EP0387128A1 - Procédé et installation de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux - Google Patents

Procédé et installation de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux Download PDF

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EP0387128A1 EP90400549A EP90400549A EP0387128A1 EP 0387128 A1 EP0387128 A1 EP 0387128A1 EP 90400549 A EP90400549 A EP 90400549A EP 90400549 A EP90400549 A EP 90400549A EP 0387128 A1 EP0387128 A1 EP 0387128A1
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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration

Definitions

  • the present invention relates to the technique for recovering the heaviest hydrocarbons from a gas mixture. It relates more particularly to a process for recovering the heaviest hydrocarbons from a gaseous mixture further containing lighter constituents including hydrogen, in particular for the recovery of LPG (C3+) from a residual gas from an oil refinery.
  • the object of the invention is to provide a clearly more economical method eliminating all these drawbacks.
  • the method according to the invention is characterized in that: - part of the hydrogen is removed from the mixture; the remaining mixture is introduced at an intermediate level of a distillation column comprising a top condenser which provides reflux in the column, this condenser being cooled by a cooling device capable of providing a cold temperature TF of the order of -40 ° C or higher than this value; and the hydrogen content of said remaining mixture is determined so that the dew point, at column pressure, of the fraction of this remaining mixture constituted by said lighter constituents is greater than the temperature TF but close to it .
  • the partial elimination of the hydrogen is carried out by permeation.
  • this elimination partial hydrogen is carried out by PSA adsorption (Pressure Swing Adsorption), said remaining mixture being constituted by the residual gas from this adsorption and being compressed before being introduced into the column, the composition of said remaining mixture being optionally adjusted by permeation.
  • PSA adsorption Pressure Swing Adsorption
  • the invention also relates to an installation intended for the implementation of such a method.
  • This installation is characterized in that it includes: - means for removing part of the hydrogen from the mixture, providing a remaining mixture; and a distillation column supplied with this remaining mixture and comprising a top condenser which provides reflux in the column, this condenser being cooled by a cooling device capable of providing a cold temperature TF of the order of -40 ° C or greater than this value; the means for partial elimination of hydrogen being adapted so that the fraction of said remaining mixture constituted by said lighter constituents has, at column pressure, a dew point above the temperature TF but close to it.
  • an oil refinery waste gas of the following typical composition is treated: 74% H2, 12.2% C1, 9.5% C2, 2.7% C3, 1.6% C4 +, as well as traces of benzene compounds and water, in order to recover LPG (C3+).
  • the gas to be treated is introduced at 31 bars, via a line 1, into the high-pressure space of a permeator 2.
  • the permeate forming approximately two-thirds of the initial flow rate and consisting of hydrogen at a purity of 98 to 99% is removed from the permeator at low pressure under a few bars, via a line 3.
  • the residue from the permeation containing almost all of the hydrocarbons, has the following composition: 21.3% H2, 36.7% C1, 28.9% C2, 8.2% C3, 4.9% C4+, as well as traces of benzene compounds and water.
  • This residue is dried in a desiccator 4, then cooled in a heat exchanger. indirect heat 5, then introduced at about 30 bars at an intermediate level of a distillation column 6.
  • the column 6 is equipped in the tank with a reboiler 7 operating at approximately 100 ° C, and at the head of a condenser 8 operating at approximately -40 ° C and refrigerated by a cooling device 9 consisting of a refrigeration unit, for example in "Freon", on one floor.
  • the overhead vapor of the column is partially condensed by the condenser 8 and then separated into a vapor phase and a liquid phase in a phase separator 10.
  • the vapor phase contains almost all of the hydrogen, methane and ethane contained in the permeation residue, and is discharged via a pipe 11 as waste gas from the installation after having cooled the heat exchanger 5.
  • the liquid phase is returned to reflux at the top of the column 6.
  • the LPG are drawn off in the column tank by a line 12.
  • the residue from the permeation contains a quantity of light hydrocarbons C1 and C2 imposed by the composition of the starting gas. Its hydrogen content is determined by an appropriate dimensioning of the permeator 2, so that the mixture of these light hydrocarbons and hydrogen (that is to say in practice the waste gas) has, at the pressure of the column 6, a dew point slightly higher than the coldest temperature which the condenser 8 can reach with a refrigeration unit 9 with a single stage, ie approximately -40 ° C.
  • the upper part of column 6 performs an almost perfect elimination of hydrogen by washing, so that the only loss of LPG is that which occurs in the permeator 2.
  • the minimum compatible with a refrigeration unit 9 with a single stage is kept the amount of hydrogen eliminated by permeation, and therefore the loss of LPG. In practice, it is found that this loss can be made negligible, so that the extraction efficiency of LPG is close to 100%.
  • the benzene compounds in the starting gas have no drawbacks and are simply found in the LPG produced.
  • the desiccator 4 can possibly be dispensed with.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only by the treatment of the gas upstream of the heat exchanger 5. It is particularly suitable when it is desired to produce very pure hydrogen, for example intended to electronic applications.
  • the starting gas is firstly treated by PSA adsorption (Pressure Swing Adsorption) in a 2A adsorption device, which removes about the same amount of hydrogen as before.
  • PSA adsorption Pressure Swing Adsorption
  • the remaining mixture consisting of the waste gas from the device 2A, is available at a low pressure typically close to atmospheric pressure. It is recompressed to around 30 bars by a compressor 13, then cooled in the exchanger 5, then introduced into the column 6 as before.
  • the invention can be applied to other cases of recovery of heavy hydrocarbons.
  • it is possible to recover only the C4+s by choosing the pressure of the column and the hydrogen content of the mixture introduced into this column so that the dew point of the mixture H2 , C1, C2 and C3 constituting the waste gas of the column is greater than -40 ° C; we will choose a cooling device 9 adapted to this temperature, this device possibly being constituted by a simple circulation of water at room temperature.

