EP4375602A1 - Procédé et appareil de liquéfaction et éventuellement de séparation de co2 par distillation - Google Patents

Procédé et appareil de liquéfaction et éventuellement de séparation de co2 par distillation Download PDF

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EP4375602A1
EP4375602A1 EP23211892.7A EP23211892A EP4375602A1 EP 4375602 A1 EP4375602 A1 EP 4375602A1 EP 23211892 A EP23211892 A EP 23211892A EP 4375602 A1 EP4375602 A1 EP 4375602A1
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EP
European Patent Office
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temperature
flow
pressure
feed flow
cooling
Prior art date
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Pending
Application number
EP23211892.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mathieu LECLERC
Richard Dubettier-Grenier
Thomas Morel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J2270/80—Quasi-closed internal or closed external carbon dioxide refrigeration cycle

Definitions

  • the present invention relates to a process and an apparatus for liquefying CO2 and possibly separating CO2 by distillation and/or washing and/or partial condensation.
  • the CO2 flow that is liquefied or separated can contain more than 95% CO2 but also other impurities such as water, oxygen, nitrogen, argon, methane, carbon monoxide , hydrogen, helium etc....
  • CO2 liquefiers using CO2 as a refrigerant involve the use of a cycle compressor followed by liquefaction, or densification in the case of operation beyond the critical pressure of CO2.
  • a significant amount of heat is generated during the compression of CO2 which is typically dissipated in the intermediate exchangers of the compressor as well as during condensation/densification by being transferred to the cooling fluid, typically water or air. It is therefore dissipated without being valued.
  • these dissipated calories can have value in certain cases.
  • they could be used to heat a fluid, for example water for district heating, to preheat boiler water, etc.
  • the invention presents heat recovery solutions with a moderate impact on the electricity consumption of the liquefier.
  • heat recovery in a multi-stage compressor can be achieved by avoiding certain intermediate cooling in order to allow the temperature of the compressed gas to increase.
  • the gas When the gas is hot enough, it can be cooled against the fluid to be heated such as boiler or district heating water.
  • the CO2 is compressed in a multi-stage compressor, at the intermediate inlets corresponding to the different cooling levels of the cold process. Between each floor there is a water cooler. At the compressor outlet, the CO2 increases in density in a water or air cooler then in another exchanger whose cold fluid is a part of the liquid CO2 obtained by expansion of the densified CO2. The rest of the CO2, liquid and therefore partially cooled, is sent to the cold process for sub-cooling against the different flows of CO2 at different pressures which are integrated into the compressor. These flows are therefore also partially cold because they come from the heat exchange with the partially cooled liquid CO2. Thus, they cool the CO2 compressed in the compressor with which they are mixed by direct contact, limiting the temperature rise in the intermediate stages of compression, which makes heat recovery unsuitable.
  • the invention makes it possible to optimize heat exchanges in order to increase the temperature of the fluids returned to the compressor from the coldest part of the process, in order to be able to recover more calories from their compression and the condensation/densification of the CO2 , while having an impact on the compression energy of moderate CO2. It may be considered counterintuitive to reheat before compression, but the impact on compression energy is minimized since recycled flow rates are decreased as more cold is transferred to the densifying CO2.
  • the fluids are heated against the CO2 which is itself cooled by a fluid (for example district heating water) which is at ambient temperature or which is slightly warm (for example at most 40°C). Therefore, taking into account the approach temperatures, the recycled gases are between 20 and 50°C where we recycled between 0°C and 20°C before the implementation of the invention.
  • a fluid for example district heating water
  • the recycled gases are between 20 and 50°C where we recycled between 0°C and 20°C before the implementation of the invention.
  • an apparatus for liquefying and possibly separating a feed flow rich in CO2 comprising a compressor for compressing the feed flow from an initial pressure up to a first pressure greater than 30 bara to obtain a feed flow at the first pressure and a first temperature, a first heat exchanger, fluidly connected to the compressor, to cool the feed flow at the first pressure and the first temperature by indirect heat exchange with a flow of water or oil at a second temperature lower than the first temperature which heats up, to form a feed flow at the first pressure and a third temperature, a second heat exchanger fluidly connected to the first heat exchanger for cooling from the feed flow at the first pressure and the third temperature to form a feed flow at the first pressure and a fourth temperature by heat exchange with at least one flow that is produced by heating a liquid resulting from liquefaction and optionally separating the feed flow, a third heat exchanger fluidly connected to the second heat exchanger for cooling from the feed flow to the first pressure and the fourth temperature by exchange of heat with a flow
  • the supply flow 1 is sent to the input of a stage C2 of a compressor.
  • the gas 1 is mixed with a gas 13 to form a gas which is compressed in the stage C2 to form the flow 7.
  • the flow 7 compressed to a first pressure greater than 30 bara is cooled from a first temperature T1 to a third temperature T2 and cools in a cooler R1 by indirect contact with a fluid at a second temperature, for example water up to an intermediate temperature of at least 40°C (for example between 40 and 60°C, for example 48-52°C) so that the density of the CO2 7 remains relatively low, less than 400kg/m3, the CO2 being cooled to a first temperature.
  • the fluid in chiller R1 can be oil, district heating water or boiler water. The fluid, for example water, from the cooler R1 therefore recovers the heat of compression of the CO2.
