Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02429319 2003-05-13
WO 02/48627 PCT/FRO1/03982
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"Procédé et installation de séparation d'un mélange
gazeux contenant du méthane par distillation, et gaz
obtenus par cette séparation"
La présente invention concerne, de façon générale
et selon un premier de ses aspects, un procédé de
séparation permettant de séparer les constituants du gaz
naturel en une première fraction de gaz, rïche en méthane
et essentiellement dépourvue d'hydrocarbures en C2 et
supérieurs, et une- seconde fraction de gaz, riche en
hydrocarbures en CZ et supérieurs et essentiellement
dépourvue de méthane.
Plus précisément, l'invention concerne, selon son
premier aspect, un procédé .de séparation d'un mélange
refroidi sous pression contenant du méthane et des
hydrocarbures en Cz et supérieurs, en une fraction finale
lëgère enrichie en méthane et une fraction finale lourde
enrichie en hydrocarbures en Cz et supérieurs, comprenant
une première étape (I) dans laquelle (Ia) on sépare le
mélange refroidi sous pression, dans un premier ballon,
en une première fraction de tête relativement plus
volatile, et une première fraction de pied relativement
moins volatile, dans laquelle (Ib) on introduit la
première fraction de pied dans une partie médiane d'une
colonne de distillation, dans laquelle (Ic) on collecte,
dans une partïe basse de la colonne, en tant que seconde
fraction de pied, la fraction finale lourde enrichie en
hydrocarbures en C2 et supérieurs, dans laquelle (Id) on
introduit, après l'avoir détendue dans une turbine, la
première fraction de tête dans une partie haute de la
colonne de distillation, dans laquelle (Ie) on collecte,
dans la partie haute de la colonne, une seconde fraction
de tête enrichie en méthane, dans laquelle (If) on soumet
ensuite la seconde fraction de tête, pour l'obtention de
la fraction finale légère, à une compression et à un
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refroidissement, et dans laquelle (Ig) on prélève de la
fraction finale légère une première fraction de
prélèvement, ce procédé comprenant une seconde étape (II).
dans laquelle (IIa) on introduit la première fraction de
prélèvement, après refroidissement et liquéfaction, dans
la partie haute de la colonne de distillation.
Un tel procédé est connu de l'art antérieur. Ainsi,
le brevet US-5881569 divulgue un procédé conforme au
préambule décrit ci-dessus.
L'extraction de l'éthane contenu dans le gaz
naturel peut être réalisée à l'aide de procédés connus,
comme décrit dans les brevets US-4140504, US-4157904, US-
4171964 et US-4278547. Bien que les procédés décrits dans
ces brevets aient un intérêt certain, ils ne permettent
d'obtenir, au mieux, dans la pratique, qu'un taux de
récupération de l'éthane de l'ordre de 85%. Ils mettent
en jeu des séparateurs liquide/gaz, des échangeurs
thermiques, des détendeurs (habituellement sous la forme
de turbines), des compresseurs et des colonnes de
distillation.
Plus récemment, d'autres procédés ont été rendus
publics, notamment par les brevets US-4649063, US-
4854955, US-5555748 et US-5568737. Si ces procédés plus
récents peuvent permettre d'obtenir des rendements
d'extraction assez satisfaisants en éthane et en autres
hydrocarbures, ces procédés nécessitent, pour l'obtention
de fractions enrichies en méthane ou en hydrocarbures en
Cz et supérieurs, des dépenses énergétiques relativement
importantes.
Dans ce contexte, la présente invention vise à
réduire la consommation d'énergie lors de la production
de fractions enrichies en méthane ou en hydrocarbures en
C~ et supérieurs, tout en maintenant des rendements
d'extraction très élevés par rapport aux procédés de
l'art antérieur.
A cet effet, le procédé de l'invention, par
ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne
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le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé
en ce qu'il comprend en outre une troisième étape dans
laquelle on soumet la première fraction de pied à une.
pluralité de sous-étapes comprenant un réchauffage, un
passage dans un second ballon, et une séparation en une
troisième fraction de tête relativement plus volatile, et
une troisième fraction de pied relativement moins
volatile, dans laquelle on introduït la troisième
fraction de pied dans la partie médiane de la colonne de
dïstillation, et dans laquelle on introduït la troisième
fraction de tête, après refroidissément et liquéfaction,
dans la partie haute de la colonne de distillation.
Un autre procédé, comme décrit dans le brevet US
5566554, utilise deux séparateurs liquide/gaz dont une
fraction liquide recueillie en pied du premier séparateur
est chauffée puis ïntroduite dans un second séparateur.
Cette technique permet en particulier d'améliorer
l'extraction du méthane contenu dans la fractïon de pied
issue du premier séparateur et surtout d'utiliser la
détente de cette fraction de pied pour refroidir dans un
échangeur thermique le flux de gaz naturel à traiter qui
rentre dans l'installation.
En revanche, ce procédé connu ne permet pas
d'obtenir une extraction poussée de l'éthane car la
quantité de reflux générée par la technique est faible et
la teneur en éthane de ce reflux est relativement forte.
La présente invention surmonte ces problèmes par la
mise en a~uvre de deux moyens .
D'une part, l'invention prévoit la dérivation d'une
partie de Ia fraction de tête de colonne riche en méthane
et sa réintroduction au dernier étage de la colonne après
compression et refroidissement. Cela permet d'obtenir un
reflux en quantité suffisante et de qualité excellente,
car la teneur en C~ est très basse, par exemple inférieure
à 0,1 %mol.
D'autre part, l'invention prévoit la dérivation
vers la colonne d'une partie de la première fraction de
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tête issue du premier séparateur avant l'étape de détente
dans la turbine. Cette deuxiëme fraction dérivée est
refroidie et liquéfiée avant introduction dans la.
colonne. Cette façon de procéder permet de limiter la
quantité de gaz recyclé et liquéfié cité ci-dessus et de
réduire les frais de compression afférents.
