FR3149803A1

FR3149803A1 - Procédé d’épuration d’un gaz brut par séparation membranaire avec contrôle de la température d’alimentation en gaz des membranes

Info

Publication number: FR3149803A1
Application number: FR2306017A
Authority: FR
Inventors: Eric Peyrat; Savinien PERTANT
Original assignee: Gazfio
Current assignee: Gazfio
Priority date: 2023-06-13
Filing date: 2023-06-13
Publication date: 2024-12-20
Also published as: WO2024256980A3; WO2024256980A2

Abstract

------ Procédé d’épuration d’un gaz brut par séparation membranaire avec contrôle de la température d’alimentation en gaz des membranes La présente invention porte sur un procédé d’épuration d’un gaz brut par séparation membranaire, ledit procédé faisant appel à n étages de séparation membranaire, n étant supérieur ou égal à 1, ledit gaz à traiter consistant en un mélange d’au moins deux constituants A et B, caractérisé par le fait qu’il comporte les étapes suivantes : on établit un débit nominal et/ou une composition nominale du gaz brut entrant à traiter ; pour chaque étage de séparation i, on détermine au moins une grandeur caractéristique nominale de fonctionnement choisie parmi le rapport RSCi0, le taux de charge du constituant A ou B à l’étage i, noté respectivement TCAi0 et TCBi0, le taux de charge global du constituant A ou B à l’étage i, noté respectivement TCGAi0 et TCGBi0, la consommation spécifique CSP0, lorsque le débit et/ou la composition du gaz brut entrant change au cours du déroulement du procédé, on ajuste la perméabilité d’au moins une membrane dans au moins un étage i, en ajustant la température de l’alimentation de l’étage de séparation correspondant pour qu’à tout moment, et indépendamment pour chaque étage i, au moins l’un parmi le rapport RSCi ou le taux de charge TCAi ou TCBi ou le taux de charge global TCGAi ou TCGBi ou la CSP, mesuré(s) et/ou calculé(s) en temps réel sur chaque étage de séparation, se rapproche de sa valeur de référence correspondante, RSCi0 ou TCAi0 ou TCBi0 ou TCGAi0 ou TCGBi0 ou CSP0.

Description

Procédé d’épuration d’un gaz brut par séparation membranaire avec contrôle de la température d’alimentation en gaz des membranes

La présente invention concerne un procédé d’épuration d’un gaz brut par séparation membranaire avec contrôle de la température d’alimentation en gaz des membranes. A titre d’exemple de gaz à épurer, on peut citer le biogaz à partir duquel on souhaite obtenir un courant riche en dioxyde de carbone (CO₂) et un courant riche en méthane (CH₄).

Un exemple de procédé d’épuration d’un gaz brut est décrit par le brevet européen EP 2 588 217 B. Dans ce procédé, on utilise trois étages de séparation membranaire, le gaz brut étant un mélange d’au moins deux composants A et B, A étant le composant ayant la perméance la plus importante.

Ce procédé, qui a pour but de séparer le courant de gaz brut en un courant enrichi en A et en un courant enrichi en B, est illustré par le schéma de la .

Comme on peut le voir sur ce schéma :

on comprime le courant de gaz brut 1 dans un compresseur C1 pour obtenir un courant de gaz comprimé 2 que l’on fait passer dans un premier étage de séparation membranaire E1 pour obtenir :
un courant de rétentat 3 ; et
un courant de perméat 4 ;
on fait passer le courant de rétentat 3 dans un deuxième étage de séparation membranaire E2 pour obtenir :
un courant de rétentat 5, lequel constitue le courant enrichi en B recherché ; et

un courant de perméat 6 ;

on fait passer le courant de perméat 4 dans un troisième étage de séparation membranaire E3 pour obtenir :
un courant de rétentat 7 ; et
un courant de perméat 8, lequel constitue le courant enrichi en A recherché.

Une vanne V1 de réduction de pression est placée sur le trajet du courant 7. Le courant de perméat 6 et le courant de rétentat 7 sont recyclés dans le courant 1 avant introduction dans le compresseur C1.

Lorsque les conditions de fonctionnement s’écartent d’un point de fonctionnement nominal défini à partir des conditions opératoires utilisées pour un débit précis et / ou une composition précise de gaz brut à épurer, les performances du procédé d’épuration vont être affectées par cet écart par rapport au point de fonctionnement nominal. Il serait donc souhaitable de disposer d’un moyen de contrôle simple du procédé afin de pouvoir modifier les conditions opératoires de façon à retrouver des performances identiques ou proches de celles du point de fonctionnement nominal lorsque les conditions de débit et / ou de composition du gaz brut entrant dans le système vont évoluer.