  • the CO2 partially cooled by the cooler R1 at the first temperature is sent to a heat exchanger E 1, for example of the plate and fin type exchanger. It cools from the second temperature T2 to a third temperature T3 which is an intermediate temperature of this exchanger E1, lower than the first temperature and then leaves the exchanger to be cooled by a cooler R2 cooled by a fluid at a ambient temperature which is air or water. This ambient temperature is between 5 and 40°C.
  • cooler R2 Since the CO2 has already been cooled by cooler R1, cooler R2 can be smaller and consume less fluid at room temperature.
  • the CO2 cooled to a fourth temperature T4 and condensed or partially densified by the cooler R2 is subcooled in the heat exchanger E1 or in another heat exchanger and then is expanded in a valve V1 to form a two-phase fluid which separates in a liquefaction and separation unit comprising a phase separator S.
  • This separator S produces a gas 9 which is sent to a section B of the liquefaction and possibly separation unit by partial condensation and /or washing and/or distillation.
  • the separator S also produces a liquid, part of which 11 is sent to section B of the liquefaction unit and the remainder 13 vaporizes and heats up in the heat exchanger E1 at a pressure substantially equal to the inlet pressure from floor C2.
  • the liquid 13 can vaporize in the exchanger E1 upstream or downstream of the cooler R2.
  • the vaporized liquid 13 is mixed with the gas 1 as mentioned.
  • Section B produces a final product 23 which is liquid carbon dioxide, generally purer in carbon dioxide than flow 1.
  • the supply flow 1 is sent to the input of a stage C1 of a common compressor comprising n, here four, stages, including two stages CR1, CR2 upstream of the stage C1.
  • Gas 1 is mixed with gas 17 to form gas 3 which is compressed in stage C1 to form flow 5.
  • Flow 5 is mixed with flow 13 and then is sent directly to the final stage C2 without having been cooled.
  • the flow 7 compressed in the two stages up to a first pressure greater than 30 bara, or even greater than 60 bara, is cooled from a first temperature T1 to a second temperature T2 and cools in a cooler R1 by indirect contact with a fluid , for example water up to an intermediate temperature of at least 40°C (for example between 40 and 60°C, for example 48-52°C) so that the density of the CO2 7 remains relatively low , less than 400kg/m3, the CO2 being cooled to a first temperature.
  • the fluid in chiller R1 can be oil, district heating water or boiler water.
  • the fluid, for example water, from the cooler R1 therefore recovers the heat of compression of the CO2.
  • the CO2 partially cooled by the cooler R1 at the first temperature is sent to a heat exchanger, for example of the plate and fin type exchanger. It cools from the second temperature T2 to a third temperature T3 which is an intermediate temperature of this exchanger E1, lower than the first temperature and then leaves the exchanger to be cooled by a cooler R2 cooled by a fluid at an ambient temperature which is air or water. This ambient temperature is between 5 and 40°C.
  • cooler R2 Since the CO2 has already been cooled by cooler R1, cooler R2 can be smaller and consume less fluid at room temperature.
  • the CO2 cooled to a fourth temperature T4 and condensed or partially densified by the cooler R2 is subcooled in the heat exchanger E1 or in another heat exchanger and then is expanded in a valve V1 to form a two-phase fluid which is separates in a liquefaction and separation unit comprising a phase separator S.
  • This separator S produces a gas 9 which is sent to a section B of the liquefaction and possibly separation unit by partial condensation and/or washing and/or distillation.
  • the separator S also produces a liquid, part of which 11 is sent to section B of the liquefaction unit and the remainder 13 vaporizes and heats up in the heat exchanger E1 at a pressure substantially equal to the outlet pressure of floor C1.
  • the liquid 13 can vaporize in the exchanger E1 upstream or downstream of the cooler R2.
  • the vaporized liquid 13 is mixed with the gas 5 as mentioned.
  • Three other gaseous CO2 flow rates 21, 19, 17, at the inlet pressures of stages CR1, CR2 and C1 respectively, coming from section B are heated in the exchanger E1 and are sent to the inlet of stages CR1, CR2 and C1 respectively.
  • the pressure of flow 19 is lower than that of 17.
  • the pressure of flow 21 is lower than that of 19.
  • These gas flows 17, 19, 21 are produced during the liquefaction and/or separation process by washing and/or distillation and/or partial condensation which takes place in section B.
  • At least one of the flow rates 17, 19, 21 can be produced in liquid form, vaporized in section B and sent as gas to the exchanger E1.
  • Section B produces a final product 23 which is liquid carbon dioxide, generally purer in carbon dioxide than flow 1.
  • Gas 21 is compressed in stage CR1 then mixed with gas 19 and sent to the next stage CR2 without intermediate cooling.
  • the compressed gas in the CR2 stage is cooled by a cooler RR1 and then is mixed with the feed flow 1 and the gas 17.
  • the common compressor CR1, CR2, C1, C2 comprises n, here four, stages on the same axis and only n-2, here two, coolers, including an intercooler RR1 between the stages CR2 and C1 and a final cooler R1 in downstream of the last floor C2.
  • FIG.3 shows an alternative process to that of Figure 1 in which only flow 13 is used to cool the gas coming from cooler R2 upstream of valve V1 in exchanger E2.
  • the gases 17, 19, 21 do not pass into the exchanger E2 but are heated in the heat exchanger E1 and are sent respectively upstream of the stage C1, upstream of the stage CR2 and upstream of the floor CR1.
