FR3120429A1 - Procédé de liquéfaction d’un courant riche en CO2 - Google Patents

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Abstract

Titre : Procédé de liquéfaction d’un courant riche en CO2 Dans un procédé de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone, le gaz (1) est comprimé jusqu’à une première pression supérieure à sa pression critique dans un compresseur (10, 20) pour former un gaz comprimé, le gaz comprimé se refroidit par échange de chaleur avec un fluide frigorigène à température variable pour former un gaz comprimé refroidi (3) avec une densité entre 370 et 900 kg/m3, le gaz comprimé refroidi se refroidit à la pression supercritique dans un premier échangeur de chaleur (40) jusqu’à une température en dessous de la température critique, le gaz refroidi en dessous de la température critique est détendu jusqu’à une deuxième pression entre 45 et 60 bara pour former un fluide diphasique que l’on sépare dans un séparateur de phases (60) pour former un liquide et un gaz et une partie du liquide (5) provenant du séparateur de phases fournit du froid au premier échangeur de chaleur. Figure unique

Description

Procédé de liquéfaction d’un courant riche en CO2
La présente invention est relative à un procédé de liquéfaction d’un courant riche en CO2.
Dans un procédé de liquéfaction de CO2d’alimentation riche en CO2(>_80% molaire, voire >95% molaire) composée pour le reste majoritairement d’impuretés légères (CO, N2, O2par exemple), le CO2est comprimé jusqu’à une pression supercritique. Ce dernier est dirigé vers un échangeur de chaleur principal en passant par un premier échangeur de chaleur permettant de refroidir au maximum le CO2en utilisant un fluide de refroidissement dédié (air, eau par exemple), puis un second échangeur de chaleur dont le rôle est de refroidir le CO2au-delà de la limite imposée par le fluide de refroidissement dédié et enfin une vanne de détente à une pression en deçà de la pression critique permettant de refroidir le CO2dans le second échangeur de chaleur par une partie du CO2liquide obtenu. Cette association permet une flexibilité dans la composition en alimentation et les conditions ambiantes. Ainsi la conséquence sur le rendement du schéma ainsi que sur le compresseur et échangeur principal est limitée.
La présente invention est relative à un procédé de liquéfaction d’un gaz riche en CO2où le gaz riche en CO2est lui-même employé comme réfrigérant du cycle de réfrigération, suite à sa liquéfaction. Sa pression est augmentée grâce à un compresseur, ce qui permettra de le détendre afin d’en abaisser la température jusqu’à un niveau compatible avec la liquéfaction du courant d’alimentation. Mais avant sa détente, le gaz riche en CO2doit être refroidi permettant ainsi une chute de température suffisante. Lors de cette opération, la densité du gaz riche en CO2va augmenter significativement. La densité du gaz riche en CO2est très sensible aux conditions de pression et de température lorsqu’il est à l’état supercritique. Dans le cas d’un refroidissement du gaz riche en CO2comprimé par le biais d’air ambiant ou d’eau de refroidissement elle-même refroidie à l’air ambiant, sa densité est sujette aux variations de la température ambiante. Cela peut générer des instabilités d’opération lors de la liquéfaction du courant d’alimentation entre le jour et la nuit, l’hiver et l’été. La présente invention a pour objectif de limiter les effets de la variation de température du fluide utilisée pour refroidir le gaz riche en CO2en particulier celle due à la variation de la température ambiante.
La liquéfaction du CO2avec le CO2comme réfrigérant est une technologie étudiée et connue (voir FR2975478 et FR2934170). Le procédé de FR3088416 permet une adaptabilité en fonction de la composition (H2et/ou N2).