A cet effet, la présente invention porte sur un procédé d’épuration d’un gaz brut par séparation membranaire, ledit procédé faisant appel à n étages de séparation membranaire, n étant supérieur ou égal à 1, le ou chaque étage de séparation membranaire, noté i avec 1 ≤ i ≤ n, étant constitué par :

au moins une membrane de séparation dont la perméabilité dépend de la température ;
une arrivée d’alimentation gazeuse dudit étage i par laquelle :
- pour i=1, est introduit ledit gaz brut à traiter, le cas échéant en combinaison quand n=1 avec un courant de recyclage de perméat et/ou un courant de recyclage de rétentat de l’unique étage et quand n>1 avec un courant de recyclage de perméat et/ou un courant de recyclage de rétentat, lesdits courants de recyclage provenant d’un autre étage ; et
- pour i>1, est introduit le perméat ou le rétentat d’un des autres étages,
une sortie de rétentat ; et
une sortie de perméat,

ledit gaz à traiter consistant en un mélange d’au moins deux constituants A et B, la perméabilité des membranes pour le constituant A étant supérieure à celle du constituant B,

caractérisé par le fait qu’il comporte les étapes suivantes :

on établit un débit nominal et/ou une composition nominale du gaz brut entrant à traiter, représentant le point de fonctionnement nominal ;
pour chaque étage de séparation i, on détermine, par calcul et/ou mesure, au moins une grandeur caractéristique nominale de fonctionnement choisie parmi :
- le rapport RSCⁱ ₀, défini comme le rapport SC_A ⁱ ₀/SC_B ⁱ ₀ou SC_B ⁱ ₀/SC_A ⁱ ₀,

SC_A ⁱ ₀et SC_B ⁱ ₀étant définis chacun comme le rapport du débit partiel du constituant respectivement A ou B dans le courant de perméat sortant de l’étage i, noté respectivement Pe_A ⁱ ₀et Pe_B ⁱ ₀, sur le débit partiel du même constituant dans l’alimentation du même étage i, noté respectivement F_A ⁱ ₀et F_B ⁱ ₀;

le taux de charge du constituant A ou B à l’étage i, noté respectivement TC_A ⁱ ₀et TC_B ⁱ ₀, défini comme le rapport F_A ⁱ ₀/P_A ⁱ ₀ou F_B ⁱ ₀/P_B ⁱ ₀,

F_A ⁱ ₀et F_B ⁱ ₀étant le débit partiel du constituant A ou B dans l’alimentation de l’étage i et P_A ⁱ ₀ou P_B ⁱ ₀la perméabilité des membranes à la température du point de fonctionnement nominal pour le constituant A ou B sur l’étage i ;

le taux de charge global du constituant A ou B à l’étage i, noté respectivement TCG_A ⁱ ₀et TCG_B ⁱ ₀, défini comme le rapport du débit du constituant A ou B dans le débit nominal sur la perméabilité des membranes à la température du point de fonctionnement nominal pour le constituant respectivement A ou B sur l’étage i, soit P_A ⁱ ₀ou P_B ⁱ ₀; et
dans le cas où l’on opère avec plusieurs étages, où l’on utilise des membranes identiques sur tous les étages i et on établit la même température d’alimentation sur tous les étages i pour le débit nominal et/ou la composition nominale du gaz brut entrant à traiter, la consommation spécifique CSP₀, définie comme la consommation énergétique du procédé divisée par le débit nominal d’un gaz brut entrant à traiter ou d’au moins un courant sortant du procédé dans les conditions nominales établies ;

lorsque le débit et/ou la composition du gaz brut entrant, mesuré avant tout éventuel mélange avec au moins un courant de recyclage, change au cours du déroulement du procédé, on ajuste la perméabilité d’au moins une membrane dans au moins un étage i et par là la quantité des constituants A et B passant à travers la ou les membranes concernées, en ajustant la température de l’alimentation de l’étage de séparation correspondant pour qu’à tout moment, et indépendamment pour chaque étage i, au moins l’un parmi le rapport RSCⁱou le taux de charge TC_A ⁱou TC_B ⁱou le taux de charge global TCG_A ⁱou TCG_B ⁱou la CSP, mesuré(s) et/ou calculé(s) en temps réel sur chaque étage de séparation, se rapproche de sa valeur de référence correspondante, RSCⁱ ₀ou TC_A ⁱ ₀ou TC_B ⁱ ₀ou TCG_A ⁱ ₀ou TCG_B ⁱ ₀ou CSP₀.

La perméabilité ou perméance d’une membrane pour un constituant est une propriété intrinsèque du matériau constitutif de la paroi de la membrane à laisser traverser ledit constituant à travers celle-ci. Cette perméabilité peut être exprimée sous la forme d’un débit molaire par unité de surface et par unité de pression soit en mol/s/m²/Pa. La dépendance de la perméabilité des membranes à la température peut par exemple suivre une relation de type Arrhenius.

La sélectivité est le rapport de la perméabilité d’un premier constituant pur sur la perméabilité d’un second constituant pur. La sélectivité varie également en fonction de la température.

