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- 1~'.8~994
La présente invention concerne un nouveau procédé autoréfrigéré,
basé sur le principe de l'absorption-désorption dans un solvant et
permettant d'extraire des hydrocarbures dont le nombre d'atomes de
carbone est au moins égal à deux, par exemple de 2 à 6, d'un gaz
qui les renferme. Ce procédé peut trouver des applications en
traitement de gaz sur champ si le gaz à traiter est par exemple un
gaz naturel ou un gaz associé, et/ou en raffinage et pétrochimie.
Lorsqu'un gaz, par exemple un gaz de pétrole, est riche en
composants lourds, c'est-à-dire en hy~r~carbures facilement
condensables et si ce gaz doit être transpor~é, il est nécessaire
de le débarrasser d'une partie de ces com~osants pour éviter la
formation de bouchons liquides qui perturberaient le transport.
D'autre part, les produits récupérés peuvent-s'avérer intéressants
financièrement.
Les procédés les plus utilisés pour réaliser ces séparations sont
de trois types : la détente, l'absorPtion dans un solvant et la
réfrigération.
La détente du gaz est le plus simple des procédés ; il présente
l'inconvénient d'abaisser fortement la pression du gaz et conduit à
'
, ~:
994
un taux de récupération faible.
Dans les procédés à absorption, le gaz est mis en contact avec un
solvant, dans lequel les constituants les plus lourds du gaz
s'absorbent préférentiellement ; le solvant enrichi est ensuite
soumis à une détente et/ou un chauffage pour être régénéré et
libérer les constituants absorbés ; certaines étapes de ces
procédés, en particulier l'absorption et la récupération des
fractions lourdes, peuvent être réfrigérées par un cycle
frigorifique externe.
Le procédé le plus classique consiste à refroidir le gaz à l'aide
d'une machine frigorifique externe ; il permet de travailler dans
une large gamme de température et de pression et conduit à une
récupération importante.
Le présent procédé s'applique en particulier au traitement d'un gaz
renfermant une fraction légère et une fraction lourde, la fraction
légère contenant au moins un constituant léger du groupe comprenant
l'hydrogène, l'azote et les hydrocarbures ayant de 1 à 2 atomes de
carbone et la fraction lourde contenant au moins un constituant
lourd du groupe comprenant les hydrocarbures ayant de 2 à 6 atomes
de carbone, sous réserve que, lorsque la fraction légère renferme
un hydrocarbure à 2 atomes de carbone, la fraction lourde renferme
au moins un hydrocarbure ayant de 3 à 6 atomes de carbone.
Le procédé selon l'invention de traitement d'un gaz tel que défini
plus haut, par extraction dans une phase liquide de solvant, la
solubilité de la fraction lourde dans le solvant étant supérieure à
celle de la fraction légère et la phase liquide de solvant étant
substantiellement non-distillable dans les conditions du procédé,
est caractérisé en ce que :
a) on met en contact le gaz avec la phase liquide de solvant, de
manière à absorber majoritairement au moins une partie de la
fraction lourde du gaz dans la phase liquide et à abaisser
.. .
3~4
~ _ 3 _
majoritairement la teneur du gaæ en cette fraction lourde,
et l'on évacue la chaleur résultante,
b) on fractionne le produit de l'étape (a) pour recueillir
séparément la phase liquide résultante et le gaz non-absorbe,
c) on élève la pression de la phase liquide séparée à
l'étape (b) et on élève suffisamment sa température pour
qu'elle laisse se désorber au moins une partie du gaz
qu'elle avait absorbé à l'étape (a),
d) on fractionne le produit de l'étape (c) pour recueillir
séparément une solution appauvrie et une phase gazeuse
désorbée,
e) on refroidit la solution appauvrie, on abaisse sa pres-
sion et on la renvoie à l'étape (a) pour y reconstituer
au moins une partie de la phase liquide de solvant,
f) on refroidit la phase gazeuse désorbée de manière à en
condenser au moins une partie et l'on recueille le conden-
sat résultant,
g) on détend la pression du condensat et fournit de la
chaleur au condensat détendu, de manière à en évaporer
au moins une partie à une température comprise entre +10
et -50C, cette évaporation étant partielle et le produit
qu'on recueille étant constitué d'une phase liquide non
évaporée relativement lourde et d'une phase gazeuse évapo-
rée relativement légère, cette phaze gazeuse relativementlégère étant renvoyée à l'étape (a) pour y être à nouveau
contactée avec la phase liquide du solvant, le procédé
étant caractérisé en outre en ce que au moins une partie
de la chaleur évacuée à l'étape (a) constitue au moins
une partie de la chaleur fournie à l'étape (g).
lB
~'~8~94
- 3a -
Non distillable signifie que la majeure partie, et de préfé-
rence au moins 90 %, le plus souvent au moins 98 ~, de
la phase liquide n'es-t pas vaporisée dans les condi-tions
opératoires du procédé.
