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CA 02496735 2005-02-09
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PROCEDE DE TRAITEMENT D'UN GAZ NATUREL AVEC
EXTRACTION DU SOLVANT CONTENU DANS LES GAZ
ACIDES
La présente invention concerne le domaine du traitement du gaz
naturel. Plus précisément, la présente invention propose d'extraire le solvant
contenu dans les gaz acides.
En général, la désacidification d'un gaz naturel est réalisée par
absorption des composés acides, tels que le dioxyde de carbone (C02), le
dioxyde de soufre (HZS), les mercaptans, et le monoxyde de sulfure de
carbonyle (COS) par un solvant.
Le document FR 2 636 857 propose d'absorber les gaz acides avec un
solvant contenant de 50% à 100% en poids de méthanol à basse température,
entre -30°C et 0°C. Le document FR 2 743 083 réalise l'opération
de
désacidification à l'aide d'un solvant composé d'eau, d'alcanolamine et de
méthanol. L'absorption des composés acides est réalisée à des températures
comprises entre 40°C et 80°C. Dans tous les cas, le solvant est
régénéré par
détente et/ou par élévation de température qui peut être effectuée dans une
colonne de distillation. L'effluent gazeux, contenant les composés acides,
rejeté
lors de la régénération présente l'inconvénient de contenir également une
fraction de solvant. Les pertes de solvant sont d'autant plus importantes dans
le cas d'une régénération à haute température. Ces pertes de solvant peuvent
avoir un coût économique et écologique non négligeable.
Les techniques actuelles pour limiter les pertes en méthanol consistent
à condenser l'effluent gazeux comportant les composés acides et du solvant, de
manière à récupérer le solvant sous forme liquide et évacuer les composés
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acides sous forme gazeuse. Une alternative consiste à récupérer le solvant
condensé qui est formé dans la chaîne de recompression de l'effluent gazeux,
dans le cas de la réinjection dans un puits. Le principal défaut de ces
technologies est la solubilisation partielle des composés acides dans le
solvant
condensé. Les condensats comportant du solvant et des composés acides,
jusqu'à 50% molaire dans les cas les plus défavorables, nécessitent d'être
retraités pour récupérer le solvant. Les solutions envisageables sont le
renvoi
des condensats dans le procédé, par exemple en fond de la colonne d'absorption
des composés acides par le solvant, dans des ballons intermédiaires de
régénération du solvant par détente, ou dans la colonne de régénération par
distillation. Les inconvénients de la récupération du solvant et de son
recyclage résident essentiellement dans la quantité de frigories nécessaires à
la condensation du solvant, dans la quantité de composés acides entraînés, et
par suite de conséquence, dans l'impact du recyclage du solvant dans le
procédé.
La présente invention propose une autre solution pour extraire le
solvant contenu dans les effluents comportant des composants acides, ces
effluents étant libérés lors de la régénération du solvant mis en oeuvre lors
du
traitement d'un gaz naturel.
De manière générale, l'invention concerne un procédé de traitement
d'un gaz naturel comportant au moins un des composés acides suivants sulfure
d'hydrogène, dioxyde de carbone; mercaptans et sulfure de carbonyle, dans
lequel on effectue les étapes suivantes
a) on met en contact le gaz naturel avec un solvant captant les composés
acides, de manière à obtenir un gaz purifié et un solvant chargé en
composés acides,
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b) on régénère le solvant chargé en composés acides de manière à obtenir un
solvant régénéré et libérer un effluent gazeux comportant des composés
acides et une fraction de solvant,
c) on met en contact l'effluent gazeux avec un liquide ionique non-aqueux de
manière à obtenir une phase gazeuse comportant des composés acides et un
liquide ionique chargé en solvant, le liquide ionique ayant pour formule
générale Q+ A-, Q' désignant une cation ammonium, phosphonium et/ou
sulfonium et A- désignant un anion susceptible de former un sel liquide,
d) on régénère le liquide ionique chargé en solvant pour séparer le solvant et
pour récupérer un liquide ionique appauvri en solvant.
Selon l'invention, à l'étape d), on peut chauffer le liquide ionique pour
évaporer le solvant et pour récupérer un liquide ionique appauvri en solvant.
On peut condenser le solvant évaporé à l'étape d) et, à l'étape a), on
peut mettre en contact le gaz naturel, en outre, avec une partie du solvant
condensé.
On peut condenser le solvant évaporé à l'étape d) et, à l'étape b), on
peut régénérer, en outre, une partie du solvant condensé.
A l'étape b), on peut régénérer par détente et/ou par élévation de
température.
Avant l'étape a), on peut mettre en contact le gaz naturel avec une
solution comportant du méthanol.
Avant l'étape c), on refroidit l'effluent gazeux obtenu à l'étape b) afin
de condenser une partie du solvant.
Le solvant peut comporter au moins un composé choisi parmi les
glycols, les éthers, les éthers de glycols, des alcools, du sulfolane, de la N-
méthylpyrrolidone, du carbonate de propylène, des liquides ioniques, les
amines, les alcanolamines, les acides aminés, les amides, les urées, les
phosphates, les carbonates et les borates de métaux alcalins.
