Guide complet de la purification du gaz naturel : Méthodes et technologies

Qu'est-ce que la purification du gaz naturel et pourquoi est-elle essentielle ?

La purification du gaz naturel est une étape importante de l'industrie pétrolière et gazière qui permet d'utiliser le gaz naturel de manière sûre, efficace et à un coût raisonnable. Au sens large, la purification du gaz naturel est le processus qui consiste à séparer les substances indésirables du gaz naturel brut produit par les puits de pétrole ou les gisements de gaz. Si elles ne sont pas éliminées, ces impuretés peuvent entraîner une dégradation de l'équipement, réduire le contenu énergétique du gaz et entraîner des problèmes environnementaux tels que l'émission de gaz à effet de serre.

Pourquoi ce processus est-il si important ? Tout d'abord, le gaz naturel purifié est conforme aux normes de qualité des gazoducs qui sont nécessaires au transport du gaz naturel et à sa consommation. Il contribue également à maintenir la compatibilité avec les processus ultérieurs, par exemple les centrales électriques, les usines pétrochimiques et les raffineries de pétrole qui utilisent le gaz naturel sec comme source d'énergie. En outre, la purification du gaz naturel est essentielle pour répondre aux normes environnementales, en particulier dans des pays comme les États-Unis qui ont des lois strictes sur l'émission de gaz acides tels que le dioxyde de soufre.

Il ne s'agit pas simplement d'un processus visant à satisfaire certaines exigences techniques ; il s'agit plutôt d'un processus visant à fournir une énergie sûre, propre et efficace grâce au traitement du gaz naturel. Compte tenu du besoin croissant d'énergie propre, le gaz naturel est préféré à d'autres hydrocarbures tels que le pétrole brut. Mais pour y parvenir, les impuretés présentes dans le gaz naturel brut doivent être séparées - un processus complexe qui nécessite des technologies et une ingénierie sophistiquées.

Principaux équipements utilisés pour la purification du gaz naturel et leurs fonctions

La purification du gaz naturel nécessite l'utilisation de plusieurs unités d'équipement essentielles, qui visent à éliminer diverses impuretés dans le flux de gaz naturel. Ces systèmes permettent de garantir que le gaz naturel est sûr, de bonne qualité et qu'il répond aux exigences environnementales avant d'être transporté ou utilisé.

Séparateurs : Dans de nombreux cas, lors de l'étape initiale de purification, des séparateurs conventionnels sont utilisés pour éliminer de grands volumes de liquides, notamment de l'eau et des hydrocarbures plus denses, du flux de gaz naturel. Cette étape permet d'éviter d'endommager les équipements en aval et de prévenir la corrosion.

Unités d'absorption des amines : Ces systèmes sont essentiels pour l'élimination des gaz acides tels que le dioxyde de carbone (CO₂) et le sulfure d'hydrogène (H₂S). Ces amines subissent une réaction chimique avec les composants acides du flux gazeux et contribuent à minimiser la teneur en soufre et à respecter les normes environnementales.

Unités de récupération du soufre (SRU) : Lorsque le sulfure d'hydrogène est séparé, il est généralement traité dans des SRU pour le convertir en soufre élémentaire. Ce soufre peut être vendu pour être utilisé dans des produits industriels tels que les engrais, ce qui confère une valeur économique au processus.

Unités de séparation cryogénique : Ces unités utilisent des températures très basses pour isoler les LGN, qui comprennent l'éthane, le propane et le butane, du flux de gaz principal dans une usine de traitement du gaz, ce qui permet d'obtenir un flux de LGN. Ces liquides peuvent être utilisés comme matières premières dans la production de produits pétrochimiques ou comme produits individuels.

Systèmes de déshydratation : Pour éviter la formation d'hydrates qui bloquent les gazoducs, il est nécessaire d'éliminer la vapeur d'eau. L'une des méthodes les plus courantes consiste à déshydrater le glycol, ce qui permet au gaz de circuler librement pendant le transport.

Systèmes d'élimination du mercure : Bien qu'utilisées à petite échelle, les unités d'élimination du mercure sont essentielles pour éviter l'impact du mercure sur les pièces en aluminium, en particulier dans les processus cryogéniques.

