EP4713118A1 - Procédé et appareil de séparation de co2 par condensation partielle et/ou distillation - Google Patents

Procédé et appareil de séparation de co2 par condensation partielle et/ou distillation

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EP4713118A1
EP4713118A1 EP24720822.6A EP24720822A EP4713118A1 EP 4713118 A1 EP4713118 A1 EP 4713118A1 EP 24720822 A EP24720822 A EP 24720822A EP 4713118 A1 EP4713118 A1 EP 4713118A1
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EP
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gas
water
dried
distillation
upstream
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Application number
EP24720822.6A
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Félix PERE
Mathieu LECLERC
Martin Raventos
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Abstract

Dans un procédé de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation - un premier gaz (1) contenant de l'hydrogène, de l'eau et du dioxyde de carbone est comprimé dans un compresseur (17), séché dans une unité de séchage par adsorption (19) et ensuite séparé par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide enrichi en CO2 (25) et - un deuxième gaz (3), contenant du dioxyde de carbone, de l'hydrogène ainsi que de l'eau, provenant d'un procédé de séparation par absorption (A), est refroidi pour condenser au moins une partie (7) de l'eau qu'il contient, l'eau est séparée du gaz formant un gaz séché (9) et le gaz séché est mélangé au premier gaz en amont de l'unité de séchage par adsorption et éventuellement en amont du compresseur.

