Optimiser la déshydratation du gaz naturel : Adsorbants à tamis moléculaire

Introduction

L'une des étapes les plus importantes du traitement du gaz naturel est la déshydratation du gaz naturel, qui garantit la qualité et l'efficacité du produit avant qu'il n'atteigne nos foyers et nos industries. Elle consiste à éliminer la vapeur d'eau du flux de gaz afin d'éviter la corrosion, la formation d'hydrates et la réduction du pouvoir calorifique. Les adsorbants à tamis moléculaires sont l'un des moyens les plus efficaces de déshydrater le gaz naturel, car ils possèdent des propriétés uniques qui leur permettent d'éliminer les molécules d'eau des gaz naturels. Dans cet article, nous examinerons les principes de base de la déshydratation du gaz naturel, les différentes méthodes de déshydratation ainsi que le rôle essentiel que jouent les adsorbants à tamis moléculaire dans ce processus.

Les tamis moléculaires sont des déshydratants efficaces utilisés dans la méthode de déshydratation par adsorption, couramment employée par les acteurs de l'industrie du gaz naturel. La structure poreuse uniforme de ces adsorbants assure la sélectivité des molécules d'eau à l'exclusion des molécules d'hydrocarbures plus grosses, ce qui permet une déshydratation efficace sans perte significative de composants précieux.

Comprendre la déshydratation du gaz naturel

La déshydratation du gaz naturel consiste à extraire la vapeur d'eau du gaz naturel brut pour produire du gaz naturel sec, qui peut être transporté et consommé. Souvent, le gaz naturel brut contient de la vapeur d'eau, qui peut se condenser, ce qui entraîne des problèmes au niveau des gazoducs et des équipements de traitement. La teneur en eau du gaz naturel brut varie entre 0,1 et 1,5 lb/MMcf (U.S. Energy Information Administration, 2020). Le processus d'élimination de la vapeur d'eau du gaz naturel vise à réduire la quantité de ce composé à un niveau acceptable par la plupart des normes de qualité des gazoducs, qui est généralement inférieur à 7 livres/millier de pieds cubes.

La déshydratation doit se produire pour diverses raisons. La vapeur d'eau pourrait former des composés corrosifs avec des gaz acides comme le dioxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène qui corroderaient les pipelines et les équipements. Elle se combine également avec des hydrocarbures lourds pour former des hydrates solides à haute pression et à basse température, ce qui provoque le colmatage des pipelines et en perturbe l'écoulement. En outre, l'eau élimine les composants combustibles, ce qui réduit le pouvoir calorifique du gaz naturel lorsqu'ils occupent l'espace qu'il aurait pu remplir. Ces problèmes peuvent être résolus en éliminant la vapeur d'eau grâce au processus appelé déshydratation du gaz naturel, ce qui garantit la substance du combustible ainsi que sa fiabilité sur le marché de l'approvisionnement.

Méthodes de déshydratation dans le traitement du gaz naturel

Différentes méthodes sont utilisées pour la déshydratation du gaz naturel, à savoir la déshydratation par absorption (déshydratation au glycol), la déshydratation par adsorption (déshydratation par dessiccation solide), la réfrigération et la séparation par membrane. L'industrie du gaz naturel utilise généralement la méthode d'absorption, également connue sous le nom de déshydratation au glycol. Pour cette raison, un dessiccant liquide, normalement du triéthylène glycol (TEG), est utilisé pour absorber la vapeur d'eau du flux de gaz naturel humide dans une unité de déshydratation du gaz. Bien que la déshydratation au glycol soit efficace pour éliminer la vapeur d'eau des flux de gaz naturel dont les températures de point de rosée à la sortie ne dépassent pas -10°C à -20°C, elle présente certaines limites comme la possibilité de pertes de glycol, la nécessité d'un entretien régulier et une consommation d'énergie élevée lors de la régénération du glycol dans la section de régénération. La pureté du glycol et l'efficacité du processus de régénération du glycol peuvent avoir un impact sur les performances globales de l'unité de déshydratation du gaz.