  • at least one of the flow rates 17, 19, 21 can be produced in liquid form, vaporized in section B and sent as gas to the exchanger E1.
  • the exchanger E2 can be of the type allowing heat exchange between only two fluids, for example a tube and shell exchanger.
  • FIG.4 still shows an alternative process of Figure 1 in which the separation unit does not include a phase separator S or valve V1.
  • Unit B is a liquefaction or separation unit by distillation and/or washing and/or partial condensation.
  • the unit also produces gases rich in CO2 14, 17, 19, 21 respectively at pressures between stages C1 and C2, between stages CR2 and C1, between stages CR1 and CR2 and upstream of stage CR1. At least one of the flows 14, 17, 19, 21 is produced in liquid form, vaporized in section B and sent as gas to the exchanger E1.
  • coolers between stages CR1 and CR2 and between stages C1 and C2 are absent while the cooler RR1 and the cooler R1 are present.
  • the presence of the RR1 cooler is also optional.
  • the number of gases heated and recycled each at a different pressure is strictly equal to the number of stages of the compressor. It will be understood that the number of compressor stages may vary.
  • the number of heated gases, each at its pressure can be less than the number of stages, for example equal to n-1, so that for certain stages, no flow is recycled directly upstream of the floor.
  • the outlet pressure of the last stage of compressor C2 can be supercritical.
  • liquefaction will include the densification of a supercritical gas or partial liquefaction.

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Abstract

Un procédé de liquéfaction d'un débit d'alimentation riche en CO2 comprend les étapes suivantes :a) compression (C1,C2) du débit d'alimentation (1) à partir d'une pression initiale jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara pour obtenir un débit d'alimentation (7) à une première température,b) refroidissement du débit d'alimentation à la première température par un débit d'eau à une deuxième température inférieure à la première température pour former un débit d'alimentation à une troisième température,c) refroidissement du débit d'alimentation à la troisième température pour former un débit d'alimentation à une quatrième température par échange de chaleur avec au moins un flux (13, 14, 17, 19, 21) dérivé du débit d'alimentation,d) refroidissement (R2) du débit d'alimentation à la quatrième température par échange de chaleur avec un débit de fluide à une température entre 5 et 40°C qui est de l'air ou de l'eau pour former un débit à une cinquième température,et au moins une partie du débit d'alimentation à la cinquième température est liquéfiée (11, 13, 23).

Description

  • La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction de CO2 et éventuellement de séparation de CO2 par distillation et/ou lavage et/ou condensation partielle.
  • Le débit de CO2 qui est liquéfié ou séparé peut contenir plus de 95% CO2 mais aussi d'autres impuretés comme de l'eau, de l'oxygène, de l'azote, de l'argon, du méthane, du monoxyde de carbone, de l'hydrogène, de l'hélium etc....
  • Les liquéfacteurs de CO2 utilisant le CO2 comme réfrigérant impliquent l'utilisation d'un compresseur de cycle suivi d'une liquéfaction, ou d'une densification dans le cas d'une opération au-delà de la pression critique du CO2. Une quantité importante de chaleur est générée lors de la compression du CO2 qui est typiquement dissipée dans les échangeurs intermédiaires du compresseur ainsi que lors de la condensation/densification en étant transférée au fluide de refroidissement, typiquement l'eau ou l'air. Elle est donc ainsi dissipée sans être valorisée.
  • Or ces calories dissipées peuvent avoir de la valeur dans certains cas. Par exemple, elles pourraient être utilisées pour chauffer un fluide, par exemple de l'eau pour le chauffage urbain, pour préchauffer de l'eau de chaudière etc. L'invention présente des solutions de récupération de chaleur avec un impact modéré sur la consommation électrique du liquéfacteur.
  • Il est connu de l'homme de l'art que la récupération de chaleur dans un compresseur multi-étagé peut se réaliser en évitant certains refroidissements intermédiaires afin de laisser la température du gaz comprimé augmenter. Lorsque le gaz est suffisamment chaud, il peut être refroidi contre le fluide à réchauffer comme de l'eau de chaudière ou de chauffage urbain.
  • Dans FR2974167 , le CO2 est comprimé dans un compresseur multi étagé, aux entrées intermédiaires correspondant aux différents niveaux de refroidissement du procédé froid. Entre chaque étage, il y a un refroidisseur à l'eau. En sortie de compresseur, le CO2 augmente de densité dans un refroidisseur à eau ou à air puis dans un autre échangeur dont le fluide froid est une partie du CO2 liquide obtenu par détente du CO2 densifié. Le reste du CO2, liquide et donc partiellement refroidi, est envoyé au procédé froid pour sous-refroidissement contre les différents flux de CO2 aux différentes pressions qui sont intégrés dans le compresseur. Ces flux sont donc aussi partiellement froids car issus de l'échange thermique avec le CO2 liquide partiellement refroidi. Ainsi, ils refroidissent par contact direct le CO2 comprimé dans le compresseur avec lequel ils sont mélangés, limitant la hausse de température dans les étages intermédiaires de la compression, ce qui rend la récupération de chaleur inadaptée.