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L'anion A- peut être choisi dans les groupes comportant les ions
halogénures, nitrate, sulfate, phosphate, acétate, halogénoacétates,
tétr~fluoroborate, tétrachoroborate, hexafluorophosphate,
hexafluoroantimonate, fluorosulfonate, alkylsulfonates,
perfluoroalkylsulfonates, bis (perfluoroalkylsulfonyl) amidures, le méthylure
de tris-trifluorométhanesulfononyle de formule C(CF3S0z)3 , alkylsulfates,
arènesulfates, arènesulfonates, tétraalkylborates, tétraphénylborate et
tétraphénylborates dont les noyaux aromatiques sont substitués.
Le cation Q+ peut avoir l'une des formules générales suivantes
0 (NR1R2R3R4]+, [f'R1RZR3R4]+, [R1RZN=CR3R41+ et [R1R2P=CR3R4]+ où Rl, R2, R3
et R4,
identiques ou différents, représentent l'hydrogène ou des restes hydrocarbyles
ayant de 1 à 30 atomes de carbone, à l'exception du cation NH~' pour
[NR'R2R3R4]+.
Le cation Q' peut également être dérivé d'hétérocycle azoté et/ou
phosphoré comportant 1, 2 ou 3 atomes d'azote et/ou de phosphore,
l'hétérocycle étant constitué de 4 à 10 atomes de carbone.
Le cation Q' peut également avoir l'une des formules générales
suivantes : R'R2N+=CR3-R6-R3C=N+R1R2 et R'R2P+=CR3-R5-R3C=P+R1R2 oû R', R2
et Rs représentent l'hydrogène ou un reste hydrocarbyle ayant de 1 à 30
atomes de carbone et où R5 représente un reste alkylène ou phénylène.
Le cation G.~+ peut être choisi dans le groupe comprenant le N-
butylpyridinium, le N-éthylpyridinium, le pyridinium, l'éthyl-3-méthyl-1-
imidazolium, le butyl-3-méthyl-1-imidazolium, l'hexyl-3-méthyl-1-
imidazolium, le butyl-3-diméthyl-1,2-imidazolium, le diéthyl-pyrazolium, le N-
butyl-N-méthylpyrrolidinium, le triméthylphényl-ammonium, le
tétrabutylphosphonium, le tributyl-tétradécyl-phosphonium.
Le cation Q' peut avoir pour formule générale [SR'R2R3]+, où Rl, R2 et
R3, identiques ou différents, représentent chacun un reste hydrocarbyle ayant
de 1 à 12 atomes de carbone.
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Le liquide ionique peut être choisi parmi le groupe comportant
l'hexafluorophosphate de N-butyl-pyridinium, le tétrafluoroborate de N-éthyl-
pyridinium, le fluorosulfonate de pyridinium, le tétrafluoroborate de butyl-3-
méthyl-1-imidazolium, l'amidure de bis-trifluorométhane-sulfonyle de butyl-3-
5 méthyl-1-imidazolium, famidure de bis-trifluorométhane-sulfonyle de
triéthylsulfonium, l'hexafluoro-antimonate de butyl-3-méthyl-1-imidazolium,
1'hexafluorophosphate de butyl-3-méthyl-I-imidazolium, Ie trifluoroacétate de
butyl-3-méthyl-1-imidazolium, le trifluorométhylsulfonate de butyl-3-méthyl-
1-imidazolium, le bis(trifluorométhylsulfonyl)amidure de butyl-3-méthyl-1-
imidazolium, l'hexafluorophosphate de trimëthyl-phénylammonium, le
tétrafluoroborate de tétrabutylphosphonium.
Avantageusement, le procédé selon l'invention permet de récupérer le
solvant à un haut niveau de pureté, ce niveau pouvant être compatible avec un
recyclage dans le procédé.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux
compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-
après
en se référant aux dessins parmi lesquels
- les figures lA et 1B schématisent le procédé selon l'invention,
- la figure 1C représente un perfectionnement du procédé décrit par
la figure lA,
- les figures 2 et 3 représentent deux modes de réalisation de
(invention.
Sur la figure lA, le gaz naturel à traiter arrive par le conduit 1. Le gaz
naturel contient des hydrocarbures, par exemple dans les proportions comprise
entre 50% et 90% ainsi que des composés acides tel du dioxyde de carbone
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(COZ), du sulfure d'hydrogène (HZS), des mercaptans et du sulfure de carbonyle
(COS), par exemple dans les proportions comprises entre quelques ppm et 50%.
Ce gaz naturel est introduit dans la zone de mise en contact C où il est
mis en contact avec un solvant arrivant par le conduit 4. Dans la zone C, le
solvant absorbe les composés acides contenu dans le gaz naturel.