Les déshydratants solides ou les tamis moléculaires composés de gel de silice sont utilisés dans la déshydratation par adsorption ou la déshydratation par déshydratant solide pour éliminer la vapeur d'eau des flux de gaz naturel. Le gaz naturel humide traverse un lit d'adsorbant où les molécules, principalement composées de H2O, entrent en contact avec la surface du matériau poreux qui les recueille. Parmi les avantages de l'adsorption, on peut citer un coût énergétique inférieur à celui des procédés à base de glycol, une plus grande efficacité en termes d'élimination et la possibilité d'atteindre des températures de point de rosée de l'eau très basses (-50°C à -100°C). Ces caractéristiques font des tamis moléculaires des adsorbants très efficaces pour éliminer les traces d'humidité, car ils ont des structures de pores très absorbantes. Le gaz naturel déshydraté peut ensuite être traité pour récupérer les liquides de gaz naturel, qui sont stockés dans des réservoirs.

Par rapport à d'autres méthodes telles que la réfrigération et la séparation membranaire, les déshydratations au glycol et au dessiccant solide sont plus couramment utilisées dans les industries du gaz naturel. La réfrigération consiste à refroidir les gaz afin de condenser et de séparer le liquide qui en résulte, tandis que la séparation membranaire utilise des membranes sélectives qui permettent le passage des molécules d'eau mais retiennent les hydrocarbures.

Mise en œuvre de la déshydratation par adsorption dans les usines de traitement du gaz naturel

Dans les usines de traitement du gaz naturel, les unités de déshydratation par adsorption sont généralement situées en aval des étapes initiales de séparation et de compression. Des facteurs tels que le point de rosée souhaité, la présence d'autres impuretés et le schéma général du processus déterminent l'emplacement d'une unité de déshydratation. La déshydratation par adsorption peut être utilisée parallèlement à d'autres méthodes de déshydratation telles que la déshydratation au glycol pour obtenir le point de rosée nécessaire ; par exemple, une unité de déshydratation au glycol élimine d'abord l'eau, puis une unité d'adsorption est appliquée pour polir le produit jusqu'à ce qu'il atteigne les exigences rigoureuses en matière de point de rosée. Pour sélectionner et concevoir des déshydrateurs par adsorption qui fonctionnent de manière optimale et à moindre coût, il faut tenir compte de facteurs tels que le débit de gaz, la teneur en humidité du flux gazeux, le cycle de régénération et le point de rosée requis.

La déshydratation par adsorption multi-étapes peut être utilisée dans des applications où des points de rosée extrêmement bas (inférieurs à -100°C) sont souhaités, comme dans la production de gaz de pétrole liquéfié ou les procédés cryogéniques. Les systèmes d'adsorption multi-étapes se composent de deux ou plusieurs cuves d'adsorption connectées en série, chaque étape visant à atteindre un point de rosée plus bas que la précédente. La première étape permet d'éliminer la plus forte concentration de vapeur d'eau, tandis que les étapes suivantes poursuivent le processus d'assèchement. Cette méthode facilite une meilleure utilisation des lits d'adsorbants, ce qui permet d'atteindre de très faibles niveaux de saturation en humidité. Différents types de tamis moléculaires peuvent être utilisés dans les différentes étapes des systèmes de déshydratation par adsorption en plusieurs étapes afin d'optimiser fréquemment les performances.

Processus d'adsorption et de déshydratation en détail

En règle générale, le système de déshydratation par adsorption comprend plusieurs composants principaux tels que les cuves d'adsorption, les vannes et la tuyauterie du système de régénération, ainsi que l'instrumentation et les commandes. Les cuves d'adsorption contiennent les lits de déshydratants solides, généralement des tamis moléculaires ou des gels de silice, qui peuvent être augmentés en fonction de la capacité de l'installation et du cycle de régénération souhaité. D'autre part, le système de régénération comprend généralement un réchauffeur de gaz de régénération, un compresseur et un refroidisseur qui sont chargés de chauffer et de refroidir le gaz de régénération utilisé pour éliminer l'eau des lits de dessicant saturés.

