Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02316730 2000-07-28
1
INSTALLATION ET PROCEDE DE PRODUCTION DE GAZ DE SYNTHESE
COMPRENANT AU MOINS UNE TURBINE A GAZ
La présente invention concerne une installation et un procédé de production de
gaz de
synthèse. Elle permet d'éviter l'étape préliminaire de séparation de l'oxygène
et de l'azote
contenus dans l'air ou oxygène dilué par un gaz inerte. L'air ou oxygène dilué
par un gaz inerte
non séparé est donc utilisé dans la présente invention lors de la production
du gaz de synthèse par
oxydation partielle. L'azote est utilisé comme diluant dans la réaction
d'oxydation partielle
Le procédé et l'installation selon l'invention utilisent de manière originale
au moins un
réacteur de préparation du gaz de synthèse, au moins un compresseur couramment
disponible,
associé à une turbine de puissance, l'ensemble constituant une turbine à gaz,
pour fournir
l'oxygène nécessaire à l'oxydation partielle, ainsi que l'énergie nécessaire
au préchauffage de la
charge, et au moins un moyen de séparation des effluents du réacteur.
ART ANTERIEUR :
La conversion du gaz naturel en produits liquides est économiquement
intéressante,
notamment dans des zones géographiques éloignées des pays industrialisés qui
manquent
d'infrastructure telles que par exemple des centrales électriques ou une
industrie pétrochimique.
Elle permet de valoriser la gaz naturel en le transformant en des produits
chimiques
transportables à faible coût.
Le transport du gaz naturel par gazoduc et les usines liquéfaction du gaz
représentent des
investissements importants et sont souvent économiquement moins rentables que
la conversion
chimique du gaz en liquides.
Parmi les liquides aisément synthétisés à partir de gaz naturel, on trouve
notamment le
méthanol et les hydrocarbures paraffiniques obtenus par synthèse Fischer-
Tropsch et aisément
convertis en gasoil et kérosène de grande qualité dans une unité
d'hydrocraquage-
isomérisant. (référence).
CA 02316730 2000-07-28
la
La production de méthanol ou de diméthyléther nécessite un gaz de synthèse
comprenant
du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et de l'hydrogène. Ce gaz de
synthèse présente
avantageusement un rapport molaire H212CO+3CO2 compris entre 0,4 et 10, de
maniére plus
préféré entre 0,5 et 4.
CA 02316730 2000-07-28
2
La production d'environ 7000 à 10 000 barils par jour de gasoil (soit environ
1100 à 1600
Nm3 par jour) au moyen de la synthèse Fischer-Tropsch requiert environ 1,1 à
1,4 106 Nm3/jour
de gaz naturel (soit environ 40 à 50 MMSCFD). Ce gaz naturel contient
essentiellement du
méthane qui dans une première étape est converti en un gaz de synthèse
contenant
essentiellement de l'hydrogène (H2), du monoxyde de carbone (CO), ainsi que du
dioxyde de
carbone (C02) en moindre proportion. En effet, le C02 ne se comporte pas comme
un réactif
dans la synthèse Fischer-Tropsch, alors qu'il est converti dans la réaction de
synthèse du
méthanol.
Le gaz de synthèse le mieux adapté à la synthèse Fischer-Tropsch doit
présenter un
rapport molaire H2/CO voisin de 2. L'obtention d'un tel rapport est possible
par oxydation
partielle du gaz naturel (POX), ainsi que l'indique la réaction R1 :
CH4+1/202 CO + 2 H2 (Ri)
Ce mode de production du gaz de synthèse est toutefois très onéreux et
consommateur
d'énergie. Dans les procédés conventionnels d'oxydation partielle, l'air est
fractionné pour
éliminer l'azote qui est un gaz inerte. Cette séparation nécessite des volumes
d'air très importants
qui doivent être comprimés et liquéfiés. De plus l'utilisation d'équipements
conventionnels
(compresseurs, échangeurs de chaleur, chaudières avec brûleur à gaz) entraîne
des niveaux
d'investissement très élevés et une utilisation inefficace de l'énergie.