Description

Procédé et appareil de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation. En particulier il concerne un tel procédé alimenté par un gaz enrichi en CO2 provenant d’un procédé de séparation de CO2 par absorption.
L'élimination du CO2 est déjà largement déployée à l'échelle industrielle, principalement avec des procédés d'absorption. Ces procédés, qu'ils soient physiques, chimiques ou physico-chimiques, utilisent tous un solvant liquide pour éliminer un ou plusieurs composés (ici le CO2) d'un flux gazeux.
Le solvant riche est alors régénéré et libère les composés captés. Cette régénération se fait généralement par détente et apport de chaleur.
Appliqués à l'élimination du CO2, ces procédés produisent tous du CO2 depuis la pression presque atmosphérique jusqu'à ~3 bara, selon le schéma de procédé. De plus, de nombreux procédés d'absorption (lavage aux amines, lavage chaud au potassium, Purisol ®...) utilisent des solvants aqueux, et libèrent ainsi du CO2 humide.
Cette production de CO2 humide à basse pression n'est pas gênante lorsque l'élimination du CO2 est justifiée par les spécifications du procédé aval (synthèse, traitement cryogénique...). Cependant, les spécifications du CSC (Capture et Séquestration de Carbone, en anglais « CCS ») exigent généralement du CO2 sec, sous pression ou liquéfié. Le CO2 provenant des processus d'absorption doit donc être comprimé, séché et éventuellement liquéfié pour être intégré dans les schémas de CSC. Cela nécessite des équipements supplémentaires et des dépenses de fonctionnement.
Il est connu de séparer du CO2 d’un gaz résiduaire d’un PSA produisant de l’hydrogène. Le gaz résiduaire est comprimé et séparé par condensation partielle et/ou distillation. Alors que le gaz résiduaire contient de l’eau, celle-ci est en état peu saturé et donc le gaz résiduaire peut être comprimé sans que l’eau se condense en amont de la séparation par condensation partielle et/ou distillation. Un sécheur est donc nécessaire en amont de la condensation partielle et/ou la distillation. Il est également connu de WO2015/075071 de mélanger un gaz enrichi en CO2 provenant d’un lavage aux amines au gaz résiduaire d’un PSA H2 et de séparer le mélange par condensation partielle et/ou distillation.
Il est aussi connu de US2013/9156686 d’utiliser un lavage aux amines pour produire un fluide enrichi en CO2 et un fluide appauvri en CO2, de séparer le fluide appauvri en CO2 par PSA produisant de l’hydrogène et un autre gaz appauvri en hydrogène, l’autre gaz étant séparé à basse température pour récupérer le CO2 qu’il contient. Le CO2 humide généré par les procédés d'absorption peut être directement intégré au procédé de séparation du résiduaire du PSA H2 par condensation partielle et/ou distillation. Etant (dans la plupart des cas) humide et disponible à basse pression, il est idéalement injecté dans le procédé de séparation à l'entrée du compresseur du résiduaire du PSA H2.
Les gaz enrichis en CO2 provenant du procédé d’absorption étant généralement disponibles à environ 1,3 bara, une soufflante peut être nécessaire pour augmenter la pression du gaz enrichi en CO2 du procédé d'absorption à la bonne pression. Un tel dispositif pourrait également être nécessaire si les deux procédés ne sont pas proches l'un de l'autre.
L'injection d'un flux humide venant du procédé d’absorption dans le résiduaire gazeux du PSA pourrait être très préjudiciable au procédé de condensation partielle et/ou distillation, car elle augmente la température du point de rosée du résiduaire gazeux du PSA H2, et donc réduit la pression atteignable sans condensation. Le séchage doit alors être réalisé à pression plus basse, ce qui est coûteux à la fois en investissement et en coûts opératoires.
La solution la plus pertinente est donc de refroidir le flux humide enrichi en CO2 venant du procédé d’absorption pour condenser le plus d'eau possible, avant de le mélanger avec le résiduaire du PSA H2.
En refroidissant le flux humide pour condenser l’eau qu’il contient, le niveau d’eau peut être désaturé à un niveau permettant de comprimer les deux gaz ensemble. Evidemment le compresseur et l’appareil de séparation par condensation partielle et/ou distillation seront plus grands pour pouvoir traiter les deux gaz mélangés.
WO2010/066972 décrit un procédé de séparation de CO2 dans lequel un mélange gazeux comprenant de l’hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane et de l’eau est séparé utilisant un PSA H2 produisant un résiduaire sec, l’eau ayant été enlevée par un PSA CO2. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation dans lequel : i) un premier gaz contenant de l’hydrogène, de l’eau et du dioxyde de carbone est comprimé dans un compresseur, séché dans une unité de séchage par adsorption et ensuite séparé par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide enrichi en CO2 ii) un deuxième gaz, contenant du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et/ou de l’azote ainsi que de l’eau ainsi qu’éventuellement du monoxyde de carbone et/ou du méthane, provenant d’un procédé de séparation par absorption, est refroidi pour condenser au moins une partie de l’eau qu’il contient, l’eau est séparée du gaz formant un gaz séché et le gaz séché est mélangé au premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption et éventuellement en amont du compresseur.
Selon d’autres caractéristiques facultatives :
• le gaz séché est mélangé au premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption et en aval du compresseur.
• le deuxième gaz est comprimé en amont du refroidissement jusqu’à une pression qui est celle du premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption.
• le deuxième gaz est comprimé en amont du refroidissement jusqu’à une pression qui est celle à l’entrée de l’unité de séchage par adsorption.
• le deuxième gaz est comprimé en amont du refroidissement jusqu’à une pression d’au moins 9 bars abs
• le deuxième gaz est refroidi par échange de chaleur indirect avec de l’eau.
• le deuxième gaz est refroidi par échange de chaleur indirect avec un fluide, éventuellement enrichi en CO2, produit par la condensation partielle et/ou la distillation, éventuellement à une température en dessous de 0°C.
• le deuxième gaz séché est réchauffé par échange de chaleur avec le deuxième gaz en amont du refroidissement.
• le premier gaz est un gaz résiduaire d’un procédé de séparation par adsorption produisant un gaz enrichi en hydrogène et un gaz appauvri en hydrogène qui est le gaz résiduaire.
• la teneur en CO2 et/ou en eau du premier gaz est plus basse que celle du deuxième gaz. • la teneur en CO2 du mélange formé en mélangeant le gaz séché au premier gaz est supérieure à celle du premier gaz.
• le débit du premier gaz est supérieur à celui du deuxième gaz.
• le rapport entre les débits du premier et du deuxième gaz est au moins égal à 10.
• le deuxième gaz provient d’une unité de lavage aux amines ou au carbonate de potassium.
• des fumées sont séparées par le procédé d’absorption pour produire le deuxième gaz.
• un gaz de synthèses est séparé par le procédé d’absorption pour produire le deuxième gaz.
Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation comprenant un compresseur, une unité de séchage par adsorption, une unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation, des moyens pour envoyer un premier gaz contenant de l’hydrogène, de l’eau et du dioxyde de carbone être comprimé dans le compresseur, des moyens pour envoyer le premier gaz comprimé être séché dans l’unité de séchage par adsorption et des moyens pour envoyer le premier gaz comprimé et séché être séparé par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide enrichi en CO2, un refroid isseur, un séparateur de phases, des moyens pour envoyer un deuxième gaz, contenant du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et/ou de l’azote ainsi que de l’eau ainsi qu’éventuellement du monoxyde de carbone et/ou du méthane, provenant d’un procédé de séparation par absorption au refroidisseur pour être refroidi pour condenser au moins une partie de l’eau qu’il contient, des moyens pour sortir l’eau séparée du gaz du séparateur de phases, des moyens pour sortir un gaz séché du séparateur de phases et des moyens pour envoyer le gaz séché se mélanger au premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption et éventuellement en amont du compresseur.
De préférence, le procédé de séparation par absorption est un procédé physicochimique sélectif au CO2.
De préférence, le procédé de séparation par absorption est un procédé de lavage aux amines. L’appareil peut comprendre des moyens pour envoyer le gaz séché se mélanger au premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption et en aval du compresseur.
L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures où : La figure 1 représente un procédé selon l’invention.
La figure 2 représente un procédé selon l’invention.
La figure 3 représente un procédé selon l’invention. La figure 4 représente un procédé selon l’invention.
Dans la Figure 1, un débit 3 d’une unité d’absorption A contient du dioxyde de carbone, de l’eau, de l’hydrogène et/ou de l’azote et éventuellement du monoxyde de carbone et/ou du méthane. Le débit 3 contient typiquement entre 6 et 7% mol d’eau. L’unité d’absorption peut utiliser un procédé physico-chimique sélectif au CO2 et par exemple peut utiliser un lavage aux amines, un lavage chaud au carbonate de potassium, un lavage de type Purisol ® avec lavage du NMP) et produit le débit 3 à sensiblement la pression atmosphérique ou des pressions plus élevées. Dans certains cas, il est donc nécessaire de surpresser le débit 3 avec une soufflante B afin d’amener sa pression à environ 1 ,5 bars abs ou plus. Le débit 3 est ensuite refroidi par échange de chaleur indirect avec de l’eau 11 dans le refroidisseur K pour condenser au moins une partie 7 de l’eau qu’il contient. Le gaz séché 9 sort du séparateur S utilisé pour enlever l’eau 7 et est envoyé se mélanger avec le gaz résiduaire 1 d’un procédé de séparation d’hydrogène par adsorption à bascule de pression P. Ce premier gaz 1 contient du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et de l’eau et habituellement a une teneur en dioxyde de carbone moins élevée que le débit 3. Le premier gaz 1 habituellement a une teneur en eau moins élevée que le débit 3. Le débit du premier gaz 1 est de préférence supérieur à celui du deuxième gaz 3.
La séparation d’un tel débit est bien connue et est décrite par exemple dans US8021464.
Le mélange 15 est ensuite traité dans une unité de séparation C. Il est comprimé jusqu’à une pression au-dessus de 9 bars abs, voire au-dessus de 20 bars, séché par adsorption pour enlever les restants d’eau et ensuite refroidi et séparé par condensation partielle et/ou distillation pour obtenir au moins un gaz et/ou au moins un liquide enrichi en CO2 contenant par exemple au moins 90% mol, voire au moins 95% mol CO2 et un gaz enrichi en hydrogène. La soufflante B, si présente, peut comprimer le gaz 9 jusqu’à la pression du gaz 1 ou jusqu’à la pression à l’entrée du sécheur 19 de la figure 4.
Dans la figure 2, le débit 3 est refroidi dans un refroidisseur R en amont du refroidisseur K et en aval de l’unité d’absorption A et éventuellement de la soufflante B. Ce refroidisseur R permet l’échange de chaleur indirect entre le gaz 9 séché provenant du séparateur S et du débit à refroidir 3. Le gaz refroidi dans le refroidisseur R est mélangé avec le premier gaz 1 comme pour la figure 1. Ceci permet de réduire la consommation d’eau 11 .
Dans certains cas, le débit 3 est disponible à plus haute pression que le premier gaz 1 et donc le débit 9 peut être mélange avec le résiduaire 3 après la compression du résiduaire 3 dans au moins un étage du compresseur de l’unité C.
Dans la figure 3, le débit 3 est refroidi pour condenser l’eau au moins d’un liquide 15 enrichi en CO2 par rapport au mélange provenant d’au moins un séparateur de phases de l’unité C où se sépare le mélange 13. Le liquide est envoyé au refroidisseur K à une température inférieure à 0°C et se vaporise dans le refroidisseur K. Le liquide 15 peut autrement constituer une partie du liquide de cuve d’une colonne de distillation, ce liquide comprenant au moins 90% mol CO2. L’usage d’un tel débit permet de réduire la consommation d’eau 11 et en plus réalise la vaporisation nécessaire pour produire le liquide 15 sous forme gazeuse pour être envoyé au client.
La Figure 4 montre une version de la Figure 1 avec l’unité C illustrée de manière plus détaillée. L’unité C comprend un compresseur 17, une unité de séchage par adsorption (TSA) 19, une ligne d’échange 21 pour refroidir le mélange comprimé et séché et une partie de séparation 23 par condensation partielle et/ou distillation produisant au moins un fluide enrichi en CO2 25 par rapport au mélange 13. L’invention présente le plus d’intérêt quand le débit du gaz 3 est plus faible que le débit du gaz 1 car mélanger le débits 1 , 9 oblige à surdimensionner l’unité C. L’invention s’applique particulièrement au cas où le rapport entre le débit du gaz 3 et celui du débit 1 est inférieur à 0,1 , le rapport exact état dépendant de facteurs économiques.
Néanmoins en termes d’investissement, l’équipement pour comprimer et traiter les débits 1 , 3 ensemble est moins cher que celui pour les séparer séparément.
De plus comme le débit 3 est souvent plus riche en CO2 que le débit 1 , le fait de rajouter le débit 9 au gaz 1 augmente le poids moléculaire du gaz 1 et rend la compression dans l’unité C plus efficace. La séparation par condensation partielle et/ou par distillation est aussi plus efficace quand le débit à séparer est plus riche en CO2.
D’autre part, le gaz résiduaire du PSA H2 subit des fluctuations de composition du fait de la cyclicité du procédé PSA. Le mélanger avec un gaz à composition fixe permet d’atténuer l’effet de ces variations de compositions sur le compresseur et le procédé de séparation en aval.
Enfin l’unité C permet d’éliminer des impuretés restantes dans le débit 3 par exemple l’azote et/ou l’hydrogène, le monoxyde de carbone et le méthane, alors que l’absorption ne permet pas de s’en débarrasser. Ainsi l’unité C permet de produire un CO2 de bonne qualité avec le gaz riche en CO2 d’une unité d’absorption.