Le processus de déshydratation par adsorption se déroule en deux étapes principales : l'adsorption et la régénération. C'est au cours de l'étape d'adsorption que le naturel humide pénètre dans une cuve d'adsorption contenant un lit de dessiccation solide. En traversant le lit, le gaz emporte les molécules d'eau qui se fixent alors à sa surface, tandis que les gaz secs s'en échappent à nouveau. Dans ce cas, tous ces processus se déroulent jusqu'à ce que l'eau soit saturée dans le lit de déshydratants. Par conséquent, une fois que la saturation a eu lieu dans un lit de déshydratants donné, cela signifie que ce récipient absorbeur particulier doit être mis hors ligne en attendant d'être régénéré. Un gaz régénérant chaud (généralement une partie du gaz de produit sec) passe à travers le lit saturé pour en retirer l'eau absorbée. L'étape suivante, après avoir obtenu de l'air propre, consiste à refroidir l'air régénérant de manière à le condenser. Dans certains cas, deux ou plusieurs cuves d'adsorption parallèles peuvent être utilisées de manière à ce que l'une d'entre elles puisse toujours rester en service en utilisant une ou plusieurs autres.

Adsorbants à tamis moléculaire : La déshydratation par adsorption

Les adsorbants à tamis moléculaire sont des aluminosilicates cristallins qui présentent une structure de pores régulière leur permettant d'adsorber sélectivement les molécules en fonction de leur taille et de leur forme. Ces adsorbants sont fabriqués à partir de zéolithes naturelles ou synthétiques et possèdent un réseau tridimensionnel de pores et de canaux interconnectés. Le tamis moléculaire le plus couramment utilisé pour la déshydratation du gaz naturel est la zéolithe 4A, dont le diamètre des pores est de l'ordre de quatre angströms (Å). Les tamis moléculaires présentent une forte affinité pour l'eau en raison de leur nature hydrophile et des fortes interactions entre les molécules d'eau et le cadre zéolithique, ce qui leur permet d'éliminer efficacement la vapeur d'eau des flux de gaz naturel à faible concentration.

Par rapport à d'autres déshydratants utilisés dans la déshydratation du gaz naturel, les adsorbants à tamis moléculaires présentent plusieurs avantages. Ils ont une surface spécifique et un volume de pores élevés qui leur permettent d'adsorber de grandes quantités de vapeur d'eau par unité de masse d'adsorbant. Une déshydratation efficace sans perte substantielle de composants précieux dépend de l'adsorption sélective des molécules d'eau par la structure poreuse uniforme des tamis moléculaires, tout en excluant les molécules d'hydrocarbures plus grosses. Les tamis moléculaires peuvent être régénérés à des températures plus basses (150°C - 300°C) que les autres déshydratants, ce qui permet de réduire la consommation d'énergie et les coûts d'exploitation (Chemical Engineering Transactions, 2017). Avec une régénération et un entretien appropriés, les lits de tamis moléculaires peuvent durer plusieurs années, ce qui minimise le besoin de remplacements fréquents. En outre, les tamis moléculaires possèdent également des capacités de déshydratation plus élevées, de sorte que des unités plus petites peuvent être déployées, ce qui permet de réduire l'empreinte au sol ainsi que les coûts d'investissement associés à l'infrastructure requise pour les usines de traitement du gaz concernées.

Le choix d'un type de tamis moléculaire adapté au service de déshydratation du gaz naturel est influencé par divers facteurs tels que la composition du gaz, les conditions d'exploitation, le point de rosée souhaité et la méthode de régénération. La consultation des producteurs de tamis moléculaires et la réalisation d'essais à l'échelle pilote peuvent être utiles pour déterminer l'adsorbant le plus approprié pour une application donnée de déshydratation du gaz naturel.