Les solvants mis en oeuvre dans la présente invention sont des
solutions d'absorption comportant un ou plusieurs solvants organiques et/ou
un ou plusieurs composés ayant la capacité de réagir de faÇon réversible avec
les gaz acides (C02, H2S, mercaptans, COS) contenus dans le gaz naturel. Les
fonctions réagissant avec les gaz acides peuvent aussi être greffées sur le ou
les solvants. La solution utilisée peut contenir de l'eau. Les solvants
peuvent
être des glycols, des éthers de glycols, des alcools, du sulfolane, de la N-
méthylpyrrolidone, du carbonate de propylène ou des liquides ioniques. Les
composés réactifs peuvent être des amines (primaires, secondaires, tertiaires,
cycliques ou non, aromatiques ou non), des alcanolamines, des acides aminés,
des amides, des urées, des phosphates, des carbonates ou des borates de
métaux alcalins. La solution peut contenir en outre des additifs anticorrosion
et/ou antimousse. La tension de vapeur de la solution à 100°C peut être
avantageusement supérieure à 0,1 MPa, de préférence supérieure à 0,2 MPa et
plus préférentiellement supérieure à 0,3 MPa. L'efficacité de l'absorption par
le solvant est d'autant plus grande que les molécules à extraire présentent
une
forte polarité ou une forte constante diélectrique.
Le gaz purifié, c'est à dire appauvri en composés acides, est évacué de
la zone C par le conduit 2. Le solvant chargé en composés acides est évacué de
la zone C par le conduit 3, puis est introduit dans la zone de régénération R.
La zone R permet de séparer les composés acides du solvant.
La zone R peut consister en une succession de détentes du solvant et/ou
de hausses de température, par exemple par distillation, du solvant. La
détente et la hausse de température permettent de libérer, sous forme
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d'effluent gazeux, les composés acides absorbés par le solvant. Lors de la
régénération, une quantité de solvant est également vaporisée et entraînée
avec les composés acides. Ainsi l'effluent gazeux évacué de la zone R par le
conduit 5 comporte, d'une part, des composés acides, en proportion pouvant
être comprise entre 70% et 99%, et d'autre part, du solvant en proportion
pouvant être comprise entre quelques ppm et 30%. De plus l'effluent gazeux
peut comporter des hydrocarbures co-absorbés par le solvant dans la zone C, et
éventuellement de l'eau. Le solvant régénéré, c'est à dire appauvri en
composés acides, obtenu après détente et/ou distillation est évacué de la zone
R
par le conduit 4, et peut être recyclé dans la zone C.
L'effluent gazeux issu de la zone de régénération R est introduit dans
la zone d'absorption ZA où il est mis en contact avec un liquide ionique non-
aqueux arrivant par le conduit 9. Dans la zone ZA, le solvant contenu dans
l'effluent gazeux arrivant par le conduit 5 est absorbé par le liquide
ionique.
L'effluent gazeux appauvri en solvant, c'est à dire contenant essentiellement
des composés acides, est évacué de la zone ZA par le conduit 6. Le liquide
ionique chargé en solvant est évacué de la zone ZA par le conduit 7. La mise
en
contact peut être réalisée sous pression, par exemple entre 0,1 MPa et 2 MPa,
et à une température comprise entre 20°C et 100°C, de préférence
entre 40°C
2o et 90°C.
La mise en contact dans la zone ZA peut être réalisée dans une ou
plusieurs colonnes de lavage à co-courant ou à contre-courant, par exemple
dans des colonnes à plateaux de type perforés, à clapets et/ou à calottes, ou
dans des colonnes à garnissage en vrac ou structuré. Il est également possible
d'utiliser des contacteurs pour effectuer la mise en contact. Les contacteurs
peuvent être de type statique ou bien dynamique, suivis de zones de
décantation. On peut également utiliser un contacteur membranaire, dans
lequel les effluents gazeux s'écoulent d'un côté d'une membrane, le liquide
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ionique s'écoule de l'autre côté de la membrane et dans lequel les échanges de
matière s'effectuent à travers la membrane.
Tenant compte que le solvant arrivant dans la zone de régénération R
peut être chargé en eau, une quantité d'eau contenue dans l'effluent gazeux à
traiter est co-absorbée par le liquide ionique dans la zone ZA. De la même
façon, une quantité de composés acides, notamment de C02, peut être co-
absorbé par le liquide ionique dans la zone ZA. En adaptant la zone ZA à la
charge à traiter, il est possible de réaliser une sélectivité pour assurer la
capture du solvant tout en minimisant la co-absorption des composés acides.
Le liquide ionique non-aqueux mis en oeuvre dans Ia présente
invention est choisi dans le groupe formé par les sels liquides qui ont pour
formule générale fl+ A- dans laquelle f~,l+ représente un ammonium, un
phosphonium et/ou un sulfonium et A- représente tout anion, organique ou
inorganique, susceptible de former un sel liquide à basse température, c'est-à-
dire en dessous de 100°C et avantageusement d'au plus $5°C, et
de préférence
en dessous de 50°C.
