WO2012164220A2 - Appareil et procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation cryogénique - Google Patents

Appareil et procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation cryogénique Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and an integrated process for separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and separating air by cryogenic distillation.
  • It relates in particular to an apparatus and an integrated process for separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and for separating air by cryogenic distillation, with cooling of water intended to cool the mixture and / or air upstream of the separation.
  • Compression and purification devices treating CO 2 -rich feeds in essence produce a flow that is lower in CO 2 than the feed and contains the gases that the we will have extracts of the product.
  • the purification of CO 2 may take place by means of partial condensation (s) or by membrane separation or any other process (adsorption, cryo-condensation, etc.). In some processes such as those mentioned, the flow of impure gas is produced dry. This will not be the case for a separation by washing with amines for example, where the two products of the separation (the CO 2 and the residual gases) will be wet.
  • Most of the CO 2 treatment units comprise a step of drying the treated gas. It can be an adsorption drying. Dry gas must then be used to regenerate the adsorbent when it is saturated with water.
  • the state of the art thus provides for the use of vapourized gases from CO 2 storages or residual gases, at high or low pressure.
  • the present invention proposes, according to certain variants, another use of the dry residual gases. They can be saturated with water in a tower with direct contact, thus lowering the temperature of the non-evaporated water and producing chilled water.
  • the method is commonly used on air separation devices in "water-nitrogen towers" to cool water by heat exchange and evaporation with cold nitrogen from the air separation apparatus.
  • EP-A-0503190 discloses a water cooling system for an apparatus for separating a mixture of carbon dioxide, oxygen and nitrogen in which a water cooling tower is fed with water. expanded nitrogen from an air separation apparatus and water, the cooled water then serving to cool the mixture to be separated. Before being sent to the tower, the nitrogen is sent to the head condenser of a distillation column and then to the cooling exchanger of the mixture to be separated. This complicated arrangement requires the presence of a turbine so that the nitrogen has enough frigories to bring the required cold. There is no reason to believe that this cold would be sufficient to cool both the water for the mixture separation apparatus and the air separation apparatus.
  • a first part of the cooling of the water could be carried out in a "water-incondensable" tower. the first part of the cooling being completed by a second cooling part in a refrigeration unit.
  • an air separation unit having a water cooling tower is in proximity to a separation apparatus for a mixture of carbon dioxide and at least one other gas
  • use the water-nitrogen tower for producing cold water for both devices and eventually saturating the incondensables (which will then share the nitrogen venting) will allow real investment gains over the use of two independent towers.
  • a precautionary measure which is claimed as inventive as well, is to relax the incondensables sufficiently far from the tower so that for a distance that will be considered reasonable, the pressure in the tower feed pipe is lower for the line. incondensable only for the nitrogen line.
  • the process consists in cooling water using nitrogen from an ASU and optionally at least one gas coming from a unit for separating a mixture of CO2 and at least one another gas, which may be for example nitrogen, oxygen, argon, carbon monoxide, hydrogen, methane, ⁇ 2 or a mixture of at least two of these gases.
  • an integrated apparatus for separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and separation of air by air distillation comprising a separation unit of a mixture gas comprising carbon dioxide and at least one other gas for producing a carbon dioxide enriched gas and a carbon dioxide depleted gas and an air separation unit by cryogenic distillation to produce at least one nitrogen enriched gas stream characterized in that it comprises a water cooling tower by direct contact as well as a pipe for sending water at the top of the tower, a pipe for sending at least a part of the nitrogen-enriched gas flow to a lower level of the tower, a cooled water pipe for withdrawing cooled water from the tower and means for cooling the air upstream of the air separation unit, the cooled water pipe being connected means for r cooling the air upstream of the air separation unit and at the inlet and / or outlet of the separation unit of the gas mixture.
  • the means for cooling the air upstream of the air separation unit are constituted by a washing tower with water and a pipe for sending heated water from the washing tower to the cooling tower, water;
  • the cooled water line is adapted to send cooled water from the tower to the separation unit of the mixture to supply frigories to the gaseous mixture to be separated and / or to a product of the separation;
  • the integrated apparatus comprises an oxycombustion unit, a conduit for supplying oxygen from an air separation apparatus to the oxy-fuel combustion unit, and a conduit for sending oxyfuel combustion fumes to the unit for separating a mixture as a gaseous mixture;
  • the apparatus comprises a conduit for supplying the carbon dioxide depleted gas to the water cooling tower and wherein optionally the introduction level of the nitrogen enriched gas flow rate is lower than the level of the tower to which the gas is sent. depleted in carbon dioxide;
  • the apparatus comprises a mechanical refrigeration unit for cooling the cooled water in the cooling tower upstream of the means for cooling the air upstream of the air separation unit and / or before being sent to the unit separation of the gas mixture.
  • an integrated process for separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and separation of air by air distillation comprising a separation unit of a a gaseous mixture comprising carbon dioxide and at least one other gas for producing a carbon dioxide enriched gas and a carbon dioxide depleted gas and an air separation unit by cryogenic distillation to produce at least one gas stream enriched with carbon dioxide; characterized in that water is cooled in a water cooling tower by direct contact with the nitrogen-enriched gas flow, the air for the air separation unit is cooled with the cooled water in the cooling tower and cooling the gaseous mixture for the separation unit of the gas mixture and / or a product of the separation unit of the gas mixture by means of the cooled water from the cooling tower ng.