Un autre usage important du gaz de synthèse est la production d'ammoniac à
partir d'un
gaz de synthèse contenant de l'azote. Dans ce cas le gaz de synthèse est
préparé à partir d'air sans
séparation de l'oxygène et de l'azote, il contient donc de l'azote en
proportion importante en plus
de CO, C02 et H2.
Par ailleurs, il est également possible de produire de l'hydrogène à partir de
gaz naturel,
par exemple par reformage à la vapeur du gaz naturel afin d'obtenir un gaz de
synthèse riche en
3o hydrogène, puis de réaliser la séparation de l'hydrogène au moyen par
exemple d'une unité
d'absorption de type PSA (Pressure Swing Absorption), c'est-à-dire une unité
d'absorption par
variation de pression.
CA 02316730 2000-07-28
3
La demande de brevet WO 93/06041 décrit un procédé d'enrichissement de l'air
en
oxygène. Dans cette demande sont décrites différentes options pour préparer
des mélanges
oxygène-azote contenant plus d'oxygène que l'air. Il est en particulier
revendiqué une technique
de séparation permettant d'obtenir de l'air enrichie, qui utilise une
séparation par membrane ou
une absorption de type P.S.A., associé à une turbine à gaz qui fournit l'air
nécessaire en tant que
charge de la section séparation. L'utilisation des gaz de purge en tant que
carburant des turbines à
gaz est également décrite. L' air enrichi est préférentiellement utilisé dans
une unité de reformage
d'une source de carbone tel que le gaz naturel, afin d'obtenir du gaz de
synthèse.
Les demandes de brevet WO 97/33847 et WO 97/48639 décrivent un procédé de
production de gaz de synthèse dans lequel l'unité de production du gaz de
synthèse est disposée
entre la section compression et la section comprenant la turbine de détente
d'une turbine à gaz.
Un compresseur additionnel est disposé après l'unité de production du gaz de
synthèse et avant
l'unité utilisant ce gaz de synthèse pour le convertir en méthanol, ou
diméthyléther, ou
hydrocarbures, via la synthèse Fischer-Tropsch. Dans la demande WO 97/48639,
il est précisé
que la production du gaz de synthèse est assurée par une unité de reformage
autotherme,
également appelée ATR (autothermal reforming).
La demande de brevet EP 212 755 décrit un procédé de production de gaz de
synthèse par
réformage à la vapeur d'hydrocarbures dans lequel un échange de chaleur est
réalisé entre les gaz
réactifs et des gaz de combustion, dans la zone réactionnelle, lesdits gaz de
combustion étant au
moins partiellement recyclés vers la zone de combustion. Par ailleurs, ledit
procédé peut
également comporter une zone de détente et un compresseur qui peuvent être
combinés avec la
zone de combustion pour constituer une turbine à gaz.
RESUME DE L'INVENTION :
La présente invention concerne une installation et un procédé de production de
gaz de
synthèse, par exemple pour la synthèse Fischer-Tropsch d'hydrocarbures
liquides, mais aussi
pour tout autre procédé nécessitant la production préalable de gaz de synthèse
comme la synthèse
du méthanol ou d'alcools C1-C6 par exemple. Elle permet d'éviter l'étape
préliminaire de
séparation de l'oxygène et de l'azote contenus dans l'air. L'air non séparé
est en effet utilisé dans
CA 02316730 2000-07-28
4
la présente invention lors de la production du gaz de synthèse par oxydation
partielle. L'azote de
l'air, ou le gaz inerte, joue donc le rôle de diluant dans la réaction
d'oxydation partielle.
L'installation de production de gaz de synthèse à partir de gaz naturel et
d'air selon
l'invention comporte au moins un réacteur de préparation du gaz de synthèse,
au moins un
compresseur entraîné par une turbine de puissance, l'ensemble constituant une
turbine à gaz.
Ledit compresseur et ladite turbine de puissance sont de préférence situés
tous les deux en amont
ou en aval du réacteur.