Dans le liquide ionique non-aqueux de formule ~+ A-, les anions A' sont
de préférence choisis parmi les anions halogénures, nitrate, sulfate,
phosphate,
2o acétate, halogénoacétates, tétrafluoroborate, tétrachloroborate, hexafluoro-
phosphate, hexafluoroantimonate, fluorosulfonate, alkylsulfonates (par
exemple le méthylsulfonate), perfluoroalkylsulfonates (par exemple le
trifluorométhylsulfonate), bis (perfluoroalkylsulfonyl) amidures (par exemple
l'amidure de bis-trifluorométhane-sulfonyle de formule N(CF3S0z)z ), le
méthylure de tris-trifluorométhanesulfononyle de formule C(CF3S02)9 ,
arènesulfonates, éventuellement substitués par des groupements halogènes ou
halogénoalkyles, ainsi que l'anion tétraphénylborate et les anions
tétraphénylborates dont les noyaux aromatiques sont substitués.
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Les cations Q+ sont de préfêrence choisis parmi le groupe des
phosphonium, ammonium et/ou sulfonium.
Les cations Q+ ammonium quaternaire et/ou phosphonium
répondent de préférence à l'une des formules générales [NR1R2R3R"]+ et
[PR1R2R3R4]', ou à l'une des formules générales [R1RZN=CR3R"]' et
[R1R2P=CR9R']+ dans lesquelles R', R2, R9 et R', identiques ou différents,
représentent chacun l'hydrogène (à l'exception du cation NH"+ pour
[NR'R2R3R']+), de préférence un seul substituant représentant l'hydrogène, ou
des restes hydrocarbyles ayant de 1 à 30 atomes de carbone, par exemple des
groupements alkyles, saturés ou non saturés, cycloalkyles ou aromatiques,
aryles ou aralkyles, éventuellement substitués, comprenant de 1 à 30 atomes
de carbone.
Les cations ammonium et/ou phosphonium peuvent également
être dérivés d'hétérocycles azotés etJou phosphorés comportant 1, 2 ou 3
~ 5 atomes d'azote et/ou de phosphore, de formules générales
t R2 t R2 t R2 t R2
-/ ~ / ~-,-/ ~ /
N N= P P=C
U
dans lesquelles les cycles sont constitués de 4 à 10 atomes, de
préférence 5 à 6 atomes, Rl et R2 sont définis comme précédemment.
Le cation ammonium ou phosphonium peut en outre répondre à
l'une des formules générales
R1RZN'=CR3-R5-R9C=N+R1R2 et R1R2P'=CR9-R5-R9C=P'RiR2
dans lesquelles R', R2 et R9, identiques ou différents, sont définis
comme précédemment et R5 représente un reste alkylène ou phénylène. Parmi
les groupements Rl, R2, R3 et R", on peut mentionner les radicaux méthyle,
éthyle, propyle, isopropyle, butyle secondaire, butyle tertiaire butyle,
amyle,
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phényle ou benzyle ; R5 peut être un groupement méthylène, éthylène,
propylène ou phénylène.
Le cation ammonium et/ou phosphonium Q+ est choisi de
préférence dans le groupe formé par le N-butylpyridinium, le N
5 éthylpyridinium, le pyridinium, l'éthyl-3-méthyl-1-imidazolium, le butyl-3
méthyl-1-imidazolium, l'hexyl-3-méthyl-1-imidazolium, le butyl-3-diméthyl-
1,2-imidazolium, le diéthyl-pyrazolium, le N-butyl-N-méthylpyrrolidinium, le
triméthylphényl-ammonium, le tétrabutylphosphonium, le tributyl-tétradécyl-
phosphonium.
10 Les cations sulfonium Q+ peuvent avoir pour formule générale
[SR'R2R3]+, où R', RZ et R3, identiques ou différents, représentent chacun un
reste hydrocarbyle ayant de 1 â 12 atomes de carbone, par exemple un
groupement alkyle, saturé ou non saturé, cycloalkyle ou aromatique, aryle,
alkaryle ou aralkyle, comprenant de 1 à 12 atomes de carbone.
A titre d'exemples des sels utilisables selon l'invention on peut
citer l'hexafluorophosphate de N-butyl-pyridinium, le tétrafluoroborate de N-
éthyl-pyridinium, le fluorosulfonate de pyridinium, le tétrafluoroborate de
butyl-3-méthyl-1-imidazolium, l'amidure de bis-trifluorométhane-sulfonyle de
butyl-3-méthyl-1-imidazolium, l'amidure de bis-trifluorométhane-sulfonyle de
triéthylsulfonium, l'hexafluoro-antimonate de butyl-3-méthyl-1-imidazolium,
l'hexafluorophosphate de butyl-3-méthyl-1-imidazolium, le trifluoroacétate de
butyl-3-méthyl-1-imidazolium, le trifluorométhylsulfonate de butyl-3-méthyl-
1-imidazolium, le bis(trifluorométhylsulfonyl)amidure de butyl-3-méthyl-1-
imidazolium, l'hexafluorophosphate de triméthyl-phénylammonium, le
tétrafluoroborate de tétrabutylphosphonium. Ces sels peuvent être utilisés
seuls ou en mélange.
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Le liquide ionique circulant dans le conduit 7 est régénéré en séparant
le liquide ionique du solvant. Différentes techniques peuvent être utilisées
pour effectuer cette régénération.
Selon une première technique, le liquide ionique circulant dans le
conduit 7 est régénéré en précipitant le liquide ionique par refroidissement
et/ou baisse de pression, puis en séparant le solvant liquide du liquide
ionique
précipité.
