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Remise en marche de l'unité de traitement des gaz aux amines U88

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par Bechir KOUMA
Institut National Polytechnique Felix Houphouet Boigny - Ingénieur pétrole 2007
  

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II GÉNÉRALITÉS SUR L'UNITÉ U88

Le traitement des gaz est une étape indispensable dans l'industrie du raffinage. Les procédés correspondants ont pour rôle d'éliminer des contaminants inévitables tel que l'H2S et le CO2. L'élimination du sulfure d'hydrogène se fait souvent par des procédés d'absorption utilisant des solvants chimiques. Les solvants les plus utilisés sont les «alcanolamines» tel que la monoéthanolamine (MEA), la diéthanolamine (DEA), la méthyldiéthanolamine (MDEA), la triéthanolami ne (TEA).

L'extraction des gaz acides (H2S, CO2) par ces solvants engendre souvent des problèmes tels que la corrosion des installations de traitement, la dégradation de la solution d'amine, le moussage de la solution d'amine lorsqu'elle est en contact avec des hydrocarbures liquides.

II-1 Le but de l'unité U88

Les gaz issus des différents dégazages produits par le procédé de raffinage des complexes de la SIR (DHC, HSK et SMB) contiennent de l'H2S .Leur passage à l'unité de lavage aux amines (DEA) permet de réduire leur teneur en soufre.

Le procédé de traitement est basé sur l'absorption chimique de l'hydrogène sulfuré grâce à une solution aqueuse contenant de la diéthanolamine (DEA à 10 %). Ensuite, par chauffage, dans une colonne de régénération on élimine le soufre et on régénère ainsi la solution aqueuse active qu'on réinjecte dans les absorbeurs.

Ces gaz traités sont ensuite utilisés au niveau du complexe DHC comme charge A (gaz H2 M P pauvre en H2S) et charge B (gaz H2 HP pauvre en H2S) et de la CENTRALE (Gaz BP pauvre en H2S utilisé pour alimenter le réseau combustible). (Voir Figure 2)

Le but principal de l'unité est de s'assurer que les gaz lavés sont conformes aux spécifications demandées par les autres services utilisatrices de ces gaz. En cas de non-conformité, on agira sur les variables opératoires de l'unité pour obtenir des gaz aux spécifications demandées.

- 10 -

Gaz riche en H2S venant de la DHC

Gaz riche en H2S venant de HSK3

Gaz riche en H2S venant de HSK2

U88

Gaz riche en H2S vers réseau torche

Charge B vers la DHC (Gaz HP pauvre en H2S)

 

Charge A vers la DHC (Gaz MP pauvre en H2S)

Réseau combustible Centrale (Gaz BP pauvre en H2S)

Figure 2 : Liaison unité U88 avec les autres unités de la SIR II-2 La capacité de traitement de l'unité U88

L'unité U88 est composée de deux sections Section 1 et Section 2 pouvant fonctionner de façon autonome. Chaque section de l'unité peut fonctionner à 50% de ses conditions de calcul.

NB : La section 1 est hors service ; l'étude se portera sur la section 2. La section 2 est composée de 3 absorbeurs :

Absorbeur BP

> Capacité d'extraction : 4t/jour d'H2S

> Capacité hydraulique : 175kmoles / h de gaz HP non traités (ou 4,827 kg/h) pour un PM du gaz de 28,6 kg/kmol.

Absorbeur MP

> Capacité d'extraction : 50t/jour d'H2S

> Capacité hydraulique : 350kmoles / h de gaz HP non traités (ou 9,275 kg/h) pour un PM du gaz de 26,5 kg/kmol.

Absorbeur HP

> Capacité d'extraction : 7t/jour d'H2S

> Capacité hydraulique : 240kmoles / h de gaz HP non traités (ou 1,344 kg/h) pour un PM du gaz de 5,6 kg/kmol

- 11 -

II-3 / UMM/Mt P11SNiMSHINniW13 CE II-3-1 La charge gazeuse

Les gaz riches en H2S issus des dégazages des unités de production de la SIR constituent les charges de l'unité U88.