Dans un mode de réalisation particulier suivant lequel on opère avec plusieurs étages, on utilise des membranes identiques sur tous les étages i et on établit la même température d’alimentation sur tous les étages i pour le débit nominal et/ou la composition nominale du gaz brut entrant à traiter, on choisit comme grandeur caractéristique nominale le taux de charge global TCG_A ⁱ ₀ou TCG_B ⁱ ₀, et dans le cas d’un changement du débit et/ou de la composition du gaz brut entrant, on ajuste la température d’alimentation dans tous les étages à l’aide d’un unique régulateur associé au taux de charge global à n’importe quel étage.

A tout moment et en temps réel et pour chaque étage i, on peut déterminer la perméabilité des membranes pour le constituant A ou B, soit P_A ⁱ(t) ou P_B ⁱ(t) par mesure et/ou calcul des pressions, températures, débits et compositions du courant entrant et des courants sortants, et par résolution numérique.

La connaissance des pressions, températures, débits et compositions du courant entrant et des courants sortants permet d’établir les bilans de matière sur une membrane. A partir de modèles physiques de ces membranes et de méthodes de résolutions numériques classiques, la personne du métier peut accéder aux valeurs de la perméabilité.

Il est par exemple possible d’utiliser les modèles physiques et méthodes de résolutions numériques décrits par Michael Binns et al. dans Strategies for the simulation of multi-component hollow fibre multi-stage membrane gas separation systems, Journal of Membrane Science, 497, (2016), 458–471.

Les membranes de séparation peuvent être des membranes polymères choisies parmi les membranes en polysulfone et les membranes en polyimide.

On peut ajuster la température de l’alimentation de chaque étage à l’aide d’un échangeur de chaleur. Il est également possible d’utiliser tous moyens d’ajustement de la température connus de la personne du métier.

Dans un mode de réalisation particulier, le constituant A du gaz brut est le dioxyde de carbone, et le constituant B est le méthane.

Description des Figures

La est une représentation schématique d’un procédé type servant de base au procédé selon l’invention ;
La est une représentation schématique du procédé selon un premier mode de réalisation avec 3 boucles de régulation en cascade, régulant les rapports RSC ;
La est une représentation schématique du procédé selon un deuxième mode de réalisation avec 3 boucles de régulation en cascade, régulant les taux de charge TC ;
La est une représentation schématique du procédé selon un troisième mode de réalisation avec 3 boucles de régulation en cascade, régulant les taux de charge globaux TCG ;
La est une représentation schématique du procédé selon un quatrième mode de réalisation avec 1 boucle de régulation en cascade, régulant le taux de charge global TCG ; et
La est une représentation schématique du procédé selon un cinquième mode de réalisation avec 1 boucle de régulation en cascade, régulant la consommation CSP.

La est une reprise de la , avec mise en place :

d’un dispositif de régulation de température H1 sur le trajet du courant 2 pour modifier la température de l’alimentation 2’ du premier étage E1 ;
d’un dispositif de régulation de température H2 sur le trajet du rétentat 3, pour modifier la température de l’alimentation 3’ su deuxième étage E2 ; et
d’un dispositif de régulation de température H3 sur le trajet du perméat 4, pour modifier la température de l’alimentation 4’ du troisième étage E3.

les mêmes chiffres et lettres de référence que sur la ayant été conservés pour désigner des conduites et appareils/dispositifs analogues.

Sur la , apparaissent les organes de régulation suivants :

T_F1, capteur de température dont le rôle est de mesurer la température de l’alimentation 2’ du premier étage E1 ;
T_F2, capteur de température dont le rôle est de mesurer la température de l’alimentation 3’ du deuxième étage E2 ;
T_F3, capteur de température dont le rôle est de mesurer la température de l’alimentation 4’ du troisième étage E3 ;
PT, capteur de pression placé sur le courant 7 de rétentat de E3, en amont de V1 ; et
Les organes de régulation notés par des blocs :
- SP_INT : Point de réglage (consigne) interne du régulateur-maître
- SP_EXT : Point de réglage (consigne) externe du régulateur-esclave correspondant à la sortie du régulateur-maître
- SP_MAX : Point de réglage maximum
- MESURE : Mesure entrante dans le régulateur
- OUT : Sortie du régulateur
- OUT_MAX : Sortie maximum du régulateur
- OUT_MIN : Sortie minimum du régulateur

et portant les lettres de référence OR1 à OR8.

Les organes OR1 et OR2 (2 régulateurs en cascade) régulent le rendement épuratoire du procédé. Le rendement épuratoire est défini comme le débit du constituant B récupéré sur le rétentat 5 divisé par le débit du constituant B entrant dans le gaz brut 1.

La valeur de consigne souhaitée du rendement épuratoire est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR1. Il reçoit également la valeur mesurée du débit du constituant B dans le rétentat 5 divisée par le débit du constituant B entrant dans le gaz brut 1 comme valeur de MESURE.

L’organe OR2 reçoit comme valeur de MESURE la pression du rétentat 7 mesurée par le capteur de pression PT.