Selon une deuxiême technique, le liquide ionique circulant dans le
conduit 7 est régénéré par une technique couramment appelée « stripping ». Le
liquide ionique chargé en solvant est mis en contact avec un fluide de sorte
que
le fluide entraîne le solvant. Par exemple, le liquide ionique chargé en
solvant
est mis en contact avec le gaz naturel avant traitement. Ainsi, le gaz naturel
entraîne le solvant et le liquide ionique est appauvri en solvant.
Selon une troisième technique illustrée par la figure lA, la
récupération du solvant absorbé par le liquide ionique circulant dans le
conduit 7, est réalisée par évaporation du solvant. Le liquide ionique chargé
en
solvant peut être détendu par le dispositif de détente V1, éventuellement
introduit dans un ballon séparateur pour libérer les composants vaporisés lors
de la détente, puis peut être chauffé dans l'échangeur de chaleur E 1. Enfin
le
liquide ionique est introduit dans le dispositif d'évaporation DE. Le
dispositif
DE permet de séparer le solvant du liquide ionique. Dans le dispositif DE, le
liquide ionique chargé en solvant est chauffé par un rebouilleur jusqu'à une
température suffisante pour vaporiser le solvant. Le liquide ionique peut être
introduit dans le dispositif DE de manière à être mis en contact avec le
solvant
vaporisé. Les conditions thermodynamiques (pression et température) de
l'évaporation sont à déterminer par l'homme du métier en fonction des
considérations économiques propres à chaque cas. Par exemple, l'évaporation
peut être réalisée sous une pression comprise entre 0,01 MPa et 3 MPa, et à la
température correspondante pour l'évaporation du solvant. Lorsque le solvant
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est un glycol tel le MEG ou le DEG, la température peut être comprise entre
135°C et 180°C pour une pression comprise entre 0,005 MPa et 0,1
MPa.
Lorsque le solvant est le méthanol, la température d'évaporation peut être
comprise entre 10°C et 140°C pour une pression comprise entre
0,01 MPa et
1 MPa. La stabilité thermique des liquides ioniques permet de fonctionner
dans une large gamme de températures. Le solvant vaporisé est évacué du
dispositif DE par le conduit 10. Le gaz circulant dans le conduit 10 peut être
partiellement condensé par refroidissement dans l'échangeur de chaleur E2,
puis introduit dans le ballon B1. Les éléments non condensés sont évacués du
1 o ballon B1 par le conduit 12. Les condensats obtenus en fond du ballon B 1
constituent le solvant extrait de l'effluent gazeux évacué de la zone de
régénération R par le conduit 5. Un partie du solvant extrait peut être
introduit par le conduit 11 dans le dispositif DE à titre de reflux. Une autre
partie du solvant extrait est évacuée par le conduit 13.
Le liquide ionique régénéré, c'est à dire ne contenant pas ou peu de
solvant est évacué, sous forme liquide, du dispositif DE par le conduit 8. Le
liquide ionique régénéré peut être refroidi dans l'échangeur de chaleur E 1,
pompé par la pompe P1, puis introduit par le conduit 9 dans la zone
d'absorption ZA.
Par exemple, le dispositif DE peut être une colonne de distillation
possédant de trois à dix plateaux, et complétés d'un bouilleur.
Les conditions de pression et de température sous lesquelles est
effectuée l'étape d'évaporation dans le dispositif DE, peuvent être
sélectionnées
de manière à permettre aux éventuelles traces d'eau, co-absorbées par le
liquide ionique dans la zone ZA, de rester dans le liquide ionique régénéré
renvoyé vers la zone ZA.
Le solvant récupéré par le conduit 13 peut être recyclé. Par exemple, ce
solvant est recyclé dans la zone de régénération R en étant injecté dans des
ballons de détente ou bien en étant utilisé comme reflux dans une colonne de
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distillation. Le solvant récupéré par le conduit 13 peut également être
injecté
dans la zone de captation C en étant injecté dans la colonne de
désacidification
du gaz naturel.
La figure 1B représente plus en détail la zone de mise en contact C et
la zone de régénération R de la figure 1A. Les références de la figure 1B qui
sont identiques â celles de la figure lA désignent les mêmes êléments.
Sur la figure 1B, le gaz naturel arrivant par le conduit 1 est introduit
dans la colonne de mise en contact C0, dans laquelle il est mis en contact
avec
le solvant arrivant par le conduit 4. Par exemple, dans C0, la température
peut varier entre 40°C et 90°C si le solvant est de type
chimique ou -30°C et
40°C si le solvant est de type physique, et la pression peut varier
entre 6 MPa
et 10 MPa.
Le solvant chargé en composés acides est évacué de CO par le conduit
3, puis est détendu. Par exemple, le solvant chargé en composés acides est
successivement détendu dans le ballon B2 à une pression comprise entre
1,5 MPa et 4 MPa, puis dans le ballon B3 à une pression comprise entre
0,2 MPa et 2 MPa.