    • Problème résolu par l'invention
  • L'invention permet d'optimiser les échanges de chaleur afin d'augmenter la température des fluides renvoyés au compresseur depuis la partie la plus froide du procédé, afin de pouvoir récupérer plus de calories issues de leur compression et de la condensation/densification du CO2, tout en ayant un impact sur l'énergie de compression du CO2 modéré. Cela peut être considéré comme contre-intuitif de réchauffer avant la compression, mais l'impact sur l'énergie de compression est minimisé puisque les débits recyclés sont diminués car plus de froid est transféré au CO2 en cours de densification.
  • Les fluides sont réchauffés contre le CO2 qui est lui-même refroidi par un fluide (par exemple l'eau du chauffage urbain) qui est à la température ambiante ou qui est légèrement chaud (par exemple au plus 40°C). Donc, en tenant compte des températures d'approche, les gaz recyclés sont entre 20 et 50°C là où on recyclait entre 0°C et 20°C avant la mise en place de l'invention.
  • En particulier, il s'agit de tirer le plus possible parti de la chaleur récupérable lors du refroidissement en sortie du compresseur.
  • Cela permet aussi de diminuer significativement la demande en eau ou air ambiant à entre 5 et 40°C pour la condensation/densification du CO2 ce qui a son importance en particulier lorsqu'il s'agit d'eau (son système de production étant ainsi plus petit).
    • Description de l'invention
  • Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction et éventuellement de séparation d'un débit d'alimentation riche en CO2 comprenant les étapes suivantes :
    1. a) compression du débit d'alimentation à partir d'une pression initiale jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara pour obtenir un débit d'alimentation à la première pression et à une première température,
    2. b) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et la première température par un débit d'eau ou d'huile à une deuxième température inférieure à la première température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une troisième température,
    3. c) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et la troisième température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une quatrième température par échange de chaleur avec au moins un flux qui est produit par réchauffement d'un liquide, ce liquide résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation
    4. d) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et à la quatrième température par échange de chaleur avec un débit de fluide à une température entre 5 et 40°C qui est de l'air ou de l'eau pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une cinquième température
    et au moins une partie du débit d'alimentation à la première pression et à la cinquième température étant liquéfiée et éventuellement séparée par condensation partielle et/ou par distillation pour former un produit liquide, éventuellement une portion de la partie liquide étant également séparée par condensation partielle et/ou par distillation.
  • Selon d'autres caractéristiques facultatives :
    • le débit d'eau ou d'huile de l'étape b) est chauffé à partir de la deuxième température jusqu'à une température supérieure à 40°C, de préférence supérieure à 80°C, voire supérieure à 90°C dans l'étape b).
    • le procédé comprenant les étapes de :
      • e) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et à la cinquième température jusqu'à une sixième température,
      • f) le débit d'alimentation à la sixième température est détendu jusqu'à une deuxième pression supérieure à 5,1 bars et une septième température inférieure à la sixième température mais supérieure à -56,6°C, formant un fluide diphasique qui est séparé en une partie gazeuse et une partie liquide,
      • g) au moins une portion de la partie liquide échangeant de la chaleur avec le débit d'alimentation pour effectuer le refroidissement des étapes c) et/ou e) et
      • h) au moins une partie de la partie gazeuse étant liquéfiée et éventuellement séparée par condensation partielle et/ou par distillation pour former un produit liquide, éventuellement une portion de la partie liquide étant également séparée par condensation partielle et/ou par distillation.
    • le refroidissement de l'étape c) a lieu dans un premier échangeur de chaleur et le refroidissement de l'étape e) a lieu dans un deuxième échangeur de chaleur.
    • le refroidissement de l'étape c) et de l'étape e) a lieu dans un seul échangeur de chaleur.
    • refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et la troisième température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une quatrième température par échange de chaleur avec au moins un flux qui est produit par vaporisation d'un liquide résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation
    • le liquide, résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit, est envoyé pour échanger de la chaleur avec le débit d'alimentation et forme un flux qui se réchauffe pendant l'étape c) et/ou l'étape e).
    • le flux réchauffé pendant le refroidissement des étapes c) et éventuellement e) est envoyé à l'entrée d'un étage de compression où se comprime le débit d'alimentation.
    • le flux est envoyé à l'entrée d'un étage de compression à une pression égale ou supérieure à la pression initiale mais de préférence inférieure à la première pression.
    • au moins un flux gazeux produit pendant la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation est envoyé à une température supérieure à 0°C se réchauffer par échange de chaleur avec le débit d'alimentation qui se refroidit pendant les étapes c) et éventuellement e), l'au moins un flux gazeux étant comprimé à partir d'une pression au plus égale à la pression initiale et ensuite mélangé avec le débit d'alimentation à la pression initiale.
    • l'au moins un flux gazeux produit pendant la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation est produit par la vaporisation d'un liquide produit pendant la liquéfaction ou la séparation du débit d'alimentation.
    • au moins une étape de compression du débit d'alimentation ou au moins une étape de compression de l'au moins un flux gazeux est adiabatique.
    • le débit d'eau ou d'huile à la deuxième température est chauffé jusqu'à au moins 60°C et éventuellement moins que 150°C pendant l'étape b).
    • la deuxième température est entre 5 et 50°C.
    • la troisième température est entre 40°C et 60°C, voire 50°C.
    • la densité du débit d'alimentation à la cinquième température est au-dessus de 400kg/m3, voire au-dessus de 600 kg/m3.