  • the air upstream of the air separation unit is cooled in a water wash tower fed with chilled water in the water cooling tower;
  • oxygen from an air separation unit is sent to an oxy-fuel combustion unit and oxyfuel combustion gases are sent to the separation unit of a mixture as gaseous mixture;
  • carbon dioxide depleted gas is sent from the gas mixture separation unit into the water cooling tower;
  • the level of introduction of the nitrogen-enriched gas flow rate is lower than the level of the tower where the depleted carbon dioxide gas is sent;
  • the cooled water is cooled in the cooling tower by means of a mechanical refrigeration unit, upstream of the means for cooling the air upstream of the air separation unit and upstream of the separation unit gaseous mixture;
  • the gas depleted of carbon dioxide is expanded in a valve to a pressure lower than that at which the nitrogen-enriched gas flow is introduced into the cooling water tower;
  • At least one other gas in the mixture is nitrogen, oxygen, argon, hydrogen, carbon monoxide, methane or ⁇ 2 and the mixture contains at least 40 mol%. carbon dioxide;
  • At least one other gas in the mixture is selected from the list comprising hydrogen, carbon monoxide or methane and a humidified gas discharged at the top of the water cooling tower is used as a fuel, for example in a turbine gas ;
  • the separation unit of the gaseous mixture separates the mixture by distillation and / or phase separation at subambient temperature.
  • an integrated apparatus for separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and separation of air by air distillation comprising a separation unit of a gas mixture comprising carbon dioxide and at least one other gas for producing a carbon dioxide enriched gas and a gas depleted therefrom.
  • carbon dioxide and an air separation unit by cryogenic distillation to produce at least one nitrogen-enriched gas flow characterized in that it comprises a water cooling tower by direct contact as well as a pipe for sending water water at the head of the tower, a pipe for sending carbon dioxide depleted gas to a lower level of the tower, a pipe for sending at least a portion of the nitrogen-enriched gas stream to a lower level of the tower, a cooled water pipe for withdrawing cooled water from the tower, means for cooling the air upstream of the air separation unit, the cooled water pipe being connected to the means for cooling the air upstream of the air separation unit.
  • the means for cooling the air upstream of the air separation unit are constituted by a washing tower with water and a pipe for sending heated water from the washing tower to the cooling tower, water;
  • the apparatus comprises a pipe for sending cooled water from the tower to the separation unit of the mixture to provide frigories;
  • the apparatus comprises an apparatus as described above comprising an oxycombustion unit, a conduit for supplying oxygen from an air separation apparatus to the oxy-fuel combustion unit, and a conduit for supplying fumes. oxycombustion at the separation unit of a mixture as gaseous mixture;
  • the nitrogen-enriched gas stream is fed to a level of the water cooling tower less than that to which the carbon dioxide depleted gas is sent;
  • an integrated process for separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and separation of air by distillation of air comprising a separation unit a gaseous mixture comprising carbon dioxide and at minus another gas to produce a carbon dioxide enriched gas and a carbon dioxide depleted gas and an air separation unit by cryogenic distillation to produce at least one nitrogen enriched gas stream characterized in that the installation comprises a water cooling tower by direct contact as well as a pipe to send water to the top of the tower, and in which a carbon dioxide depleted gas is sent to a lower level of the tower, is sent to the at least a portion of the nitrogen-enriched gas stream at a lower level of the tower is withdrawn from the cooled water of the tower, the air is cooled in means for cooling the air upstream of the separation unit
  • the air upstream of the air separation unit is cooled by direct exchange with chilled water from the water cooling tower;
  • cooling water is sent from the water cooling tower to the separation unit of the mixture to supply frigories either upstream or downstream of the separation, the water being taken either upstream or downstream of the separation; a mechanical refrigeration unit of cooled water in the water cooling tower;
  • the gas depleted of carbon dioxide is expanded in a valve to a pressure lower than that at which the nitrogen-enriched gas flow is introduced into the cooling tower of water;
  • At least one other gas in the mixture is nitrogen, oxygen, argon, hydrogen, carbon monoxide, methane or ⁇ 2 and the mixture contains at least 40 mol%. carbon dioxide;
  • At least one other gas comprises hydrogen, carbon monoxide or methane and a humidified gas discharged at the top of the water cooling tower is used as a fuel, for example in a gas turbine;
  • the flow rate enriched with nitrogen is sent from the air separation apparatus to the tower without having been expanded and without having been reheated in a cooling exchanger for the gaseous mixture; the operating pressure of the tower is substantially equal to the pressure at which the nitrogen exits the air separation apparatus.
  • An advantage of the present invention is that it allows the integration of cold water production for separating apparatus with the only connection between the two apparatuses a cooled water pipe, whereas a solution according to the prior art must have a pressure nitrogen line that connects the two devices.
  • Figure 1 shows an apparatus and an integrated method of separating a mixture of carbon dioxide and at least one other gas and air separation by cryogenic distillation according to the invention.
  • Figures 2 to 4 show details of different water cooling towers used to cool the air upstream of the air separation by distillation in Figure 1, according to the invention.
  • an air flow 1 is cooled in a pre-cooling unit P comprising a water-air washing tower and a nitrogen-water cooling tower 17.
  • This type of cooling is well known from FGKerry's Industrial Gas Handbook, page 1 12.
  • the cooled air 3 in the pre-cooling unit P is sent to an ASU air separation apparatus where it is purified to remove the carbon dioxide. carbon and moisture, cooled and separated in a system of columns to produce oxygen and nitrogen 17.
  • Oxygen 5 is sent to an oxy-fuel boiler B also fueled by fuel 7. Fumes 9 from the oxy-fuel combustion unit B contain at least 40 mol%. carbon dioxide in dry basis, or even at least 60 mol%.