Par absorption majoritaire (ou sélective) de la fraction
lourde, on entend que la proportion relative de fraction
lourde absorbée est
B
.,
94
-- 4
superieure à la proportion relative de fraction legère
absorbée. L'abaissement majoritaire de la teneur du gaz en
fraction lourde signifie que l'abaissement relatif de la
teneur du gaz en fraction lourde est supérieur à
l'abaissement relatif de la teneur du gaz en fraction
légère.
De préférence, à l'etape (g), le condensat peut recevoir de
la chaleur non seulement de l'absorption (étape a), mais
aussi de la condensation (étape f) et des fluides
circulants: solution appauvrie de l'étape (e) et gaz séparé
à l'étape (b).
De préférence, l'absorption (étape a) est réalisée en deux
stades: le mélange de gaz et de phase liquide cède de la
chaleur d'abord à un milieu extérieur au procedé puis au
condensat de l'étape (g).
De même il est préférable de réaliser la condensation (étape
f) en deux stades: la phase gazeuse libère de la chaleur
d'abord vers le milieu extérieur puis vers le condensat
détendu à l'étape (g).
Selon le degré d'évaporation à l'étape (g), la fraction
lourde désorbée pourra sortir entièrement vaporisée ou
seulement partiellement vaporisée. Dans ce dernier cas, un
fractionnement liquide/vapeur permettra de recueillir un
condensat, par exemple du butane, et la fraction gazeuse
restante pourra être soit recueillie, soit recyclée pour
être à nouveau traitée en mélange avec le gaz frais.
De préférence, dans le procédé selon l'invention, l'une au
- moins des étapes (a) et/ou (f) peut avoir lieu au moins
partiellement à une temperature inférieure à la température
~.f
.,~ . . ...
'394
- 5 -
ambiante grâce au froid produit à l'étape (g~.
Un exemple du procédé selon l'invention est illustré par la
figure. Le gaz à traiter, dénommé gaz riche (GR), arrive
par la conduite 1; il est mélangé avec un flux gazeux venant
de la conduite 13; le flux gazeux total, circulant dans la
conduite 23, est mis en contact avec une phase solvant
venant de la conduite 8, et un appoint de solvant provenant
de la conduite 24. Le mélange circulant dans la conduite 21
entre dans l'échangeur A dans lequel il est refroidi par
échange thermigue avec un fiuide externe entrant par la
conduite 25 et ressortant la conduite 26; au cours de cet
échange de chaleur, une partie des constituants les plus
lourds du gaz s'absorbe dans le solvant; le mélange sort de
l'échangeur A par la conduite 2, et entre dans l'échangeur
de chaleur E2 dans lequel il se refroidit; une autre
fraction des constituants les plus lourds du gaz s'absorbe
dans le solvant; le mélange sort de l'échangeur E2 par la
conduite 17 et entre dans le ballon B2 dans lequel le gaz et
le liquide sont séparés; le gaz, appauvri en constituants
lourds, dénommé gaz pauvre (GP), sort du ballon B2 par la
conduite 19, entre dans l'échangeur E2 dans lequel il se
réchauffe par échange thermique et sort du procédé par la
conduite 16. La phase liquide, dénommée solution riche
(SR), constituée de solvant et des constituants lourds
absorbés, sort du ballon B2 par la conduite 18, passe dans
la pompe P qui en élève la pression, entre par la conduite
20 dans l'échangeur E2 dans lequel elle se réchauffe par
échange thermique, sort par la conduite 3, entre dans
l'échangeur El dans lequel elle se réchauffe par échange
thermique, sort par la conduite 4, entre dans l'échangeur G
dans lequel elle se réchauffe par echange thermique avec un
fluide externe chaud qui entre dans l'échangeur G par la
conduite 29 et en ressort par la conduite 30. Le mélange
1994
- 6
ressort de l'échangeur G par la conduite 5 partiellement
vaporisé; la phase liquide est séparée de la phase vapeur
dans le ballon Bl; la phase liquide, constituée principa-
lement de solvant, denomm~e solution pauvre (SP), sort du
ballon Bl par la conduite 6, entre dans l'échangeur E1 dans
lequel elle se refroidit par échange thermique, sort par la
conduite 7, traverse la vanne V2 en subissant une baisse de
pression, et arrive par la conduite 8 pour être à nouveau
mise en contact avec le gaz; la phase vapeur (GPLJ,
constituée principalement des constituants absorbés par le
solvant, sort du ballon Bl par la conduite 9, entre dans
l'échangeur E1 dans lequel elle se refroidit par echange
thermique, sort par la conduite 22, entre dans le condenseur
C dans lequel elle se refroidit par échange thermique avec
un fluide externe froid entrant par la conduite 27 et
ressortant par la conduite 28; au cours de ce refroidis-
sement une condensation au moins partielle se produit. Le
fluide au moins partiellement condensé sort de l'échangeur C
par la conduite 10, entre dans l'échangeur E2 dans leguel il
se refroidit, ce qui provoque une condensation totale et/ou
un sous-refroidissement, ressort par la conduite 15, est
détendu dans la vanne Vl, entre par la conduite 11 dans
l'échangeur E1 dans lequel il se vaporise par échange
thermique en produisant du froid, ressort par la conduite 12
partiellement vaporise, et entre dans le ballon B3 dans
lequel les deux phases liquide et vapeur sont séparees; la
phase liquide, qui contient des constituants lourds extraits
du gaz traité, sort du procédé par la conduite 14, la phase
vapeur sort du ballon B3 par la conduite 13 et est mélangée
au gaz a traiter provenant de la conduite l.