Le procédé et l'installation selon l'invention utilisent ainsi de manière
originale au moins
un compresseur couramment disponible et faisant partie intégrante d'une
turbine à gaz, pour
fournir l'oxygène nécessaire à l'oxydation partielle, ainsi que l'énergie
nécessaire au
préchauffage de la charge.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION :
La présente invention concerne une installation et un procédé de production de
gaz de
synthèse. Dans le cas où le procédé selon l'invention utilise de l'air, cette
installation permet
d'éviter l'étape préliminaire de séparation de l'oxygène et de l'azote
contenus dans l'air. L'air
non séparé est alors utilisé dans la présente invention pour la production du
gaz de synthèse par
oxydation partielle.
Dans tous les cas, l'azote ou le gaz inerte contenu dans l'air intervient en
tant que diluant
dans la réaction d'oxydation partielle, afin de réduire la pression partielle
de monoxyde de
carbone, ce qui permet par ailleurs de limiter voire d'éliminer les réactions
de corrosion des
métaux (metal dusting corrosion : MDC).
L'installation selon l'invention de production de gaz de synthèse, à partir de
gaz naturel et
d'air ou oxygène dilué par un gaz inerte, comporte au moins un réacteur de
préparation du gaz de
synthèse, au moins un compresseur entraîné par une turbine de puissance, ledit
compresseur et
ladite turbine de puissance étant de préférence situés tous les deux du même
côté du réacteur,
c'est-à-dire soit en amont du réacteur et alimentés par tout ou partie de la
charge du réacteur, soit
en aval et alimentés par tout ou partie de l'effluent du réacteur. Ainsi, un
mode possible de
réalisation de l'installation selon l'invention consiste à disposer au moins
un compresseur et la
turbine de puissance associée en amont du réacteur.
CA 02316730 2000-07-28
Un deuxième mode possible de réalisation consiste à disposer au moins un
compresseur
et la turbine de puissance associée en aval du réacteur.
5 Un troisième mode possible et préféré de réalisation consiste à disposer
d'au moins deux
compresseurs et de leurs turbines de puissance associées. Au moins un
compresseur et la turbine
de puissance associée étant situé en amont du réacteur et au moins un
compresseur et la turbine
de puissance associée étant situé en aval du réacteur.
Dans chacun de ces modes de réalisation, il est possible de substituer au
moins une
turbine de puissance par au moins un générateur d'électricité. Dans ce cas,
seul le compresseur
est alimenté par tout ou partie de la charge ou de l'effluent du réacteur.
Dans l'installation selon l'invention, la charge gazeuse (gaz naturel) peut
éventuellement
être séparée en au moins deux flux : un premier flux introduit dans la partie
supérieure du
réacteur, et un deuxième flux introduit par sa partie inférieure.
L'installation selon l'invention peut en outre éventuellement comprendre : au
moins un
moyen de séparation de l'eau formée dans la réaction, au moins un moyen de
préchauffage de
l'air ou de l'oxygène dilué par un gaz inerte, au moins un moyen de
préchauffage du gaz naturel,
un moyen d'élimination des particules solides en sortie du réacteur (par
exemple un séparateur
cyclonique) et un moyen de refroidissement des effluents du réacteur.
L'installation selon l'invention peut éventuellement comprendre deux
compresseurs
associées à deux turbines de puissance, chaque compresseur et sa turbine de
puissance associée
étant situé en amont ou en aval du réacteur. Il est également possible de
substituer l'un des
compresseurs par un générateur d'électricité.
Dans l'installation selon l'invention, la ou les compresseurs et la ou les
turbines de
puissances ne sont pas alimentés par des gaz de purge, mais soit par la charge
(gaz naturel et/ou
air ou oxygène dilué par un gaz inerte), soit par les effluents du réacteur de
préparation du gaz de
synthèse.
CA 02316730 2000-07-28
6
Le réacteur compris dans l'installation selon l'invention réalise la
transformation du gaz
naturel en gaz de synthèse en présence de l'oxygène de l'air ou oxygène dilué
par un gaz inerte, il
peut de manière préférée être du type réacteur échangeur et comprendre de
nombreux tubes
remplis de catalyseur et immergés dans la partie inférieure du réacteur.
