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FR3047422A3 - PROCESS AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF HELIUM WITH CO-PRODUCTION OF LIQUID NITROGEN - Google Patents

PROCESS AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF HELIUM WITH CO-PRODUCTION OF LIQUID NITROGEN Download PDF

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FR3047422A3
FR3047422A3 FR1662514A FR1662514A FR3047422A3 FR 3047422 A3 FR3047422 A3 FR 3047422A3 FR 1662514 A FR1662514 A FR 1662514A FR 1662514 A FR1662514 A FR 1662514A FR 3047422 A3 FR3047422 A3 FR 3047422A3
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dans un procédé de séparation d'un mélange gazeux contenant de l'azote, de l'hélium et au moins une impureté plus lourde que l'azote, le mélange est refroidi et séparé dans plusieurs étapes de condensation partielle et on détend au moins une partie d'un liquide enrichi en azote et/ou d'un liquide enrichi en l'impureté plus lourde pour fournir au moins une partie des frigories du procédé.In a method of separating a gaseous mixture containing nitrogen, helium and at least one heavier impurity than nitrogen, the mixture is cooled and separated in several partial condensation steps and at least one part of a nitrogen-enriched liquid and / or a heavier-impurity enriched liquid to provide at least a portion of the process frigories.

Description

L’invention décrite propose un procédé innovant d’extraction d’hélium par voie cryogénique avec co-production d’azote liquide. L’hélium est généralement extrait d’un flux gazeux provenant d’un réservoir souterrain. Certaines sources sont très riches en azote (supérieures à 50 mol. %, plus particulièrement supérieures à 80 mol ;%) et contiennent de l’hélium à une teneur variable (par exemple entre 1 mol. % et 15 mol. %). L’hélium étant un produit de valeur élevée, il est intéressant de l’extraire de ce flux, de le purifier et éventuellement de le liquéfier.The disclosed invention provides an innovative process for cryogenic helium extraction with co-production of liquid nitrogen. Helium is usually extracted from a gas stream from an underground reservoir. Some sources are very rich in nitrogen (greater than 50 mol%, more particularly greater than 80 mol%) and contain helium at a variable content (for example between 1 mol% and 15 mol%). Helium being a product of high value, it is interesting to extract it from this stream, to purify it and possibly to liquefy it.

Par ailleurs, il existe généralement un besoin d’azote liquide sur les sites de production d’hélium liquide pour : • Écranter les stockages d’hélium liquide • Écranter les conteneurs d’hélium liquide qui viennent retirer le produit • Pré-refroidir l’hélium gazeux dans le liquéfacteur d’héliumIn addition, there is usually a need for liquid nitrogen at liquid helium production sites to: • Screen liquid helium storage • Screen the liquid helium containers that remove the product • Pre-cool the product helium gas in the helium liquefier

Cet azote doit être pur (pureté supérieure à 99.999 mol ; %) pour être le plus froid possible en phase liquide. En outre, sa teneur en hydrocarbure et en particulier en méthane doit être faible (typiquement inférieur à 10 ppm, plus particulièrement inférieure à 1 ppm) pour éviter tout risque d’explosion là où il pourrait s’accumuler. 11 est connu de US4659351 de séparer un débit contenant de l’azote et de l’hélium par une série d’étapes de condensation partielle pour produire de l’azote liquide. L’invention propose un procédé pour extraire un flux enrichi en hélium d’un flux d’alimentation tout en produisant de l’azote liquide avec une bonne pureté, sans utiliser des frigories provenant d’un liquéfacteur d’hélium associé.This nitrogen must be pure (purity greater than 99.999 mol%) to be as cold as possible in the liquid phase. In addition, its hydrocarbon content and in particular methane must be low (typically less than 10 ppm, more particularly less than 1 ppm) to avoid any risk of explosion where it could accumulate. It is known from US4659351 to separate a flow containing nitrogen and helium through a series of partial condensation steps to produce liquid nitrogen. The invention provides a method for extracting a helium enriched stream from a feed stream while producing liquid nitrogen with good purity, without using frigories from an associated helium liquefier.

Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange gazeux contenant au moins 50 mol. %, voire au moins 80 mol % d’azote et entre 1 mol % et 15 mol % d’hélium ainsi qu’au moins une impureté plus lourde que l’azote dans lequel : i) Le mélange gazeux est refroidi dans une ligne d’échange et partiellement condensé pour produire un liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde que l’azote et un gaz appauvri en cette au moins une impureté plus lourde ii) Le gaz appauvri en l’impureté plus lourde est refroidi dans la ligne d’échange et partiellement condensé pour former un liquide enrichi en azote et un gaz enrichi en hélium iii) On soutire au moins une partie du liquide enrichi en azote comme produit et on réchauffe le gaz enrichi en hélium dans la ligne d’échange caractérisé en ce que l’on détend au moins une partie du liquide enrichi en azote et/ou du liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde pour fournir au moins une partie des frigories du procédé.According to one object of the invention, there is provided a method for separating a gaseous mixture containing at least 50 mol. %, or even at least 80 mol% of nitrogen and between 1 mol% and 15 mol% of helium and at least one heavier impurity than nitrogen in which: i) the gaseous mixture is cooled in a line of exchange and partially condensed to produce a liquid enriched in the at least one heavier impurity than nitrogen and a gas depleted in this at least one heavier impurity ii) The gas depleted in the heavier impurity is cooled in the exchange line and partially condensed to form a nitrogen-enriched liquid and a helium-enriched gas iii) At least a portion of the nitrogen-enriched liquid is withdrawn as product and the helium enriched gas is heated in the exchange line characterized in that at least a portion of the nitrogen-enriched liquid and / or enriched liquid is expanded to at least one heavier impurity to provide at least a portion of the process refrigerants.

Selon d’autres aspects facultatifs : - on vaporise au moins partiellement le liquide enrichi en 1’ au moins une impureté plus lourde et on détend le gaz ainsi produit dans une turbine. - l’au moins une impureté plus lourde est choisie dans le groupe : méthane, hydrogène, argon, monoxyde de carbone, oxygène, néon. - le gaz appauvri en l’au moins une impureté lourde est refroidi dans la ligne d’échange jusqu’à une température inférieure à -150°C, plus particulièrement inférieure à -180°C. - le mélange gazeux est refroidi dans la ligne d’échange jusqu’à une température d’entre 0°C et -180°C, plus particulièrement entre -100°C et -150°C.According to other optional aspects: at least partially the enriched liquid is vaporized in at least one heavier impurity and the gas thus produced is expanded in a turbine. the at least one heavier impurity is chosen from the group: methane, hydrogen, argon, carbon monoxide, oxygen, neon. - The gas depleted in the at least one heavy impurity is cooled in the exchange line to a temperature below -150 ° C, more particularly below -180 ° C. the gaseous mixture is cooled in the exchange line to a temperature of between 0 ° C. and -180 ° C., more particularly between -100 ° C. and -150 ° C.

Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange gazeux contenant au moins 50 mol. %, voire au moins 80 mol % d’azote et entre 1 mol % et 15 mol % d’hélium ainsi qu’au moins une impureté plus lourde que l’azote comprenant une ligne d’échange, des moyens pour envoyer le mélange gazeux se refroidir dans la ligne d’échange, un premier pot séparateur pour séparer le mélange gazeux partiellement condensé dans la ligne d’échange pour produire un liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde que l’azote et un gaz appauvri en cette au moins une impureté plus lourde, des moyens pour envoyer le gaz appauvri en l’au moins une impureté plus lourde se refroidir dans la ligne d’échange, un deuxième pot séparateur pour séparer le gaz appauvri partiellement condensé pour former un liquide enrichi en azote et un gaz enrichi en hélium, des moyens pour soutirer au moins une partie du liquide enrichi en azote comme produit, des moyens pour envoyer le gaz enrichi en hélium se réchauffer dans la ligne d’échange et des moyens pour détendre au moins une partie du liquide enrichi en azote et/ou du liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde pour fournir au moins une partie des frigories du procédé.According to another object of the invention, there is provided an apparatus for separating a gaseous mixture containing at least 50 mol. %, or even at least 80 mol% of nitrogen and between 1 mol% and 15 mol% of helium and at least one heavier impurity than nitrogen comprising an exchange line, means for sending the gaseous mixture cool in the exchange line, a first separator pot for separating the partially condensed gas mixture into the exchange line to produce a liquid enriched in the at least one heavier impurity than the nitrogen and a depleted gas in this at least one heavier impurity, means for sending the depleted gas to the at least one heavier impurity to cool in the exchange line, a second separator pot for separating the partially condensed depleted gas to form a nitrogen-enriched liquid and a helium-enriched gas, means for withdrawing at least a portion of the nitrogen-enriched liquid as a product, means for sending the helium enriched gas to heat in the exchange line and means for detecting at least a portion of the nitrogen enriched liquid and / or the enriched liquid in the at least one heavier impurity to provide at least a portion of the process refrigerants.

