédemment.

Le méthane de cuve 39 de la colonne K3 est réchauffé dans l’échangeur E1 pour sortir de l'appareil comme produit. Le gaz de tête 26, enrichi en monoxyde de carbone et contenant de l’azote part vers ie milieu de la colonne de déazotation K2.

La colonne K2 a un condenseur de tête C1 , constitué par un échangeur de chaleur à plaques, et un rebouilleur de cuve R2 chauffé par l’azote de cycle. Le gaz de tête 27 de la colonne K2 se condense partiellement dans le condenseur C1 , le liquide formé L, 29 étant renvoyé vers la tête de la colonne K2 et en partie et le gaz restant V, enrichi en azote, étant réchauffé dans les échangeurs E2, E1 en tant que gaz 31 .

Un liquide 53 provenant du condenseur de tête C2 de la colonne K3 se vaporise par échange de chaleur avec le gaz 27 dans le condenseur C1 formant le gaz 55 envoyé à l’entrée du compresseur V3.

Le liquide de cuve 21 enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en azote est détendu. Ce liquide à 6,5 bars est envoyé à un séparateur de phases dont le liquide sert en partie à refroidir le condenseur C1 . Ainsi, le condenseur de la tête Ci de colonne CO/N 2 K2 est refroidi par vaporisation d'au moins une partie du liquide de cuve 33 de la colonne CO/N 2 K2 après détente et vaporisation de l’azote liquide 53 à moyenne pression. Le fait de vaporiser ie liquide de cuve 33 après détente permet de réduire considérablement le débit de cycle d’azote à vaporiser dans ie condenseur Ci , ce qui réduit le débit de cycle d’azote et donc la puissance du compresseur de cycle d’azote V1 , V2, V3

Le gaz 31 constitue un produit riche en monoxyde de carbone du procédé.

La pression d’opération de la colonne de déazotation K2 est d’au moins 7 bars abs, voire 8 bars abs ; la pression d’opération de la colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane K3 est d’au moins 5 bars abs, voire 6 bars abs.

Revendications

1. Procédé de séparation d’un mélange gazeux comprenant du monoxyde de carbone, de l’azote, de l’hydrogène et du méthane dans lequel :

i) On refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur (E1 , E2),

ii) On sépare le mélange refroidi dans l’échangeur de chaleur par au moins une étape de condensation partielle et/ou de distillation et/ou de lavage afin de former un fluide appauvri en hydrogène contenant du monoxyde de carbone et de l’azote,

iii) On envoie le fluide appauvri en hydrogène vers une colonne de déazotation (K2) ayant un condenseur de tête (C1 ) et un rebouilleur de cuve (R2) pour produire un gaz enrichi en azote en tête de colonne et un liquide appauvri en azote en cuve de colonne,

iv) On refroidit le condenseur de la colonne de déazotation au moyen d’un cycle d’azote utilisant un compresseur d’azote (V1 , V2, V3) à au moins un premier étage et une deuxième étage, la pression d’entrée de la première étage étant plus basse que celle du deuxième étage,

v) On détend du liquide de cuve (21 ) de la colonne de déazotation, on l’envoie vers le condenseur de tête de la colonne de déazotation pour se vaporiser au moins partiellement par échange de chaleur dans un échangeur de chaleur du condenseur avec le gaz enrichi en azote qui s’en trouve condensé,

vi) On vaporise également dans l’échangeur de chaleur du condenseur de l’azote liquide (53) provenant du cycle d’azote et on renvoie l’azote vaporisé (55) dans l’échangeur de chaleur à l’entrée du deuxième étage (V3) du compresseur d’azote et

a) on envoie du liquide de cuve (33) de la colonne de déazotation (K2) vers une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane (K3) comprenant un condenseur de tête (C2) qui est un vaporiseur à bain placé dans un bain de liquide ou

b) la séparation de l’étape ii) comprend une étape de distillation dans une colonne (K3) de séparation de monoxyde de carbone et de méthane pour séparer un débit appauvri en méthane d’un débit enrichi en méthane et au moins une partie du débit appauvri en méthane (41 ) constitue le fluide appauvri