Par comparaison entre la valeur de consigne souhaitée et la valeur mesurée du rendement épuratoire, l’organe OR1 va envoyer comme valeur de sortie OUT à l’organe OR2 la valeur de pression à atteindre pour le rétentat 7, l’organe OR2 la recevant comme valeur SP_EXT.

L’organe OR2 va ensuite contrôler la pression du rétentat 7 en envoyant la valeur de sortie OUT à la vanne de régulation V1 afin de maintenir la valeur du rendement épuratoire.

Les organes OR3 et OR4 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport RSC¹du premier étage de séparation membranaire E1 par action sur la température de l’alimentation 2’ du premier étage au moyen du dispositif de régulation de température H1.

La valeur de consigne souhaitée du rapport RSC¹ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR3 et l’organe OR3 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport RSC¹calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR3 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR4.

L’organe OR4 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR3 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 2’ du premier étage E1 mesurée par le capteur de température T_F1 et agit sur le dispositif de régulation de température H1 afin qu’il modifie la température du courant 2 sortant du compresseur C1 afin que l’alimentation 2’ soit à la bonne température pour que la valeur RSC¹se rapproche de la valeur RSC¹ ₀.

Les organes OR5 et OR6 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport RSC²du deuxième étage de séparation membranaire E2 par action sur la température de l’alimentation 3’ du deuxième étage au moyen du dispositif de régulation de température H2.

La valeur de consigne souhaitée du rapport RSC² ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR5 et l’organe OR5 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport RSC²calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR5 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR6.

L’organe OR6 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR5 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 3’ du deuxième étage E2 mesurée par le capteur de température T_F2 et agit sur le dispositif de régulation de température H2 afin qu’il modifie la température du rétentat 3 du premier étage E1 afin que l’alimentation 3’ soit à la bonne température pour que la valeur RSC²se rapproche de la valeur RSC² ₀.

Les organes OR7 et OR8 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport RSC³du troisième étage de séparation membranaire E3 par action sur la température de l’alimentation 4’ du troisième étage au moyen du dispositif de régulation de température H3.

La valeur de consigne souhaitée du rapport RSC³ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR7 et l’organe OR7 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport RSC³calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR5 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR8.

L’organe OR8 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR7 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 4’ du troisième étage E3 mesurée par le capteur de température T_F3 et agit sur le dispositif de régulation de température H3 afin qu’il modifie la température du perméat 4 du premier étage E1 afin que l’alimentation 4’ soit à la bonne température pour que la valeur RSC³se rapproche de la valeur RSC³ ₀.

La est une reprise de la , avec mise en place des organes de régulation OR9 à OR14 à la place des organes de régulation OR3 à OR8, les organes OR1 et OR2 étant identiques.

Les organes OR9 et OR10 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport TC_A ¹ou TC_B ¹du premier étage de séparation membranaire E1 par action sur la température de l’alimentation 2’ du premier étage au moyen du dispositif de régulation de température H1.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TC_A ¹ ₀ou TC_B ¹ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR9 et l’organe OR9 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TC_A ¹ou TC_B ¹calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR7 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR10.

L’organe OR10 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR9 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 2’ du premier étage E1 mesurée par le capteur de température T_F1 et agit sur le dispositif de régulation de température H1 afin qu’il modifie la température du courant 2 sortant du compresseur C1 afin que l’alimentation 2’ soit à la bonne température pour que la valeur TC_A ¹ou TC_B ¹se rapproche de la valeur TC_A ¹ ₀ou TC_B ¹ ₀correspondante.

Les organes OR11 et OR12 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport TC_A ²ou TC_B ²du deuxième étage de séparation membranaire E2 par action sur la température de l’alimentation 3’ du deuxième étage au moyen du dispositif de régulation de température H2.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TC_A ² ₀ou TC_B ² ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR11 et l’organe OR11 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TC_A ²ou TC_B ²calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR11 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR12.

L’organe OR12 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR11 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 3’ du deuxième étage E2 mesurée par le capteur de température T_F2 et agit sur le dispositif de régulation de température H2 afin qu’il modifie la température du rétentat 3 du premier étage E1 afin que l’alimentation 3’ soit à la bonne température pour que la valeur TC_A ²ou TC_B ²se rapproche de la valeur TC_A ² ₀ou TC_B ² ₀correspondante.

Les organes OR13 et OR14 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport TC_A ³ou TC_B ³du troisième étage de séparation membranaire E3 par action sur la température de l’alimentation 4’ du troisième étage au moyen du dispositif de régulation de température H3.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TC_A ³ ₀ou TC_B ³ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR13 et l’organe OR13 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TC_A ³ou TC_B ³calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR13 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR14.

L’organe OR14 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR13 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 4’ du troisième étage E3 mesurée par le capteur de température T_F3 et agit sur le dispositif de régulation de température H3 afin qu’il modifie la température du perméat 4 du premier étage E1 afin que l’alimentation 4’ soit à la bonne température pour que la valeur TC_A ³ou TC_B ³se rapproche de la valeur TC_A ³ ₀ou TC_B ³ ₀correspondante.