  • the fumes are treated in a CPU separation unit. Before the CPU, the fumes 9 are cooled in a cooling unit R by heat exchange with cold water 15. The fumes are optionally compressed and then separated by phase separation and / or distillation in the CPU unit. a subambient temperature. This makes it possible to produce a flow rate enriched with carbon dioxide CO2 in liquid or gaseous form and a depleted gaseous flow rate.
  • the carbon dioxide depleted flow rate 13 may be a flow rate of nitrogen, oxygen, argon or NO2 or a mixture of at least two of these gases.
  • the flow 13 leaves the CPU unit at a temperature close to ambient (-10 ° C to 80 ° C) and a pressure close to atmospheric pressure (1 bar to 2 bar a) and is expanded in a valve V at a pressure of a few tens to a few hundred millimeters of water column depending on the pressure losses of the downstream system.
  • the expanded gas 13 may be sent to pre-cooling.
  • the nitrogen 17 is sent directly from the ASU air separation unit to the pre-cooling unit P without going through another processing means, such as a turbine or exchanger other than the cooling exchanger. of air associated with the ASU air separation unit.
  • the pre-cooling unit produces cold water which is sent either to the unit R as a flow rate or used in the unit P or both.
  • Figure 2 shows a detail of the precooling unit P.
  • This unit comprises a cooling tower 33 where water 31 comes into direct contact with nitrogen 17 from the ASU air separation apparatus.
  • the expanded gas 13 may be sent to the tower at a level above the nitrogen inlet level 17, possibly separated from the nitrogen input level by a packing stage.
  • the nitrogen 17 comes from the ASU directly and arrives in the tower 33 without passing through the elements R or CPU.
  • the water cooling tower 33 is supplied at the top by a flow of water 31 at a temperature of 4 ° C to 40 ° C.
  • the pressure of the flow 13 is slightly lower than that of the flow 17 at the entrance to the tower 33, thanks to the expansion in the valve V upstream of the tower, to avoid polluting the cooled water.
  • the gas 17 and possibly the gas 13 cool the water by direct contact and evaporation of a portion of the water in these dry gases and the mixture formed 39 leaves the top of the tower as venting.
  • the water heated in the CPU unit can be returned to the unit P via the power supply 21.
  • the cooled water in the tank of the tower 33 is pumped by a pump 25 to be sent to the air cooling tower with water through line 27. Otherwise the cooled water can be sent to an indirect contact exchanger for transfer frigories to air for distillation. Part of this water 27 can also be used to supply frigories to the CPU, for example upstream of the desiccation unit.
  • This method does not possibly use a mechanical refrigeration unit such as a refrigeration unit.
  • the tower 33 will possibly be a little larger than the one used only to supply water for the ASU air separation unit.
  • a refrigeration unit 35 is used. In this way, instead of having a refrigeration unit for each of the units, only one cooling unit can cool the ASU air separation unit and the separation unit of the carbon dioxide containing CPU mixture.
  • Figure 3 shows a detail of the pre-cooling unit P.
  • This unit P comprises a cooling tower 33 where the water 31 comes into direct contact with nitrogen 17 from the ASU air separation unit and a water cooling tower 133.
  • the expanded gas 13 is optionally sent to the tower 33 at a level higher than the entry level of the nitrogen 17.
  • the nitrogen 17 comes from the ASU directly and arrives in the tower 33 without passing through the elements R or CPU .
  • the water cooling tower 33 is supplied at the top by a flow of water 31 at a temperature of 10 ° C to 50 ° C.
  • the pressure of the flow 13 is slightly lower than that of the flow 17 at the entrance to the tower 33, thanks to the expansion in the valve V upstream of the tower.
  • the operating pressure of tower 33 is substantially equal to the pressure at which nitrogen 17 exits the ASU air separation apparatus.
  • the gas 17 and possibly the gas 13 cool the water by direct contact and evaporation and the mixture formed 39 leaves the top of the tower as venting.
  • the water cooled in the tank of the tower 33 is pumped by a pump 25 to be sent to the head of the water cooling tower 133 as a flow rate 37.
  • the air 1 for the distillation is cooled by being sent to the tank of the tower 133.
  • the cooling water 21 is sent to an intermediate level of the tower 133 as flow 121 and at the top of the tower 33 as flow 31.
  • the water cools the air producing, at the top of the tower 133, a cooled air flow 3 which is sent to the purification and then to distillation in the ASU air separation unit.
  • the heated water 221 is collected in the tank of the tower 133 and is recycled to the tower 133 after external refrigeration (using aero-refrigerants, by exchange against cold water, etc.). It can also be envisaged that the water 221 is not recycled but returns, for example, to a river or a downstream water network.
  • the cooled water 23 collected in the tank of the tower 33 is pressurized by the pump 25 and a portion 15 is sent to the separation unit CPU.
  • the remainder of the water is cooled by a refrigerating unit 35 to constitute the flow 37 sent to the top of the tower 133.
  • Figure 4 differs from Figure 3 only in that all the water from the pump 25 is cooled in the refrigeration unit before being divided in half.
  • the cooled flow 37 is sent to the top of the tower 133 and the cooled flow rate is sent to the CPU.
  • the cooled water sent to the CPU can be used to cool the mixture to separate or cool a product from the separation.
  • the CPU unit does not necessarily operate at subambient temperature.
  • the water heated in the CPU unit can be returned to the unit P via the power supply 21.
  • the ASU air separation unit does not necessarily supply an oxy-fuel combustion unit, if present, in oxygen. It is sufficient that the ASU air separation device is relatively close to the CPU unit to allow integration between the two.