L'inventïon peut en outre prévoir qu'on prélève de
la première fraction de tête une deuxiëme fraction de
prélèvement, et qu'on introduise cette deuxième fractïon
de prélèvement, après refroidissement et liquéfaction,
dans la partie haute de la colonne de distillation.
Selon un mode de réalisation possible de
l'invention, la deuxième fraction de prélèvement est
refroidie et partiellement condensée puis séparée dans un
troisième ballon en une quatrième fraction de tête
relativement plus volatile, qui est refroidie et
liquéfiée puis introduite dâns la partie haute de la
colonne de distillation, et en une quatrième fraction de
pied relativement moins volatile, qui est réchauffée puis
séparée dans un quatrième ballon en une cinquième
fraction de tête relativement plus volatile qui est
refroidie et liquéfiée puis introduite dans la partie
haute de la colonne de distillation, et une cinquième
fraction de pied relativement moins volatile qui est
réchauffée puis est envoyée dans le deuxième ballon.
L'invention peut en outre prévoir que la partie
inférieure de la colonne de distillation comporte une
pluralité d'étages reliés par paires à un ou une
pluralité de rebouilleurs latéraux.
L'invention peut en aussi prévoir que la deuxième
fraction de tête, pour l'obtention de la fraction finale
légère, soit, après sortie de la colonne de distillation,
successivement soumise à un réchauffage, à une première
compression dans un premier compresseur couplé à la
turbine de détente, à une seconde compression dans un
second compresseur, et à un refroidissement.
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L'invention peut aussi prévoir que la partie haute
de la colonne de distillation comprenne au moins deux
étages successifs dont le premier soit le plus bas et que.
la cinquième fraction de tête soit introduite au dessus
5 du premier étage.
L'inventïon peut par ailleurs prévoir que la partie
haute de la colonne de distillation comprenne au moins
trois étages successifs dont le premier soït le plus bas
et que la cinquième fraction de tête soit introduite au
dessus du deuxième étage.
L'invention peut également prévoir que la partie
haute de la Colonne de distillation. comprenne au moins
deux étages successifs dont le premier soit le plus bas
et que la deuxième fraction de prélèvement soit
introduite au dessus du premier étage.
L'invention peut par ailleurs prévoir que la partie
haute de la colonne de distillation comprenne au moins
trois étages dont le premier soit le plus bas, dans
laquelle on introduise la première fraction de
prélèvement dans une partie basse du dernïer étage, et
que la troisième fraction de tête soit introduite en
dessous du dernier étage.
L'invention peut enfin prévoir que la troisième
fraction de tête soit introduite au premier étage de la
partie haute de la colonne de distillation.
L'invention peut par ailleurs prévoir que la partie
médiane de la colonne de distillation comprenne au moins
deux étages successifs dont le premier soit le plus bas
et dans laquelle .la troisième fraction de pied soit
introduite au moins au premier étage, et que la premiêre
fraction de tête soit introduite au dessus du premier
étage.
Selon un second de ses aspects, l'invention
concerne un gaz enrichi en méthane obtenu par le présent
procédé ainsi qu'un gaz liquéfié enrichi en hydrocarbures
en Cz et supérieurs, obtenu par le présent procédé.
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Selon un troisième de ses aspects, l'invention
concerne une installation de séparation d'un mélange
refroidi sous pression contenant du méthane et des.
hydrocarbures en C~ et supérieurs, en une fraction finale
légère enrichie en méthane et une fraction finale lourde
enrïchie en hydrocarbures en C2 et supérieurs, comprenant
des moyens pour effectuer une première étape (I) dans
laquelle (Ia) on sépare ledit mélange refroidi sous
pression, dans un premier ballon, en une première
fraction de tête relativement plus volatile, et une
première fraction de pied relativément moins volatile,
dans laquelle (Ib) on introduit la première fraction de
pied dans une partie médiane d'une colonne de
distillation, dans laquelle (Ic) on collecte, dans une
partie basse de la colonne, en tant que seconde fraction
de pied, la fraction finale lourde enrichie en
hydrocarbures en C2 et supérïeurs, dans laquelle (Id) on
introduit, après l'avoir détendue dans une turbine, la
première fraction de tête dans une partie haute de la
colonne de distillation, dans laquelle (Ie) on collecte,
dans la partie haute de la colonne, une seconde fraction
de tête enrichie en méthane, dans laquelle (If) on soumet
ensuite la seconde fraction de tête, pour l'obtention de
la fraction finale légère, à une compression et à un
refroidissement, et dans laquelle (Ig) on prélève de la
fraction finale légère une première fraction de
prélèvement, cette installation comprenant des moyens
pour effectuer une seconde étape (II) dans laquelle (IIa)
on introduit la première fraction de prélèvement, après
refroidissement et liquéfaction, dans la partie haute de
la colonne de distillation, cette installation comprenant
des moyens pour effectuer une troisième étape (III) dans
laquelle (IIIa) on soumet la première fraction de pied à
une pluralité de sous-étapes comprenant un réchauffage,
un passage dans un second ballon, et une séparation en
une troisième fraction de tête relativement plus
volatile, et une troisième fraction de pied relativement
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moins volatile, dans laquelle (IIIb) on introduit la
troisième fraction de pied dans la partie médiane de la
colonne de dïstillation, et dans laquelle (IIIc) on.
introduit la troisïème fraction de entête, après
refroidissement et liquéfaction, dans la partie haute de
la colonne de distillation.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts,
caractéristiques, détails et avantages de celle-ci
apparaîtront plus clairement au cours de la description
qui va suivre en se référant aux dessins schématiques
annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non
limitatif et dans lesquels .