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone dans lequel :
Le gaz est comprimé jusqu’à une première pression supérieure à sa pression critique, voire supérieure à 80 bara, dans un compresseur pour former un gaz comprimé
Le gaz comprimé se refroidit par échange de chaleur avec un fluide frigorigène à température variable pour former un gaz comprimé refroidi avec une densité entre 370 et 900 kg/m3
Le gaz comprimé refroidi se refroidit à la pression supercritique dans un premier échangeur de chaleur jusqu’à une température en dessous de la température critique par exemple entre 5°C et 25°C
Le gaz refroidi en dessous de la température critique est détendu jusqu’à une deuxième pression entre 45 et 60 bara pour former un liquide ou un fluide diphasique que l’on sépare éventuellement dans un séparateur de phases pour former un liquide et un gaz
Une partie du liquide ou du fluide diphasique de l’étape iv) ou du liquide provenant du séparateur de phases fournit du froid au premier échangeur de chaleur et
Une partie du liquide ou du fluide diphasique de l’étape iv) ou du liquide provenant du séparateur de phases est sousfroidi pour former un liquide sousrefroidi.
Selon d’autres aspects facultatifs qui peuvent être combinés entre eux de toute manière compatible avec la science et la logique :
la partie du liquide ou du fluide diphasique qui fournit du froid dans le premier échangeur de chaleur se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur et de préférence s’y vaporise.
la partie du liquide ou du fluide diphasique qui fournit du froid au premier échangeur de chaleur est envoyée après vaporisation se mélanger avec le gaz à comprimer.
la partie du liquide ou du fluide diphasique de l’étape iv) ou la partie du liquide provenant du séparateur de phases est sous-refroidie dans un deuxième échangeur de chaleur et envoyée se séparer dans une colonne de distillation et un liquide enrichi en dioxyde de carbone est soutiré de la colonne de distillation comme produit.
une partie du liquide de cuve de la colonne de distillation se vaporise dans le deuxième échangeur de chaleur et est envoyée au compresseur pour s’y comprimer avec le gaz à séparer.
le compresseur comprend au moins deux étages et le liquide de cuve vaporisé est envoyé au compresseur à une pression plus basse que celle à laquelle le liquide vaporisé dans le premier échangeur de chaleur y est envoyé.
au moins une partie du gaz formé dans le séparateur de phase est rejetée à l’atmosphère et/ou se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur avant d’être envoyée à la colonne de distillation et/ou est envoyée au compresseur pour s’y comprimer avec le gaz à séparer.
si le gaz à liquéfier devient moins riche en dioxyde de carbone, le débit de gaz formé dans le séparateur de phases rejeté à l’atmosphère est augmenté.
si la teneur en en dioxyde de carbone du gaz à liquéfier passe en dessous d’un seuil, le débit de gaz formé dans le séparateur de phases rejeté à l’atmosphère est augmenté.
le gaz à séparer est comprimé dans les au moins deux étages du compresseur.
la densité du liquide de l’étape iv) ou du fluide diphasique est entre 750 et 950 kg/m3, voire entre 820 et 850 kg/m3.
si la température du fluide frigorigène de l’étape ii) réduit, on réduit le débit de liquide ou de fluide diphasique envoyé au deuxième échangeur de chaleur.
si la température de l’air ou de l’eau de l’étape ii) augmente, on augmente le débit de liquide ou de fluide diphasique envoyé au deuxième échangeur de chaleur.
si la température du fluide frigorigène de l’étape ii) réduit, on réduit la première pression.
si la température du fluide frigorigène de l’étape ii) augmente, on augmente la première pression.
Le gaz comprimé refroidi se refroidit à la pression supercritique dans le premier échangeur de chaleur jusqu’à une température entre 15°C et 25°C
Dans un schéma de liquéfaction d’un gaz riche en CO2où le gaz riche en CO2est lui-même employé comme réfrigérant du cycle de réfrigération, la présente invention propose de comprimer un courant d’alimentation de CO2concentré en CO2(>95% molaire) et le reste majoritairement en composant plus légers dits « incondensables » (CO, N2, O2par exemple) à une pression au- delà de la pression critique du CO2(73.3 bara). Ceci permet d'obtenir un gaz riche en CO2le plus dense possible après refroidissement si le fluide de refroidissement utilisé (air, eau par exemple) a une température trop élevée pour condenser le gaz riche en CO2. Ce CO2est ensuite injecté dans un échangeur de chaleur principal dit deuxième échangeur de chaleur qui peut être un échangeur à plaques en aluminium brasées.