Dans cet exemple du procédé selon l'invention, l'absorption
des constituants lourds du gaz traité dans le solvant est
réalisée partiellement a basse température; par contre, la
,c
.
~31994
- 6a -
condensation des fractions lourdes désorbées peut ètre
totalement réalisée à une température proche de l'ambiante,
c'est-à-dire que le flux sortant de l'échangeur C par la
conduite 10 peut être totalement à l'état liquide si la
pression dans cette zone du procédé est suffisamment élevée.
Le gaz riche qui peut être traité par le procédé selon
l'invention est un gaz de pétrole qui peut provenir d'un
champ de production (gaz naturel ou gaz associé) ou être un
gaz de raffinerie ou d'unité pétrochimique. Ce gaz peut
contenir des hydrocarbures, saturés ou non, à chaîne droite,
ramifiée ou cyclique, tels que par exemple le méthane,
l'éthane, le propane, le butane, le pentane, l'hexane,
l'éthylène, le propylène, le butène, l'acétylène. Des
constituants plus lourds peuvent être présents, par exemple
l'heptane, l'octane, le nonane et le décane. Les
proportions d'hydrocarbures présents sont d'autant plus
faibles que leur nombre
~\
1.~81~4
d'atomes de carbone est plus grand. Le procédé selon l'invention
permet de récupérer une partie au moins des hydrocarbures autres
que le méthane. Le gaz peut également contenir quelques
constituants qui ne font pas partie de la famille des hydrocarbures
et qui ne sont pas récupérés par le procédé, tels que par exemple
l'hydrogène, l'azote, le dioxyde de carbone, l'hydrogène sulfuré,
l'eau.
Le solvant utilisé dans le procédé selon l'invention est choisi de
manière à permettre l'absorption des constituants lourds du
gaz ; il est de préférence caractérisé par un point d'ébullition
supérieur d'au moins 50 C et de préférence d'au moins 100 C à
celui du constituant le plus lourd de la fraction lourde du gaz ;
il peut être un corps pur ou un mélange. Il peut être choisi parmi
les hydrocarbures ; dans ce cas le nombre d'atomes de carbone est
au moins égal à 6 ; les hydrocarbures peuvent être paraffiniques,
; aromatiques ou naphténiques, et peuvent être choisis, par exemple,parmi les huiles. Un ou plusieurs atomes d'hydrogène peuvent être
substitués par d'autres atomes tels que F, Cl, ~r et le solvant
peut comporter des fonctions alcool, aldéhyde, cétone, ester,
éther, acide carboxylique ayant notamment les formules R-Ctl20H,
R-CHOH-R', RR'R"C-OH, R-CHO, RR'C=O, R-COO-R', R-O-RI, R-COOH dans
lesquelles R, R' et R" désignent des radi^aux hydrocarbonés qui
peuvent eux-mêmes être partiellement substitués.
Dans le procédé selon l'invention, le fluide externe de
refroidissement circulant dans les échangeurs A et C peut être
l'eau ou l'air ambiant ou un fluide provenant d'une machine
frigorifique externe au procédé.
Dans le procédé selon l'invention, certains échangeurs peuvent être
à flux multiples : 3 pour E1, 5 pour E2, mais on peut également
procéder à des échanges entre fluides deux par deux.
Le procédé selon l'invention peut traiter des gaz dont la pression
est de préférence comprise entre 0,1 et 20 MPa. La pression des
~'~819'3~
étapes (a, b et g) est de préférence comprise dans le même domaine
et celle des étapes (c, d et f) de préférence entre 0, 2 et 20 MPa,
avec la condition supplémentaire que la pression des étapes (c, d
et f) est supérieure d'au moins 0,1 MPa, de préférence d'au moins
5 0,5 MPa, à celle des étapes (a, b et g). A l'étape (e) le
refroidissement peut précéder ou suivre l'abaissement de pression
on passe alors de la pression de l'étape (d) à celle de l'étape
(a).