Le procédé selon l'invention peut donc être avantageusement employé pour la
production
de gaz de synthèse utilisable par exemple dans une unité de synthèse Fischer-
Tropsch ou de
synthèse d'alcools ou d'éthers.
Le procédé et l'installation selon l'invention utilisent de manière originale
au moins un
compresseur, couramment disponible et faisant partie intégrante d'une turbine
à gaz, pour fournir
l'oxygène nécessaire à l'oxydation partielle, ainsi que l'énergie nécessaire
au préchauffage de la
charge.
Dans le cas où le procédé ou l'installation selon l'invention est utilisé en
amont d'un
réacteur Fischer-Tropsch, il peut être intéressant, afin d'obtenir une
meilleure intégration
énergétique du procédé, de détendre l'effluent issu du réacteur Fischer-
Tropsch à travers une
turbine permettant de récupérer la puissance nécessaire à un compresseur.
Ledit compresseur
peut alors être utilisé pour comprimer le gaz de synthèse à la pression
nécessaire pour la réaction
Fischer-Tropsch.
Cet enchaînement permet d'éviter la génération et l'utilisation de vapeur
d'eau, ainsi que
le traitement de cet eau. L'énergie qui n'est pas récupérée dans la turbine
peut l'être en envoyant
l'effluent de ladite turbine dans un échangeur, afin de fournir de l'énergie
thermique aux unités
amont et/ou aval.
Le réacteur de l'installation selon l'invention est également de manière
préférée un
réacteur échangeur permettant d'achever le préchauffage du gaz naturel en
utilisant les effluents
chauds issus d'une turbine ou du réacteur. Dans le procédé selon l'invention,
le gaz naturel
préchauffé et lesdits effluents chauds, qui contiennent l'oxygène nécessaire à
la réaction, sont
injectés à co-courant à une température appropriée permettant de convertir
tout ou partie des
atomes de carbone contenus dans le gaz naturel en monoxyde de carbone par
réaction avec
CA 02316730 2000-07-28
7
l'oxygène. Par ailleurs, une très forte proportion, de préférence la totalité
des atomes
d'hydrogène contenus dans le méthane, est convertie en hydrogène moléculaire.
De manière avantageuse, ledits effluents chauds contiennent également le C02
et l'eau
formés dans tout ou partie des zones de combustions (turbines, réacteur de
préparation du gaz de
synthèse). Le C02 ainsi formé est principalement converti dans les conditions
d'oxydation
partielle connues de l'homme du métier (référence) via les réactions suivantes
:
CH4 + C02 2CO + 2 H2 (R2)
CH4 - C + 2 H2 (R3)
2 CO C + C02 (R4)
C + H2O t CO + H2 (R5)
La réaction de reformage du méthane par le dioxyde de carbone (R2), permet de
produire
une quantité supplémentaire de gaz de synthèse. Par ailleurs la vapeur d'eau
et le dioxyde de
carbone permettent également de réduire, voire éviter, via les réactions R4
(de la droite vers la
gauche) et/ou R5, la formation de carbone ou de précurseurs de carbone au
moyen des réactions
R3 ou R4 (de la gauche vers la droite). La présence d'eau et de C02 dans
l'effluent chaud conduit
donc globalement à une augmentation du rendement en gaz de synthèse du procédé
selon
l'invention.
L'oxygène requis pour l'oxydation partielle est de préférence maintenu en
proportion
stoechiométrique par rapport au gaz naturel, afin de convertir la totalité du
méthane et de
l'oxygène. Cet oxygène est en général fourni exclusivement par l'excès
d'oxygène issu du
compresseur, après post-combustion.