La figure 1 représente un schéma synoptique
fonctionnel d'une installation conforme à un mode de
réalisation possible de l'invention ; et
La figure 2 représente un schéma synoptique
fonctionnel d'une installati6n conforme à un autre mode
de réalisation préféré de l'invention.
Sur ces deux figures, on peut notamment lire les
symboles « FC » qui signifie « contrôleur de débit »,
« GT » qui signifie « turbine à gaz », « LC » qui
signifie « contrôleur de niveau de liquide », « PC » qui
signifie « contrôleur de pression », « SC » qui signifie
« contrôleur de vitesse » et « TC » qui signifie
« contrôleur de température ».
. Par souci de clarté et de concision, les conduites
utilisées dans les installations des figures 1 et 2
seront reprises par les mêmes signes de référence que les
fractions gazeuses. qui y circulent.
En se rapportant à la figure 1, l'installation
représentée est destinée à traiter un gaz naturel sec, en
particulier pour en isoler une fraction composée
principalement de méthane essentiellement exempte
d'hydrocarbures en CZ et supérieurs d'une part, et une
fraction composée principalement d'hydrocarbures en C2 et
supérieurs essentiellement exempte de méthane, d'autre
part.
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Du gaz naturel sec 14 est d'abord séparé en une
fraction 15 qui est refroidie dans un échangeur thermique
E1, et en une fraction 16 qui est envoyêe dans une.
conduite. La circulation de la fraction l~6 est régulée
par une vanne commandée 17 dont l'ouverture~~varie en
fonction de la température d'une fraction 45. A la sortie
de l'échangeur E1, la fraction 15 est mélangée à la
fraction 16 pour donner une fraction 18 refroidie. La
fraction 18 est alors introduite dans un ballon
séparateur liquide/gaz B1 dans lequel cette fraction 18
est séparée en une première fraction de tête 3
relativement plus volatile, et une première fraction de
pied 4 relativement moins volatile.
La première fraction de tête 3 est détendue dans
une une turbine T1 pour fournir une fraction détendue 19
qui est introduite dans la partie médiane d'une colonne
de distillation C1. On collecte ensuite d'une part, dans
une partie basse de la colonne de distillation C1, en
tant que seconde fraction de pied 2, la fraction finale
lourde 2 enrichie en hydrocarbures en C2 et supérieurs.
Cette fraction finale lourde 2 est transportée dans une
conduite comportant une vanne à ouverture commandée 60
dont l'ouverture dépend du niveau de liquide contenu en
pied de la colonne C1. D'autre part, on collecte dans une
partie haute de la colonne de distillation C1, une
seconde fraction de tête 5 enrichie en méthane. Cette
seconde fraction de tête 5 est ensuite réchauffée dans
l'échangeur E1 pour fournir la fraction réchauffée 20,
puis est soumise à une première compression dans un
premier compresseur K1 couplé â la turbine T1 .pour
fournir une fraction comprimée 21. La fraction 21 est
alors soumise à une seconde compression dans un second
compresseur K2 alimenté par une turbine à gaz dont la
vitesse est régulée par un contrôleur de vitesse asservi
à un contrôleur de pression connecté à la conduite
véhiculant la deuxième fraction de tête 5, pour fournir
une autre fraction comprimée 22. Cette dernière est
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ensuite refroidie par de l'air dans un échangeur
thermique A1 pour fournir une fraction comprimée et
refroidie 23.
La fraction 23 est alors divisée en~ une_ première
fraction de prélèvement 6 et en une fraction finale
légère 1 enrichie en méthane. La première fraction de
prélèvement 6 est ensuite refroidie et liquéfïée dans
l'échangeur thermique E1 pour donner une fraction
refroidie 24 qui est véhiculée dans une conduite
comportant une vanne commandée 25 à ouverture dépendant
du débit, puis est introduite dans ~la partie haute de la
colonne de distillation C1.
On prélève de la première fraction de tête-3 une
deuxième fraction de prélèvement 9 qu'on refroidit et
liquéfie dans l'échangeur thermique E1 pour fournir une
fraction refroidie 26. Cette dernière est véhiculée dans
une conduite comportant une vanne commandée 27 à
ouverture dépendant du débit, puis est introduite dans la
partïe haute de la colonne de distillation C1.
La première fraction de pied 4 est transportée dans
une conduite qui comporte une vanne commandée 28 dont
l'ouverture dépend du niveau de liquide dans le fond du
ballon séparateur B1. La première fraction de pied 4 est
alors réchauffée dans l'échangeur E1 pour fournir une
fraction 29 réchauffée. La fraction 29 est alors
introduite dans un ballon séparateur liquide/gaz B2 pour
être séparée en une troisième fraction de tête 7
relativement plus volatile, et une troisième fraction de
pied 8 relativement moins volatile.
La troisième fraction de pied 8 est transportée
dans une conduite qui comporte une vanne commandée 30
dont l'ouverture dépend du niveau de liquide dans le fond
du ballon séparateur B2. La troisième fraction de pied 8
est alors introduite dans la partie médiane de la colonne
de distillation C1. La troisième fraction de tête 7 est
refroidie et liquéfiée dans l'échangeur El pour donner
une fraction refroidie 31. Cette dernière est véhiculée
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dans une conduite comportant une vanne commandée 32 à
ouverture contrôlée en fonction de la pression, puis est
introduite dans la colonne de distillation C1.
La colonne de distillation C1 comporte dans sa
5 partie basse plusieurs étages qui sont reliés deux à deux
par des circuits de réchauffage 33, 34, 35 qui sont
connectés individuellement à l'échangeur thermique E1.