Le solvant détendu est chauffé dans l'échangeur de chaleur E3, puis
2o introduit dans la colonne de régénération R1. En général, la colonne R1 est
une colonne de distillation. Le rebouilleur impose la température en fond de
la
colonne. Pour un solvant comportant des amines telles que la MEA, la DEA, ou
la MDEA, la température en fond de la colonne Rl peut être comprise entre
100°C et 140°C. Pour un solvant comportant un alcool, la
température en fond
de la colonne Rl peut être supérieure à 140°C. L'effluent gazeux évacué
en tête
de la colonne est partiellement condensé par l'échangeur E4, puis introduit
dans le ballon B4. Le liquide recueilli en fond du ballon B4 est introduit en
tête de la colonne R1 à titre de reflux. Le gaz évacuë en tête du ballon B4,
éventuellement mélangé avec le gaz libéré lors de la détente au niveau du
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ballon B3, par le conduit 5 est traité de la même manière que l'effluent
gazeux
circulant par le conduit 5 sur la figure 1A.
Le solvant régénéré obtenu en fond de la colonne R1 est refroidi dans
l'échangeur de chaleur E3, pompé par la pompe P2, éventuellement sous
refroidi par l'échangeur de chaleur E5, puis introduit par le conduit 4 dans
la
colonne C0.
Le liquide évacué par le conduit 13 dans le procédé schématisé par la
figure 1 peut être introduit soit dans la colonne de régénération Rl, soit
dans
le ballon B3, soit dans la colonne d'absorption C0.
La figure 1C présente un perfectionnement du procédé décrit en
relation avec la figure lA. Les références de la figure 1C qui sont identiques
à
celles de la figure lA désignent les mêmes éléments.
L'effluent gazeux circulant dans le conduit 5 comporte notamment du
solvant et des composés acides. Cet effluent gazeux est partiellement condensé
par refroidissement dans l'échangeur de chaleur E6 par exemple à une
température comprise entre -40°C et 0°C, puis introduit dans le
ballon
séparateur B5. Les condensats comportant essentiellement du solvant sont
évacués du ballon B5 par le conduit 15. La phase gazeuse obtenue en tête du
ballon B5 est réchauffée dans l'échangeur de chaleur E7, puis introduite dans
la zone d'absorption ZA.
Le perfectionnement décrit en relation avec la figure 1C permet
d'extraire par refroidissement une partie du solvant contenu dans l'effluent
circulant dans le conduit 5, et par conséquent, permet de réduire le débit de
liquide ionique nécessaire pour capter le solvant dans la zone ZA.
L'exemple numérique suivant illustre le procédé selon l'invention
décrit en référence à la figure lA.
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Le gaz naturel arrivant par le conduit 1 est désacidifié par mise en
contact avec un solvant contenant 50 % poids d'eau, 30 % poids de
diéthanolamine et 20 % poids de méthanol. L'effluent gazeux acide obtenu
après régénération du solvant est à 45°C et 0,2 MPa. L'effluent gazeux
circule
5 dans le conduit 5 à un débit de 4 000 kmol/h, et contient 20 % vol de
méthanol,
0,01 % vol d'eau, 66 % vol de HZS, 10 % vol de COz et 4 % vol d'hydrocarbures.
Il est mis en contact avec un liquide ionique, le 1-butyl-3-
méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)amidure [BMIM] [TF2N], afin
de récupérer le méthanol contenu dans l'effluent gazeux acide.
10 Un débit de 30 m3/h de liquide ionique dans ZA permettent de
récupérer 95 % du méthanol contenu dans le gaz, en utilisant un contacteur
gaz-liquide développant une efficacité équivalente à deux étages théoriques.
L'utilisation de 60 m3/h de solvant permet de diminuer à moins de 10 ppm la
teneur en méthanol dans le gaz traité, en considérant au moins quatre étages
15 théoriques d'efficacité pour le contacteur gaz-liquide. Compte-tenu de la
disproportion entre les teneurs en eau et en méthanol, la teneur finale du gaz
traitée est inférieure à 10 ppm. Lors de la mise en contact du gaz avec le
liquide ionique dans ZA, une fraction des gaz acides est absorbée. Cette
fraction reste inférieure à 10 % de la quantité de composés acides contenue
dans le gaz à traiter.
L'efficacité du lavage par le liquide ionique est conditionnée par son
niveau de régénération. La régénération est de préférence réalisée à basse
pression, entre 0,02 MPa et 1 MPa, à une température comprise entre
60°C et
150°C afin de favoriser l'évaporation optimale du méthanol et de l'eau
absorbée par le liquide ionique, et d'assurer ainsi une teneur en méthanol et
en eau inférieure à 50 ppm mol dans le liquide ionique. Lors de la
régénération, des gaz acides sont aussi libérés.
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L'exemple numérique suivant illustre le procédé selon l'invention
décrit en référence à la figure 1C.
Le gaz naturel arrivant par le conduit 1 est désacidifié par mise en
contact avec un solvant contenant 50 % poids d'eau, 30 % poids de
diéthanolamine et 20 % poids de méthanol. L'effluent gazeux acide obtenu
après régénération du solvant est à 45°C et 0,2 MPa. L'effluent gazeux
circule
dans le conduit 5 à un débit de 4 000 kmol/h, et contient 20 % vol de
méthanol,
0,01 % vol d'eau, 66 % vol de H2S, 10 % vol de C02 et 4 % vol
d'hydrocarbures.