La est une reprise de la , avec mise en place des organes de régulation OR15 à OR20 à la place des organes de régulation OR9 à OR14, les organes OR1 et OR2 étant identiques.

Les organes OR15 et OR16 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport TCG_A ¹ou TCG_B ¹du premier étage de séparation membranaire E1 par action sur la température de l’alimentation 2’ du premier étage au moyen du dispositif de régulation de température H1.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TCG_A ¹ ₀ou TCG_B ¹ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR15 et l’organe OR15 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TCG_A ¹ou TCG_B ¹calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR15 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR16.

L’organe OR16 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR15 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 2’ du premier étage E1 mesurée par le capteur de température T_F1 et agit sur le dispositif de régulation de température H1 afin qu’il modifie la température du courant 2 sortant du compresseur C1 afin que l’alimentation 2’ soit à la bonne température pour que la valeur TCG_A ¹ou TCG_B ¹se rapproche de la valeur TCG_A ¹ ₀ou TCG_B ¹ ₀correspondante.

Les organes OR17 et OR18 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport TCG_A ²ou TCG_B ²du deuxième étage de séparation membranaire E2 par action sur la température de l’alimentation 3’ du deuxième étage au moyen du dispositif de régulation de température H2.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TCG_A ² ₀ou TCG_B ² ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR17 et l’organe OR17 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TCG_A ²ou TCG_B ²calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR17 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR18.

L’organe OR18 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR17 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 3’ du deuxième étage E2 mesurée par le capteur de température T_F2 et agit sur le dispositif de régulation de température H2 afin qu’il modifie la température du rétentat 3 du premier étage E1 afin que l’alimentation 3’ soit à la bonne température pour que la valeur TCG_A ²ou TCG_B ²se rapproche de la valeur TCG_A ² ₀ou TCG_B ² ₀correspondante.

Les organes OR19 et OR20 constituent une régulation en cascade de deux régulateurs dont la fonction est de contrôler le rapport TCG_A ³ou TCG_B ³du troisième étage de séparation membranaire E3 par action sur la température de l’alimentation 4’ du troisième étage au moyen du dispositif de régulation de température H3.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TCG_A ³ ₀ou TCG_B ³ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR19 et l’organe OR19 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TCG_A ³ou TCG_B ³calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR19 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à l’organe OR20.

L’organe OR20 compare la consigne SP_EXT en provenance de OR19 à la valeur de MESURE de température de l’alimentation 4’ du troisième étage E3 mesurée par le capteur de température T_F3 et agit sur le dispositif de régulation de température H3 afin qu’il modifie la température du perméat 4 du premier étage E1 afin que l’alimentation 4’ soit à la bonne température pour que la valeur TCG_A ³ou TCG_B ³se rapproche de la valeur TCG_A ³ ₀ou TCG_B ³ ₀correspondante.

La est une reprise de la , avec mise en place des organes de régulation OR21 à OR24 à la place des organes de régulation OR15 à OR20, les organes OR1 et OR2 étant identiques.

Dans ce cas, les membranes des étages de séparation E1, E2 et E3 sont identiques. Dans les conditions nominales, les températures des alimentations 2’, 3’ et 4’ sont identiques. Le comportement de tous les étages est similaire.

Un seul régulateur maître, le régulateur OR21, est utilisé, en combinaison avec les régulateurs esclaves OR22 à OR24.

L’organe OR21 et les organes OR22, OR23 et OR24 constituent une régulation en cascade dont la fonction est de contrôler le rapport TCG_A ¹ou TCG_B ¹du premier étage de séparation membranaire E1 et d’agir sur les températures des alimentations 2’, 3’ et 4’ au moyen, respectivement, des dispositifs de régulation de température H1, H2 et H3.

La valeur de consigne souhaitée du rapport TCG_A ¹ ₀ou TCG_B ¹ ₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR21 et l’organe OR21 reçoit comme valeur de MESURE la valeur du rapport TCG_A ¹ou TCG_B ¹calculé en temps réel. La sortie de l’organe OR21 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à chacun des organes OR22, OR23 et OR24.

Les organes OR22, OR23 et OR24 comparent la consigne SP_EXT en provenance de OR21 à la valeur de MESURE de température respectivement de l’alimentation 2’ du premier étage E1 mesurée par le capteur de température T_F1, de l’alimentation 3’ du deuxième étage E2 mesurée par le capteur de température T_F2 et de l’alimentation 4’ du troisième étage E3 mesurée par le capteur de température T_F3. Les organes OR22, OR23 et OR24 agissent ensuite sur respectivement les dispositifs de régulation de température H1, H2 et H3 afin qu’ils modifient la température respectivement des courants 2, 3 et 4 afin que les alimentations respectivement 2’, 3/ et 4’ soient à la bonne température pour que la valeur TCG_A ¹ou TCG_B ¹se rapproche de la valeur TCG_A ¹ ₀ou TCG_B ¹ ₀correspondant.