  • the carbon dioxide-depleted gas comprises carbon monoxide and / or methane and / or hydrogen
  • the gas can be fed into the cooling tower and the humidified gas formed at the top of the tower can be used as fuel, for example in a gas turbine.

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Abstract

Un appareil intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air comprend une unité de séparation (CPU) d'un mélange gazeux comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et une unité de séparation d'air (ASU) par distillation cryogénique pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote (17), une tour de refroidissement d'eau par contact direct ainsi qu'une conduite pour envoyer de l'eau en tête de la tour, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote à un niveau inférieur de la tour, une conduite d'eau refroidie (15) pour soutirer de l'eau refroidie de la tour et des moyens pour refroidir l'air (1) en amont de l'unité de séparation d'air, la conduite d'eau refroidie étant reliée aux moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et à l'entrée et/ou à la sortie de l'unité de séparation du mélange gazeux.

Description

Appareil et procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation cryogénique
La présente invention est relative à un appareil et à un procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation cryogénique.
Il concerne en particulier un appareil et un procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation cryogénique, avec refroidissement d'eau destinée à refroidir le mélange et/ou l'air en amont de la séparation.
Les appareils de compression et de purification traitant des alimentations riches en CO2 (plus de 35% volume en base sèche, préférentiellement plus de 70%) produisent par essence un flux plus pauvre en CO2 que l'alimentation et contenant les gaz que l'on aura extraits du produit. La purification du CO2 pourra avoir lieu grâce à une ou des condensation(s) partielle(s) ou par séparation membranaire ou tout autre procédé (adsorption, cryo-condensation, etc.). Dans certains procédés tels que ceux cités, le flux de gaz impur est produit sec. Ce ne sera pas le cas pour une séparation par lavage aux aminés par exemple, où les deux produits de la séparation (le CO2 et les gaz résiduels) seront humides.
La plupart des unités de traitement du CO2 comprennent une étape de séchage des gaz traités. Il peut s'agir d'un séchage par adsorption. Il faut alors utiliser un gaz sec pour régénérer l'adsorbant lorsqu'il est saturé en eau. L'état de l'art prévoit ainsi d'utiliser les gaz vaporisés des stockages de CO2 ou les gaz résiduels, à haute ou basse pression.
La présente invention propose, selon certaines variantes, une autre utilisation des gaz résiduels secs. On peut ainsi les saturer en eau dans une tour à contact direct, permettant ainsi d'abaisser la température de l'eau non évaporée et produire de l'eau réfrigérée. La méthode est couramment utilisée sur les appareils de séparation d'air dans les « tours eau-azote » pour refroidir l'eau par échange de chaleur et évaporation avec de l'azote froid provenant de l'appareil de séparation d'air.
Il est connu de EP-A-1712858 d'utiliser un gaz appauvri en dioxyde de carbone pour refroidir de l'eau dans une tour de refroidissement d'eau.
EP-A-0503190 décrit un système de refroidissement à l'eau pour un appareil de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone, d'oxygène et d'azote dans lequel une tour de refroidissement d'eau est alimenté par de l'azote détendu provenant d'un appareil de séparation d'air et de l'eau, l'eau refroidie servant ensuite à refroidir le mélange à séparer. Avant d'être envoyé à la tour, l'azote est envoyé au condenseur de tête d'une colonne de distillation et ensuite à l'échangeur de refroidissement du mélange à séparer. Cette disposition compliquée requiert la présence d'une turbine pour que l'azote ait suffisamment de frigories pour apporter le froid requis. Rien ne permet de penser que ce froid serait suffisant pour refroidir à la fois l'eau pour l'appareil de séparation du mélange et l'appareil de séparation d'air.
Pour le cas où les incondensables présentent un débit relatif au débit total traité nettement plus faible que l'azote par rapport à l'air, une première partie du refroidissement de l'eau pourrait être réalisée dans une tour « eau- incondensables », la première partie du refroidissement étant complétée par une deuxième partie de refroidissement dans un groupe frigorifique.
Lorsqu'un appareil de séparation d'air ayant une tour de refroidissement à l'eau se trouve à proximité d'un appareil de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz, utiliser la tour eau-azote pour produire de l'eau froide pour les deux appareils et éventuellement y saturer aussi les incondensables (qui partageront alors la mise à l'air de l'azote) permettra des gains réels en investissement par rapport à l'utilisation de deux tours indépendantes.
Il faudra veiller à éviter à tout prix que le CO2 contenu dans les incondensables ne puisse pas remonter vers l'appareil de séparation d'air via la ligne de transfert de l'azote sec vers la tour eau-azote. En marche normale comme en cas de mode dégradé, le risque est réel d'introduire du CO2 dans l'appareil de séparation d'air et de le boucher lorsque le CO2 aura gelé. On peut ainsi envisager d'introduire le CO2 à un deuxième niveau dans la tour, au-dessus de l'azote.
Notons que le risque est cependant similaire à celui de faire rentrer de l'humidité dans la boite froide de l'appareil de séparation d'air, au détail près que les incondensables arrivent sous pression alors que lorsque l'azote est devenu humide, il a nécessairement une pression plus faible que celle qu'il avait dans la boite puisqu'il en vient.
Une mesure de précaution, qui est revendiquée comme inventive aussi, consiste à détendre les incondensables suffisamment loin de la tour pour que sur une distance qui sera jugée raisonnable, la pression régnant dans le tuyau d'alimentation de la tour soit plus faible pour la ligne des incondensables que pour la ligne de l'azote.