Abstract

Une partie de l'hydrogène du gaz traité, qui est notamment un gaz résiduaire de raffinerie de pétrole, est tout d'abord éliminée (en 2). Le mélange restant est introduit à un niveau intermédiaire d'une colonne de distillation (6) qui comporte un condenseur de tête (8) fonctionnant à une température TF de l'ordre de -40°C ou plus. La teneur en hydrogène dudit mélange restant est choisie de manière que le point de rosée du gaz résiduaire évacué en tête de colonne soit légèrement supérieur à la température TF. Les hydrocarbures lourds sont recueillis en cuve de la colonne (6).

Description

  • La présente invention est relative à la technique de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux. Elle concerne plus particulièrement un procédé de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux contenant en outre des constituants plus légers dont l'hydrogène, notamment pour la récupération des GPL (C₃⁺) d'un gaz résiduaire de raffinerie de pétrole.
  • Dans les procédés habituels de récupération de GPL, on élimine à peu près totalement l'hydrogène par condensation partielle du mélange jusque vers -80°C.
  • Cette technique présente plusieurs inconvénients :
    - l'obtention d'une température basse de -80°C conduit à l'utilisation d'un groupe frigorifique coûteux à deux étages ;
    - le rendement de récupération des GPL est limité en fonction de la température basse choisie, par exemple à 97 ou 98 % pour -80°C ;
    - la ligne d'échange thermique constitue un investissement coûteux ;
    - les composés benzéniques et l'eau, mêmes présents à de très faibles teneurs, risquent de cristalliser dans la ligne d'échange thermique, conduisant à des bouchages ; il est donc nécessaire d'éliminer au préalable ces constituants.
  • L'invention a pour but de fournir un procédé nettement plus économique éliminant tous ces inconvénients.
  • A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que :
    - on élimine une partie de l'hydrogène du mélange ;
    - on introduit le mélange restant à un niveau intermédiaire d'une colonne de distillation comportant un condenseur de tête qui assure un reflux dans la colonne, ce condenseur étant refroidi par un appareil de refroidissement capable de fournir une température froide TF de l'ordre de -40°C ou supérieure à cette valeur ; et
    - on détermine la teneur en hydrogène dudit mélange restant de façon que le point de rosée, à la pression de la colonne, de la fraction de ce mélange restant constituée par lesdits constituants plus légers soit supérieure à la température TF mais voisin de celle-ci.
  • Dans un premier mode de mise en oeuvre, l'élimination partielle de l'hydrogène est effectuée par perméation.
  • Dans une variante particulièrement adaptée aux cas où l'on souhaite produire simultanément de l'hydrogène pur, cette élimination partielle d'hydrogène est effectuée par adsorption PSA (Pressure Swing Adsorption), ledit mélange restant étant constitué par le gaz résiduaire de cette adsorption et étant comprimé avant d'être introduit dans la colonne, la composition dudit mélange restant étant éventuellement ajustée par perméation.
  • L'invention a également pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comprend :
    - des moyens d'élimination d'une partie de l'hydrogène du mélange, fournissant un mélange restant ; et
    - une colonne de distillation alimentée par ce mélange restant et comportant un condenseur de tête qui assure un reflux dans la colonne, ce condenseur étant refroidi par un appareil de refroidissement capable de fournir une température froide TF de l'ordre de -40°C ou supérieure à cette valeur ;
    - les moyens d'élimination partielle d'hydrogène étant adaptés pour que la fraction dudit mélange restant constituée par lesdits constituants plus légers ait, à la pression de la colonne, un point de rosée supérieur à la température TF mais voisin de celle-ci.
  • Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux installations conformes à l'invention.
  • Dans les exemples représentés, on traite un gaz résiduaire de raffinerie de pétrole de composition typique suivante : 74 % H₂, 12,2 % C₁, 9,5 % C₂, 2,7 % C₃, 1,6 % C₄ ⁺, ainsi que des traces de composés benzéniques et d'eau, en vue d'en récupérer des GPL (C₃⁺).
  • Le gaz à traiter est introduit sous 31 bars, via une conduite 1, dans l'espace haute-pression d'un perméateur 2. Le perméat, formant à peu près les deux-tiers du débit initial et constitué par de l'hydrogène à une pureté de 98 à 99 %, est évacué du perméateur en basse-pression sous quelques bars, par une conduite 3. Le résidu de la perméation, contenant la quasi-totalité des hydrocarbures, présente la composition suivante : 21,3 % H₂, 36,7 % C₁, 28,9 % C₂, 8,2 % C₃, 4,9% C₄⁺, ainsi que des traces de composés benzéniques et d'eau. Ce résidu est desséché dans un appareil de dessication 4, puis refroidi dans un échangeur de chaleur indirect 5, puis introduit sous environ 30 bars à un niveau intermédiaire d'un colonne de distillation 6.