Tous ces systèmes ont pour fonction spécifique de rendre le produit final du gaz naturel propre, sûr et prêt pour le marché. L'intégration appropriée de ces technologies garantit un traitement efficace, la protection des équipements et l'utilisation optimale des ressources en gaz naturel.

Le processus de purification du gaz naturel

Le processus de purification du gaz naturel est complexe et vise à éliminer des composants indésirables spécifiques à différents stades. Cela permet de s'assurer que le produit final est conforme aux normes établies et qu'il peut être utilisé à différentes fins. Il est maintenant temps d'examiner les principales étapes du processus.

Prétraitement des gaz bruts

La première étape du processus de purification du gaz naturel est le prétraitement du gaz naturel brut, qui est généralement accompagné de pétrole brut, d'eau associée et de phase solide. Le prétraitement implique normalement l'application de séparateurs et de filtres standard, y compris la séparation des liquides de gaz naturel. Ces systèmes filtrent de grandes quantités d'impuretés pour permettre au gaz de passer par d'autres procédés.

Le prétraitement conditionne également le flux gazeux en contrôlant sa température et sa pression, qui sont essentielles pour la suite du traitement. L'efficacité de cette étape détermine l'efficacité de la purification en général. Les contaminants les plus importants doivent être éliminés à ce stade, car ils peuvent endommager d'autres équipements lors des étapes suivantes.

Élimination des gaz acides

Le processus de purification du gaz naturel implique l'élimination des gaz acides comme le sulfure d'hydrogène (H₂S) et le dioxyde de carbone (CO₂). L'étape suivante consiste à gérer ces gaz corrosifs, car s'ils ne sont pas bien gérés, ils posent des problèmes opérationnels et environnementaux. Par exemple, le H₂S peut provoquer une grave corrosion des pipelines et des équipements, dont la réparation peut s'avérer coûteuse et présenter des risques pour la sécurité. Le CO₂, quant à lui, a pour effet d'abaisser le pouvoir calorifique du gaz naturel et peut se solidifier au cours des processus cryogéniques, provoquant ainsi des blocages et d'autres problèmes.

Si les gaz acides ne sont pas éliminés du flux gazeux, les processus en aval tels que la déshydratation et la récupération du soufre peuvent être compromis ou interrompus. Des niveaux élevés de H₂S peuvent entraîner une surcharge des SRU, ce qui diminue leurs performances et augmente les émissions de gaz nocifs. De même, une concentration de CO₂ de 5% peut réduire l'efficacité des unités de séparation cryogénique de plus de 20% et la récupération d'hydrocarbures précieux tels que le propane et le butane.

Pour y remédier, l'absorption des amines est l'approche la plus courante. Les amines réagissent avec le H₂S et le CO₂ par une réaction chimique qui filtre ces gaz du flux gazeux. Pour une purification plus poussée, les techniques d'adsorption physique telles que l'adsorption sur tamis moléculaire ou l'adsorption par rotation de pression (PSA) sont utilisées. Ces méthodes sont particulièrement utiles dans les cas où une faible teneur en soufre ou en carbone est nécessaire, par exemple après désulfuration, ou pour l'élimination du CO₂ dans les mélanges gazeux à haute pression. Les tamis moléculaires (13X, 4A), par exemple, peuvent adsorber sélectivement le CO₂ et le H₂S dans la mesure où le gaz est d'une très grande pureté et peuvent être utilisés dans des applications exigeant une grande sensibilité.

Dans certains procédés mixtes, des tamis moléculaires ou d'autres agents d'adsorption sont utilisés en même temps que des méthodes chimiques pour obtenir de meilleurs résultats, en particulier pour des mélanges gazeux spécifiques.

De cette manière, les opérateurs protègent les équipements, améliorent l'efficacité des étapes suivantes et respectent les exigences environnementales. Cette étape est essentielle à la production d'un gaz naturel de haute qualité et rentable.