Selon la pression des gaz à l'entrée de l'unité, celle-ci est subdivisée en 3 sections.

> La section gaz BP (Basse Pression : 6 bars eff) riche en H2S.

> La section gaz MP (Moyenne Pression : 16 bars eff) riche en H2S.

> La section gaz HP (Haute Pression : 26 bars eff) riche en H2S.

Selon le livre de procédé de heurtey industries (livre de procédé de l'unité U 88) les gaz BP, MP et HP doivent avoir une composition suivante Tableau 6, pour un bon fonctionnement de l'unité. Tableau 6 : Compostions en % mol des gaz à traiter

GAZ BP NON TRAITE

28.6

20

10

23

28

12

3

3

1

GAZ MP NON TRAITE

26.5

20

13

21

34

8

3

1

-

GAZ HP NON TRAITE

5.6

6

86

4.5

3

0.5

-

-

-

Tableau 7 : Origines des gaz sales riches en H2S vers l'unité U88

HSK2

35B01

 

X

 

34B01

 
 

X

33B01

 
 

X

32B04

X

 
 

32B03

X

 
 

32B02

X

 
 

34B03

X

 
 

33B02

X

 
 

HSK3

81B07

X

 
 

81B09

X

X

 

82B01

 

X

 

83B05

 

X

 

84B01

 
 

X

84B04

X

 
 

DHC

87B02

 

X

 

87B03

 

X

 

87B07

 

X

 

87B08

 

X

 

87B16

 
 

Au démarrage

CA RACTERISTIQUE DES CHARGES PM

COMPOSITION (%molai re)

H2S H2 C1 C2 C3 IC4 NC4 C5

DÉGAZAGE VERS U88 ABSORBEUR

COMPLEXES EQUIPEMENTS

BP (6bars) MP (16bars) HP (26bars)

- 12 -

Le Tableau 7 donne l'origine des gaz alimentant les absorbeurs BP, MP et HP. Les dégazages basse pression de HSK2 transitent par le ballon B2003 avant d'arriver au niveau du réseau BP de l'unité U88.

II-3-2La charge liquide

Les alcanolamines sont dérivées de l'ammoniac dans lequel les atomes d'hydrogène sont remplacés par un groupe Alcool (ex. méthanol, éthanol). Elles contiennent donc trois groupes fonctionnels : les groupes amines [H-N], les groupes hydroxyles [-OH], et les groupes aliphatiques [-CHm]. Les alcanolamines les plus communément utilisées dans les applications industrielles du raffinage sont :

> Monoéthanolamine (MEA) et Diglycolamine (DGA) : amines primaires;

> Diéthanolamine (DEA) et Diisopropanolamine (DIPA) : amines secondaires ; > Triéthanolamine (TEA) et Méthyldiéthanolamine (MDEA) : amines tertiaires ;

Figure 3 : Formules chimiques des différents Alcanolamines

La charge liquide de l'unité de lavage aux amines est la Diéthanolamine. Elle a pour rôle d'absorber l'H2S contenus dans les gaz sales.

Les caractéristiques de la DEA pure sont :

> La densité à 20°C = 1.097

> Le point de congélation = 28°C

> Le point d'ébullition = 270°C

> Le poids molaire = 105 g/mol

- 13 -

La diéthanolamine (DEA) soluble dans l'eau est utilisée diluée à 10% ce qui permet > D'abaisser son point d'ébullition

> D'éviter qu'elle se fige dans les tuyauteries

> De diminuer sa viscosité.

II-3-3 Les produits obtenus

Après traitement des gaz dans l'unité de lavage des gaz sales BP, MP, HP ; on obtient des gaz avec une teneur en H2S plus faible.

La teneur maximale en H2S des gaz après traitement est indiquée dans le Tableau 8.