La est une reprise de la , avec mise en place des organes de régulation OR25 et OR28 à la place des organes de régulation OR21 à OR24.

Dans ce cas également, les membranes des étages de séparation E1, E2 et E3 sont identiques. Dans les conditions nominales, les températures des alimentations 2’, 3’ et 4’ sont identiques. Le comportement de tous les étages est similaire.

Un seul régulateur maître, le régulateur OR25, est utilisé, en combinaison avec les régulateurs esclaves OR26 à OR28.

L’organe OR25 et les organes OR26, OR27 et OR28 constituent une régulation en cascade dont la fonction est de contrôler la consommation CSP du procédé et d’agir sur les températures des alimentations 2’, 3’ et 4’ au moyen, respectivement, des dispositifs de régulation de température H1, H2 et H3.

La valeur de consigne souhaitée de la consommation CSP₀dans les conditions nominales est entrée comme valeur SP_INT de l’organe OR25 et l’organe OR25 reçoit comme valeur de MESURE la valeur de la consommation CSP calculée en temps réel. La sortie de l’organe OR25 est une consigne de température de travail envoyée en SP_EXT à chacun des organes OR26, OR27 et OR28.

Les organes OR26, OR27 et OR28 comparent la consigne SP_EXT en provenance de OR25 à la valeur de MESURE de température respectivement de l’alimentation 2’ du premier étage E1 mesurée par le capteur de température T_F1, de l’alimentation 3’ du deuxième étage E2 mesurée par le capteur de température T_F2 et de l’alimentation 4’ du troisième étage E3 mesurée par le capteur de température T_F3. Les organes OR26, OR27 et OR28 agissent ensuite sur respectivement les dispositifs de régulation de température H1, H2 et H3 afin qu’ils modifient la température respectivement des courant 2, 3 et 4 afin que les alimentations respectivement 2’, 3/ et 4’ soient à la bonne température pour que la valeur de consommation CSP se rapproche de la valeur CSP₀correspondante.

Les Exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée.

Dans ces exemples :

Tous les pourcentages indiqués sont des pourcentages molaires.

Le procédé d’épuration employé comprend trois étages membranaires et reprend l’architecture du procédé illustré sur la .

On a séparé un gaz brut composé, dans les conditions nominales, de 55 % de méthane (constituant B), de 44,3 % de dioxyde de carbone (constituant A), de 0,2 % de dioxygène et de 0,5 % de diazote. Lorsque la composition du gaz brut entrant est modifiée, la composition en méthane est variée et la composition en dioxyde de carbone est ajustée pour obtenir 100 %.

Le débit de gaz brut est fixé à 400 Nm³/h dans les conditions nominales.

La température des courants d’alimentation passant à travers les membranes est de 25°C dans les conditions nominales. Les pertes de charge dans les conduites et dans les membranes sont négligées.

Le rendement épuratoire est défini comme le débit molaire de méthane récupéré sur le rétentat 5 divisé par le débit molaire de méthane entrant dans le gaz brut 1. La valeur du rendement épuratoire est fixée à 99,2 %.

La pression d’alimentation de l’étage E1 est fixée à 10 barg (1,0 MPa relatif au manomètre).

La pression du perméat de l’étage E2 est imposée à 0,1 barg (10000 Pa relatif au manomètre).

La pression du perméat de l’étage E3 est imposée à 0,001 barg (100 Pa relatif au manomètre).

La pression d’alimentation de l’étage E3 est pilotée par une vanne de régulation V1 localisée sur le rétentat de l’étage E3. Cette régulation a pour but de garantir un rendement épuratoire de 99,2%.

Des membranes à fibres creuses commercialisées par UBE de type CO-810-FSC de sélectivité 72,7 à 25°C sont utilisées sur les trois étages de séparation, respectivement 5, 4 et 5 membranes sur les étages E1, E2 et E3.

La consommation spécifique est définie comme la quantité d’énergie électrique requise par le procédé ramenée à la quantité de gaz brut traitée. Elle s’exprime donc en kWhe/Nm³de gaz brut.

Dans les Exemples, elle est calculée à l’aide de la formule suivante (1)

(1)

Formule dans laquelle :

Qest le débit de gaz brut en Nm3/h ;
Pu _COMP est la puissance requise (en kW) par le compresseur C1 en faisant l’hypothèse d’une efficacité isentropique de 0,7 ;
Pu _GF est la puissance requise (en kW) par legroupe froidsitué à la sortie du compresseur C1 afin de refroidir le gaz, en faisant l’hypothèse d’un coefficient de performance de 2,5 ;
Pu _AUX est la puissance requise (en kW) par différents auxiliaires nécessaires au prétraitement du gaz brut avant l’entrée dans le procédé d’épuration (non représentés sur les Figures).