L'effluent gazeux circulant dans le conduit 5 est refroidit dans
l'échangeur E6 à -30°C. On obtient en tête du ballon B5 une phase
gazeuse à
un débit de 2900 kmol/h, contenant 0,2 % vol de méthanol, 82 % vol d'H2S,
14 % vol de C02, et de moins de 4 % d'hydrocarbures. La teneur en eau de
cette phase gazeuse est comprise entre 10 et 50 ppm. Après avoir été
réchauffée à 50°C dans l'échangeur E7, cette phase gazeuse est lavée
par un
liquide ionique dans la zone ZA. L'emploi de 30 m3/h de [BMIM] [TF2N]
conduit à récupérer 99 % du méthanol contenu dans cette phase gazeuse avec
un contacteur développant une efficacité équivalente à trois étages
théoriques.
La figure 2 représente le procédé de traitement de gaz divulgué par le
document FR 2 636 857, dans lequel on applique le procédé selon l'invention
pour extraire le solvant contenu dans les effluent gazeux rejeté lors de la
régénération du solvant.
Sur la figure 2, le gaz naturel à traiter, contenant du méthane, de
l'eau, des composés acides et au moins un hydrocarbure condensable à pression
atmosphérique et environ 20°C, arrive par le conduit 20. Il est mis en
contact,
dans la zone de contact C1, avec un mélange de solvant et d'eau introduit par
le conduit 23. Le solvant peut être tel que défini précédemment. De manière
préférée, le solvant peut être choisi dans le groupe comportant le méthanol,
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l'éthanol, le méthoxyéthanol, le propanol, le méthylpropyléther,
l'éthylpropyléther, le diprolyléther, le méthyltertiobyléther, le
dimethoxyméthane, le diméthoxyéthane. On évacue, en tête de la colonne C 1
par le conduit 24, une phase gazeuse chargée de solvant. En fond de la colonne
C1 on soutire une phase aqueuse par le conduit 21. Si une phase hydrocarbure
s'est condensée, elle est séparée par décantation et évacuée par le conduit
22.
La phase gazeuse circulant dans le conduit 24 est condensée, au moins
partiellement, dans l'échangeur de chaleur E21, puis est introduite dans la
zone de contact C2. La phase gazeuse résultante est mise en contact dans la
zone C2 avec le condensat descendant formé au contact du circuit de
refroidissement E22. Deux phases se séparent dans le bac de décantation B2.
Ces phases résultent des condensations effectuées dans E21 et E22 et du
contact réalisé dans C2. Une phase hydrocarbure est évacuée par le conduit 38.
La phase aqueuse formée essentiellement d'eau et de solvant est renvoyée par
la ligne 23 dans la zone Cl.
Le gaz appauvri en hydrocarbures condensables, mais renfermant
encore une proportion notable de composés acides, est envoyé par la ligne 25
dans la zone de contact C3 où il est mis en contact à contre-courant avec une
phase solvant régénérée arrivant par la ligne 27. Eventuellement, du solvant
peut être introduit dans la zone C3 par le conduit 37. Le gaz traité, c'est à
dire
appauvri en composés acides est évacué par le conduit 26.
La phase solvant chargée en composés acides est récupérée en fond de
la zone C3 par le conduit 28, éventuellement détendue, chauffée dans
l'échangeur de chaleur E29, puis est injectée dans la colonne de distillation
D21 pour réaliser une séparation entre les composés acides et le solvant.
Eventuellement, du solvant peut être introduit dans D21 par le conduit 36. Le
rebouilleur E24 apporte la chaleur pour effectuer la distillation. Le solvant
régénéré est soutiré en fond de la colonne D21, refroidi par l'échangeur E29,
sous-refroidi par l'échangeur E23, puis introduit dans la colonne C3. Les
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la
composés acides, ainsi que du solvant, sont évacués, sous forme d'effluent
gazeux, de la colonne D21 par le conduit 29.
L'effluent gazeux circulant dans le conduit 29 est mis en contact, dans
la zone de mise en contact ZA2, avec un liquide ionique non-aqueux, tel que
défini précédemment, arrivant par le conduit 30. Les composés acides sont
évacués par le conduit 39 sous forme gazeuse. Le liquide ionique chargé en
solvant est évacué par le conduit 31, réchauffé par l'échangeur de chaleur
E26,
puis introduit dans le dispositif d'évaporation DE2. Le liquide ionique
régénéré
obtenu au fond de DE2 est refroidi dans l'échangeur de chaleur E26, puis
introduit dans la zone ZA2 par le conduit 30.
Le solvant obtenu en tête de DE2 est évacué par le conduit 33,
partiellement condensé par l'échangeur de chaleur E27, puis introduit dans le
ballon B30. Les composés non condensés sont évacués en tête du ballon B30
par le conduit 35. Les condensats obtenus en fond du ballon B30 constituent le
solvant extrait de l'effluent disponible en tête de la colonne D21. Une partie
des condensats est envoyée à titre de reflux dans la colonne DE2 par le
conduit
34. Une autre partie des condensats est évacuée par le conduit 38, refroidie
par
l'échangeur de chaleur E28, puis pompée par la pompe P1. Ensuite, le solvant
peut être recyclé. Par exemple, le solvant est introduit dans la colonne de
distillation D21 par le conduit 36 et/ou le solvant est introduit dans la zone
de
mise en contact C3 par le conduit 37.