Tableau 8 : Teneur en H2S dans les gaz traités admissible à la sortie de l'unité U 88

GAZ TRAITES TENEUR en H2S (ppm mole) MAXIMUN

Gaz BP Désulfuré <20

Gaz M P Désulfuré <20

Gaz HP Désulfuré <20

Ces produits obtenus après leur passage dans l'unité U88 sont soit envoyés vers la DHC ou la CENTRALE selon les besoins de chacune de ces unités.

II-4 Schéma de principe de l'unité (Voir annexe 1 & 2)

L'unité de lavage section 2 se compose principalement de deux types de colonnes.

> Les colonnes d'absorptions 88C11 ; 88C12 ; 88C13 dans lequel l'H2S est absorbé par une solution d'amine pauvre.

> La colonne de régénération 88C14 qui libère l'H2S de la solution d'amine riche et redonne une solution d'amine pauvre.

L'unité U88 peut être divisé en 4 parties :

> La partie lavage des gaz BP comprenant les ballons pièges 88B15 -88B16 et la colonne 88C13.

> La partie lavage des gaz MP comprenant les ballons pièges 88B13-88B14 et la colonne 88C12.

> La partie lavage des gaz HP comprenant les ballons pièges 88B11-88B12 et la colonne 88C11.

> La partie régénération comprenant la colonne de régénération 88C14 elle sert à éliminer l'H2S contenu dans l'amine riche venant des absorbeurs

- 14 -

Description succincte de l'unité U88 (Voir annexe 1 & 2)

> Les gaz sales issus des origines diverses venant des dégazages des ballons des unités de la SIR (HSK et DHC) arrivent à U88 dans les ballons séparateurs de condensats (88B15-88B13-88B11) où les molécules lourdes (C4-C5) d'hydrocarbures sont piégées.

> Les fonds des ballons séparateurs de condensats (88B15-88B13-88B11) sont envoyés vers le ballon de purge 88B20

> Les gaz sales issus des ballons séparateurs de condensats sont envoyés au niveau des colonnes d'absorptions (88C13-88C12-88C11)

> L'H2S des gaz sales est absorbé dans les absorbeurs par la DEA pauvre en H2S.

> Les fonds des absorbeurs (88C13-88C12-88C11) sont envoyés vers le ballon de dégazage 88B17. Ce ballon sert à préparer la charge du régénérateur en éliminant de la DEA riche en H2S, les gaz résiduaires issus des différentes absorptions au niveau des absorbeurs.

> Les gaz désulfurés issus des absorbeurs sont envoyés dans les ballons séparateurs d'entraînement (88B16-88B14-88B12) pour éviter l'entraînement de DEA avec ceux-ci.

> Les fonds des ballons séparateurs (88B16-88B14-88B12) d'entraînement sont envoyés vers le ballon de purge 88B20.

> Les gaz désulfurés basse pression (BP) issus du ballon séparateur d'entraînement 88B16 sont envoyés au réseau fuel gaz au niveau de la centrale.

> Les gaz désulfurés moyenne pression (MP) issus du ballon séparateur d'entraînement 88B14 sont envoyés au réseau hydrogène en charge A au niveau de la DHC.

> Les gaz désulfurés haute pression (HP) issus du ballon séparateur d'entraînement

88B12 sont envoyés au réseau hydrogène en charge B au niveau de la DHC.

> La DEA chargée en H2S issue du ballon de dégazage 88B17 est régénérée au

niveau de la colonne de régénération 88C14.

> L'H2S issus de la colonne de régénération est envoyé à la torche acide ou vers l'usine à soufre non fonctionnelle actuellement.

- 15 -

II-5 La description du procédé

Parmi les procédés de purification, le procédé de traitement par absorption chimique est largement utilisé dans l'industrie du pétrole et du gaz. Les alcanolamines sont souvent utilisées comme solvants extracteurs des gaz acides (H2S, CO2). Ces solvants ne sont pas utilisés seuls, ils sont dilués dans de l'eau dans des concentrations suffisantes pour obtenir la basicité nécessaire à la réaction avec les gaz acides.