Chacun de ces circuits de réchauffage constitue un
rebouilleur latéral. La régulation de la température de
10 circulation de fluide dans chacun de ces circuits 33, 34,
35 est effectuée à l'aide de vannes~à ouverture commandée
positionnées sur des canalisations de dérivation qui ne
passent pas dans l'échangeur E1. L'ouverture de ces
vannes est commandée par des contrôleurs de température
connectés sur les conduites. Ces contrôleurs,
respectivement 36, 37, 38, sont positionnés en aval de la
zone de mélangeage des fractions après leur passage dans
l'échangeur E1 et/ou les conduites de dérivation.
En se rapportant maintenant à la figure 2, on
observe que la plupart des éléments contenus dans la
figure 1 se retrouvent dans la figure 2, à l'exception
notamment de l'ajout d'un circuit comportant deux ballons
de séparation.
Ainsi, de la même façon que pour la figure 1,~
l'installation représentée est destinée à traiter un gaz
naturel sec, en particulier pour en isoler une fraction
composée principalement de méthane essentiellement
exempte d'hydrocarbures en CZ et supérieurs d'une part, et
une fraction composée principalement d'hydrocarbures en C2
et supérieurs essentiellement exempte de méthane, d'autre
part.
Du gaz naturel sec 14 est d'abord séparé en une
fraction 15 qui est refroidie dans un échangeur thermique
El, et en une fraction 16 qui est envoyée dans une
conduite. La circulation de la fraction 16 est régulée
par une vanne commandée 17 dont l'ouverture varie en
fonction de la température d'une fraction 45. A la sortie
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de l'échangeur E1, la fraction 15 est mélangée à la
fraction 16 pour donner une fraction 18 refroidie. La
fraction 18 est alors introduite dans un ballon.
séparateur liquide/gaz Bl dans lequel cette fraction 18
est séparée en une première fraction de~ tête 3
relativement plus volatile, et une première fraction de
pied 4 relativement moins volatile. La première fraction
de tête 3 est détendue dans une turbine T1 pour fournir
une fraction détendue 19 qui est introduite dans la
partie médiane d'une colonne de distillation C1. On
collecte ensuite d'une part, dans Li.ne partie basse de la
colonne de distillation C1, en tant que seconde fraction
de pied 2, la frâction finale lourde 2 enrichie en
hydrocarbures en C2 et supérieurs. Cette fraction finale
lourde 2 est transportée dans une conduite. comportant une
vanne à ouverture commandée 60 dont l'ouverture dépend du
niveau de liquide contenu én pied de la colonne C1.
D'autre part, on collecte dans une partie haute de la
colonne de distillation C1, une seconde fraction de tête
5 enrichie en méthane. Cette seconde fraction de tête 5
est ensuite réchauffée dans l'échangeur E1 pour fournir
une fraction réchauffée 20, puis est soumise à une
première compression dans un premier compresseur K1
couplé à la turbine T1 pour fournir une fraction
comprimée 21. La fraction 21 est alors soumise à une
seconde compression dans un second compresseur K2
alimenté par une turbine à gaz dont la vitesse est
régulée par un contrôleur de vitesse asservi à un
contrôleur de pression connecté à la conduite véhiculant
la deuxième fraction de tête 5, pour fournir une autre
fraction comprimée 22. Cette dernière est ensuite
refroidie par de l'air dans un échangeur thermique A1
pour fournir une fraction comprimée et refroidie 23.
La fraction 23 est alors divisée en une première
fraction de prélèvement 6 et en une fraction finale
légère 1 enrichie en méthane. La première fraction de
prélèvement 6 est ensuite refroidie dans l'échangeur
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thermique E1 pour donner une fraction refroidie 24 qui
est véhiculée dans une conduite comportant une vanne
commandée 25 à ouverture dépendant du débit, puis est.
introduite dans la partie haute de la colonne de
distillation C1. .
On prélève de la première fraction de tête 3 une
deuxième fraction de prélèvement 9 qu'on refroidit dans
l'échangeur thermique E1 pour fournir une fraction
refroidie 26. Cette dernière est véhiculée dans une
conduite qui, à la différence de la figure 1, comporte
une vanne commandée 39 à ouverture dépendant du débit. La
fraction refroidie 26 est alors intrôduite dans un ballon
séparateur liquidefgaz B3 pour être séparée en une
quatriême fraction de tête 10 relativement plus volatile,
et une quatrïème fraction de pied 11 relativement moins
volatile.
La quatrième fraction de tête recueillie est
ensuite refroidie dans l'échangeur E1 pour donner une
fraction refroidie et liquéfiée 40.
La fraction refroidie et liquéfiée 40 est ensuïte
véhiculée dans une conduite comportant une vanne
commandée 27 à ouverture dépendant du débit, puis est
introduite dans la partie haute de la colonne de
distillation C1.
La quatrième fraction de pied 11, est transportée
dans une conduite qui comporte une vanne commandée 41
dont l'ouverture dépend du niveau de liquide dans le fond
du ballon séparateur B3. La quatrième fraction de pied 11
est ensuite réchauffée dans l'échangeur E1 pour donner
une fraction réchauffée 42. Cette fraction réchauffée 42
est séparée dans un quatrième ballon B4 en une cinquième
fraction de tête relativement plus volatile 12 et une
cinquiême fraction de pied relativement moins volatile
13.
La cinquième fraction de tête 12 est refroidie et
liquéfiée dans l'échangeur E1 pour produire une fraction
refrôidie et liquéfiée 43. Cette dernière est alors
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transportée dans une conduïte qui comporte une vanne
commandée 44 dont l'ouverture dépend de la pression dans
la conduite, puis est introduite dans la partie haute de.
la colonne de distillation C1.
La cinquiéme fraction de pied relativement moins
volatile 13 est transportée dans une conduite comportant
une vanne 62 à ouverture commandée par un contrôleur de
niveau de liquide contenu dans le ballon B4.