    • le débit de fluide à une température entre 5 et 40°C qui est de l'eau chauffée par le refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et à la quatrième température est envoyé à une chaudière et/ou à un système de chauffage
  • Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction et éventuellement de séparation d'un débit d'alimentation riche en CO2 comprenant un compresseur pour comprimer le débit d'alimentation à partir d'une pression initiale jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara pour obtenir un débit d'alimentation à la première pression et à une première température, un premier échangeur de chaleur, relié fluidiquement au compresseur, pour refroidir du débit d'alimentation à la première pression et la première température par échange de chaleur indirect avec un débit d'eau ou d'huile à une deuxième température inférieure à la première température qui se réchauffe, pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une troisième température, un deuxième échangeur de chaleur relié fluidiquement au premier échangeur de chaleur pour refroidir du débit d'alimentation à la première pression et la troisième température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une quatrième température par échange de chaleur avec au moins un flux qui est produit par réchauffement d'un liquide résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation, un troisième échangeur de chaleur relié fluidiquement au deuxième échangeur de chaleur pour refroidir du débit d'alimentation à la première pression et à la quatrième température par échange de chaleur avec un débit de fluide qui est de l'air ou de l'eau à une température entre 5 et 40°C pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une cinquième température et des moyens pour liquéfier et éventuellement séparer par condensation partielle et/ou par distillation au moins une partie du débit d'alimentation à la première pression et à la cinquième température pour former un produit liquide, ces moyens étant reliés fluidiquement au troisième échangeur de chaleur.
  • Selon d'autres aspects facultatifs :
    • l'appareil comprend un compresseur de CO2 à n étages avec au plus n-2 refroidisseurs intermédiaires.
    • l'appareil comprend un compresseur à n étages avec au plus n-2 refroidisseurs intermédiaires refroidis par de l'eau.
    • l'appareil comprend un compresseur de CO2 à n étages avec uniquement un seul refroidisseur intermédiaire dans lequel de l'eau est chauffée,
    • l'appareil comprend un autre refroidisseur pour refroidir le CO2 en sortie du compresseur dans lequel de l'eau ou de l'huile est chauffée, jusqu'à une température intermédiaire pour le CO2, par exemple entre 40°C et 60°C, voire 50°C. Plusieurs variantes sont envisageables, par ordre d'intérêt:
    • Continuer la densification dans un échangeur contre un fluide facilement disponible par exemple de l'eau ou de l'huile à entre 0°C et 40°C ou de l'air à entre 0°C et 40°C.
    • Refroidissement du CO2 refroidi contre le fluide qui est de l'eau à entre 0°C et 40°C ou de l'air à entre 0°C et 40°C dans un échangeur de chaleur (dit « économiseur » en anglais « economizer ») où le CO2 est partiellement condensé produisant un liquide refroidi qui est envoyé à l'échangeur de chaleur pour partiellement condenser le CO2
    • Mise en commun de l'économiseur avec le densifieur qui suit l'échangeur à média ambiant afin de mieux intégrer l'échange thermique et minimiser le nombre d'équipements.
    • Augmentation de la pression de sortie du compresseur au-delà de ce qui est nécessaire en termes de densité obtenue après refroidissement afin de récupérer plus de chaleur en sortie, potentiellement complété par une turbine liquide pour la détente avant le densifieur. En ce faisant, la consommation électrique du compresseur est légèrement augmentée. Par contre l'énergie récupérée augmente significativement pour un impact sur la consommation électrique faible.
    • Préchauffe du CO2 d'entrée dans l'économiseur afin de comprimer du CO2 plus chaud et donc atteindre des températures plus élevées et/ou plus de calories transférées au fluide chauffé.
    • Intégration des échangeurs de récupération de chaleur dans un échangeur commun, voire dans l'économiseur/densifieur du premier point.
  • L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures.
    • [FIG.1] montre un procédé selon l'invention dans lequel un débit d'alimentation 1 qui est du CO2 gazeux est liquéfié pour former du CO2 liquide 23.
    • [FIG.2] montre un procédé selon l'invention dans lequel un débit d'alimentation 1 qui est du CO2 gazeux est liquéfié pour former du CO2 liquide 23.
    • [FIG.3] montre un procédé selon l'invention dans lequel un débit d'alimentation 1 qui est du CO2 gazeux est liquéfié pour former du CO2 liquide 23.
    • [FIG.4] montre un procédé selon l'invention dans lequel un débit d'alimentation 1 qui est du CO2 gazeux est liquéfié pour former du CO2 liquide 23.
  • Dans la Figure 1, le débit d'alimentation 1 est envoyé à l'entrée d'un étage C2 d'un compresseur. Le gaz 1 est mélangé avec un gaz 13 pour former un gaz qui est comprimé dans l'étage C2 pour former le débit 7. Le débit 7 comprimé jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara est refroidi depuis une première température T1 à une troisième température T2 et se refroidit dans un refroidisseur R1 par contact indirect avec un fluide à une deuxième température, par exemple de l'eau jusqu'à une température intermédiaire d'au moins 40°C (par exemple entre 40 et 60°C, par exemple 48-52°C) de telle sorte que la densité du CO2 7 reste relativement basse, inférieure à 400kg/m3, le CO2 étant refroidi jusqu'à une première température. Le fluide dans le refroidisseur R1 peut être de l'huile, de l'eau de chauffage urbain ou de l'eau de chaudière. Le fluide, par exemple l'eau, du refroidisseur R1 récupère donc de la chaleur de compression du CO2.
