Procédé et appareil de production de monoxyde de carbone par distillation cryogénique

La présente invention est relative à un procédé et appareil de production de monoxyde de carbone par distillation cryogénique.

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

- génération du gaz de synthèse (mélange contenant H ₂ , CO, CH ₄ , CO ₂ , Ar et N ₂ essentiellement). Parmi les diverses voies industrielles de production de gaz de synthèse, celle à base de gazéification de charbon peut présenter de nombreux avantages quant à ces coûts opératoires et semble se développer de plus en plus notamment dans un pays comme la Chine. La conception de cette unité qui comprend un réacteur de gazéification du charbon avec de l'oxygène est basée sur les productions en monoxyde de carbone (CO) et hydrogène requises.

- purification du gaz de synthèse. On retrouve :

- une unité de lavage à 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.

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

Généralement le gaz de synthèse comprend un mélange à haute pression (autour de 60 bars), et est très enrichi en CO. Un autre avantage du procédé de gazéification au charbon est la faible teneur en inertes (CH ₄ , Argon et Azote) présents dans le gaz de synthèse à l'entrée de la boite froide pour la production de CO pur.

Ceci permet d'envisager un schéma de procédé pour la boite froide relativement simplifié, la séparation cryogénique se limitant à une séparation entre le CO et l'hydrogène. Les teneurs en inertes dans le gaz de synthèse étant compatibles avec la pureté de CO requise par le client dans la plupart des cas.

Ce schéma ne comprend pas de cycle dédié à la séparation.

De l'hydrogène séparé du CO est requis à haute pression pour pouvoir le valoriser, soit dans un PSA, soit dans une unité de méthanol.

Il est donc avantageux de maintenir la pression d'hydrogène en sortie de la boite froide. Une partie de l'énergie de séparation de la dite boite froide est assurée par détente libre entre le gaz de synthèse et le CO pur produit à basse pression, mais dans la plupart des cas cette détente libre n'est pas suffisante pour boucler le bilan frigorifique de l'unité. Un apport d'azote liquide est nécessaire pour le maintien en froid de la boite froide et boucler le bilan frigorifique.

Il est connu de US-A-6266976 d'envoyer un fluide d'azote liquide directement dans la ligne d'échange principale. Il n'est apparemment pas connu de mélanger l'azote liquide dans le gaz de tête de la colonne d'épuisement. Or ces deux solutions présentent des inconvénients que cette invention se propose d'améliorer.

L'envoi d'azote liquide à vaporiser directement dans la ligne d'échange risque de fragiliser prématurément la ligne d'échange en aluminium brasée si le débit d'azote liquide ( LIN) injecté n'est pas constant.

Les risques sont accentués lors de phases de démarrage ou la mise en froid de l'appareil. L'envoi de LIN directement dans la ligne d'échange, qui ne serait pas refroidie, peut engendrer la fragilisation prématurée de cet échangeur.

L'injection de LIN directement dans la ligne d'échange présente également le risque de solidification des inertes (notamment le CH ₄ ) présent dans les circuits de CO car ce LIN est le fluide le plus froid.

Le mélange de LIN avec le gaz d'épuisement (de « flash») présenterait les mêmes inconvénients que cités précédemment. De plus ces effets néfastes seraient accentués par l'introduction diphasique du gaz de tête de la colonne d'épuisement mélangé avec l'azote liquide dans la ligne échange car on aurait à vaporiser directement dans la ligne échange un mélange liquide-gaz avec une phase liquide riche en azote et une phase gaz riche en hydrogène. Si la composition du mélange n'est pas constante, la température de vaporisation du liquide ne serait pas constante et conduirait à des fluctuations de température au niveau de échangeur et donc à sa fragilisation prématurée.

Selon la présente invention, il est proposé d'injecter cet appoint d'azote liquide pour boucler le bilan frigorifique de l'appareil, en la partie supérieure de la colonne d'épuisement (de « flash»).

Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production de monoxyde de carbone par distillation cryogénique dans lequel un mélange contenant au moins du monoxyde de carbone et de l'hydrogène est refroidi, partiellement condensé et envoyé à un séparateur de phases, le liquide du séparateur de phases est envoyé, éventuellement après une deuxième phase de condensation partielle, à une colonne d'épuisement, un liquide riche en monoxyde de carbone est soutiré en cuve de la colonne d'épuisement et un gaz résiduaire est soutiré en tête de la colonne d'épuisement caractérisé en ce qu'au moins une partie des frigories nécessaires au procédé sont fournies par injection d'azote liquide dans la colonne d'épuisement.

Selon d'autres aspects facultatifs : - l'azote liquide provient d'une source extérieure à l'installation où s'effectue la séparation du mélange contenant au moins du monoxyde de carbone et de l'hydrogène ;

- l'azote liquide est envoyé à un point situé à au moins un plateau théorique au-dessus d'une alimentation de la colonne d'épuisement provenant du séparateur de phase de la phase de condensation partielle du gaz de synthèse.

Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de production de monoxyde de carbone par distillation cryogénique comprenant une ligne d'échange dans laquelle un mélange contenant au moins du monoxyde de carbone et de l'hydrogène est refroidi, partiellement condensé, un séparateur de phases, une colonne d'épuisement, une conduite pour envoyer le liquide du séparateur de phases, éventuellement après une deuxième phase de condensation partielle, à la colonne d'épuisement,une conduite pour soutirer un liquide riche en monoxyde de carbone en cuve de la colonne d'épuisement et une conduite pour soutirer un gaz résiduaire en tête de la colonne d'épuisement caractérisé en ce qu'elle comprend une conduite d' injection d'azote liquide dans la colonne d'épuisement.

Selon d'autres aspects facultatifs :

- l'azote liquide provient d'une source extérieure à l'installation où s'effectue la séparation du mélange contenant au moins du monoxyde de carbone et de l'hydrogène ;

- l'appareil comprend une conduite d'envoi d'azote liquide à un point situé à au moins un plateau théorique au-dessus d'une alimentation de la colonne d'épuisement provenant du séparateur de phase de la phase de condensation partielle du gaz de synthèse ;

- l'appareil ne comprend pas de turbine ;

- l'azote liquide est envoyé à la colonne d'épuisement sans être refroidi dans la ligne d'échange.

La solution présente le double intérêt suivant :

- diminution du risque de fragilisation de la ligne échange car le LIN est vaporisé directement dans la colonne et le gaz produit sort avec la tête de la colonne d'épuisement (de»flash») et donc on envoie un gaz froid vers la ligne d'échange et non pas un liquide, on limite très fortement le risque de fragilisation de échangeur lors des phases de mise en froid de l'appareil car l'injection de LIN se ferait directement dans une colonne ;

- augmentation du rendement de récupération en CO de l'unité car l'injection de LIN effectue un lavage à l'azote et permet de récupérer plus de CO en phase liquide en cuve de colonne d'épuisement (de « flash») en réduisant ses pertes dans la phase gazeuse.

La figure présente un procédé selon l'invention. Un débit de gaz de synthèse 1 est divisé en deux. Une partie 5 à 38°C est envoyé au bout chaud d'une ligne d'échange 7 où il se refroidit jusqu'à une température intermédiaire de -135°C. Refroidi à cette température, il se mélange avec un débit 3 de gaz de synthèse qui n'est pas refroidi dans la ligne d'échange et qui permet de modifier la température du gaz de synthèse à l'entrée de l'échangeur 9. Il est important de pouvoir ajuster la chaleur apporté à l'échangeur 9 afin de réguler la teneur en hydrogène dans le liquide de cuve de la colonne d'épuisement. Une partie du gaz de synthèse se refroidit encore dans un échangeur 9 jusqu'à -148°C alors que le reste court-circuite l'échangeur 9, encore dans le but de la régulationde la chaleur à apporter comme rebouillage de la colonne d'épuisement pour régler la teneur en hydrogène en cuve de cette colonne d'épuisement. Les deux débits réunis sont ensuite renvoyés dans la ligne

d'échange 7 où le débit mélangé se refroidit jusqu'à -177°C. Ensuite le gaz de synthèse partiellement condensé est envoyé dans un séparateur de phase 11. Le gaz de tête 13, riche en hydrogène, se réchauffe dans la ligne d'échange 7 et sert de produit. Le liquide de cuve 15 est envoyé à un deuxième séparateur de phases 17, dont le débit liquide 19 et le débit gazeux 21 sont envoyés à des niveaux différents à la colonne d'épuisement 23 (de « flash»).

Du liquide de cuve 25 de la colonne d'épuisement 23 est sous-refroidi dans la ligne d'échange et divisé en deux. Un débit 27 est détendu dans une vanne 29 puis se réchauffe dans la ligne d'échange 7. Un autre débit 31 est détendu par une vanne 33, puis envoyé à un séparateur de phases 35 dont le gaz 37 et le liquide 39 sont envoyés à la ligne d'échange 7 pour s'y réchauffer après être mélangés. Le débit mélangé 41 constitue du monoxyde de carbone basse pression et est comprimé dans un compresseur 43 avant d'être mélangé avec le monoxyde de carbone 27. Le débit ainsi formé 45 est comprimé dans un compresseur 47 et sert de produit 49 en tant que monoxyde de carbone haute pression.

En variante, le séparateur de phases peut fonctionner en thermosiphon, ce qui permet une meilleure régulation de la température de refroidissement au bout froid de la ligne d'échange 7. Le sousrefroidissement du liquide de cuve de la colonne d'épuisement est assuré par l'échangeur 9 chauffé par le débit de gaz de synthèse. Le liquide est refroidi de -168°C à -177°C.

Le gaz de tête 51 de la colonne d'épuisement 23, dit gaz de « flash », est envoyé au bout froid de la ligne d'échange où il se réchauffe. Des frigories sont fournies à l'installation par injection d'azote liquide 53, provenant d'un appareil de séparation d'air, un appareil d'épuration de gaz naturel contaminé avec de l'azote, un autre appareil de production de monoxyde de carbone dont le gaz d'alimentation contient de l'azote ou de l'appareil lui-même si le gaz d'alimentation contient de l'azote et l'appareil comprend une colonne de déazotation. Le point d'injection de l'azote liquide est situé à au moins un plateau théorique au-dessus de l'alimentation gazeuse de la colonne d'épuisement provenant du séparateur de phase