La première fraction de pied 4 est transportée dans
une conduite qui comporte une vanne commandée 28 dont
l'ouverture dépend du niveau de liquide dans le fond du
ballon séparateur B1. La première fraction de pied 4 et
la cinquième fractiôn de pied 13 sont alors réunies pour
donner une fraction mélangée 63 qui est réchauffée dans
l'échangeur E1 pour fournir une fraction 29 réchauffée.
La fraction 29 est alors introduite dans un ballon
séparateur liquïde/gaz B2 pour être séparée en une
troisième fraction de tête 7 relativement plus volatile,
et une troisième fraction de pied 8 relativement moins
volatile.
La troisième fraction de pied 8 est transportée
dans une conduite qui comporte une vanne commandée 30
dont l'ouverture dépend du niveau de liquide dans le fond
du ballon séparateur B2. La troisième fraction de pied 8
est alors introduite dans la partie médiane de la colonne
de distillation C1. La troisième fraction de tête 7 est
refroidie et liquéfiée dans l'échangeur E1 pour donner
une fraction refroidie et liquéfiée 31. Cette dernière
est véhiculée dans une conduite comportant une vanne à
ouverture contrôlée 32 en fonction de la pression,, puis
est introduite dans la colonne de dïstillation C1.
La colonne de distillation C1 comporte dans sa
partie basse plusieurs plateaux qui sont reliés deux. à
deux par des circuits de réchauffage 33, 34, 35 qui sont
connectés individuellement à l'échangeur thermique E1.
Chacun de ces circuits de réchauffage constitue un
reboùilleur latéral. La régulation de la température de
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circulation de fluide dans chacun de ces circuits 33, 34,
35 est effectuée à l'aide de vannes à ouverture commandée
positionnées sur des canalisations de dérivation qui ne.
passent pas dans l'échangeur E1. L'ouverture de ces
vannes est commandée par des contrôleurs de température
connectés sur les conduites. Ces contrôleurs,
respectivement 36, 37, 38, sont positionnés en aval de la
zone de mélangeage des fractions après leur passage dans
l'échangeur E1 et/ou les conduites de dérivation.
Le procédé d'extraction d'éthane utilisant une
installation selon le schéma 1 permet de récupérer plus
de 99 % de l'éthane contenu dans un gaz naturel.
Selon une modélisation de l'installation en
fonctionnement du schéma 1, la charge de gaz naturel sec
(14) à 24°C et 62 bar dont le débit est de 15000 kmol/h,
et composée de 0,4998 mol de CO2, 0,3499 %mol de N2,
89,5642 %mol de méthane, 5;2579 mol d'éthane, 2,3790
%mol de propane, 0,5398 %mol d'isobutane, 0,6597 mol de
n-butane, 0,2399 %mol d'ïsopentane, 0,1899 mol de n-
pentane, 0,1899 %mol de n-hexane, 0,1000 %mol de n-
heptane, 0,0300 %mol de n-octane est refroidie et
partiellement condensée dans l'échangeur de chaleur E1
jusqu'à -42°C et 61 bar pour former la fraction 18. Les
phases liquide et gazeuse sont séparées dans le ballon
B1. La première fraction de tête 3 qui est un courant de
13776 kmol/h, est divisée en deux courants .
(a) le courant principal 45, qui a un débit de
11471 kmol/h, est détendu dans la turbine Tl jusqu'à une
pression de 23,20, bar. La détente dynamique permet de
récupérer 3087 kW d'énergie et permet de refroidir ce
courant jusqu'à une température de -83,41°C. Ce courant
19, qui est partiellement condensé, est envoyé vers la
colonne Cl. Le courant 19 entre dans cette colonne sur un
étage 46 qui est le dixième étage en partant de l'étage
le plus élevé de la colonne Cl . Sa pression d' entrée est
de 23,05 bar et sa température est de -83,57°C.
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(b) le courant secondaire 9 de 2305 kmol/h, qui est
lïquéfié et refroidi jusqu'à -101,40°C dans l'échangeur
E1 pour former la fraction 26. Cette fraction 26 qui.
comprend 4,55 %mol d'éthane est détendue à 23,20 bar à
5 une température de -101,68°C puis est introduite dans un
étage 47 de la colonne C1 qui est le cinquième étage en
partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
La première fraction de pied 4 du ballon B1 dont le
débit est de 1224 kmol/h et qui comprend 54,27 %mol de
10 méthane et 13,24 %mol d'éthane, est détendue à une
pression de 40,0 bar puis est réchauffée dans l'échangeur
E1 de -52,98°C à -38,00°C pour obtenir la fraction 29.
Cette dernière est introduite dans le ballon de
séparation B2.
15 La fraction de tête 7 issue du ballon B2 dont le
débit est de 439 kmol/h et la teneur en éthane est de
6,21 %mol, est refroidie et- liquéfiée de -38,00°C à -
101,40°C, pour obtenir la fraction 31. Cette dernière est
ensuite détendue à 23,2 bar et -101,47°C, puis introduite
dans la colonne Cl à un étage 48 qui est le sixième étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
La fraction de pied ou fraction de fond 8, dont le
débit est de 784 kmol/h et la teneur en éthane est de
17,18 %mol, est détendue à 23,2 bar et -46,46°C puis
introduite dans la colonne C1 à un étage 49 qui est le
douzième étage en partant de l' étage le plus élevé de la
colonne.
La colonne C1 produit la fraction de tête 5 à une
pression de 23 bar et une température de -103,71°C avec
un débit de 15510 kmol/h. Cette fraction de tête 5 ne
contient plus que 0,05 %mol d'éthane.