Dans les conditions nominales, on obtient les résultats suivants :

un taux de recyclage du procédé de 0,2871. (Définition du taux de recyclage = somme des débits molaires 6 et 7 divisé par débit molaire 1) ;
une fraction molaire de CH₄dans le rétentat 5 de l’étage E2 de 97,34 % ; et
une consommation électrique théorique calculée de 0,190 kWhe/Nm³de gaz brut.

Ce sont ces résultats que l’on cherche à approcher lorsque le débit nominal du gaz brut ou la composition nominale du gaz brut évolue au cours du temps.

Exemple 1 (selon l’invention) selon schéma de la :

On utilise le schéma de procédé décrit à la .

Le Tableau 1 montre les résultats du procédé après la modification du débit du gaz brut entrant à 90%, 75% et 50 % de la valeur du débit nominal.

Comme on peut le voir sur le tableau 1, la régulation des valeurs RSCⁱdes étages de séparation E1, E2 et E3 par ajustement de la température d’alimentation de chaque étage permet aux valeurs de la teneur en CH₄dans le rétentat 5, du taux de recyclage et de la consommation électrique de se rapprocher des valeurs obtenues dans les conditions nominales alors que les valeurs obtenues sans régulation s’en écartent bien davantage. La consommation électrique augmente notamment en l’absence de régulation des valeurs RSCⁱà cause de l’augmentation du taux de recyclage lorsque le débit d’alimentation diminue.

Exemple 2 (selon l’invention) selon schéma de la :

On utilise le schéma de procédé décrit à la .

Le tableau 2 montre les résultats du procédé après la modification du débit du gaz brut entrant à 50% et 150 % de la valeur du débit nominal.

Comme on peut le voir sur le tableau 2, la régulation des valeurs TC sur le méthane des étages de séparation E1, E2 et E3 par ajustement de la température d’alimentation de chaque étage permet aux valeurs de la teneur en CH₄dans le rétentat 5, du taux de recyclage et de la consommation électrique de se rapprocher des valeurs obtenues dans les conditions nominales alors que les valeurs obtenues sans régulation s’en écartent bien davantage.

Exemple 3 (selon l’invention) selon schéma de la :

On utilise le schéma de procédé décrit à la .

Le tableau 3 montre les résultats du procédé après la modification du débit du gaz brut entrant à 75 %, 50 %, 125 % et 150 % de la valeur du débit nominal.

Comme on peut le voir sur le tableau 3, la régulation des valeurs TCG sur le méthane des étages de séparation E1, E2 et E3 par ajustement de la température d’alimentation de chaque étage permet aux valeurs de la teneur en CH₄dans le rétentat 5, du taux de recyclage et de la consommation électrique de se rapprocher des valeurs obtenues dans les conditions nominales alors que les valeurs obtenues sans régulation s’en écartent bien davantage.

Dans ce cas particulier où les membranes sont identiques sur tous les étages et que la grandeur réglée est le TCG, la température d’alimentation est la même pour les trois étages.

Le tableau 4 montre les résultats du procédé après la modification de la composition du gaz brut entrant à une fraction molaire de méthane de 50 % et de 60 %.

Comme on peut le voir sur le tableau 4, la régulation des valeurs TCG sur le méthane des étages de séparation E1, E2 et E3 par ajustement de la température d’alimentation de chaque étage permet aux valeurs de la teneur en CH₄dans le rétentat 5, du taux de recyclage et de la consommation électrique de se rapprocher des valeurs obtenues dans les conditions nominales alors que les valeurs obtenues sans régulation s’en écartent bien davantage.

Exemple 4 (selon l’invention) selon schéma de la :

On utilise le schéma de procédé décrit à la .

Le Tableau 5 montre les résultats du procédé après la modification du débit du gaz brut entrant à 75%, 50%, 125% et 150 % de la valeur du débit nominal.

Comme on peut le voir sur le tableau 5, la régulation de la consommation CSP par ajustement de la température d’alimentation de chaque étage permet aux valeurs de la teneur en CH₄dans le rétentat 5, du taux de recyclage et de la consommation électrique de se rapprocher des valeurs obtenues dans les conditions nominales alors que les valeurs obtenues sans régulation s’en écartent bien davantage.

Claims

– Procédé d’épuration d’un gaz brut (1) par séparation membranaire, ledit procédé faisant appel à n étages de séparation membranaire, n étant supérieur ou égal à 1, le ou chaque étage de séparation membranaire, noté i avec 1 ≤ i ≤ n, étant constitué par :
au moins une membrane de séparation dont la perméabilité dépend de la température ;

une arrivée d’alimentation gazeuse dudit étage i par laquelle :

pour i=1, est introduit ledit gaz brut à traiter (1), le cas échéant en combinaison quand n=1 avec un courant de recyclage de perméat et/ou un courant de recyclage de rétentat de l’unique étage et quand n>1 avec un courant de recyclage de perméat (6) et/ou un courant de recyclage de rétentat (7), lesdits courants de recyclage provenant d’un autre étage ; et