Selon d’autres objets facultatifs : - au moins une partie du liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde est vaporisée dans la ligne d’échange et ensuite détendue. - le liquide vaporisé est détendu dans une turbine.According to other optional objects: at least part of the liquid enriched in the at least one heavier impurity is vaporized in the exchange line and then relaxed. the vaporized liquid is expanded in a turbine.

Le gaz d’alimentation est un mélange contenant principalement de l’azote ( plus que 50 mol %, plus particulièrement plus que 80 mol %) et de l’hélium (par exemple entre 1 mol % et 15 mol %). Il peut aussi contenir des impuretés telles que méthane, hydrogène, argon, monoxyde de carbone, oxygène, néon.The feed gas is a mixture containing mainly nitrogen (more than 50 mol%, more particularly than 80 mol%) and helium (for example between 1 mol% and 15 mol%). It can also contain impurities such as methane, hydrogen, argon, carbon monoxide, oxygen, neon.

Une solution existante pour extraire de l’hélium d’un gaz d’alimentation est, après-prétraitement (séchage et retrait du CO2), de le traiter dans une boite froide. On peut facilement obtenir un gaz riche en hélium par condensation partielle : • En refroidissant et condensant partiellement le gaz d’alimentation jusqu’à une température cryogénique (< -150°C, plus particulièrement < -180°C) • En séparant la phase liquide et la phase gaz ; la phase gaz, riche en hélium, est ensuite réchauffée dans l’échangeurAn existing solution for extracting helium from a feed gas is, after pretreatment (drying and removal of CO2), to treat it in a cold box. A helium-rich gas can be easily obtained by partial condensation: • By cooling and partially condensing the feed gas to a cryogenic temperature (<-150 ° C, more particularly <-180 ° C) • Separating the phase liquid and the gas phase; the gas phase, rich in helium, is then reheated in the exchanger

Une solution existante pour produire de l’azote liquide consiste à installer une unité de séparation d’air pour produire de l’azote liquide par distillation cryogénique. Cette solution a l’inconvénient d’augmenter significativement le coût de production de l’hélium en termes d’investissement et de coût opératoire.An existing solution for producing liquid nitrogen is to install an air separation unit to produce liquid nitrogen by cryogenic distillation. This solution has the disadvantage of significantly increasing the cost of production of helium in terms of investment and operating cost.

Une autre solution existante pour produire de l’azote liquide est de récupérer une partie de liquide condensé lors du procédé d’extraction d’hélium. Cette solution a l’inconvénient de produire de l’azote liquide qui contient encore beaucoup de méthane. L’invention consiste à utiliser un fluide dérivé du gaz d’alimentation pour produire du froid en le détendant dans une turbine.Another existing solution for producing liquid nitrogen is to recover a portion of condensed liquid during the helium extraction process. This solution has the disadvantage of producing liquid nitrogen which still contains a lot of methane. The invention consists in using a fluid derived from the feed gas to produce cold by relaxing it in a turbine.

Tout d’abord le gaz d’alimentation F est refroidi et condensé partiellement dans une ligne d’échange 1,2 jusqu’à une température intermédiaire (entre 0°C et -180°C, plus particulièrement entre -100°C et -150°C). Puis la phase liquide et la phase gazeuse sont séparées dans un premier pot de condensation 4 . La phase liquide du premier pot est détendue dans une vanne et envoyée à un pot de condensation auxiliaire 6. Le liquide du pot auxiliaire 6 est vaporisé dans la ligne d’échange contre le gaz d’alimentation et dans cet exemple ensuite détendu dans une turbine 7. Le gaz de la turbine est réchauffé dans la ligne d’échange jusqu’au bout chaud pour former le gaz résiduaire W. Le gaz du pot auxiliaire est également réchauffé dans la ligne d’échange 1,2.Firstly, the feed gas F is cooled and partially condensed in a 1.2 exchange line to an intermediate temperature (between 0.degree. C. and -180.degree. C., more particularly between -100.degree. 150 ° C). Then the liquid phase and the gas phase are separated in a first condensation pot 4. The liquid phase of the first pot is expanded in a valve and sent to an auxiliary condensation pot 6. The liquid of the auxiliary pot 6 is vaporized in the exchange line against the feed gas and in this example then expanded in a turbine 7. The gas turbine is warmed in the heat exchange line to the hot end to form the waste gas W. The gas auxiliary pot is also heated in the exchange line 1,2.