  • La colonne 6 est équipée en cuve d'un rebouilleur 7 fonctionnant à environ 100°C, et en tête d'un condenseur 8 fonctionnant à environ -40°C et réfrigéré par un appareil de refroidissement 9 constitué par un groupe frigorifique, par exemple à "Fréon", à un seul étage. La vapeur de tête de la colonne est partiellement condensée par le condenseur 8 puis séparée en une phase vapeur et une phase liquide dans un séparateur de phases 10. La phase vapeur contient la quasi-totalité de l'hydrogène, du méthane et de l'éthane contenus dans le résidu de la perméation, et est évacuée par une conduite 11 en tant que gaz résiduaire de l'installation après avoir refroidi l'échangeur de chaleur 5. La phase liquide est renvoyée en reflux en tête de la colonne 6. Les GPL sont soutirés en cuve de colonne par une conduite 12.
  • Le résidu de la perméation contient une quantité d'hydrocarbures légers C₁ et C₂ imposée par la composition du gaz de départ. On détermine sa teneur en hydrogène, par un dimensionnement approprié du perméateur 2, de façon que le mélange de ces hydrocarbures légers et de l'hydrogène (c'est-à-dire en pratique le gaz résiduaire) ait, à la pression de la colonne 6, un point de rosée légèrement supérieur à la température la plus froide que peut atteindre le condenseur 8 avec un groupe frigorifique 9 à un seul étage, soit environ -40°C.
  • Ainsi, la partie supérieure de la colonne 6 effectue une élimination à peu près parfaite de l'hydrogène par lavage, de sorte que la seule perte en GPL est celle qui se produit dans le perméateur 2. En choisissant le point de rosée du gaz résiduaire très voisin de -40°C, on maintient au minimum compatible avec un groupe frigorifique 9 à un seul étage la quantité d'hydrogène éliminée par perméation, et donc la perte de GPL. En pratique, on constate que cette perte peut être rendue négligeable, de sorte que le rendement d'extraction des GPL est proche de 100 %.
  • Par ailleurs, grâce à l'absence de toute ligne d'échange de chaleur cryogénique, les composés benzéniques du gaz de départ ne présentent aucun inconvénient et se retrouvent simplement dans les GPL produits. De même, si la teneur en eau du gaz de départ est suffisamment faible, on peut éventuellement se passer de l'appareil de dessication 4.
  • En variante, comme indiqué en trait mixte en 13, on peut avec la même installation produire en plus une coupe C₁/C₂ en soutirant du liquide en tête de la colonne 6. Cependant, on abaisse alors le point de rosée de la vapeur de tête et du gaz résiduaire, ce qui nécessite en compensation une plus forte élimination d'hydrogène par perméation et, par suite, conduit à une dégradation du rendement d'extraction des GPL.
  • L'installation de la figure 2 ne diffère de celle de la figure 1 que par le traitement du gaz en amont de l'échangeur de chaleur 5. Elle convient notamment lorsque l'on désire produire de l'hydrogène très pur, par exemple destiné à des applications électroniques.
  • En effet, le gaz de départ est tout d'abord traité par adsorption PSA (Pressure Swing Adsorption) dans un appareil d'adsorption 2A, qui en élimine à peu près la même quantité d'hydrogène que précédemment. Le mélange restant, constitué par le gaz résiduaire de l'appareil 2A, est disponible à une basse pression typiquement voisine de la pression atmosphérique. Il est recomprimé à environ 30 bars par un compresseur 13, puis refroidi dans l'échangeur 5, puis introduit dans la colonne 6 comme précédemment.
  • Si la teneur en hydrogène du gaz résiduaire de l'appareil 2A conduit à un point de rosée du gaz résiduaire de la colonne voisin de -40°C ou supérieur à cette valeur, on choisit simplement un groupe frigorifique 9 fonctionnant à ce point de rosée. Le rendement d'extraction des GPL sera alors toujours pratiquement de 100 %, puisqu'aucune perte en GPL ne se produit dans l'appareil 2A.
  • Par contre, si cette teneur en hydrogène est trop élévée (d'où un point de rosée en tête de colonne inférieur à -40°C), on l'abaisse à une valeur fournissant un point de rosée légèrement supérieur à -40°C, au moyen d'un perméateur 14 monté entre la sortie du compresseur 13 et de l'échangeur 5, comme schématisé en trait interrompu à la figure 2.
  • On comprend que l'invention peut s'appliquer à d'autres cas de récupération d'hydrocarbures lourds. Par exemple, avec le même gaz de départ que ci-dessus, on peut récupérer uniquement les C₄⁺, en choisissant la pression de la colonne et la teneur en hydrogène du mélange introduit dans cette colonne de façon que le point de rosée du mélange H₂, C₁, C₂ et C₃ constituant le gaz résiduaire de la colonne soit supérieur à -40°C ; on choisira un appareil de refroidissement 9 adapté à cette température, cet appareil pouvant éventuellement être constitué par une simple circulation d'eau à la température ambiante.