Déshydratation

La déshydratation est une étape importante du traitement du gaz naturel, car les hydrates de gaz sont des structures solides, semblables à de la glace, qui peuvent se former lorsque la vapeur d'eau réagit avec le gaz naturel à haute pression et à basse température. Les hydrates peuvent causer de graves problèmes tels que l'obstruction des gazoducs, l'interruption de l'exploitation et l'entrave au passage du gaz naturel, ce qui entraîne des problèmes qui prennent beaucoup de temps. En outre, la présence d'eau dans le flux de gaz entraîne la corrosion des gazoducs et des équipements de traitement et réduit considérablement leur durée de vie.

Si le processus de déshydratation n'est pas correctement géré, d'autres processus tels que la séparation cryogénique et la récupération du soufre peuvent être gravement affectés. Par exemple, l'eau résiduelle peut geler dans les unités cryogéniques et provoquer des blocages dans l'équipement, ce qui réduit la récupération d'hydrocarbures précieux tels que l'éthane, le propane et le butane. Des recherches ont montré que quelques ppm d'eau seulement peuvent entraîner une perte de 15-20% dans les opérations cryogéniques. En outre, l'eau peut dissoudre des gaz acides tels que le CO₂ et le H₂S pour former des acides très corrosifs qui aggraveraient le problème.

La déshydratation primaire est l'une des méthodes les plus courantes, et la déshydratation au glycol est la méthode la plus utilisée. Dans ce processus, le triéthylène glycol (TEG) passe dans le flux de gaz où il est utilisé pour éliminer la vapeur d'eau. Cela garantit que le gaz ne contient pas d'eau et il est généralement fourni avec une teneur en eau inférieure à 7 lbs/MMscf pour la qualité du gazoduc. La température du flux gazeux est régulée pour garantir l'efficacité de l'élimination de l'eau et pour s'assurer que la performance est constante.

Dans les cas où les flux gazeux contiennent une quantité relativement élevée d'eau, les tamis moléculaires 4A peuvent également être utilisés pour la première étape de la déshydratation. En raison de leur capacité d'adsorption et de leur efficacité élevées, les tamis moléculaires 4A peuvent constituer la méthode principale dans certains cas, par exemple à basse température ou lorsqu'il est nécessaire de réduire la quantité d'eau avant un traitement ultérieur. Dans ces cas, ils contribuent à réduire la teneur en eau du gaz et, par conséquent, à diminuer la charge sur les étapes de déshydratation suivantes, y compris les systèmes TEG, et à améliorer l'efficacité du processus d'épuration du gaz.

Ces deux méthodes sont essentielles pour réguler la teneur en eau du gaz naturel afin de répondre aux spécifications des gazoducs et de préparer le gaz à d'autres étapes de traitement ultérieures. La décision d'utiliser la déshydratation par TEG, les tamis moléculaires 4A ou les deux est basée sur les besoins opérationnels et la composition du gaz.

Après la déshydratation primaire, une déshydratation supplémentaire est nécessaire pour les flux de gaz qui doivent être traités pour la cryogénie ou la liquéfaction, par exemple le GNL.

Les tamis moléculaires, en particulier le type 13X, sont les adsorbants les plus couramment utilisés pour le séchage en profondeur. Ils peuvent éliminer la teneur en eau jusqu'à moins de 0,1 ppm, ce qui permet de les utiliser dans des systèmes cryogéniques. Cette capacité à adsorber sélectivement les molécules d'eau, même à de très faibles concentrations, garantit les meilleures performances dans les conditions d'humidité les plus difficiles, comme dans la production de GNL.

D'autres déshydratants, comme l'alumine activée, sont utilisés pour des besoins de séchage modérés, par exemple pour atteindre un point de rosée de -40°C. L'alumine activée est également utilisée comme matériau de prétraitement pour réduire la charge d'eau en vrac sur les tamis moléculaires, augmentant ainsi leur durabilité et leurs performances. Les tamis moléculaires sont préférés pour la déshydratation en profondeur en raison de leur capacité d'adsorption plus élevée, de leur sélectivité supérieure et de leur durée de vie opérationnelle plus longue. Ces propriétés les rendent inestimables pour atteindre les niveaux d'eau extrêmement bas qui sont nécessaires dans les processus cryogéniques et autres processus rigoureux.