La fraction de tête 5 est réchauffée dans
l'échangeur E1 pour fournir une fraction 20 à une
température de 17,96°C et une pression de 22,0 bar. Cette
fraction 20 est comprimée dans le compresseur K1 couplé à
la turbine T1. La puissance récupérée par la turbine est
utilïsée pour comprimer la fraction 20 pour donner la
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fraction comprimée 21 à une température de 38,80°C et une
pression de 27,67 bar. Cette dernière fraction est alors
comprimée dans le compresseur principal K2 pour donner la.
fraction 22 à une pression de 63,76 bar, et une
température de 118,22°C. Le compresseur K2 est entraîné
par la turbine à gaz GT. La fraction 22 est alors
refroidie dans le refroidisseur à air A1 pour fournir ' la
fraction 23 à une température de 40, 00°C et une pression
de 63,06 bar.
La fraction 23 est alors séparée d'une part en la
fraction principale 1 à raison de~13510 kmol/h qui est
envoyée ensuite dans un gazoduc pour être ensuite livré
aux clients industriels, et d'autre part en la fraction
de dérivation 6 à raison de 2000 kmol/h. La fraction 1
est composée de 99,3849 %mol de méthane et de 0,0481 %mol
d'éthane, 0,0000 %mol de propane et alcanes supérieurs,
0, 1785 %mol de C0~ et 0, 3885 %mol de N2.
La fraction de dérivation 6 est recyclée vers
l'échangeur thermique E1 pour fournir la fraction 24
refroidie à -101, 40°C sous 62, 06 bar. La fraction 24 est
alors détendue à 23,2 bar et -104,18°C pour être ensuite
introduite dans la colonne C1 à un étage 50 qui est le
premier étage en partant de l'étage le plus élevé de la
colonne.
La colonne C1 produit en fond la seconde fraction
de pied 2 qui contient 99,18 % de l'éthane contenu dans
la charge de gaz naturel sec 14, et 100 % des autres
hydrocarbures contenus initialement dans cette charge 14.
Cette fraction 2,, disponible à 19,16°C et 23,2 bar
contient 3,4365 %mol de C02, 0,0000 %mol de NZ, 0,5246
%mol de méthane, 52,4795 %mol d'éthane, 23,9426 %mol de
propane, 5,4324 %mol d'isobutane, 6,6395 %mol de n
butane, 2,4144 %mol d'isopentane, 1,9114 %mol de n
pentane, 1,9114 %mol de n-hexane, 1,0060 %mol de n
heptane, 0,3018 %mol de n-octane.
La colonne C1 est pourvue de rebouilleurs latéraux
dans sa partie basse, qui est située en dessous de
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l'étage où la fraction 8 est introduite, et comporte une
pluralité d'ëtages.
Ainsi, le liquide collecté sur un plateau 52,
disponible à une température de -52,67°C et une pression
de 23,11 bar, situé en dessous d'un étage 51 qui est le
treizième étage en partant de l'étage le plus élevé de la
colonne, est conduit dans le rebouilleur latéral 33.
Celui-ci est constitué par un circuit intégré dans
l'échangeur E1 dont le débit est de 2673 kmol/h. Ce
rebouilleur latéral 33 a une puissance thermique de 3836
kW. Le liquide collecté sur le plateau 52 est alôrs
réchauffé à -19,79°C puis renvoyé dans la colonne C1 sur
un plateau 53 qui côrrespond au fond du quatorzième étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne. Le
liquide soutiré du plateau 52 est composé notamment de
24,42 %mol de méthane et de 44,53 %mol d'éthane.
De même, le liquide cbllecté sur un plateau 55,
dïsponible à une température de 2,84°C et une pression de
23,17 bar, situé en dessous d'un étage 54 qui est le dix-
neuvième étage en partant de l' étage le plus élevé de la
colonne, est conduit dans le rebouilleur latéral 34.
Celui-ci est constitué par un circuit intégré dans
l'échangeur E1 dont le débit est de 2049 kmol/h. Ce
rebouilleur latéral 34 a une puissance thermique de 1500
kW. Le liquide collecté sur le plateau 55 est alors
réchauffé à 11,01°C puis renvoyé dans la colonne Cl° sur
un plateau 56 qui correspond au fond du vingtième étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne. Le
liquide soutiré du plateau 55 est composé notamment de
2,84 %mol de méthane et de 57,29 %mol d'éthane.
Enfïn, le liquide collecté sur un plateau 58,
disponible à une température de 13,32°C et une pression
de 23,20 bar, situé en dessous d'un étage 57 qui est le
vingt-deuxième étage en partant de l'étage le plus élevé
de la colonne, est conduit dans le rebouilleur de fond de
colonne ou rebouilleur latéral 35. Celui-ci est constitué
par ùn circuit intégré dans l' échangeur E1 dont le débit
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est de 1794 kmol/h. Ce rebouilleur latéral 35 a une
puissance thermique de 1146 kW. Le liquïde collecté sur
le plateau 58, composé notamment de 0,93 %mol de méthane
et de 55,89 %mol d'êthane, est alors réchauffé à 19,16°C
puis renvoyé dans le fond de la colonne Cl.~dans une
enceinte 59 qui correspond au fond du vingt-troisième
étage en partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
Le liquide quittant le plateau 58 a la même composition
que le produit de fond de colonne 59 et que le produit 2
soutiré en pied de colonne C1.
L'ensemble des échanges de chaleur se fait dans
l'échangeur cryogénique E1 qui est composé de préférence
d'une batterie d'échangeurs à plaques en aluminium brasé.
Le procédé d'extraction d'éthane utilisant une
installation selon le schéma 2 permet de récupérer plus
de 99 % de l'éthane contenu dans un gaz naturel.