Selon un variante particulièrement simple, le procédé consiste à refroidir de l'eau en utilisant de l'azote d'un ASU et éventuellement au moins un gaz provenant d'une unité de séparation d'un mélange de CO2 et d'au moins un autre gaz, pouvant être par exemple de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, du monoxyde de carbone, de l'hydrogène, du méthane, de ΝΟ2 ou un mélange d'au moins deux de ces gaz.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air comprenant une unité de séparation d'un mélange gazeux comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et une unité de séparation d'air par distillation cryogénique pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote caractérisé en ce qu'il comprend une tour de refroidissement d'eau par contact direct ainsi qu'une conduite pour envoyer de l'eau en tête de la tour, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote à un niveau inférieur de la tour, une conduite d'eau refroidie pour soutirer de l'eau refroidie de la tour et des moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air, la conduite d'eau refroidie étant reliée aux moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et à l'entrée et/ou à la sortie de l'unité de séparation du mélange gazeux. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention :
les moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air sont constitués par une tour de lavage à l'eau et une conduite pour envoyer de l'eau réchauffée de la tour de lavage à la tour de refroidissement d'eau ;
- la conduite d'eau refroidie est adaptée pour envoyer de l'eau refroidie de la tour à l'unité de séparation du mélange pour fournir des frigories au mélange gazeux à séparer et/ou à un produit de la séparation ;
l'appareil intégré comprend une unité d'oxycombustion, une conduite pour envoyer de l'oxygène d'un (de ) appareil de séparation d'air à l'unité d'oxycombustion et une conduite pour envoyer des fumées de l'oxycombustion à l'unité de séparation d'un mélange comme mélange gazeux ;
l'appareil comprend une conduite pour envoyer le gaz appauvri en dioxyde de carbone à la tour de refroidissement d'eau et dans lequel éventuellement le niveau d'introduction du débit gazeux enrichi en azote est inférieur au niveau de la tour auquel est envoyé le gaz appauvri en dioxyde de carbone ;
l'appareil comprend une unité de réfrigération mécanique pour refroidir l'eau refroidie dans la tour de refroidissement en amont des moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et/ou avant son envoi à l'unité de séparation du mélange gazeux.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air comprenant une unité de séparation d'un mélange gazeux comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et une unité de séparation d'air par distillation cryogénique pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote caractérisé en ce que l'on refroidit de l'eau dans une tour de refroidissement d'eau par contact direct avec le débit gazeux enrichi en azote, on refroidit l'air destiné à l'unité de séparation d'air avec l'eau refroidie dans la tour de refroidissement et on refroidit le mélange gazeux destiné à l'unité de séparation du mélange gazeux et/ou un produit de l'unité de séparation du mélange gazeux au moyen de l'eau refroidie provenant de la tour de refroidissement. Selon d'autres aspects facultatifs :
on refroidit l'air en amont de l'unité de séparation d'air dans une tour de lavage à l'eau alimentée par de l'eau refroidie dans la tour de refroidissement d'eau ;
- de l'oxygène d'un (de ) appareil de séparation d'air est envoyé à une unité d'oxycombustion et des fumées de l'oxycombustion sont envoyées à l'unité de séparation d'un mélange comme mélange gazeux ;
on envoie du gaz appauvri en dioxyde de carbone de l'unité de séparation du mélange gazeux dans la tour de refroidissement d'eau ;
- le niveau d'introduction du débit gazeux enrichi en azote est inférieur au niveau de la tour où est envoyé le gaz appauvri en dioxyde de carbone ;
on refroidit l'eau refroidie dans la tour de refroidissement au moyen d'une unité de réfrigération mécanique, en amont des moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et en amont de l'unité de séparation du mélange gazeux ;
on détend le gaz appauvri en dioxyde de carbone dans une vanne jusqu'à une pression inférieure à celle à laquelle on introduit le débit gazeux enrichi en azote dans la tour de refroidissement d'eau ;
au moins un autre gaz dans le mélange est de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane ou de ΝΟ2 et le mélange contient au moins 40% mol. de dioxyde de carbone ;
au moins un autre gaz dans le mélange est choisi dans la liste comprenant l'hydrogène, le monoxyde de carbone ou le méthane et un gaz humidifié sorti en tête de la tour de refroidissement d'eau est utilisé comme carburant, par exemple dans une turbine à gaz ;
l'unité de séparation du mélange gazeux sépare le mélange par distillation et/ou séparation à phase à température subambiante.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air comprenant une unité de séparation d'un mélange gazeux comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et une unité de séparation d'air par distillation cryogénique pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote caractérisé en ce qu'il comprend une tour de refroidissement d'eau par contact direct ainsi qu'une conduite pour envoyer de l'eau en tête de la tour, une conduite pour envoyer du gaz appauvri en dioxyde de carbone à un niveau inférieur de la tour, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote à un niveau inférieur de la tour, une conduite d'eau refroidie pour soutirer de l'eau refroidie de la tour, des moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air, la conduite d'eau refroidie étant reliée aux moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air.