Le principe du procédé est le suivant (Voir Figure 4): On injecte, en bas de colonne de l'absorbeur, le gaz riche contenant le soluté (H2S). L'amine pauvre comme solvant descend la colonne à contre-courant et absorbe l' H2S à travers les plateaux de la colonne. On obtient en haut de colonne un gaz pauvre en H2S, et en bas de colonne une amine riche en H2S. Celle-ci traverse d'abord un échangeur de chaleur côté calandre, et se réchauffe d'avantage. Elle arrive au régénérateur et descend à contre-courant d'une vapeur d'eau générée par un rebouilleur. L'amine riche s'appauvri en H2S, traverse l'échangeur côté tube, se refroidi et retourne à l'absorbeur comme solvant pur. La vapeur d'eau chargée en H2S sort du régénérateur par le haut de colonne.

Une fois condensée et passée au ballon de reflux, l'eau liquide revient au régénérateur et le l'hydrogène sulfuré H2S, toujours gazeux, est recueilli dans une unité de soufre comme un distillat ou est brûlé à la torche.

En conclusion : dans l'absorbeur, le soluté H2S est absorbé par l'amine; dans le régénérateur, le soluté est désorbé de l'amine par strippage.

Figure 4: Schéma simplifié du procédé d'une unité de lavage aux amines

- 16 -

II-5-1 Le procédé d'absorption

Les gaz acides comme H2S et CO2 se dissocient dans un milieu aqueux pour former un acide faible. Les amines, étant des bases organiques faibles, elles se combinent chimiquement avec les gaz acides pour former des complexes acido-basiques.

Le procédé principal consiste à absorber l'H2S contenu dans les charges à traiter par la mise en contact de la charge acide faible et du diéthanolamine base faible (DEA).

Le principe consiste à laver dans une colonne par passage à contre courant de la DEA par le haut et par la charge gazeuse par le bas à basse température et à haute pression partielle d' H2S.On utilise la solubilité de l' H2S dans la solution d'amine pour effectuer la séparation gaz raffinerie-H2S.

Le procédé est basé sur les équilibres (1) et (2).

 
 
 

(1)

(2)

représente le radical H OH

A basse température et à haute pression de H2S, la réaction exothermique de formation de sel est réalisée (absorption). Cette réaction est exothermique, elle est favorisée par l'augmentation de la pression et la diminution de la température.

II-5-2 Le procédé de régénération

Le procédé par lequel la DEA est régénérée consiste à porter à basse pression et haute température la solution de DEA riche en H2S au point d'ébullition des sels pour qu'il y ait décomposition et libération de l'H2S.

La réaction chimique suivante est la réaction qui se produit pendant la régénération. Ce sont les réactions inverses de l'absorption (3) et (4) qui se produisent :

(3)

?

(4)

La réaction est favorisée par :

> une diminution de la pression

> une augmentation de la température

On est toutefois limité par des réactions de dégradation de l'amine qui se produit à partir de 180°C.

- 17 -

II-6 La description sommaire des circuits du procédé

L'on rappelle que l'unité U88 section 2 peut être divisée en 4 circuits ou sections spécifiques qui sont :

> La section absorbeur BP > La section absorbeur MP > La section absorbeur HP > La section colonne de régénération

II-6-1 La section absorbeur BP (Voir annexe 1)

Les gaz BP riches en H2S arrivent par différence de pression dans le ballon séparateur de condensats 88B15 prévu pour réduire le risque d'entraînement des hydrocarbures liquides dans la colonne d'absorption 88C13.Les gaz issus de ce ballon 88B15 vont dans la colonne d'absorption 88C13 ou ils sont débarrassés de l'H2S par la solution d'amine pauvre.

Les gaz désulfurés issus du sommet de l'absorbeur 88C13 passent ensuite à travers le ballon séparateur 88B16 prévu pour limiter les entraînements d'amines.