En contrôlant correctement le point de rosée, les opérateurs évitent la corrosion et l'érosion des équipements, améliorent les performances des processus ultérieurs et garantissent aux clients la fourniture d'un gaz naturel propre et sec.

Élimination des hydrocarbures lourds et du mercure

Les hydrocarbures saturés et d'autres impuretés telles que le mercure sont éliminés lors du traitement du gaz naturel afin de répondre aux exigences en matière de sécurité, d'exploitation et d'environnement. Le pentane et les alcanes supérieurs présents dans les hydrocarbures lourds peuvent entraîner de graves problèmes dans les opérations en aval. Ces hydrocarbures se solidifient à des températures cryogéniques, provoquent des blocages dans les équipements et réduisent l'efficacité du processus de récupération des LGN de valeur tels que le propane, le butane et l'éthane. Le mercure, y compris à de très faibles concentrations, attaque les pièces en aluminium dans les échangeurs de chaleur cryogéniques, ce qui entraîne des défaillances de l'équipement, une perte de temps d'exploitation et des réparations coûteuses.

Les tamis moléculaires (5A,13X) sont les adsorbants avancés les plus utilisés pour éliminer ces impuretés. Grâce à leur capacité d'adsorption et à leur sélectivité élevées, ils peuvent séparer efficacement les hydrocarbures lourds tout en adsorbant le mercure en une seule étape. Les tamis moléculaires sont particulièrement utiles dans les systèmes cryogéniques car ils peuvent fonctionner à basse température sans dégradation de leurs performances. De plus, ils sont régénérables, ce qui les rend plus abordables et plus fonctionnels à long terme.

Dans certaines applications, d'autres adsorbants tels que le charbon actif peuvent être utilisés pour l'élimination du mercure en plus des adsorbants primaires. Néanmoins, les tamis moléculaires sont considérés comme plus efficaces et plus polyvalents que les autres adsorbants. Non seulement ils purifient le gaz, mais ils protègent également les équipements délicats en aval contre les dommages et la pollution éventuelle, ce qui peut s'avérer très coûteux.

Si ces impuretés ne sont pas éliminées, elles peuvent causer des problèmes majeurs tels que le colmatage des unités cryogéniques, la diminution des taux de récupération des hydrocarbures précieux et la violation des normes environnementales. Grâce à un traitement efficace des hydrocarbures lourds et du mercure, les opérateurs protègent les processus en aval, récupèrent autant de ressources que possible et respectent les exigences en matière de sécurité et d'environnement.

Récupération du soufre

La récupération du soufre est un processus critique après l'extraction du sulfure d'hydrogène (H₂S) du gaz naturel. Ce processus permet non seulement de réduire les émissions de gaz nocifs, mais aussi de convertir le H₂S en soufre élémentaire, un produit utile utilisé dans les engrais, les produits chimiques et d'autres produits. La méthode la plus courante est le procédé Claus, qui implique la combustion partielle de H₂S pour produire du SO₂, puis la réaction du H₂S restant avec le SO₂ en présence de catalyseurs tels que l'alumine activée ou le sulfate de baryum pour produire du soufre élémentaire.

Une autre considération importante dans la récupération du soufre est l'absence d'eau dans le flux de gaz, car l'eau entrave l'efficacité des réactions de récupération du soufre et corrode l'équipement. Les tamis moléculaires, en particulier 4A et 5A, sont utilisés dans cette étape pour éliminer l'eau restante et améliorer l'activité catalytique du processus de conversion du soufre. Les tamis moléculaires sont utilisés de préférence à d'autres déshydratants tels que l'alumine activée ou le gel de silice en raison de leur capacité élevée d'adsorption de l'eau, de leur sélectivité et de leur stabilité thermique.

Outre les avantages de l'activité catalytique, les tamis moléculaires présentent également des caractéristiques de régénération et une durée de vie plus élevées, ce qui les rend plus économiques pour une utilisation à long terme. La distribution de la taille des pores de ces matériaux est bien contrôlée pour fournir le meilleur environnement d'adsorption et de réaction, ce qui permet une meilleure récupération du soufre et une meilleure performance de l'usine.

Grâce à l'utilisation de tamis moléculaires dans le processus de récupération du soufre, les opérateurs augmentent la conversion du H₂S, protègent les équipements et optimisent la valeur du soufre récupéré dans le respect des normes environnementales.