Selon d'autres aspects facultatifs :
les moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air sont constitués par une tour de lavage à l'eau et une conduite pour envoyer de l'eau réchauffée de la tour de lavage à la tour de refroidissement d'eau ;
- l'appareil comprend une conduite pour envoyer de l'eau refroidie de la tour à l'unité de séparation du mélange pour fournir des frigories ;
l'appareil comprend un appareil tel que décrit ci-dessus comprenant une unité d'oxycombustion, une conduite pour envoyer de l'oxygène d'un appareil de séparation d'air à l'unité d'oxycombustion et une conduite pour envoyer des fumées de l'oxycombustion à l'unité de séparation d'un mélange comme mélange gazeux ;
le débit gazeux enrichi en azote est envoyé à un niveau de la tour de refroidissement d'eau inférieur à celui auquel est envoyé le gaz appauvri en dioxyde de carbone ;
- la conduite pour envoyer au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote de l'unité de séparation d'air est reliée au niveau inférieur de la tour sans passer par une turbine ou un échangeur destiné à refroidir le mélange gazeux. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air dans une installation comprenant une unité de séparation d'un mélange gazeux comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et une unité de séparation d'air par distillation cryogénique pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote caractérisé en ce que l'installation comprend une tour de refroidissement d'eau par contact direct ainsi qu'une conduite pour envoyer de l'eau en tête de la tour, et dans lequel on envoie du gaz appauvri en dioxyde de carbone à un niveau inférieur de la tour, on envoie au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote à un niveau inférieur de la tour, on soutire de l'eau refroidie de la tour, on refroidit l'air dans des moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et on envoie de l'eau refroidie de la cuve de la tour aux moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air.
Selon d'autres caractéristiques facultatives :
on refroidit l'air en amont de l'unité de séparation d'air par échange direct avec de l'eau refroidie provenant de la tour de refroidissement d'eau ;
- on envoie de l'eau refroidie de la tour de refroidissement d'eau à l'unité de séparation du mélange pour fournir des frigories soit en amont soit en aval de la séparation, l'eau étant prélevée soit en amont soit en aval d'une unité de réfrigération mécanique de l'eau refroidie dans la tour de refroidissement d'eau ;
- on détend le gaz appauvri en dioxyde de carbone dans une vanne jusqu'à une pression inférieure à celle à laquelle on introduit le débit gazeux enrichi en azote dans la tour de refroidissement d'eau ;
au moins un autre gaz dans le mélange est de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane ou de ΝΟ2 et le mélange contient au moins 40% mol. de dioxyde de carbone ;
au moins un autre gaz comprend l'hydrogène, le monoxyde de carbone ou le méthane et un gaz humidifié sorti en tête de la tour de refroidissement d'eau est utilisé comme carburant, par exemple dans une turbine à gaz ;
- le débit enrichi en azote est envoyé de l'appareil de séparation d'air à la tour sans avoir été détendu et sans avoir été réchauffé dans un échangeur de refroidissement du mélange gazeux ; la pression d'opération de la tour est substantiellement égale à la pression à laquelle l'azote sort de l'appareil de séparation d'air.
Un avantage de la présente invention est qu'il permet l'intégration de production d'eau froide pour des appareils de séparation avec comme seul lien entre les deux appareils une conduite d'eau refroidie, alors qu'une solution selon l'art antérieur a obligatoirement une conduite d'azote sous pression qui relie les deux appareils.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures.
La Figure 1 montre un appareil et un procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation cryogénique selon l'invention. Les Figures 2 à 4 montrent des détails de différentes tours de refroidissement d'eau utilisées pour refroidir l'air en amont de la séparation d'air par distillation dans la Figure 1 , selon l'invention.
Dans la Figure 1 , un débit d'air 1 est refroidi dans une unité de prérefroidissement P comprenant une tour de lavage de l'air à l'eau et une tour de refroidissement d'eau à l'azote 17. Ce genre de refroidissement est bien connu de « Industrial Gas Handbook » de F.G.Kerry, page 1 12. L'air 3 refroidi dans l'unité de pré-refroidissement P est envoyé à un appareil de séparation d'air ASU où il est épuré pour enlever le dioxyde de carbone et l'humidité, refroidi et séparé dans un système de colonnes pour produire de l'oxygène 5 et de l'azote 17. L'oxygène 5 est envoyé à une chaudière d'oxycombustion B également alimentée par du carburant 7. Des fumées 9 provenant de l'unité d'oxycombustion B contiennent au moins 40% mol. de dioxyde de carbone en base sèche, voire au moins 60% mol. de dioxyde de carbone, et au moins un composant choisi dans la liste suivante : de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane ou de ΝΟ2. Les fumées sont traitées dans une unité de séparation CPU. En amont du CPU, les fumées 9 sont refroidies dans une unité de refroidissement R par échange de chaleur avec de l'eau froide 15. Les fumées sont éventuellement comprimées et ensuite séparées par séparation de phase et/ou distillation dans l'unité CPU à une température subambiante. Ceci permet de produire un débit enrichi en dioxyde de carbone CO2 sous forme liquide ou gazeuse 20 et un débit gazeux appauvri en dioxyde de carbone 13. Le débit appauvri en dioxyde de carbone 13 peut être un débit d'azote, d'oxygène, d'argon ou de NO2 ou un mélange d'au moins deux de ces gaz. Le débit 13 sort de l'unité CPU à une température proche de l'ambiante (-10°C à 80°C) et une pression proche de la pression atmosphérique (1 bar a à 2 bars a) et est détendu dans une vanne V à une pression de quelques dizaines à quelques centaines de millimètres de colonne d'eau selon les pertes de charge du système en aval. Le gaz détendu 13 peut être envoyé au pré-refroidissement.
L'azote 17 est envoyé directement de l'appareil de séparation d'air ASU à l'unité de pré-refroidissement P sans passer par un autre moyen de traitement, tel qu'une turbine ou un échangeur autre que l'échangeur de refroidissement d'air associé à l'appareil de séparation d'air ASU.
L'unité de pré-refroidissement produit de l'eau froide qui est envoyée soit à l'unité R comme débit 15 soit utilisée dans l'unité P soit les deux.
La Figure 2 montre un détail de l'unité de pré-refroidissement P.