Les gaz BP désulfurés issus du ballon 88B16 sont envoyés vers le réseau fuel gaz sous contrôle de pression.

La solution d'amine riche chargée en H2S est recueillie en fond de l'absorbeur 88C13 puis est envoyée sous contrôle de niveau vers le ballon de dégazage 88B17 qui sert à préparer la charge du régénérateur.

II-6-2 La section absorbeur MP (Voir annexe 1)

Les gaz MP riches en H2S arrivent grâce à la différence de pression dans le ballon séparateur de condensats 88B13 prévu pour réduire les risques d'entraînement des hydrocarbures liquides dans la colonne d'absorption 88C12.Les gaz issus de ce ballon 88B13 vont dans la colonne d'absorption 88C12 où ils sont débarrassés de l'H2S par la solution d'amine pauvre. Les gaz désulfurés issus du sommet de l'absorbeur 88C12 passent ensuite à travers le séparateur 88B14 prévu pour limiter les entraînements d'amines.

Les gaz MP désulfurés issus du ballon 88B14 sont envoyés vers l'unité d'hydrogène U86 (charge A) à la DHC.

La solution d'amine riche chargée en H2S est recueillie en fond de l'absorbeur 88C12 puis est envoyée sous contrôle de niveau vers le ballon de dégazage 88B17.

- 18 -

II-6-3 La section absorbeur HP (Voir annexe 1)

Les gaz HP riches en H2S arrivent par différence de pression dans le ballon séparateur de condensats 88B11 prévu pour réduire le risque d'entraînement des hydrocarbures liquides dans la colonne d'absorption 88C11.Les gaz issus de ce ballon 88B11 vont dans la colonne d'absorption 88C11 où ils sont débarrassés de l'H2S par la solution d'amine pauvre.

Les gaz HP désulfurés issus du sommet de l'absorbeur 88C11 passent ensuite à travers le ballon séparateur 88B12 prévu pour limiter les entraînements d'amines.

Les gaz HP désulfurés issus du ballon 88B12 sont envoyés vers l'unité d'hydrogène U86 (charge B) de la DHC ou vers le réseau fuel-gaz.

La solution d'amine riche chargée en H2S est recueillie en fond de l'absorbeur 88C12 puis est envoyée sous contrôle de niveau vers le ballon de dégazage 88B17.

II-6-4 La section de régénération (Voir annexe 2)

La solution d'amine chargée en H2S venant du ballon 88B17 arrive par différence de pression dans l'échangeur 88E11A/B pour être préchauffée grâce à l'amine pauvre sortant du fond de la 88C14 , puis sous contrôle de niveau, alimente la colonne de régénération 88C14.

La chaleur de vaporisation nécessaire au stripping des gaz acides de la solution d'amine riche est fournie par le rebouilleur 88E12. Celui-ci est alimenté sous contrôle débit par la vapeur d'eau BP préalablement désurchauffée par barbotage dans le ballon désurchauffeur 88B19. Les vapeurs de tête de la colonne de régénération sont condensées dans l'aérocondenseur 88EA12 puis recueillies dans le ballon flash 88B18:

> La phase gazeuse riche en H2S est envoyée sous contrôle de pression vers la torche pour être brûlée.

> La phase liquide est reprise par la pompe de reflux 88P13A/B vers la colonne 88C14. La solution d'amine pauvre en fond de la colonne 88C14 cédera ses calories dans l'échangeur 88E11A/B à la solution d'amine chargée en H2S. Puis elle est reprise et refoulée par la pompe de recirculation 88P11A/B.

Sous contrôle de température de l'aéroréfrigérant 88EA11 la solution d'amine régénérée est envoyée vers les absorbeurs 88C13 ,88C12, 88C11.

NB : Un dixième du débit de circulation de la solution d'amine est filtré en permanence dans filtre 88FL11 pour éliminer les déchets et les sels métalliques en suspension afin d'éviter le moussage de la solution d'amine.

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