Exigences de pureté pour le gaz naturel dans différentes industries

Le niveau de pureté attendu du gaz naturel diffère d'une industrie à l'autre en fonction de l'utilisation du gaz. Il est important de purifier le gaz pour que les opérations soient efficaces, pour protéger les équipements et pour obtenir des produits de qualité.

Transport par gazoduc : Dans le cas du gaz naturel de qualité gazoduc, les exigences de pureté sont très élevées afin d'éviter tout problème pendant le transport. Le gaz ne doit pas contenir de gaz acides tels que le sulfure d'hydrogène (H₂S), la vapeur d'eau et d'autres impuretés susceptibles de provoquer la corrosion du gazoduc ou la formation d'hydrates à haute pression et à basse température. Cela peut être rendu possible par l'application d'adsorbants et de déshydratants améliorés tels que les tamis moléculaires, l'alumine activée, l'oxyde de fer (Fe₂O₃) et le charbon actif.

Parmi ces choix, les tamis moléculaires (4A, 5A, 13X) sont particulièrement efficaces en termes d'adsorption. Alors que l'alumine activée convient au séchage de base, les tamis moléculaires peuvent atteindre un point de rosée inférieur à 0,1 ppm pour répondre aux demandes d'humidité ultra-faible pour les utilisations sensibles. En outre, l'oxyde de fer et le charbon actif sont sélectifs pour certaines impuretés telles que le soufre ou les hydrocarbures ; cependant, les tamis moléculaires peuvent adsorber l'eau, le CO₂ et le H₂S en même temps avec une grande sélectivité.

Les tamis moléculaires ont également une durée de vie plus longue et des taux de régénération plus élevés, ce qui est plus économique pour les applications à long terme. Ces avantages font des tamis moléculaires le choix privilégié pour atteindre la pureté et la fiabilité requises pour le transport, la sécurité et l'efficacité des pipelines.

les centrales électriques et les applications pétrochimiques : Ces secteurs ont besoin d'un gaz naturel de très grande pureté pour assurer leur fonctionnement et la qualité de leurs produits. Dans le cas des centrales électriques, le gaz naturel doit respecter des niveaux d'humidité et d'impureté spécifiques, et la teneur en eau doit généralement être inférieure à 1 ppm. Ce niveau de sécheresse est nécessaire pour éviter la corrosion des turbines et des chaudières et pour obtenir une combustion stable et efficace.

Dans les processus pétrochimiques, même des niveaux de ppm d'impuretés telles que les composés sulfurés et les hydrocarbures lourds peuvent interférer avec les processus catalytiques, réduire la formation de produits et encrasser les équipements sensibles. Le gaz naturel, lorsqu'il est utilisé comme matière première chimique, doit être débarrassé de sa teneur en soufre, qui doit être inférieure à 1 ppm, en raison des exigences de pureté élevées.

Pour répondre à ces exigences, les tamis moléculaires sont préférés en raison de leur capacité à éliminer l'eau à des niveaux très bas et, en même temps, à éliminer sélectivement les composés sulfurés et les hydrocarbures. D'autres adsorbants comme le charbon actif et l'oxyde de fer (Fe₂O₃) sont utilisés pour certaines impuretés comme le soufre ou les hydrocarbures. Cependant, les tamis moléculaires sont plus efficaces, plus sélectifs et plus faciles à régénérer que ces alternatives, c'est pourquoi ils sont utilisés dans des processus plus difficiles.

Production de liquides de gaz naturel (LGN) : La récupération des LGN tels que l'éthane, le propane et le butane nécessite de réduire les impuretés à des niveaux très bas en raison des exigences élevées en matière de pureté. Dans les systèmes cryogéniques, la température peut être inférieure à -100°C et la teneur en eau doit donc être inférieure à 0,1 ppm pour éviter la congélation et la formation d'hydrates susceptibles de boucher les équipements et de perturber le système. De même, la concentration de CO₂ doit être maintenue aussi basse que possible pour ne pas se solidifier et contaminer les composants séparés.