La figure 3 représente le procédé de traitement de gaz divulgué par le
document FR 2 743 083, dans lequel on applique le procédé selon l'invention
pour extraire le solvant contenu dans l'effluent gazeux rejeté lors de la
régénération du solvant.
Sur la figure 3, le gaz à traiter arrive par le conduit 50. Il contient par
exemple du méthane, de l'éthane, du propane, du butane ainsi que des
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hydrocarbures plus lourds, de l'eau et des composés acides, tels que par
exemple de l'HZS et du CO2.
Une fraction de ce gaz est envoyée par le conduit 51 dans la colonne de
contact C31, dans laquelle elle est mise en contact avec une solution aqueuse
de méthanol arrivant par le conduit 53. Au fond de la colonne C31, on évacue
par le conduit 54 une phase aqueuse substantiellement débarrassée de
méthanol. En tête de la colonne C31, on évacue par le conduit 55 un gaz chargé
en méthanol, qui est mélangé avec une deuxième fraction du gaz à traiter qui
arrive par le conduit 52. Ce mélange de gaz est envoyé par le conduit 56 dans
la colonne C32, dans laquelle il est mis en contact avec un solvant arrivant
par
le conduit 65 et, éventuellement, par le conduit 77. Le gaz appauvri en
composés acides est évacué de la colonne C32 par le conduit 57. Le solvant
chargé en composés acides est évacué par le conduit 61 en fond de la colonne
C32.
Le solvant comporte du méthanol, de l'eau et un solvant plus lourd que
le méthanol. Le solvant lourd peut être un solvant polaire tel que le DMF, la
NMP, le DMSO, le sulfolane, le carbonate de propylène, le carbonate de
promylène, un alcool plus lourd que le méthanol, un éther ou une cétone. Le
solvant lourd peut également être un solvant de type chimique tel qu'une
amine, par exemple la monoéthanolamine, la diéthanolamine, la
diglycolamine, la düsopropanolamine, la méthyldiéthanolamine.
Le solvant circulant dans le conduit 61 est détendu par la vanne V31
en libérant une phase gazeuse qui comporte des composés acides et une
fraction de solvant. Les phases gazeuse et liquide ainsi obtenues sont
séparées
dans le ballon B31. La phase gazeuse est évacuée en tête du ballon B31 par le
conduit 62. La phase liquide comportant du solvant chargé en composés acides
est soutirée en fond du ballon B31 par le conduit 63, chauffée dans
l'échangeur
de chaleur E32, éventuellement détendue par la vanne V32, puis introduite
dans la colonne de distillation D31. Du solvant peut également être introduit
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dans la colonne par le conduit 75. Le solvant régénéré est récupéré en fond de
la colonne de distillation D31 par le conduit 64, refroidi dans l'échangeur de
chaleur E32 et introduit dans la colonne C32 par le conduit 65. Les composés
acides séparés du solvant, par distillation, dans la colonne D31 sont évacués
5 sous forme d'un effluent gazeux par le conduit 66. En général, l'effluent
gazeux
comporte une fraction de solvant.
L'effluent gazeux arrivant par le conduit 66 et, éventuellement, la
phase gazeuse arrivant par le conduit 62 sont introduits par le conduit 67
dans
la zone de mise en contact ZA3 afin d'être mïs en contact avec un liquide
10 ionique non-aqueux, tel que défini précédemment, arrivant par le conduit
69.
Les composés acides sont évacués par le conduit 68 sous forme gazeuse. Le
liquide ionique chargé en solvant est évacué par le conduit 70, chauffé par
l'échangeur de chaleur E33, puis introduit dans le dispositif d'évaporation
DE3. DE3 peut être une colonne de distillation. Le liquide ionique régénéré
15 obtenu au fond de DE3 est évacué par le conduit 71, refroidi dans
l'échangeur
E33, puis introduit dans la zone ZA3 par le conduit 69.
Le solvant obtenu en tête de DE3 est évacué par le conduit 72,
partiellement condensé par l'échangeur de chaleur E34, puis introduit dans le
ballon B32. Une phase gazeuse peut être évacuée en tête du ballon B32 par le
20 conduit 78. Les condensats obtenu en fond du ballon B32 constituent le
solvant
extrait de l'effluent circulant dans le conduit 67. Une partie du solvant est
envoyée à titre de reflux dans la colonne DE3 par le conduit 73. Une autre
partie du solvant est évacuée par le conduit 74, refroidie par l'échangeur de
chaleur E35, puis pompée. Ensuite, le solvant peut être recyclé. Par exemple,
le solvant est introduit dans la colonne de distillation D31 par le conduit
75,
dans le ballon de séparation B31 par le conduit 76 et/ou dans la colonne de
mise en contact C32 par le conduit 77.