Dans une application particulière du procédé selon l'invention, une version
fonctionnant à
l'air ou oxygène dilué par un gaz inerte du compresseur employé dans une
turbine à gaz du type
GEC LM2500 est très bien adapté au cas de la production de gaz de synthèse en
amont d'une
CA 02316730 2000-07-28
8
unité Fischer-Tropsch. Toutefois, d'autres versions du procédé peuvent être
envisagées qui
fonctionnent avec l'oxygène dilué par un ou des gaz inertes, ou de l'air.
Le schéma de la figure 1 présente un type d'installation selon l'invention
pour la
production de gaz de synthèse à partir de gaz naturel et d'air ou d'oxygène
dilué par un gaz inerte
comportant :
Une turbine à gaz comprenant un compresseur axial (2), entraîné par une
turbine de puissance
(3), et grâce auquel l'air ou l'oxygène dilué par un gaz inerte atmosphérique
aspiré via la
conduite (1) est comprimé.
Une chambre de combustion complète (4) où le gaz naturel arrivant via la
conduite (5), est brûlé
avec l'air ou l'oxygène dilué comprimé.
Une turbine (3) dans laquelle l'air ( ou l'oxygène dilué) chaud et pressurisé
et en ressort (flux 7)
après avoir délivré de la puissance à l'arbre (6) entraînant le compresseur
axial (2).
Une chambre de combustion additionnelle (9), dans laquelle est admis, via la
conduite (8), une
quantité de gaz naturel et dans laquelle le flux de gaz (7) est soumis à une
post-combustion.
Une conduite (10) permettant d'envoyer le flux chaud issu de la chambre (9)
coté calandre du
réacteur échangeur (11).
Une conduite (12) permettant d'amener le gaz naturel, dont la majeure partie
est utilisée pour la
production de gaz de synthèse (flux 13).
Un échangeur de chaleur (14), permettant de réchauffer le flux (13) et de
refroidir l'effluent (24)
contenant le gaz de synthèse.
Un réfrigérant (25) permettant de condenser l'eau contenue dans l'effluent
(24).
Un séparateur (26) permettant de séparer l'eau condensée et de l'éliminer via
la conduite (27).
Un moyen de séparation de la charge gazeuse préchauffée en un flux (15) qui
est introduit dans la
partie supérieure du réacteur (11), et en un flux (16) envoyé directement dans
la partie inférieure
(17) du réacteur.
Une conduite (18) permettant d'ajouter de la vapeur.
Une conduite (19) amenant le mélange vapeur/gaz naturel dans le réacteur, qui
est rapidement
préchauffé au moyen du flux de gaz chaud (10) introduit côté calandre.
Une conduite (20) permettant la sortie de l'effluent du réacteur vers un
séparateur cyclonique
(21) permettant d'éliminer toute les particules solides.
Une turbine (22) dans laquelle est admis l'effluent de l'épurateur cyclonique
et permettant de
récupérer de l'énergie au moyen du générateur d'électricité (23).
CA 02316730 2000-07-28
9
Une conduite (28) permettant de récupérer le gaz de synthèse.
Le fonctionnement de cette installation peut être décrit de la manière
suivante :
De l'air atmosphérique est aspiré via la conduite (1) par le compresseur axial
de la turbine
à gaz (2), entraîné par une turbine de puissance (intégral HP power turbine)
(3). L'air est
comprimé et envoyé dans une chambre de combustion complète (4) où le gaz
naturel (contenant
principalement du méthane), arrivant via la conduite (5), est totalement brûlé
afin de chauffer
l'air jusqu'à une température suffisante pour la réaction d'oxydation
partielle. L'air chaud et
pressurisé passe dans la roue de turbine (3) et en ressort (flux 7) après
avoir délivré de la
puissance à l'arbre (6) entraînant le compresseur axial (2).
Le flux de gaz sortant (7) est soumis à une post-combustion dans une chambre
de
combustion additionnelle (9), dans laquelle est admis, via la conduite (8),
une quantité
supplémentaire de méthane. Cette post-combustion permet de porter le gaz à
plus haute
température. Le flux chaud (10) issu de la chambre (9) est envoyé coté
calandre du réacteur
échangeur (11) décrit plus précisément ci-après.