Cette unité comprend une tour de refroidissement 33 où l'eau 31 rentre en contact direct avec de l'azote 17 provenant de l'appareil de séparation d'air ASU. Le gaz détendu 13 peut être envoyé à la tour à un niveau supérieur au niveau d'entrée de l'azote 17, éventuellement séparé du niveau d'entrée de l'azote par un étage de garnissage. L'azote 17 provient de l'appareil ASU directement et arrive dans la tour 33 sans passer par les éléments R ou CPU.
La tour de refroidissement d'eau 33 est alimentée en haut par un débit d'eau 31 à une température de 4°C à 40°C. La pression du débit 13 est légèrement inférieure à celle du débit 17 à l'entrée dans la tour 33, grâce à la détente dans la vanne V en amont de la tour, pour éviter de polluer l'eau refroidie.
Le gaz 17 et éventuellement le gaz 13 refroidissent l'eau par contact direct et évaporation d'une partie de l'eau dans ces gaz secs et le mélange formé 39 sort en tête de la tour comme mise à l'air. L'eau réchauffée dans l'unité CPU peut être renvoyée à l'unité P via l'alimentation 21 .
L'eau refroidie en cuve de la tour 33 est pompée par une pompe 25 pour être envoyée à la tour de refroidissement d'air à l'eau par la conduite 27. Sinon l'eau refroidie peut être envoyée à un échangeur à contact indirect pour transférer des frigories vers l'air destiné à la distillation. Une partie de cette eau 27 peut aussi servir à fournir des frigories à l'unité CPU, par exemple en amont de l'unité de dessiccation.
Ce procédé n'utilise éventuellement pas d'unité de réfrigération mécanique telle qu'un groupe frigorifique. La tour 33 sera éventuellement un peu plus grande que celle utilisée uniquement pour fournir de l'eau pour l'unité de séparation d'air ASU.
Pour les procédés des Figures 3 et 4, un groupe frigorifique 35 est utilisé. De cette manière, au lieu d'avoir un groupe frigorifique pour chacune des unités, un seul groupe frigorifique peut refroidir l'unité de séparation d'air ASU et l'unité de séparation du mélange contenant du dioxyde de carbone CPU.
La Figure 3 montre un détail de l'unité de pré-refroidissement P.
Cette unité P comprend une tour de refroidissement 33 où l'eau 31 rentre en contact direct avec de l'azote 17 provenant de l'appareil de séparation d'air ASU et une tour de refroidissement d'air à l'eau 133. Le gaz détendu 13 est éventuellement envoyé à la tour 33 à un niveau supérieur au niveau d'entrée de l'azote 17. L'azote 17 provient de l'appareil ASU directement et arrive dans la tour 33 sans passer par les éléments R ou CPU. La tour de refroidissement d'eau 33 est alimentée en haut par un débit d'eau 31 à une température de 10°C à 50°C.
La pression du débit 13 est légèrement inférieure à celle du débit 17 à l'entrée dans la tour 33, grâce à la détente dans la vanne V en amont de la tour.
La pression d'opération de la tour 33 est substantiellement égale à la pression à laquelle l'azote 17 sort de l'appareil de séparation d'air ASU.
Le gaz 17 et éventuellement le gaz 13 refroidissent l'eau par contact direct et évaporation et le mélange formé 39 sort en tête de la tour comme mise à l'air.
L'eau refroidie en cuve de la tour 33 est pompée par une pompe 25 pour être envoyée à la tête de la tour de refroidissement d'air à l'eau 133 comme débit 37. L'air 1 destiné à la distillation est refroidi en étant envoyé en cuve de la tour 133. L'eau de refroidissement 21 est envoyée à un niveau intermédiaire de la tour 133 comme débit 121 et en tête de la tour 33 comme débit 31 . L'eau refroidit l'air en produisant, en tête de la tour 133, un débit d'air refroidi 3 qui est envoyé à l'épuration et ensuite à la distillation dans l'unité de séparation d'air ASU.
L'eau réchauffée 221 est recueillie en cuve de la tour 133 et est recyclée à la tour 133 après une réfrigération extérieure (en utilisant des aéro-réfrigérants, par échange contre de l'eau froide, etc.). On peut aussi envisager que l'eau 221 n'est pas recyclée mais retourne, par exemple, dans une rivière ou un réseau d'eau en aval.
L'eau refroidie 23 recueillie en cuve de la tour 33 est pressurisée par la pompe 25 et une partie 15 est envoyée à l'unité de séparation CPU. Le reste de l'eau est refroidie par un groupe frigorifique 35 pour constituer le débit 37 envoyé en tête de la tour 133.
La Figure 4 diffère de la Figure 3 uniquement en ce que toute l'eau provenant de la pompe 25 est refroidie dans le groupe frigorifique avant d'être divisée en deux. Le débit 37 refroidi est envoyé en tête de la tour 133 et le débit refroidi 15 est envoyé à l'unité CPU.
L'eau refroidie 15 envoyée au CPU peut servir à refroidir le mélange à séparer ou à refroidir un produit de la séparation. L'unité CPU ne fonctionne pas forcément à température subambiante. L'eau réchauffée dans l'unité CPU peut être renvoyée à l'unité P via l'alimentation 21 .
L'appareil de séparation d'air ASU n'alimente pas obligatoirement une unité d'oxycombustion, si présente, en oxygène. Il suffit que l'appareil de séparation d'air ASU se trouve relativement près de l'unité CPU pour permettre l'intégration entre les deux.