Pour répondre à ces besoins, les tamis moléculaires (4A、5A、13X) sont utilisés pour la déshydratation en profondeur et l'élimination du CO₂. En raison de leur surface élevée et de leur sélectivité, ils sont idéaux pour atteindre de très faibles niveaux d'humidité et d'impuretés afin de permettre des processus cryogéniques efficaces.

Les autres adsorbants comprennent l'alumine activée et le charbon actif, qui sont utilisés dans certaines applications. La déshydratation modérée fait appel à l'alumine activée, tandis que le charbon actif est utilisé pour éliminer les hydrocarbures et d'autres impuretés à l'état de traces. Néanmoins, leurs performances et leur applicabilité sont généralement inférieures à celles des tamis moléculaires, en particulier dans les environnements cryogéniques sévères.

Les adsorbants avancés qui peuvent être développés pour répondre aux besoins de chaque usine permettent à l'opérateur d'obtenir le gaz naturel de haute pureté nécessaire à la production de LGN tout en minimisant les risques pour l'équipement cryogénique et en maximisant le rendement du produit.

Raffineries de pétrole et applications spécialisées : Dans les raffineries et certaines autres applications, la composition du gaz naturel est très importante pour répondre à certaines spécifications opérationnelles et de produits. Par exemple, dans la production chimique, les hydrocarbures légers tels que le méthane doivent être séparés des hydrocarbures plus lourds afin de produire des produits chimiques de valeur, et la composition des hydrocarbures doit donc être contrôlée. Dans ces applications, le gaz naturel utilisé comme matière première peut nécessiter des niveaux très faibles de soufre et d'humidité, souvent inférieurs à 1 ppm, pour ne pas interférer avec les processus catalytiques.

De même, les puits de condensat contiennent des hydrocarbures qui sont produits et transformés en produits liquides tels que les carburants liquides. La présence d'impuretés telles que le CO₂, l'eau et le soufre doit être régulée afin d'améliorer la qualité du produit et les performances opérationnelles.

En adaptant les processus de purification aux besoins de l'industrie, les opérateurs peuvent fournir un gaz naturel sûr, efficace et de haute qualité pour diverses utilisations.

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Progrès, défis et perspectives d'avenir pour la purification du gaz naturel

La technologie de purification du gaz naturel s'est considérablement développée en raison de la demande croissante d'énergie propre et de normes plus strictes. De nouveaux procédés cryogéniques et de meilleurs procédés d'adsorption et supports tels que les tamis moléculaires ont permis de séparer et d'éliminer les impuretés avec une efficacité et une sélectivité accrues. Ces développements permettent non seulement d'atteindre des degrés de pureté plus élevés, mais aussi d'économiser de l'énergie et de réduire les dépenses. Toutefois, pour réduire l'impact de l'industrie, les stations d'épuration sont alimentées par des sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire ou éolienne.

Cependant, certains problèmes n'ont pas encore été résolus. La question la plus difficile est de savoir comment couvrir les coûts de purification tout en maintenant la valeur économique du gaz purifié. Les technologies capables d'effectuer une déshydratation en profondeur, d'éliminer les gaz acides et le mercure peuvent être gourmandes en capitaux. En outre, comme les normes environnementales continuent d'être renforcées, les systèmes de purification doivent être capables de traiter des impuretés plus complexes et de minimiser les émissions de gaz à effet de serre.

Les perspectives d'avenir seront dominées par le concept de durabilité dans la création de technologies de purification. Les systèmes d'élimination du dioxyde de carbone qui peuvent capturer et stocker ou recycler le CO₂ devraient gagner en popularité à mesure que le monde s'oriente vers une réduction des émissions de carbone. Les systèmes de purification portables et de petite taille suscitent également de l'intérêt, en particulier pour les applications extrêmes et à petite échelle, en raison de leur flexibilité et de leur logistique.

L'avenir de la purification du gaz naturel sera déterminé par la mesure dans laquelle elle répondra à l'évolution constante des besoins énergétiques, aux défis en matière de coûts et aux questions environnementales. Les progrès réalisés permettront au gaz naturel de rester une source d'énergie stable, efficace et durable dans le cadre de la transition vers une combinaison d'énergies plus propres.