Claims (10)

1. Procédé de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux contenant en outre des constituants plus légers dont l'hydrogène, notamment pour la récupération des GPL (C₃⁺) d'un gaz résiduaire de raffinerie de pétrole, caractérisé en ce que :
- on élimine une partie de l'hydrogène du mélange ;
- on introduit le mélange restant à un niveau intermédiaire d'une colonne de distillation (6) comportant un condenseur de tête (8) qui assure un reflux dans la colonne, ce condenseur étant refroidi par un appareil de refroidissement (9) capable de fournir une température froide TF de l'ordre de -40°C ou supérieure à cette valeur ; et
- on détermine la teneur en hydrogène dudit mélange restant de façon que le point de rosée, à la pression de la colonne, de la fraction de ce mélange restant constituée par lesdits constituants plus légers soit supérieure à la température TF mais voisin de celle-ci.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite élimination partielle d'hydrogène est effectuée par perméation (en 2), ledit mélange restant étant constitué par le résidu de cette perméation.
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit résidu subit une dessication (en 4) avant d'être introduit dans la colonne (6).
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite élimination partielle d'hydrogène est effectuée par adsorption PSA (en 2A), ledit mélange restant étant constitué par le gaz résiduaire de cette adsorption et étant comprimé (en 13) avant d'être introduit dans la colonne (6), la composition dudit mélange restant étant éventuellement ajustée par perméation (en 14).
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit mélange restant est refroidi (en 5) par échange de chaleur indirect avec un gaz résiduaire produit en tête de la colonne (6).
6. Installation de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux contenant en outre des constituants plus légers dont l'hydrogène, notamment pour la récupération des GPL (C₃⁺) d'un gaz résiduaire de raffinerie de pétrole, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- des moyens (2 ; 2A,14) d'élimination d'une partie de l'hydrogène du mélange, fournissant un mélange restant ; et
- une colonne de distillation (6) alimentée par ce mélange restant et comportant un condenseur de tête (8) qui assure un reflux dans la colonne, ce condenseur étant refroidi par un appareil de refroidissement (9) capable de fournir une température froide TF de l'ordre de -40°C ou supérieure à cette valeur ;
- les moyens d'élimination partielle d'hydrogène étant adaptés pour que la fraction dudit mélange restant constituée par lesdits constituants plus légers ait, à la pression de la colonne, un point de rosée supérieur à la température TF mais voisin de celle-ci.
7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens d'élimination partielle d'hydrogène sont constitués par un perméateur (2).
8. Installation suivant la revendication 7, caractérisée en qu'un appareil de dessication (4) est disposé à la sortie haute-pression du perméateur (2).
9. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens d'élimination partielle d'hydrogène sont constitués par un adsorbeur PSA (2A), un compresseur (13), éventuellement suivi d'un perméateur (14), étant interposé entre la sortie de gaz résiduaire de cet adsorbeur et la colonne (6).
10. Installation suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur indirect (5) alimenté d'une part par ledit mélange restant, d'autre part par un gaz résiduaire produit en tête de la colonne (6).
EP90400549A 1989-03-09 1990-02-28 Procédé et installation de récupération des hydrocarbures les plus lourds d'un mélange gazeux Expired - Lifetime EP0387128B1 (fr)

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Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0387128A1 true EP0387128A1 (fr) 1990-09-12
EP0387128B1 EP0387128B1 (fr) 1991-11-27

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