  • Le CO2 partiellement refroidi par le refroidisseur R1 à la première température est envoyé à un échangeur de chaleur E 1 par exemple de type échangeur à plaques et à ailettes. Il se refroidit depuis la deuxième température T2 jusqu'à une troisième température T3 qui est une température intermédiaire de cet échangeur E1, inférieure à la première température et ensuite sort de l'échangeur pour être refroidi par un refroidisseur R2 refroidi par un fluide à une température ambiante qui est de l'air ou de l'eau. Cette température ambiante est entre 5 et 40°C.
  • Comme le CO2 a déjà été refroidi par le refroidisseur R1, le refroidisseur R2 peut être plus petit et consommer moins de fluide à température ambiante.
  • Le CO2 refroidi jusqu'à une quatrième température T4 et condensé ou partiellement densifié par le refroidisseur R2 est sousrefroidi dans l'échangeur de chaleur E1 ou dans un autre échangeur de chaleur et ensuite est détendu dans une vanne V1 pour former un fluide diphasique qui se sépare dans une unité de liquéfaction et de séparation comprenant un séparateur de phases S. Ce séparateur S produit un gaz 9 qui est envoyé à une section B de l'unité de liquéfaction et éventuellement de séparation par condensation partielle et/ou lavage et/ou distillation. Le séparateur S produit également un liquide dont une partie 11 est envoyée à la section B de l'unité de liquéfaction et le reste 13 se vaporise et se réchauffe dans l'échangeur de chaleur E1 à une pression substantiellement égale à la pression d'entrée de l'étage C2. Le liquide 13 peut se vaporiser dans l'échangeur E1 en amont ou en aval du refroidisseur R2. Le liquide vaporisé 13 est mélangé avec le gaz 1 comme mentionné.
  • La section B produit un produit final 23 qui est du dioxyde de carbone liquide, généralement plus pur en dioxyde de carbone que le débit 1.
  • Elle produit optionnellement au moins un fluide 15 contenant au moins une impureté légère ou lourde présente dans le débit 1.
  • Dans la Figure 2, le débit d'alimentation 1 est envoyé à l'entrée d'un étage C1 d'un compresseur commun comprenant n, ici quatre, étages, dont deux étages CR1, CR2 en amont de l'étage C1. Le gaz 1 est mélangé avec un gaz 17 pour former un gaz 3 qui est comprimé dans l'étage C1 pour former le débit 5. Le débit 5 est mélangé avec le débit 13 et ensuite est envoyé directement à l'étage final C2 sans avoir été refroidi. Le débit 7 comprimé dans les deux étages jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara, voire supérieure à 60 bara, est refroidi depuis une première température T1 à une deuxième température T2 et se refroidit dans un refroidisseur R1 par contact indirect avec un fluide, par exemple de l'eau jusqu'à une température intermédiaire d'au moins 40°C (par exemple entre 40 et 60°C, par exemple 48-52°C) de telle sorte que la densité du CO2 7 reste relativement basse, inférieure à 400kg/m3, le CO2 étant refroidi jusqu'à une première température. Le fluide dans le refroidisseur R1 peut être de l'huile, de l'eau de chauffage urbain ou de l'eau de chaudière. Le fluide, par exemple l'eau, du refroidisseur R1 récupère donc de la chaleur de compression du CO2.
  • Le CO2 partiellement refroidi par le refroidisseur R1 à la première température est envoyé à un échangeur de chaleur par exemple de type échangeur à plaques et à ailettes. Il se refroidit depuis la deuxième température T2 jusqu'à une troisième température T3 qui est une température intermédiaire de cet échangeur E1, inférieure à la première température et ensuite sort de l'échangeur pour être refroidi par un refroidisseur R2 refroidi par un fluide à une température ambiante qui est de l'air ou de l'eau. Cette température ambiante est entre 5 et 40°C.
  • Comme le CO2 a déjà été refroidi par le refroidisseur R1, le refroidisseur R2 peut être plus petit et consommer moins de fluide à température ambiante.
  • Le CO2 refroidi jusqu'à une quatrième température T4 et condensé ou partiellement densifié par le refroidisseur R2 est sousrefroidi dans l'échangeur de chaleur E1 ou dans un autre échangeur de chaleur et ensuite est détendu dans une vanne V1 pour former un fluide diphasique qui se sépare dans une unité de liquéfaction et de séparation comprenant un séparateur de phases S. Ce séparateur S produit un gaz 9 qui est envoyé à une section B de l'unité de liquéfaction et éventuellement de séparation par condensation partielle et/ou lavage et/ou distillation. Le séparateur S produit également un liquide dont une partie 11 est envoyée à la section B de l'unité de liquéfaction et le reste 13 se vaporise et se réchauffe dans l'échangeur de chaleur E1 à une pression substantiellement égale à la pression de sortie de l'étage C1. Le liquide 13 peut se vaporiser dans l'échangeur E1 en amont ou en aval du refroidisseur R2. Le liquide vaporisé 13 est mélangé avec le gaz 5 comme mentionné. Trois autres débits de CO2 gazeux 21, 19, 17, aux pressions d'entrées des étages CR1, CR2 et C1 respectivement, provenant de la section B sont chauffés dans l'échangeur E1 et sont envoyés à l'entrée des étages CR1, CR2 et C1 respectivement. La pression du débit 19 est inférieure à celle de 17. La pression du débit 21 est inférieure à celle de 19. Ces débits gazeux 17, 19, 21 sont produits pendant le procédé de liquéfaction et/ou de séparation par lavage et/ou distillation et/ou condensation partielle qui se réalise dans la section B. Au moins un des débits 17, 19, 21 peut être produit sous forme liquide, vaporisé dans la section B et envoyé comme gaz vers l'échangeur E1.