.
10 La chaleur fournie au procédé dans l'échangeur G, pour réaliser la
désorption des constituants absorbés, est à un niveau de
température de préférence compris entre 100 et 300 C.
Le froid produit par la vaporisation d'une partie des constituants
15 absorbés et qui sert à refroidir l'absorption d'une partie des
constituants lourds du gaz riche et~ou à condenser lesdits
constituants lourds reséparés du - solvant est à un niveau de
température de préférence compris entre 10 et -50 C.
-
Le procédé selon l'invention est illustré par l'exemple suivant:
Exemple
Dans cet exemple, on procède selon le schema représenté sur la
figure.
Le gaz à traiter, dénommé gaz riche, entre dans le procédé par la
conduite 1; sa composition est donnée sur le Tableau I; sa
température est de 35 C, sa pression est de 0,15 ;~Pa absolu, son
débit est de 1184 kg/h. Il est mélangé au gaz provenant de la
conduite 13 dont le débit est de 1264 kg/h, et au solvant provenant
de la conduite 8 dont le débit est de 6650 kg/h ; l'appoint de
solvant apporté par la conduite 24 est de 27 kg/h. Le solvant
utilisé est une huile paraffinique dont la température d'ébullition
normale est comprise entre 300 et 350 C.
,.
.
,
1.',~8~994
TABLEAU I
~onstituants Gaz riche Gaz pauvre Constituants
~ h exktgr/ahts
Méthane 193 193 0
Ethane 120 119 1
Propane 321 313 8
Butane 251 199 52
Pentane 140 44 96
Hexane et
alcanes 159 4 155
supérieurs
Le mélange gaz et solvant traverse l'échangeur A qui est refroidi
par de l'eau de refroidissement ; à la sortie de l'échangeur A, le
mélange est à une température de 35 C. Il entre dans l'échangeur
E2, dans lequel il est refroidi jusqu'à une température de -10 C.
Les deux phases liquide et vapeur sont separées dans le ballon
25 B2 ; le gaz qui n'a pas été absorbé dénommé gaz pauvre et dont la
composition est donnée sur le Tableau 1 sor~ du ballon B2 par la
conduite 19, traverse l'échangeur E2, et sort du procédé à une
température de 30 C par la conduite 16 ; son débit est de
:872 kg/h. La phase solvant enrichie en constituants absorbés
:30 dénommée solution riche, sort du bac B2 par la conduite 18, passe
dans la pompe P qui élève sa pression jusqu'à 0,74 MPa ; elle entre
dans l'échangeur E2 dans lequel elle se réchauffe, ressort par la
conduite 3, entre dans l'échangeur E1 dans lequel elle se
réchauffe, sort par la conduite 4, entre dans l'échangeur G dans
lequel elle se réchauffe par échange thermique avec un fluide
~8~994
externe chaud, ressort par la conduite 5 à une température de
200 C, partiellement vaporisee. Les deux phases llquide et vapeur
sont.séparés dans le bac B1 ; la phase liquide, riche en solvant
dénommée solution pauvre, sort du bac B1 par la conduite 6, entre
dans l'échangeur E1 dans lequel elle se refroidit, ressort par la
conduite 7, traverse la vanne V2 en subissant une perte de pression
ce qui ramène sa pression sensiblement à la valeur de celle du gaz
riche à l'entrée du procédé et passe par la conduite 8 pour être à
nouveau mise en contact avec le gaz à traiter. La phase gazeuse du
bac B1, sort par la conduite 9, entre dans l'échangeur E1 dans
lequel elle se refroidit, sort par la conduite 22, entre dans le
condenseur C dans lequel elle se refroidit jusqu'à 35 C par
échange thermique avec de l'eau de refroidissement ; à la sortie du
condenseur C, le fluide est entièrement condensé, il entre dans
l'échangeur E2 dans lequel il e~t sous refroidi jusqu'à -11 C,
détendu dans la vanne V1, jusqu'à 0,15 MPa environ et vaporisé
partiellement dans l'échangeur E1 en produisant du froid, ressort
par la conduite 12 à une température de 30 C, et entre dans le
ballon B3 où les deux phases liquide et vapeur sont séparées ; la
phase liquide constituée principalement de constituants extraits du
gaz riche, sort du procédé par la conduite 14, sa composition es.t
donnée sur le Tableau I. La phase vapeur du ballon B3 sort par la
conduite 13 et est mélangée avec le gaz riche.