Régénération des adsorbants dans le processus de déshydratation

Au cours du processus de déshydratation par adsorption dans le traitement du gaz naturel, l'étape de régénération est un aspect primordial pour un fonctionnement continu et efficace de l'unité qui déshydrate l'eau, garantissant que le gaz répond à la spécification requise du point de rosée de l'eau. La procédure de régénération dans le contexte de la déshydratation du gaz naturel consiste à désorber l'eau absorbée du lit de tamis moléculaire saturé d'eau, après quoi sa capacité d'adsorption est rajeunie afin d'être utilisée pour un autre cycle. Cette opération est nécessaire pour maintenir le point de rosée de l'eau au niveau souhaité dans les flux de gaz naturel et éviter la formation d'hydrates et les problèmes de corrosion liés aux processus en aval, tout en minimisant les coûts d'investissement (Chemical Engineering Transactions, 2017).

Deux méthodes principales sont employées pour régénérer les systèmes de déshydratation du gaz naturel : la régénération par balancement thermique (TSR) et la régénération par balancement de pression (PSR). Dans la régénération par oscillation thermique, le gaz de régénération chaud ou une partie des gaz de produits secs sont utilisés pour chauffer les lits de tamis moléculaires saturés jusqu'à ce qu'ils puissent désorber l'eau adsorbée, réduisant ainsi la concentration d'eau dans la phase vapeur. Les températures de régénération varient de 150°C à 300°C, en fonction du type de tamis moléculaire et du niveau de déshydratation requis pour atteindre le point de rosée de l'eau souhaité. Une autre solution consiste à réduire la pression à l'intérieur du lit de tamis moléculaire saturé afin de désorber l'eau adsorbée et d'éliminer l'eau libre. Cela signifie que le lit est isolé du gaz d'alimentation à haute pression, puis dépressurisé à une pression inférieure proche de la pression atmosphérique. La déshydratation du gaz naturel utilise principalement la TSR parce qu'elle permet d'obtenir des points de rosée très bas, inférieurs à -60°C, nécessaires au traitement du gaz naturel.

Le maintien des performances à long terme et de la durée de vie des adsorbeurs à tamis moléculaire pendant leur utilisation dans les déshydrateurs de gaz naturel nécessite une régénération appropriée. Une régénération inadéquate ou inefficace peut entraîner une réduction progressive des capacités d'adsorption et une baisse de l'efficacité du séchage, ce qui se traduit par des concentrations d'eau plus élevées dans les gaz naturels traités. Elle peut entraîner des problèmes au cours des opérations et une non-conformité avec les spécifications des gazoducs. Pour garantir la fiabilité des performances d'un déshydrateur par adsorption, ainsi qu'une production de méthane sec de bonne qualité, une surveillance régulière, l'optimisation du processus de régénération et des remplacements périodiques sont absolument nécessaires.

Choisir Jalon comme fournisseur fiable de tamis moléculaires pour la déshydratation du gaz naturel

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Conclusion

La déshydratation par adsorption, qui utilise des tamis moléculaires, est une méthode très efficace de déshydratation du gaz naturel qui est importante pour la qualité et la fiabilité de notre approvisionnement en gaz naturel. Par exemple, les tamis moléculaires présentent des caractéristiques telles qu'une structure poreuse uniforme, une capacité d'adsorption élevée et une adsorption sélective qui les rendent les mieux placés pour éliminer la vapeur d'eau des flux de gaz naturel. Face à la demande croissante de ressources énergétiques propres et efficaces, la déshydratation par adsorption s'impose comme le moyen privilégié de répondre aux besoins futurs de l'industrie du gaz naturel, car elle s'est révélée être une technique rentable et polyvalente.