Ainsi, avant son entrée dans l’échangeur de chaleur, il est dans un premier temps refroidi au maximum au moyen d’un fluide de refroidissement dédié (eau, air par exemple) permettant de densifier le fluide haute pression à une valeur d’environ comprise entre 370 et 900 kg/m3. La température en sortie de cet échangeur de chaleur est donc sujette aux variations de la température ambiante via le fluide de refroidissement.
Le fluide principal haute pression et partiellement refroidi est dirigé vers un premier échangeur de chaleur pouvant être à tubes et calandre ou à plaques par exemple. Le fluide riche en CO2en ressort avec une température comprise entre 5°C et 25°C.
Le refroidissement du CO2est fourni par le CO2lui-même qui est détendu à une pression entre 45 bara et 60 bara. Le gaz généré par la détente, si présent, peut être dirigé vers le deuxième échangeur de chaleur (échangeur principal) pour y être liquéfié ou recyclé vers le compresseur. Une partie du liquide issu du séparateur est recyclée vers le premier échangeur de chaleur jouant le rôle de courant froid à cet échangeur. L’autre partie est dirigée vers l’échangeur principal pour y être sous refroidie. La détente permet au fluide de passer de l’état supercritique à l’état liquide dont la densité est plus stable et moins sensible aux variations de température.
Cette configuration a trois avantages:
Lorsque la température ambiante varie, l’impact sur la zone de liquéfaction constituée de l'échangeur principal est moindre puisqu’il est pris en charge par le premier échangeur de chaleur.
Lorsque la température ambiante est élevée, le compresseur du gaz riche en CO2va fournir la pression de décharge maximale pour densifier au maximum le courant. Lorsque la température ambiante diminue, la pression de décharge pourra être diminuée et le premier échangeur va également réduire sa charge (en minimisant la part du CO2vaporisée et recyclée au compresseur) afin d’obtenir une densité constante à l’entrée de l’échangeur principal (70).
De même lorsque la composition de l’alimentation est dégradée et est enrichie par des incondensables, le séparateur de phases (si présent) permet de purger le surplus de composés légers pour permettre à l’échangeur principal de toujours opérer dans des conditions proches en termes de fluide en entrées.
L’invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure.
illustre un procédé selon l’invention.
Un gaz 1 contenant au moins 80% mol, de préférence au moins 95% mol de dioxyde de carbone ainsi que des impuretés tels que le monoxyde de carbone, l’azote ou l’oxygène est comprimé dans la première partie 10 d’un compresseur, comprenant au moins un étage. Ensuite il est comprimé dans la deuxième partie 20 du compresseur, comprenant au moins un étage, pour atteindre une pression supérieure à la pression critique. Le gaz supercritique 2 est refroidi dans un refroidisseur 30 par un fluide frigorigène dont la température est susceptible à changer avec la température ambiante, par exemple l’air ou l’eau pour former un gaz supercritique 3 avec une densité entre 370 et 900 kg/m3. Le gaz 3 est refroidi dans un échangeur de chaleur 40 à tube et à calandre ou à plaques aluminium brasées pour atteindre une température subcritique, par exemple entre 5°C et 25°C. Le fluide 4 formé est détendu dans une vanne 50 jusqu’à une pression entre 45 et 60 bara pour former un fluide diphasique qui est ensuite séparé dans un séparateur de phases 60.
Une partie 8 du liquide du séparateur de phases 60 sert à refroidir le premier échangeur de chaleur 40. Dans cet exemple le liquide 8 se vaporise dans l’échangeur 40 et est renvoyé au gaz à séparer 1 entre les deux parties 10, 20 du compresseur.
En plus le transfert de froid vers l’échangeur de chaleur peut se réaliser à travers un autre moyen, donc le liquide 8 n’est pas nécessairement envoyé lui-même dans le premier échangeur 40.
Il est également possible que la détente dans la vanne 50 peut produire un liquide monophasique. Dans ce cas, le séparateur de phases 60 n’est pas nécessaire. Une partie de ce liquide servira ainsi à fournir du froid au premier échangeur 40.