Selon une modélisation de l'installation en
fonctionnement du schéma 2, la charge de gaz naturel sec
14, à une température de 24°C et une pression de 62 bar
dont le débit est de 15000 kmol/h, et composée de 0, 4998
%mol de CO~, 0,3499 %mol de N2, 89,5642 %mol de méthane,
5,2579 %mol d'éthane, 2,3790 %mol de propane, 0,5398 %mol
d'isobutane, 0,6597 %mol de n-butane, 0,2399 %mol
d'isopentane, 0,1899 %mol de n-pentane, 0,1899 %mol de n-
hexane, 0,1000 %mol de n-heptane, 0,0300 %mol de n-octane
est refroidie et partiellement condensée dans l'échangeur
de chaleur E1 jusqu'à -42°C et 61 bar pour former la
fraction 18. Les phases liquide et gazeuse sont séparées
dans le ballon B1. La première fraction de tête 3 qui est
un courant de 13776 kmol/h, est divisée en deux
courants .
(a) le courant principal 45 d'un débit de 11471
kmol/h, qui est détendu dans la turbine T1 jusqu'à une
pression de 23,20 bar. La détente dynamique permet de
récupérer 3087 kW d'énergie et permet de refroidir ce
courant jusqu'à une température de -83,41°C. Ce courant
19, 'qui est partiellement condensé, est envoyé vers la
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colonne Cl. I1 entre dans cette colonne sur un étage 46
qui est le dixième étage en partant de l'étage le plus
élevé de la colonne C1. Sa pression d'entrée est de 23,05.
bar et sa température est de -83,57°C,
(b) le courant secondaire 9, d'un débit de 2305
kmol/h, qui est liquéfié et refroidi jusqu'à -62,03°C
dans l'échangeur E1 pour former la fraction 26. Cette
fraction 26 qui comprend 4,5 %mol d'éthane est détendue à
46 bar à une température de -72, 68°C puis est introduite
dans le troisième ballon séparateur B3 où les phases
vapeur et liquide sont séparées en lae quatrième fraction
de tête 10 et la quatrième fraction de pied 11.
La quatrième fraction de tête 10, dont le débit est
de 1738 kmol/h, comprend 96,15 %mol de méthane et 2,61
%mol d'éthane. Cette dernière est alors liquéfiée et
refroidie à -101,4°C dans l'échangeur E1 pour donner la
fraction 40. La fraction 40 'est ensuite détendue à 23,2
bar à une température de -102,99°C pour être introduite
dans 1a colonne C1 à un étage 47 qui est le cinquième
étage en partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
La quatrième fraction de pied 11, dont le débit est
de 567 kmol/h, comprend 82,11 %mol de méthane et 10,48
%mol d'éthane. Cette dernière est alors réchauffée dans
l'échangeur E1 à une température de -55,00°C et une
pression de 44,50 bar pour être introduite dans le
quatrième ballon séparateur B4 oû les phases liquide et
gazeuse sont séparées en la cinquième fraction de tête 12
et la cinquième fraction de pied 13.
La cinquième fraction de tête 12, dont le débit est
de 420 kmol/h, comprend. 91,96 %mol de méthane et .6,05
%mol d'éthane. Cette dernière est alors liquéfiée et
refroidie à -101,4°C dans l'échangeur E1 pour donner la
fraction 43. La fraction 43 est ensuite détendue à 23,2
bar à une température de -101,57°C pour être introduite
dans la colonne C1 à un étage 61 qui est le sixième étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
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La cinquième fraction de pied 13, dont le débit est
de 146 kmol/h, comprend 53,85 %mol de méthane et 23,22
%mol d'éthane. Cette dernière est alors mélangée à la.
première fraction de pied 4 pour donner 1â fraction 63.
5 La fractïon 63 est alors réchauffée dans l'échangeur E1
de -53,70°C à -38,00°C et à une pression de 39,5 bar pour
donner la fraction 29.
La première fraction de pied 4 du ballon B1 dont le
débit est de 1224 kmol/h et qui comprend 13,24 %mol
10 d'éthane, est détendue à une pression de 40 bar avant
d'être mélangée à la fraction 13.
La fraction 29 est ensuite introduite dans le
ballon de séparation B2. La fraction de tête 7 issue du
ballon B2 dont le débit est de 494 kmol/h et la teneur en
15 éthane est de 6, 72 %mol, est refroidie et lïquéfiée de -
38°C à -101,4°C, pour obtenir la fraction 31. Cette
dernière est ensuite détendue à 23,2 bar puis introduite
dans la colonne Cl à un étage 48 qui est le septième
étage en partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
20 La fraction de pied ou fraction de fond 8, dont le
débit est de 876 kmol/h et la teneur en éthane est de
18,58 %mol, est détendue à 23,2 bar et -46,76°C puis
introduite dans la colonne Cl à un étage 49 qui est le
douzième étage en partant de l' étage le plus élevé de la
colonne.
La colonne Cl produit la fraction de tête 5 à une
pression de 23 bar et une température de -103,61°C, avec
un débit de 15308 kmol/h. Cette fraction de tête 5 ne
contient plus que 0,05 %mol d'éthane.
La fraction de tête 5 est réchauffée dans
l'échangeur E1 pour fournir la fraction 20 à. une
température de 17,48°C et une pression de 22 bar. Cette
fraction 20 est comprimée dans le compresseur Kl couplé à
la turbine T1. La puissance récupérée par la turbine est
utilisée pour comprimer la fraction 20 pour donner la
fraction comprimée 21 à une température de 38,61°C et une
pression de 27,76 bar. Cette dernière fraction est alors
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comprimée dans le compresseur principal K2 pour donner la
fraction 22 à une pression de 63,76 bar et une
température de 117,7°C. Le compresseur K2 est entraîné,
par la turbine â gaz GT. La fraction ~~22 est alors
refroidie dans le refroidisseur à air A1 pour fournir la
fraction 23 à une température de 40,00°C et une pression
de 63,06 bar.