  • La section B produit un produit final 23 qui est du dioxyde de carbone liquide, généralement plus pur en dioxyde de carbone que le débit 1.
  • Elle produit optionnellement au moins un fluide 15 contenant au moins une impureté légère ou lourde présente dans le débit 1.
  • Le gaz 21 est comprimé dans l'étage CR1 puis mélangé avec le gaz 19 et envoyé à l'étage suivant CR2 sans refroidissement intermédiaire. Le gaz comprimé dans l'étage CR2 est refroidi par un refroidisseur RR1 et ensuite est mélangé avec le débit d'alimentation 1 et le gaz 17.
  • Ainsi le compresseur commun CR1, CR2, C1, C2 comprend n, ici quatre, étages sur le même axe et seulement n-2, ici deux, refroidisseurs, dont un refroidisseur intermédiaire RR1 entre les étages CR2 et C1 et un refroidisseur final R1 en aval du dernier étage C2.
  • [FIG.3] montre un procédé alternatif à celui de la Figure 1 dans lequel seul le débit 13 est utilisé pour refroidir le gaz provenant du refroidisseur R2 en amont de la vanne V1 dans l'échangeur E2. Les gaz 17, 19, 21 ne passent pas dans l'échangeur E2 mais se réchauffent dans l'échangeur de chaleur E1 et sont envoyés respectivement en amont de l'étage C1, en amont de l'étage CR2 et en amont de l'étage CR1. Ici encore au moins un des débits 17, 19, 21 peut être produit sous forme liquide, vaporisé dans la section B et envoyé comme gaz vers l'échangeur E1.
  • Ceci permet de réduire le prix global pour l'échange de chaleur puisque l'échangeur E2 peut être de type permettant l'échange de chaleur entre seulement deux fluides, par exemple un échangeur à tubulures et à calandre.
  • [FIG.4] montre encore un procédé alternatif de la Figure 1 dans lequel l'unité de séparation ne comprend pas de séparateur de phases S ou de vanne V1. L'unité B est une unité de liquéfaction ou de séparation par distillation et/ou lavage et/ou condensation partielle.
  • Dans cette figure, tout le débit d'alimentation sortant du refroidissement dans R2 à la quatrième température T4 est envoyé à l'unité de liquéfaction ou de séparation B. Cette unité produit un produit final 21 ayant une teneur en CO2 égale ou supérieure à celle du débit 1.
  • L'unité produit également des gaz riches en CO2 14, 17, 19, 21 respectivement aux pressions entre les étages C1 et C2, entre les étages CR2 et C1, entre les étages CR1 et CR2 et en amont de l'étage CR1. Au moins un des débits 14, 17, 19, 21 est produit sous forme liquide, vaporisé dans la section B et envoyé comme gaz vers l'échangeur E1.
  • Dans tous les exemples les refroidisseurs entre les étages CR1 et CR2 et entre les étages C1 et C2 sont absents alors que le refroidisseur RR1 et le refroidisseur R1 sont présents. La présence du refroidisseur RR1 est également optionnelle.
  • Dans ces exemples, le nombre de gaz réchauffés et recyclés chacun à une pression différente est strictement égal au nombre d'étages du compresseur. Il sera compris que le nombre d'étages du compresseur peut varier.
  • De plus, le nombre de gaz réchauffés, chacun à sa pression, peut être inférieur au nombre d'étages, par exemple égale à n-1, de sorte que pour certains étages, aucun débit n'est recyclé directement en amont de l'étage.
  • La pression de sortie du dernier étage du compresseur C2 peut être supercritique. Dans ce document, le terme « liquéfaction » comprendra la densification d'un gaz supercritique ou la liquéfaction partielle.

Claims (16)

  1. Procédé de liquéfaction et éventuellement de séparation d'un débit d'alimentation riche en CO2 comprenant les étapes suivantes :
    a) compression (C1,C2) du débit d'alimentation (1) à partir d'une pression initiale jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara pour obtenir un débit d'alimentation (7) à la première pression et à une première température,
    b) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et la première température par un débit d'eau ou d'huile à une deuxième température inférieure à la première température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une troisième température,
    c) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et la troisième température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une quatrième température par échange de chaleur avec au moins un flux (13, 14, 17, 19, 21) qui est produit par réchauffement d'un liquide, ce liquide résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation
    d) refroidissement (R2) du débit d'alimentation à la première pression et à la quatrième température par échange de chaleur avec un débit de fluide à une température entre 5 et 40°C qui est de l'air ou de l'eau pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une cinquième température
    et au moins une partie du débit d'alimentation à la première pression et à la cinquième température étant liquéfiée et éventuellement séparée par condensation partielle et/ou par distillation pour former un produit liquide (11, 13, 23), éventuellement une portion de la partie liquide étant également séparée par condensation partielle et/ou par distillation.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit d'eau ou d'huile de l'étape b) est chauffé à partir de la deuxième température jusqu'à une température supérieure à 40°C, de préférence supérieure à 80°C, voire supérieure à 90°C dans l'étape b).