La phase gazeuse résultante du premier pot 4 est très appauvrie en hydrocarbures. Elle est ensuite à nouveau condensée partiellement dans la même ligne d’échange ou dans une autre ligne d’échange 3 jusqu’à une température cryogénique plus basse que la température intermédiaire (< -150°C, plus particulièrement < -180°C). Les phases liquide et gazeuse résultantes sont à nouveau séparées dans un deuxième pot 5. La phase gazeuse, riche en hélium, est réchauffée et constitue le produit riche en hélium He. La phase liquide est de l’azote qui ne contient que des traces d’hydrocarbures. Une partie ou tout est sortie de la boite froide comme liquide LIN et est utilisée pour les différents besoins en azote liquide de l’unité ou envoyée dans un stockage.The resulting gas phase of the first pot 4 is very depleted in hydrocarbons. It is then again condensed partially in the same exchange line or in another exchange line 3 to a cryogenic temperature lower than the intermediate temperature (<-150 ° C., more particularly <-180 ° C.) . The resulting liquid and gaseous phases are separated again in a second pot 5. The gas phase, rich in helium, is reheated and constitutes the product rich in helium He. The liquid phase is nitrogen which contains only traces of hydrocarbons. A part or all is taken out of the cold box as LIN liquid and is used for the different needs of liquid nitrogen of the unit or sent to a storage.

De manière générale, tout ou une partie des phases liquides des premier et second pots de condensation partielle 4,5 est détendu puis vaporisé et réchauffé dans la ou les lignes d’échanges à contre-courant du gaz d’alimentation.Generally, all or part of the liquid phases of the first and second partial condensation pots 4,5 is expanded and then vaporized and heated in the countercurrent flow line or lines of the feed gas.

Eventuellement, selon la quantité d’azote liquide à produire, une turbine 7 peut être ajoutée comme illustrée à la figure pour fournir la puissance nécessaire à la production de liquide. L’avantage de cette solution est de produire de l’azote liquide avec une pureté satisfaisante pour les utilisations directement depuis l’unité d’extraction d’hélium, donc de limiter l’investissement de l’unité (pas d’autres unités nécessaires) ou les coûts opératoires (pas d’importation d’azote liquide nécessaire).Optionally, depending on the amount of liquid nitrogen to be produced, a turbine 7 may be added as shown in the figure to provide the power necessary for the production of liquid. The advantage of this solution is to produce liquid nitrogen with a purity satisfactory for the uses directly from the helium extraction unit, thus to limit the investment of the unit (no other necessary units ) or operating costs (no import of liquid nitrogen required).

Claims (8)