La fraction 23 est alors séparée d'une part en la
fraction principale 1 â raison de 13517 kmol/h qui est
envoyée ensuite dans un gazoduc pour être ensuïte livré
aux clients industriels, et d'autre part en la fraction
de dérivation 6 à raison de 1790 kmol/h. La fraction 1
est composée de 99,3280 %mol de méthane et de 0,0485 %mol
d'éthane, 0,0000 %mol de propane et alcanes supérieurs,
0,2353 %mol de COZ et 0,3882 %mol de N2.
La fraction de dérivation 6 est recyclëe vers
l'échangeur thermique E1 pour fournir la fraction 24
refroidie à -101,4°C sous une pression de 62,06 bar. La
fraction 24 est alors détendue à 23,2 bar pour une
température de -104,17°C pour être ensuite introduite
dans la colonne C1 à un étage 50 qui est le premier étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne.
La colonne C1 produit en fond la seconde fraction
de pied 2 qui contient 99,18 % de l'éthane contenu dans
la charge de gaz naturel sec 14, et 100 % des autres
hydrocarbures contenus initialement dans cette charge 14.
Cette fraction 2, disponible à 19,90°C et 23,2 bar
contient 2,9129 %mol de CO~, 0,0000 %mol de Na, 0,5274
mol de méthane, 52,7625 mol d'éthane, 24,0733 %mol de
propane, 5,4620 %mol d'isobutane, 6,6758 %mol de n
butane, 2,4276 %mol d'isopentane, 1,9218 %mol de n
pentane, 1,9218 %mol de n-hexane, 1,0115 mol de n
heptane, 0,3034 %mol de n-octane.
La colonne C1 est pourvue de rebouilleurs latéraux
dans sa partie basse, qui est située en dessous de
l' étage où la fraction 8 est introduite, et comporte une
pluràlité d'étages.
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Ainsi, le liquide collecté sur un plateau 52,
disponible à une température de -51,37°C et une pression
de 23,11 bar, situé en dessous d'un étage 51 qui est le.
treizième étage en partant de l'étage le plüs élevé de. la
colonne, est conduit dans le rebouilleur latéral 33.
Celui-ci est constitué par un circuit intégré dans
l'échangeur E1 dont le débit est de 2560 kmol/h. Ce
rebouilleur latéral 33 a une puissance thermique de 3465
kW. Le liquide collecté sur le plateau 52 est alors
réchauffé â -19, 80°C puis renvoyé dans la colonne C1 sur
un plateau 53 qui correspond au fond du quatorzième étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne. Le
liquide soutirë du-plateau 52 est composé notamment de
23,86 %mol de méthane et de 45,10 %mol d'éthane.
De même, le liquide collecté sur un plateau 55,
disponible à une température de 3,48°C et une pression de
23,17 bar, situé en dessous d'un étage 54 qui est le dix-
neuvième étage en partant de l'étage le plus élevé de la
colonne, est conduit dans le rebouilleur latéral 34.
Celui-ci est constitué par un circuit intégré dans
l'échangeur E1 dont le débit est de 2044 kmol/h. Ce
rebouilleur latéral 34 a une puissance thermique de 1500
kW. Le liquide collecté sur le plateau 55 est alors
réchauffé à 11,71°C puis renvoyé dans la colonne C1 sur
un plateau 56 qui correspond au fond du vingtième étage
en partant de l'étage le plus élevé de la colonne. Le
liquide présent sur le plateau 55 est composé notamment
de 2,92 %mol de méthane et de 57,92 %mol d'éthane.
Enfin, le liquide collecté sur un plateau 58,
disponible à une température de 14,09°C et une pression
de 23,20 bar, situé en dessous d'un étage 57 qui est le
vingt-deuxième étage en partant de l'étage le plus élevé
de la colonne, e.st conduit dans le rebouilleur de fond de
colonne ou rebouilleur latéral 35. Celui-ci est constitué
par un circuit intégré dans l'échangeur E1 dont le débit
est de 1788 kmol/h. Ce rebouilleur latéral 35 a une
puissance thermique de 1147 kW. Le liquide collecté sur
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le plateau 58 est alors réchauffé à 19,90°C puis renvoyé
dans le fond 59 de la colonne C1. Le liquide soutiré du
plateau 58 est composé notamment de 0,94 %mol de méthane
et de 56,35 %mol d'éthane. '
Dans le cas de l'utilisation d'une installation
selon le procédé décrit au schéma 2, pour une
récupération de l'éthane identique à celle obtenue lors
de l'utilisation d'une installation selon le schéma 1,
une diminution de la puissance du compresseur K2 de 12355
kW à 12130 kW est obtenue. De même, une dimïnution du
débit de gaz recyclé dans le circuit comprenant la
fraction 6 de 2000 kmol/h à 1790 kmol/h permet de
diminuer les échangès de chaleur lors du refroidissement
de la fraction 6 pour l'obtention de la fraction 24.
On note également une réduction de la teneur en
dioxyde de carbone de la coupe CZ+ .
- Selon le schéma 1 . 3;4365 %mol
- Selon le schéma 2 . 2,9129 %mol
Ce taux plus faible de C02 permet ainsi de faciliter
un traitement ultérieur visant à éliminer au moins en
partie le dioxyde de carbone présent dans la coupe en C~,
soutirée en pied de colonne C1.
L'invention présente donc un intérêt pour la
limitation des dépenses énergétiques lors de la
production de gaz purifiés. Ce but est atteint tout en
permettant une grande sélectivité de séparation du
méthane et des autres constituants lors de la mise en
aeuvre du procédé.
Ainsi, les résultats obtenus par l'invention
procurent des avantages importants constitués par une
simplification et une économie substantielles dans la
réalisation et la technologie des équipements et des
méthodes de leur mise en ouvre ainsi que dans la qualité
des produits obtenus par ces méthodes.