  3. Procédé selon une des revendications 1 et 2 comprenant les étapes de :
    e) refroidissement du débit d'alimentation à la première pression et à la cinquième température jusqu'à une sixième température,
    f) le débit d'alimentation à la sixième température est détendu jusqu'à une deuxième pression supérieure à 5,1 bars et une septième température inférieure à la sixième température mais supérieure à -56,6°C, formant un fluide diphasique qui est séparé en une partie gazeuse (9) et une partie liquide (11,13),
    g) au moins une portion (13) de la partie liquide échangeant de la chaleur avec le débit d'alimentation pour effectuer le refroidissement des étapes c) et/ou e) et
    h) au moins une partie de la partie gazeuse étant liquéfiée et éventuellement séparée par condensation partielle et/ou par distillation pour former un produit liquide (23), éventuellement une portion de la partie liquide étant également séparée par condensation partielle et/ou par distillation.
  4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le refroidissement de l'étape c) a lieu dans un premier échangeur de chaleur (E1) et le refroidissement de l'étape e) a lieu dans un deuxième échangeur de chaleur (E2).
  5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le refroidissement de l'étape c) et de l'étape e) a lieu dans un seul échangeur de chaleur (E1).
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le liquide résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit est envoyé pour échanger de la chaleur avec le débit d'alimentation et forme un flux qui se réchauffe pendant l'étape c) et/ou l'étape e).
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le flux réchauffé (13,14, 17, 19, 21) pendant le refroidissement des étapes c) et éventuellement e) est envoyé à l'entrée d'un étage de compression (C1, C2) où se comprime le débit d'alimentation (1).
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le flux (13,14, 17, 19, 21) est envoyée à l'entrée d'un étage de compression (CR1, C2) à une pression égale ou supérieure à la pression initiale mais de préférence inférieure à la première pression.
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes 3 à 8 dans lequel au moins un flux gazeux (14, 17, 19, 21) produit pendant la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation est envoyé à une température supérieure à 0°C se réchauffer par échange de chaleur avec le débit d'alimentation (1) qui se refroidit pendant les étapes c) et éventuellement e), l'au moins un flux gazeux étant comprimé (CR1, CR2) à partir d'une pression au plus égale à la pression initiale et ensuite mélangé avec le débit d'alimentation (1) à la pression initiale.
  10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'au moins un flux gazeux (14, 17, 19, 21) produit pendant la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation est produit par la vaporisation d'un liquide produit pendant la liquéfaction ou la séparation du débit d'alimentation.
  11. Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel au moins une étape de compression (C1, C2) du débit d'alimentation (1) ou selon la revendication 9 ou 10 dans lequel au moins une étape de compression (CR1, CR2) de l'au moins un flux gazeux (14, 17, 19, 21) est adiabatique.
  12. Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel le débit d'eau ou d'huile à la deuxième température est chauffé jusqu'à au moins 60°C et éventuellement moins que 150°C pendant l'étape b).
  13. Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel la deuxième température est entre 5 et 50°C.
  14. Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel la troisième température est entre 40°C et 60°C, voire 50°C.
  15. Procédé selon au moins une des revendications précédentes dans lequel la densité du débit d'alimentation à la cinquième température est au-dessus de 400kg/m3, voire au-dessus de 600 kg/m3.
  16. Appareil de liquéfaction et éventuellement de séparation d'un débit d'alimentation riche en CO2 comprenant un compresseur (C1, C2) pour comprimer le débit d'alimentation à partir d'une pression initiale jusqu'à une première pression supérieure à 30 bara pour obtenir un débit d'alimentation (7) à la première pression et à une première température, un premier échangeur de chaleur (R1), relié fluidiquement au compresseur, pour refroidir du débit d'alimentation à la première pression et la première température par échange de chaleur indirect avec un débit d'eau ou d'huile à une deuxième température inférieure à la première température qui se réchauffe, pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une troisième température, un deuxième échangeur de chaleur (E1) relié fluidiquement au premier échangeur de chaleur pour refroidir du débit d'alimentation à la première pression et la troisième température pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une quatrième température par échange de chaleur avec au moins un flux (13, 14, 17, 19, 21) qui est produit par réchauffement d'un liquide résultant de la liquéfaction et éventuellement la séparation du débit d'alimentation, un troisième échangeur de chaleur (R2) relié fluidiquement au deuxième échangeur de chaleur pour refroidir du débit d'alimentation à la première pression et à la quatrième température par échange de chaleur avec un débit de fluide qui est de l'air ou de l'eau à une température entre 5 et 40°C pour former un débit d'alimentation à la première pression et à une cinquième température et des moyens (V1, B) pour liquéfier et éventuellement séparer par condensation partielle et/ou par distillation au moins une partie du débit d'alimentation à la première pression et à la cinquième température pour former un produit liquide (11, 23), ces moyens étant reliés fluidiquement au troisième échangeur de chaleur.
EP23211892.7A 2022-11-28 2023-11-24 Procédé et appareil de liquéfaction et éventuellement de séparation de co2 par distillation Pending EP4375602A1 (fr)

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