Certains usages du liquide détendu dans la vanne 50 ou de types d’échangeurs pour le sousrefroidir supportent la présence d’une certaine quantité de gaz dans le liquide. Dans ces cas aussi, la présence du séparateur de phases 60 est optionnelle.
Le liquide produit après la détente dans la vanne 50 peut constituer le produit du procédé, sans purification ultérieure dans une colonne ou autre. Il en est de même pour le liquide 5 du séparateur de phases.
En variante, comme illustré à la figure, le liquide 5 (ou le liquide détendu dans la vanne 50 si le séparateur 60 n’est pas présent) est divisé en deux parties. La partie 8 déjà mentionnée sert à refroidir le premier échangeur et la partie 9 est refroidie dans l’échangeur de chaleur 70 qui est un échangeur à plaques en aluminium brasées.
Dans cet exemple, le liquide 9 est refroidi jusqu’à une température intermédiaire, puis divisé en deux pour former deux débits 11, 12. Le premier débit 11 sort de l’échangeur 70 à une température intermédiaire, est détendu dans une vanne 110 puis envoyé à la colonne de distillation 80 à un niveau intermédiaire de celle-ci. Le deuxième débit 12 se refroidit jusqu’au bout froid de l’échangeur 70, est détendu dans une vanne 100 et est envoyé en tête de la colonne 80. Il est également possible d’envisager d’autres façons d’alimenter la colonne, par exemple en y envoyant un seul débit liquide à la colonne. La colonne peut aussi être remplacée par au moins un séparateur de phases.
Le liquide de cuve de la colonne 80 enrichi en dioxyde de carbone est divisé en trois parties. Une partie 13 est réchauffée dans l’échangeur 70 et envoyée en cuve de la colonne 80 pour apporter de la chaleur. Une partie 19 est sousrefroidie dans l’échangeur 80 pour former un produit liquide du procédé.
Une partie 17 est détendue dans une vanne 120 et se vaporiser dans l’échangeur de chaleur 70 pour former un gaz qui se mélange avec le gaz 1 et est comprimé dans le compresseur 10, 20.
Le gaz 7 du séparateur de phases 60, si présent, peut être envoyé à l’air et/ou refroidi dans l’échangeur de chaleur 70 comme gaz 10, détendu et envoyé alimenter la colonne 80 et/ou envoyé au compresseur 10, 20 pour être comprimé avec le gaz 1.
Le refroidisseur 30 est refroidi par un fluide frigorigène à température variable, par exemple de l’air ou de l’eau. Selon la température du fluide, la densité du gaz 3 refroidi dans le refroidisseur peut varier entre 370 et 900 kg/m3. Du fait de l’usage du premier échangeur de chaleur, la densité du liquide détendu dans la vanne 50 reste entre 750 et 950 kg/m3, voire entre 820 et 850 kg/m3quelle que soit la température du fluide frigorigène. Ainsi la variation de densité est largement atténuée pour le liquide produit.
Si la température du fluide frigorigène augmente (par exemple si la température ambiante augmente dans le cas de l’eau et de l’air), le compresseur 10, 20 produit un débit 2 à pression plus élevée pour densifier le plus possible celui-ci.
Si la température du fluide frigorigène réduit (par exemple si la température ambiante réduit dans le cas de l’eau et de l’air), le compresseur 10, 20 produit un débit 2 à pression moins élevée pour moins densifier celui-ci. Dans ce cas, la quantité de froid envoyée au premier échangeur de chaleur 40 sera réduit, par exemple en réduisant le débit de gaz 8 envoyé à l’échangeur de chaleur 40 pour le refroidir. Ceci permet d’obtenir une densité constante en aval de la vanne 50.
De préférence, l’échangeur de chaleur 40 permet l’échange de chaleur direct entre le débit 3 et le débit 8 uniquement.