Revendicationsclaims 1. Procédé de séparation d’un mélange gazeux contenant au moins 50 mol. %, voire au moins 80 mol % d’azote et entre 1 mol % et 15 mol % d’hélium ainsi qu’au moins une impureté plus lourde que l’azote dans lequel : i) Le mélange gazeux (F) est refroidi dans une ligne d’échange (1,2) et partiellement condensé pour produire un liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde que l’azote et un gaz appauvri en cette au moins une impureté plus lourde ii) Le gaz appauvri en l’impureté plus lourde est refroidi dans la ligne d’échange et partiellement condensé pour former un liquide enrichi en azote et un gaz enrichi en hélium iii) On soutire au moins une partie du liquide enrichi en azote comme produit (LIN) et on réchauffe le gaz enrichi en hélium dans la ligne d’échange caractérisé en ce que l’on détend au moins une partie du liquide enrichi en azote et/ou du liquide enrichi en l’impureté plus lourde pour fournir au moins une partie des frigories du procédé.1. Process for separating a gaseous mixture containing at least 50 mol. %, or even at least 80 mol% of nitrogen and between 1 mol% and 15 mol% of helium and at least one heavier impurity than nitrogen in which: i) the gaseous mixture (F) is cooled in an exchange line (1,2) and partially condensed to produce a liquid enriched in the at least one impurity heavier than nitrogen and a gas depleted in this at least one heavier impurity; The heavier impurity is cooled in the exchange line and partially condensed to form a nitrogen enriched liquid and a helium-enriched gas. iii) At least a portion of the nitrogen-enriched liquid is withdrawn as product (LIN) and the helium-enriched gas in the exchange line characterized in that at least a portion of the nitrogen-enriched liquid and / or enriched liquid is expanded to the heavier impurity to provide at least a portion of the process refrigerants. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on vaporise au moins partiellement le liquide enrichi en l’impureté plus lourde et on détend le gaz ainsi produit dans une turbine (7).2. Method according to claim 1 wherein the enriched liquid is vaporized at least partially in the heavier impurity and the gas thus produced is expanded in a turbine (7). 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’au moins une impureté plus lourde est choisie dans le groupe : méthane, hydrogène, argon, monoxyde de carbone, oxygène, néon.3. Method according to one of the preceding claims wherein the at least one heavier impurity is selected from the group: methane, hydrogen, argon, carbon monoxide, oxygen, neon. 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz appauvri en l’au moins une impureté lourde est refroidi dans la ligne d’échange (1,2,3) jusqu’à une température inférieure à -150°C, plus particulièrement inférieure à -180°C.4. Method according to one of the preceding claims wherein the gas depleted in the at least one heavy impurity is cooled in the exchange line (1,2,3) to a temperature below -150 ° C, more particularly below -180 ° C. 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux est refroidi dans la ligne d’échange (1,2) jusqu’à une température d’entre 0°C et -180°C, plus particulièrement entre -100°C et -150°C.5. Method according to one of the preceding claims wherein the gaseous mixture is cooled in the exchange line (1,2) to a temperature between 0 ° C and -180 ° C, more particularly between -100 ° C and -150 ° C. 6. Appareil de séparation d’un mélange gazeux contenant au moins 50 mol. %, voire au moins 80 mol % d’azote et entre 1 mol % et 15 mol % d’hélium ainsi qu’au moins une impureté plus lourde que l’azote comprenant une ligne d’échange (1,2,3), des moyens pour envoyer le mélange gazeux se refroidir dans la ligne d’échange, un premier pot séparateur (4) pour séparer le mélange gazeux partiellement condensé dans la ligne d’échange pour produire un liquide enrichi en 1’ au moins une impureté plus lourde que l’azote et un gaz appauvri en cette impureté plus lourde, des moyens pour envoyer le gaz appauvri en 1’ au moins une impureté plus lourde se refroidir dans la ligne d’échange, un deuxième pot séparateur (5) pour séparer le gaz appauvri partiellement condensé pour former un liquide enrichi en azote (LEST) et un gaz enrichi en hélium (He), des moyens pour soutirer au moins une partie du liquide enrichi en azote comme produit, des moyens pour envoyer le gaz enrichi en hélium se réchauffer dans la ligne d’échange et des moyens pour détendre au moins une partie du liquide enrichi en azote et/ou du liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde pour fournir au moins une partie des frigories du procédé.6. Apparatus for separating a gaseous mixture containing at least 50 mol. %, or even at least 80 mol% of nitrogen and between 1 mol% and 15 mol% of helium and at least one heavier impurity than nitrogen comprising an exchange line (1,2,3), means for sending the gaseous mixture to cool in the exchange line, a first separator pot (4) for separating the partially condensed gas mixture into the exchange line to produce a liquid enriched in the at least one heavier impurity that nitrogen and a gas depleted in this heavier impurity, means for sending the depleted gas in 1 'the at least one heavier impurity to cool in the exchange line, a second separator pot (5) for separating the gas depleted partially condensed to form a nitrogen-enriched liquid (LEST) and a helium-enriched gas (He), means for withdrawing at least a portion of the nitrogen-enriched liquid as a product, means for sending the helium-enriched gas to heat up in the exchange line and means for relaxing at least a portion of the nitrogen-enriched liquid and / or enriched liquid in the at least one heavier impurity to provide at least a portion of the process refrigerants. 7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel au moins une partie du liquide enrichi en l’au moins une impureté plus lourde est vaporisée dans la ligne d’échange et ensuite détendue.Apparatus according to claim 6 wherein at least a portion of the liquid enriched in the at least one heavier impurity is vaporized in the exchange line and then expanded. 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le liquide vaporisé est détendu dans une turbine (7).8. Apparatus according to claim 7 wherein the vaporized liquid is expanded in a turbine (7).
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