pour i>1, est introduit le perméat ou le rétentat d’un des autres étages,

une sortie de rétentat ; et

une sortie de perméat,
ledit gaz à traiter (1) consistant en un mélange d’au moins deux constituants A et B, la perméabilité des membranes pour le constituant A étant supérieure à celle du constituant B,
caractérisé par le fait qu’il comporte les étapes suivantes :
on établit un débit nominal et/ou une composition nominale du gaz brut entrant à traiter (1), représentant le point de fonctionnement nominal ;

pour chaque étage de séparation i, on détermine, par calcul et/ou mesure, au moins une grandeur caractéristique nominale de fonctionnement choisie parmi :

le rapport RSCⁱ ₀, défini comme le rapport SC_A ⁱ ₀/SC_B ⁱ ₀ou SC_B ⁱ ₀/SC_A ⁱ ₀,
SC_A ⁱ ₀et SC_B ⁱ ₀étant définis chacun comme le rapport du débit partiel du constituant respectivement A ou B dans le courant de perméat sortant de l’étage i, noté respectivement Pe_A ⁱ ₀et Pe_B ⁱ ₀, sur le débit partiel du même constituant dans l’alimentation du même étage i, noté respectivement F_A ⁱ ₀et F_B ⁱ ₀;
le taux de charge du constituant A ou B à l’étage i, noté respectivement TC_A ⁱ ₀et TC_B ⁱ ₀, défini comme le rapport F_A ⁱ ₀/P_A ⁱ ₀ou F_B ⁱ ₀/P_B ⁱ ₀,
F_A ⁱ ₀et F_B ⁱ ₀étant le débit partiel du constituant A ou B dans l’alimentation de l’étage i et P_A ⁱ ₀ou P_B ⁱ ₀la perméabilité des membranes à la température du point de fonctionnement nominal pour le constituant A ou B sur l’étage i ;
le taux de charge global du constituant A ou B à l’étage i, noté respectivement TCG_A ⁱ ₀et TCG_B ⁱ ₀, défini comme le rapport du débit du constituant A ou B dans le débit nominal sur la perméabilité des membranes à la température du point de fonctionnement nominal pour le constituant respectivement A ou B sur l’étage i, soit P_A ⁱ ₀ou P_B ⁱ ₀; et

dans le cas où l’on opère avec plusieurs étages, où l’on utilise des membranes identiques sur tous les étages i et on établit la même température d’alimentation sur tous les étages i pour le débit nominal et/ou la composition nominale du gaz brut entrant à traiter, la consommation spécifique CSP₀, définie comme la consommation énergétique du procédé divisée par le débit nominal d’un gaz brut entrant à traiter (1) ou d’au moins un courant sortant du procédé dans les conditions nominales établies ;
lorsque le débit et/ou la composition du gaz brut entrant (1), mesuré avant tout éventuel mélange avec au moins un courant de recyclage, change au cours du déroulement du procédé, on ajuste la perméabilité d’au moins une membrane dans au moins un étage i et par là la quantité des constituants A et B passant à travers la ou les membranes concernées, en ajustant la température de l’alimentation de l’étage de séparation correspondant pour qu’à tout moment, et indépendamment pour chaque étage i, au moins l’un parmi le rapport RSCⁱou le taux de charge TC_A ⁱou TC_B ⁱou le taux de charge global TCG_A ⁱou TCG_B ⁱou la CSP, mesuré(s) et/ou calculé(s) en temps réel sur chaque étage de séparation, se rapproche de sa valeur de référence correspondante, RSCⁱ ₀ou TC_A ⁱ ₀ou TC_B ⁱ ₀ou TCG_A ⁱ ₀ou TCG_B ⁱ ₀ou CSP₀.
– Procédé selon la revendication 1 suivant lequel on opère avec plusieurs étages, caractérisé par le fait que l’on utilise des membranes identiques sur tous les étages i et on établit la même température d’alimentation sur tous les étages i pour le débit nominal et/ou la composition nominale du gaz brut entrant à traiter, on choisit comme grandeur caractéristique nominale le taux de charge global TCG_A ⁱ ₀ou TCG_B ⁱ ₀, et dans le cas d’un changement du débit et/ou de la composition du gaz brut entrant, on ajuste la température d’alimentation dans tous les étages à l’aide d’un unique régulateur associé au taux de charge global à n’importe quel étage.
– Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu’à tout moment et en temps réel et pour chaque étage i, on détermine la perméabilité des membranes pour le constituant A ou B, soit P_A ⁱ(t) ou P_B ⁱ(t) par mesure et/ou calcul des pressions, températures, débits et compositions du courant entrant et des courants sortants, et par résolution numérique.
- Procédé selon l’une des revendication 1 à 3, caractérisé par le fait que les membranes de séparation sont des membranes polymères choisies parmi les membranes en polysulfone et les membranes en polyimide.
– Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l’on ajuste la température de l’alimentation de chaque étage, à l’aide d’un échangeur de chaleur.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le constituant A du gaz brut est le dioxyde de carbone, et le constituant B est le méthane.