Pour le cas dans lequel le gaz appauvri en dioxyde de carbone comprend du monoxyde de carbone et/ou du méthane et/ou de l'hydrogène, le gaz peut être envoyé dans la tour de refroidissement et le gaz humidifié formé en tête de la tour peut être utilisé comme carburant, par exemple dans une turbine à gaz.

Claims

Revendications
1 . Appareil intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air comprenant une unité de séparation (CPU) d'un mélange gazeux comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et une unité de séparation d'air (ASU) par distillation cryogénique pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote (17), une tour (33) de refroidissement d'eau par contact direct ainsi qu'une conduite (31 ) pour envoyer de l'eau en tête de la tour, une conduite pour envoyer au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote à un niveau inférieur de la tour , une conduite d'eau refroidie (15, 23, 27, 37) pour soutirer de l'eau refroidie de la tour et des moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air, la conduite d'eau refroidie étant reliée aux moyens (133) pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et à l'entrée et/ou à la sortie de l'unité de séparation du mélange gazeux.
2. Appareil selon la revendication 1 , dans lequel les moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air sont constitués par une tour de lavage à l'eau (133) et éventuellement par une conduite pour envoyer de l'eau réchauffée de la tour de lavage à la tour de refroidissement d'eau.
3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la conduite d'eau refroidie (27, 23, 15) est adaptée pour envoyer de l'eau refroidie de la tour (33) à l'unité de séparation du mélange (CPU) pour fournir des frigories au mélange gazeux à séparer (1 1 ) ou à un produit de la séparation (20).
4. Appareil intégré comprenant un appareil selon la revendication 1 , 2 ou 3, comprenant une unité d'oxycombustion (B), une conduite pour envoyer de l'oxygène (5) d'un (de Γ) appareil de séparation d'air (ASU) à l'unité d'oxycombustion et une conduite pour envoyer des fumées (9, 1 1 ) de l'oxyconnbustion à l'unité de séparation d'un mélange (CPU) comme mélange gazeux.
5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, comprenant une conduite pour envoyer le gaz appauvri en dioxyde de carbone (13) à la tour (33) de refroidissement d'eau et dans lequel éventuellement le niveau d'introduction du débit gazeux enrichi en azote (17) est inférieur au niveau de la tour où est envoyé le gaz appauvri en dioxyde de carbone.
6. Appareil selon l'une des revendications précédentes, comprenant une unité de réfrigération mécanique (35) pour refroidir l'eau refroidie dans la tour de refroidissement en amont des moyens (133) pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air et/ou avant son envoi à l'unité de séparation du mélange gazeux (CPU).
7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la conduite pour envoyer au moins une partie du débit gazeux enrichi en azote de l'unité de séparation d'air est reliée au niveau inférieur de la tour sans passer par une turbine ou un échangeur destiné à refroidir le mélange gazeux.
8. Procédé intégré de séparation d'un mélange de dioxyde de carbone et au moins un autre gaz et de séparation d'air par distillation d'air, comprenant une unité de séparation (CPU) d'un mélange gazeux (1 1 ) comprenant du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone (20) et un gaz appauvri en dioxyde de carbone (13) et une unité de séparation d'air par distillation cryogénique (ASU) pour produire au moins un débit gazeux enrichi en azote (17) dans lequel on refroidit de l'eau dans une tour (33) de refroidissement d'eau par contact direct avec le débit gazeux enrichi en azote, on refroidit l'air destiné à l'unité de séparation d'air avec l'eau refroidie dans la tour de refroidissement et on refroidit le mélange gazeux (1 1 ) destiné à l'unité de séparation du mélange gazeux et/ou un produit de l'unité de séparation du mélange gazeux (13, 20) au moyen de l'eau refroidie (15, 23, 27) provenant de la tour de refroidissement.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on refroidit l'air en amont de l'unité de séparation d'air dans une tour (133) de lavage à l'eau alimentée par de l'eau (37) refroidie dans la tour (33) de refroidissement d'eau.
10. Procédé intégré comprenant un appareil selon la revendication 8 ou 9, dans lequel de l'oxygène (5) d'un (de Γ) appareil de séparation d'air est envoyé à une unité d'oxycombustion (B) et des fumées (9, 1 1 ) de l'oxycombustion sont envoyées à l'unité de séparation d'un mélange comme mélange gazeux.
1 1 . Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel on envoie du gaz appauvri en dioxyde de carbone (13) de l'unité de séparation du mélange gazeux dans la tour de refroidissement d'eau (33) dans laquelle éventuellement le niveau d'introduction du débit gazeux enrichi en azote est inférieur au niveau de la tour où est envoyé le gaz appauvri en dioxyde de carbone.
12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 1 1 , dans lequel on refroidit l'eau refroidie dans la tour de refroidissement au moyen d'une unité de réfrigération mécanique (35) avant de l'envoyer aux moyens pour refroidir l'air en amont de l'unité de séparation d'air (133) et/ou avant de l'envoyer à l'unité de séparation du mélange gazeux.
13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel on détend le gaz appauvri en dioxyde de carbone dans une vanne (V) jusqu'à une pression inférieure à celle à laquelle on introduit le débit gazeux enrichi en azote dans la tour de refroidissement d'eau (33).
14. Procédé selon l'une des revendications 8 à 13, dans lequel au moins un autre gaz dans le mélange (1 1 ) est choisi dans la liste comprenant de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane ou de ΓΝΟ2 et le mélange contient au moins 40% mol. de dioxyde de carbone.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel au moins un autre gaz (1 1 ) comprend l'hydrogène, le monoxyde de carbone ou le méthane et un gaz humidifié (39) sorti en tête de la tour de refroidissement d'eau est utilisé comme carburant, par exemple dans une turbine à gaz.
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