Le gaz naturel est amené via la conduite (12). Ce gaz contient essentiellement
du
méthane, mais il peut également contenir du CO2 ou des gaz inertes tel que de
l'azote.
Le gaz naturel est utilisé en partie en temps que combustible, mais la majeure
partie est
utilisée pour la production de gaz de synthèse (flux 13). Ce flux est
préchauffé dans l'échangeur
de chaleur (14), refroidissant ainsi l'effluent (24) contenant le gaz de
synthèse.
La charge gazeuse préchauffée est séparée en un flux (15) qui est introduit
dans la partie
supérieure du réacteur (11), et en un flux (16) qui est envoyé directement
dans la partie inférieure
(17) du réacteur. On ajoute au flux (15) de la vapeur à une pression
appropriée par la conduite
(18). Le mélange est alors introduit via la conduite (19), dans la partie
supérieure du réacteur
(11).
La partie inférieure de chaque tube est légèrement immergée dans la partie
supérieure du
catalyseur d'oxydation partielle situé en fond de réacteur (zone 17). Le gaz
naturel et la vapeur de
CA 02316730 2000-07-28
la charge sont rapidement préchauffés au moyen du flux de gaz chaud (10)
introduit côté
calandre, ainsi qu'il a été mentionné auparavant, jusqu'à atteindre la
température de reformage.
Ce gaz chaud (10) fourni également de par sa chaleur sensible la chaleur
nécessaire à
5 compenser l'endothermicité de la réaction de reformage qui se déroule dans
les tubes. Les deux
flux issus des tubes et circulant côté calandre sortent approximativement à
une même
température, pour être admis dans le lit catalytique d'oxydation partielle, où
se déroule également
une réaction de reformage secondaire (ou post-combustion) de l'effluent issu
de la zone
supérieure de reformage.
La totalité du gaz naturel et de l'oxygène sont consommés lorsque l'effluent
quitte la
partie inférieure du réacteur par la ligne (20). Ce flux (20) est envoyé vers
un épurateur
cyclonique permettant d'éliminer toute les particules solides, par exemple les
particules de
catalyseur éventuellement contenus dans le gaz, puis à la turbine (22) pour
récupérer de l'énergie.
L'effluent gazeux délivre une puissance généralement comprise entre 10 et 50
MW,
utilisée soit directement par un compresseur connecté à la turbine et non
représenté, soit
indirectement par le générateur d'électricité (23) de la figure 1.
Le gaz détendu (24) est refroidi avec la charge du réacteur à travers
l'échangeur de
chaleur (14), déjà mentionné, puis finalement par de l'eau de refroidissement
(par exemple à
température ambiante), pour condenser l'excès d'eau issu du reformage et l'eau
formée lors de la
combustion dans le réfrigérant (25).
L'eau condensée est séparée du gaz de synthèse dans le séparateur (26). L'eau
séparée
(27) peut être revaporisée et préchauffée pour être ensuite recyclée au
reformage.
Le gaz de synthèse contenant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène dilués
par de
l'azote, est délivré à basse pression par la ligne (28).
Tout ou partie, et plus généralement l'essentiel de la puissance nécessaire
pour
recomprimer ce gaz de synthèse afin de l'utiliser dans une unité Fischer-
Tropsch peut être
fournie directement ou indirectement par la turbine (22).
CA 02316730 2000-07-28
11
Un autre mode de fonctionnement de l'installation selon l'invention consiste à
substituer
l'air par de l'oxygène dilué par un gaz inerte.
L'utilisation de turbines à gaz selon le schéma d'intégration présenté figure
1 permet en
général d'éviter l'apport extérieur de vapeur d'eau, et de récupérer de
l'énergie utilisable pour la
compression du gaz de synthèse et/ou dans les différents échangeurs.
L'exemple suivant illustre la présente invention :
1o EXEMPLE :
On considère la production de gaz de synthèse nécessaire pour alimenter une
unité
Fischer-Tropsch, d'une capacité d'environ 5 000 barils par jour de distillats
moyens (soit environ
800 Nm3 par jour). L'oxygène requis pour l'oxydation partielle est maintenu en
proportion
stoechiométrique par rapport au gaz naturel, afin de convertir la totalité du
méthane et de
l'oxygène. Cet oxygène est fourni exclusivement par l'excès d'oxygène issu du
compresseur,
après post-combustion (environ 16% en volume).
