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FR3109814A3 - Procédé de séparation de gaz naturel par distillation - Google Patents

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Abstract

Titre : Procédé de séparation de gaz naturel par distillation Dans un procédé de séparation de gaz naturel (1) contenant de l’azote dans un système comprenant une première colonne (K2) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K3) opérant à une deuxième pression, plus basse que la première pression, un liquide (23) est soutiré en cuve de la première colonne et se vaporise partiellement, au moins une partie du gaz généré par la vaporisation partielle est envoyée par une première conduite vers la deuxième colonne et au moins une partie du liquide restant est refroidie dans un échangeur de chaleur (S) et envoyée vers la deuxième colonne. Figure de l’abrégé : [FIG. 2]

Description

Procédé de séparation de gaz naturel par distillation
La présente invention concerne un procédé de séparation de gaz naturel par distillation
Le gaz naturel brut peut contenir un grand nombre d’impuretés gênantes à retirer. L’azote en est un exemple. A partir d’une certaine concentration d’azote dans le gaz naturel, celui-ci n’est typiquement pas vendable à cause de son faible pouvoir calorifique. Pour retirer l’azote on utilise le plus souvent un procédé cryogénique appelé en anglais Nitrogen Rejection Unit (NRU) ou « unité d’épuration en azote ».
La teneur en azote en entrée de la NRU a une grande importance dans les performances globales de l’unité, une faible teneur en azote réduisant la flexibilité, voire la faisabilité de certains schémas. Or il s’avère que dans l’exploitation de certains champs la teneur en azote à tendance à évoluer au cours du temps.
De même la variation de débit peut être une limite au fonctionnement des ces unités de séparation d’azote. En effet, il faut arriver à maintenir dans les colonnes à distiller un trafic liquide / vapeur suffisant.
Plusieurs familles de schéma existent, notamment :
  • Procédé simple colonne
  • Procédé double colonne
  • Procédé deux colonnes
  • Procédé trois colonnes
La présente invention s’intéresse particulièrement au procédé trois colonnes qui s’avère être particulièrement efficace pour des champs de gaz contenant entre 5 et 35% mol d’azote. Le problème est d’arriver à concilier ce type de schéma efficace avec des demandes d’opérateurs liées à la flexibilité (variations de composition, variations de débit).
Une opération additionnelle souvent faite dans les NRU c’est le traitement du gaz naturel, afin d’éviter tout risque que les hydrocarbures lourdes contenus dans le gaz naturel (éthane et les autres alkanes plus lourdes, jusqu’au C20, plus les BTX, benzène, toluène, xylène) puissent causer la condensation (riche en composants lourdes) de ce dernier lorsqu’il est transporté sous forme gazeuse par des longues canalisations.
Les schémas à trois colonnes permettent typiquement de traiter des gaz avec une teneur en azote relativement faible.
décrit un exemple de ce type de schéma, ce procédé contient au moins les étapes suivantes :
  • Refroidissement du gaz d’alimentation et condensation partielle avant séparation dans un premier pot séparateur afin d’enlever avec le liquide les composants plus lourdes du gaz naturel. Le liquide de ce pot est éventuellement totalement ou partiellement vaporisé et produit directement comme condensat.
  • Refroidissement du gaz du pot séparateur puis introduction dans la colonne HP, typiquement en tête.
  • Rebouillage du liquide de la colonne HP.
  • Vaporisation du liquide de la colonne HP pour produire un produit ‘MP CH4’.
  • Refroidissement du gaz de la colonne HP et condensation au moins partielle de ce gaz avant détente et introduction dans la colonne MP.
  • Sous-refroidissement et détente du liquide de la colonne MP puis introduction de ce courant dans la colonne BP.
  • Extraction d’un liquide riche en azote du condenseur de la colonne MP pour être sous-refroidi puis utilisé comme reflux de la colonne BP
  • Rebouillage du liquide de la colonne BP thermiquement lié au condenseur de la colonne MP.
  • Pompage du liquide de la colonne BP à une pression intermédiaire puis vaporisation contre le courant d’alimentation pour produit un produit ‘LP CH4’.
En plus de cela les étapes suivantes sont typiquement nécessaires pour produire un gaz naturel à une pression suffisante pour être exporté sur un réseau ou transporté jusqu’à une unité de liquéfaction :
  • Compression du ‘LP CH4’
  • Compression du ‘MP CH4’
Ces deux compressions peuvent par exemple être effectuées dans une première section pour ramener le ‘LP CH4’ à la même pression que le ‘MP CH4’ puis dans une deuxième section pour comprimer l’ensemble jusqu’à la pression finale.
Ainsi dans , le gaz naturel 1 contenant du méthane et de l’azote est refroidi dans un échangeur de chaleur E, une partie du gaz partiellement condensé 3 est séparé dans un séparateur de phases pour former un liquide 13 et un gaz. Le liquide 13 est détendu dans deux vannes en amont et en aval de l’échangeur E.