Si la composition du débit 1 varie et devient moins riche en dioxyde de carbone, le séparateur de phases 60 envoie plus de gaz 7 à l’atmosphère pour que le produit liquide 5 du séparateur de phases 60 ait une composition quasi-constante. Ceci permet à l’échangeur de chaleur 70 (si présent) de refroidir un liquide à composition stabilisée.

Claims (12)

  1. Procédé de liquéfaction d’un gaz riche en dioxyde de carbone dans lequel :
    1. Le gaz (1) est comprimé jusqu’à une première pression supérieure à sa pression critique dans un compresseur (10, 20) pour former un gaz comprimé
    2. Le gaz comprimé se refroidit par échange de chaleur avec un fluide frigorigène à température variable pour former un gaz comprimé refroidi (3) avec une densité entre 370 et 900 kg/m3
    3. Le gaz comprimé refroidi se refroidit à la pression supercritique dans un premier échangeur de chaleur (40) jusqu’à une température en dessous de la température critique par exemple entre 5°C et 25°C
    4. Le gaz refroidi en dessous de la température critique est détendu jusqu’à une deuxième pression entre 45 et 60 bara pour former un liquide ou un fluide diphasique que l’on sépare éventuellement dans un séparateur de phases (60) pour former un liquide et un gaz
    5. Une partie du liquide ou du fluide diphasique de l’étape iv) ou du liquide (5) provenant du séparateur de phases fournit du froid au premier échangeur de chaleur et
    6. Une partie du liquide ou du fluide diphasique de l’étape iv) ou du liquide provenant du séparateur de phases est sousfroidie pour former un liquide sousrefroidi (11, 12).
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la partie (8) du liquide ou du fluide diphasique qui fournit du froid dans le premier échangeur de chaleur (40) se réchauffe dans le premier échangeur de chaleur et de préférence s’y vaporise.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la partie (8) du liquide ou du fluide diphasique qui fournit du froid au premier échangeur de chaleur (40) est envoyée après vaporisation se mélanger avec le gaz à comprimer.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la partie du liquide ou du fluide diphasique de l’étape iv) ou la partie du liquide provenant du séparateur de phases est sous-refroidie dans un deuxième échangeur de chaleur (70) et envoyé se séparer dans une colonne de distillation (80) et un liquide (19) enrichi en dioxyde de carbone est soutiré de la colonne de distillation comme produit.
  5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel une partie (17) du liquide de cuve de la colonne de distillation (80) se vaporise dans le deuxième échangeur de chaleur (70) et est envoyée au compresseur (10, 20) pour s’y comprimer avec le gaz à séparer (1).
  6. Procédé selon les revendications 3 et 5 dans lequel le compresseur (10, 20) comprend au moins deux étages et le liquide de cuve vaporisé est envoyé au compresseur à une pression plus basse que celle à laquelle le liquide vaporisé dans le premier échangeur de chaleur (40) y est envoyé.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie (7, 23) du gaz formé dans le séparateur de phase (60) est rejetée à l’atmosphère et/ou se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur (70) avant d’être envoyée à la colonne de distillation (80) et/ou est envoyée au compresseur (10, 20) pour s’y comprimer avec le gaz à séparer.
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel si le gaz à liquéfier (1) devient moins riche en dioxyde de carbone, le débit de gaz (7) formé dans le séparateur de phases rejeté à l’atmosphère est augmenté.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz à séparer est comprimé dans les au moins deux étages du compresseur (10, 20).
  10. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la densité du liquide de l’étape iv) ou du fluide diphasique est entre 750 et 950 kg/m3, voire entre 820 et 850 kg/m3.
  11. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel si la température du fluide frigorigène de l’étape ii) réduit, on réduit le débit de liquide (9) ou de fluide diphasique envoyé au deuxième échangeur de chaleur (80) et/ou si la température de l’air ou de l’eau de l’étape ii) augmente, on augmente le débit de liquide ou de fluide diphasique envoyé au deuxième échangeur de chaleur.
  12. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel si la température du fluide frigorigène de l’étape ii) réduit, on réduit la première pression et/ou si la température du fluide frigorigène de l’étape ii) augmente, on augmente la première pression.
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