Dans cet exemple, une version fonctionnant à l'air du compresseur employé dans
une
turbine à gaz du type GEC LM2500 est très bien adapté au cas de la production
de gaz de
synthèse en amont d'une unité Fischer-Tropsch.
Le schéma de procédé employé est celui décrit figure 1. Le bilan matière est
présenté au
tableau 1.
De l'air atmosphérique est aspiré à 20 C via la conduite (1) par le
compresseur axial de la
turbine à gaz (2), entraîné par une turbine de puissance (integral HP power
turbine) (3). Le débit
d'aspiration est de 237 tonnes par heure (t/h). L'air est comprimé à environ 2
MPa et envoyé
dans une chambre de combustion complète opérée une pression de 2 MPa (4) où 5
t/h de gaz
naturel (contenant principalement du méthane), arrivant via la conduite (5),
est totalement brulé
afin de chauffer l'air jusqu'à une température de 1200 C. L'air chaud et
pressurisé passe dans la
roue de turbine (3) et en ressort (flux 7) à une température d'environ 800 C,
et une pression de
0,6 MPa, après avoir délivré une puissance d'environ 20 mégaWatt (MW) à
l'arbre (6) entraînant
le compresseur axial (2).
CA 02316730 2000-07-28
12
Le flux de gaz sortant (7) est soumis à une post-combustion dans une chambre
de
combustion additionnelle (9), dans laquelle est admis, via la conduite (8),
une quantité
supplémentaire de méthane avec un débit de 0,5 t/h. Cette post-combustion
permet de porter le
gaz à une température d'environ 1100 C et une pression d'environ 0,55 MPa. Le
flux chaud (10)
issu de la chambre (9) est envoyé coté calandre du réacteur échangeur (11).
41 t/h de gaz naturel sont amenées via la conduite (12) à une pression de 2
MPa. Ce gaz
contient essentiellement du méthane, mais il peut également contenir du C02 ou
des gaz inertes
tel que de l'azote.
6 t/h de ce gaz naturel sont utilisés en temps que combustible, mais la
majeure partie
(35 t/h) est utilisée pour la production de gaz de synthèse (flux 13). Ce flux
est préchauffé à
environ 400 C dans l'échangeur de chaleur (14), refroidissant ainsi l'effluent
(24) contenant le
gaz de synthèse.
La charge gazeuse préchauffée est séparée en un flux (15) qui est introduit
dans la partie
supérieure du réacteur (11), et en un flux (16) qui est envoyé directement
dans la partie inférieure
(17) du réacteur. On ajoute au flux (15) de la vapeur à une pression
appropriée (environ 1 MPa)
par la conduite (18). Le mélange est alors introduit via la conduite (19) par
l'ouverture supérieure
des tubes, et est distribué dans la multitude de tubes réactionnels situés
dans la partie supérieure
du réacteur (11) et remplis chacun avec un catalyseur conventionnel de
reformage à la vapeur.
La partie inférieure de chaque tube est légèrement immergée dans la partie
supérieure du
catalyseur d'oxydation partielle situé en fond de réacteur (zone 17). Le gaz
naturel et la vapeur de
la charge sont rapidement préchauffés au moyen du flux de gaz chaud (10)
introduit côté
calandre, ainsi qu'il a été mentionné auparavant, jusqu'à atteindre la
température de reformage,
soit environ de 850 C.
Ce gaz chaud (10) fourni également de par sa chaleur sensible la chaleur
nécessaire à
compenser l'endothermicité de la réaction de reformage qui se déroule dans les
tubes. Les deux
flux issus des tubes et circulant côté calandre sortent approximativement à
une même
température d'environ 900 C, pour être admis dans le lit catalytique
d'oxydation partielle. Dans
ce lit se déroule également une réaction de reformage secondaire (ou post-
combustion) de
l'effluent issu de la zone supérieure de reformage. La pression opératoire de
la zone d'oxydation
CA 02316730 2000-07-28
13
partielle (POX) est d'environ 0,55 MPa et la température d'environ 950 C, en
raison de la légère
exothermicité enregitrée pour l'ensemble des réactions de cette zone.