Le gaz est divisé en deux, une partie 5 étant renvoyée au débit d’alimentation 1 et le reste 7 étant détendu, refroidi pour rebouillir la colonne K1, détendu en deux débits en parallèle puis envoyé en tête de la colonne K1. Un débit 9 du gaz naturel plus froid que le débit 3 est détendu et envoyé en tête de la colonne K1.
Le gaz de tête de la colonne K1 est remélangé avec le débit d’alimentation refroidi dans l’échangeur E. Le liquide de cuve 15 est en partie (17) envoyé au rebouilleur de cuve et une partie 19 est détendu réchauffé dans l’échangeur E, comprimé dans un compresseur et puis sert de produit 11 riche en méthane.
Le débit d’alimentation 21 complètement refroidi dans l’échangeur E est détendu puis alimente la colonne K2. Le liquide 23 est soutiré de la cuve de la colonne K2, opérant à pression moins élevée que la colonne K1.
La pratique usuelle est d’avoir la cuve de la colonne K2 á un niveau d’installation plus bas d’un sous refroidisseur S des liquides 23 qui sont transférés de la colonne K2 á la colonne K3 après refroidissement en S. Le liquide 34 qui sort de la cuve de la colonne K2 est au point de bulle et du coup en remontant jusqu’á l’entrée du sous-refroidisseur S perd de la pression et génère du gaz.
Le défaut d’un tel schéma est que l’introduction du mélange liquide-gaz dans le sous-refroidisseur S peut avoir comme conséquence une mauvaise distribution du fluide dans ce dernier, qui peut ne pas atteindre sa performance thermique calculée. Le liquide 23 ensuite transféré vers la colonne K3 n’est pas assez sous-refroidi, ce qui peut avoir comme conséquence une sous-performance de cette dernière.
De ce fait, cette solution peut poser plusieurs problèmes, en particulier en ce qui concerne la performance de la colonne K1.
Le gaz de tête de la colonne K2 est condensé dans un rebouilleur 29 et renvoyé partiellement vers la tête de la colonne K2 et partiellement vers la tête de la colonne K1 après détente.
Le liquide de cuve 25 de la colonne K1 riche en méthane est en partie vaporisé dans le rebouilleur 29 et en partie pompé par la pompe P comme débit 31. Ensuite le débit pompé 31 est vaporisé dans l’échangeur E et comprimé dans le compresseur C2.
Le gaz de tête 33 riche en azote de la colonne K3 est réchauffé dans l’échangeur E.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation de gaz naturel contenant de l’azote dans un système comprenant une première colonne opérant à une première pression et une deuxième colonne opérant à une deuxième pression, plus basse que la première pression dans lequel un liquide est soutiré en cuve de la première colonne et se vaporise partiellement, au moins une partie du gaz généré par la vaporisation partielle est envoyée par une première conduite vers la deuxième colonne et au moins une partie du liquide restant rentre dans un échangeur de chaleur où elle est refroidie et ensuite elle est envoyée vers la deuxième colonne, la cuve de la première colonne se trouvant à un point plus bas que le point du sous-refroidisseur où l’au moins une partie du liquide rentre.
L’invention proposée concerne un schéma à trois colonnes permettant de séparer l’azote du méthane à l’aide du colonnne K1 puis d’une colonne K2, puis d’une colonne K3.
Dans l’invention proposée et illustrée dans la , une ligne de courtcircuitage 37 est installée au point haut HP juste avant l’entrée du liquide de cuve 23 de la colonne K2 dans le sous-refroidisseur S. La ligne 37 permet de dégager le gaz généré par la perte de pression du liquide de cuve 34 de la colonne K2, ainsi permettant à ce dernier de rentrer dans le sous-refroidisseur S complètement liquide, ce qui permet d’achever une distribution et échange thermique correct dans le sous -refroidisseur S et qui ainsi assure la bonne performance de la colonne K1. Elle relie le point haut HP à un point intermédiaire de la colonne K1 mais ne passe pas par le sous-refroidisseur S contrairement à la ligne 38.
La présence de la première colonne K1 n’est pas essentielle.

Claims (1)

  1. Procédé de séparation de gaz naturel (1) contenant de l’azote dans un système comprenant une première colonne (K2) opérant à une première pression et une deuxième colonne (K3) opérant à une deuxième pression, plus basse que la première pression dans lequel un liquide (23) est soutiré en cuve de la première colonne et se vaporise partiellement, au moins une partie du gaz généré par la vaporisation partielle est envoyée par une première conduite vers la deuxième colonne et au moins une partie du liquide restant rentre dans un échangeur de chaleur (S) où elle est refroidie et ensuite elle est envoyée vers la deuxième colonne, la cuve de la première colonne se trouvant à un point plus bas que le point du sous-refroidisseur où l’au moins une partie du liquide rentre.
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