La totalité du gaz naturel et de l'oxygène sont consommés lorsque l'effluent
quitte la
partie inférieure du réacteur par la ligne (20). Ce flux est envoyé vers un
séparateur (épurateur)
cyclonique (21) permettant d'éliminer toutes les particules solides, par
exemple les particules de
catalyseur, éventuellement contenues dans le gaz, avant que celui-ci soit
envoyé à la turbine (22)
pour récupérer de l'énergie.
Approximativement 277 t/h d'effluent gazeux présentant une masse moléculaire
moyenne
d'environ 20 kg/lanoles sont détendues de 0 ,5 MPa et 950 C à 2 MPa et une
température
d'environ 500 C en libérant une puissance d'environ 35 MW. Cette puissance est
utilisée soit
directement par un compresseur connecté à la turbine soit indirectement par le
générateur
d'électricité (23) de la figure 1.
Le gaz détendu (24) est refroidi avec la charge du réacteur à travers
l'échangeur de
chaleur (14), déjà mentionné, puis finalement par de l'eau de refroidissement
à température
ambiante (par exemple), pour condenser l'excès d'eau issu du reformage et
l'eau formée lors de
la combustion dans le réfrigérant (25).
L'eau condensée est séparée du gaz de synthèse à 30 C et environ 0,15 MPa dans
le
séparateur (26). L'eau séparée avec un débit d'environ 10 t/h (27) peut être à
nouveau vaporisée
et préchauffée pour être ensuite recyclée au reformage.
Le gaz de synthèse diluée par de l'azote est délivré à basse pression
(0,15MPa) et 30 C,
par la ligne (28), avec un débit d'environ 268 t/h correspondant
approximativement à 4200
kmoles/h d'hydrogène et 2300 kmoles/h de monoxyde de carbone. Ce gaz de
synthèse présente
une masse moléculaire moyenne d'environ 20,5 kg/kmoles.
Environ 35 MW de puissance sont nécessaires pour recomprimer ce gaz de
synthèse afin
de l'utiliser dans une unité Fischer-Tropsch. Cette puissance peut être
fournie directement ou
indirectement par la turbine (22).
Cet exemple montre que le procédé selon l'invention permet d'obtenir un gaz de
synthèse
utilisable en aval dans un procédé de synthèse Fischer-Tropsch . En effet, le
gaz de synthèse
CA 02316730 2000-07-28
14
obtenu présente un rapport H2/CO voisin de 2 (cf. tableau 1) et une faible
teneur en C02 et en
méthane non converti. Ce gaz de synthèse est obtenu sans séparation de
l'oxygène de l'air, ce qui
constitue un avantage en terme d'investissements.
Par ailleurs, l'utilisation de turbines à gaz dans l'utilisation selon
l'invention permet
d'éviter l'apport extérieur de vapeur d'eau et de récupérer de l'énergie
utilisable pour la
compression du gaz de synthèse et/ou dans les échangeurs.
Table 1 : Bilan matière
Composition des flux (lanoles/h)
Composé 1 12 5 8 13 7 10 20 27 28
H2 - - - - - - 4198 - 4198
CO - - - - - - - 2369 - 2369
C02 75 - - - - 387 449 179 - 179
N2 6115 - - - - 6115 6115 6115 - 6115
02 1645 - - - - 1021 959 Nil - Nil
H2O 82 - - - - 706 768 768 560 208
CH4 - 2531 312 31 2188 - - Nil - Nil
TOTAL 7917 2531 312 31 2188 8229 8291 13629 560 13069
(kmoles/h)
TOTAL 237 40.5 5 0.5 35 242 242.5 277.5 10 267.5
(T/h)