Claims

Revendications
1. Procédé de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation dans lequel i) un premier gaz (1) contenant de l’hydrogène, de l’eau et du dioxyde de carbone est comprimé dans un compresseur (17), séché dans une unité de séchage par adsorption (19) et ensuite séparé par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide enrichi en CO2 (25), ii) un deuxième gaz (3), contenant du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et/ou de l’azote ainsi que de l’eau ainsi qu’éventuellement du monoxyde de carbone et/ou du méthane, provenant d’un procédé de séparation par absorption (A), est refroidi pour condenser au moins une partie (7) de l’eau qu’il contient, l’eau est séparée du gaz formant un gaz séché (9) et le gaz séché est mélangé au premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption et éventuellement en amont du compresseur.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le deuxième gaz (3) est comprimé (B) en amont du refroidissement jusqu’à une pression qui est celle du premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption (21).
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le deuxième gaz (3) est refroidi par échange de chaleur indirect avec de l’eau (11).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le deuxième gaz (3) est refroidi par échange de chaleur indirect avec un fluide, éventuellement enrichi en CO2 (15), produit par la condensation partielle et/ou la distillation, éventuellement à une température en dessous de 0°C.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le deuxième gaz séché (9) est réchauffé par échange de chaleur avec le deuxième gaz (3) en amont du refroidissement (K).
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le premier gaz (1) est un gaz résiduaire d’un procédé de séparation par adsorption (P) produisant un gaz enrichi en hydrogène et un gaz appauvri en hydrogène qui est le gaz résiduaire.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la teneur en CO2 et/ou en eau du premier gaz (1) est plus basse que celle du deuxième gaz (3).
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la teneur en CO2 du mélange (13) formé en mélangeant le gaz séché (9) au premier gaz est supérieure à celle du premier gaz (1).
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le rapport entre les débits du premier et du deuxième gaz est au moins égal à 10.
10. Appareil de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation comprenant un compresseur (17), une unité de séchage par adsorption (19), une unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation (C), des moyens pour envoyer un premier gaz (1) contenant de l’hydrogène, de l’eau et du dioxyde de carbone être comprimé dans le compresseur (17), des moyens pour envoyer le premier gaz comprimé être séché dans l’unité de séchage par adsorption (19) et des moyens pour envoyer le premier gaz comprimé et séché être séparé par condensation partielle et/ou distillation pour produire un fluide enrichi en CO2 (25), un refroidisseur (K), un séparateur de phases, des moyens pour envoyer un deuxième gaz (3), contenant du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et/ou de l’azote ainsi que de l’eau ainsi qu’éventuellement du monoxyde de carbone et/ou du méthane, provenant d’un procédé de séparation par absorption (A), au refroidisseur pour être refroidi pour condenser au moins une partie (7) de l’eau qu’il contient, des moyens pour sortir l’eau séparée du gaz du séparateur de phases, des moyens pour sortir un gaz séché (9) du séparateur de phases et des moyens pour envoyer le gaz séché se mélanger au premier gaz en amont de l’unité de séchage par adsorption et éventuellement en amont du compresseur.
11 . Appareil selon la revendication 10 où le procédé de séparation par absorption (A) est un procédé physico-chimique sélectif au CO2.
12. Appareil selon la revendication 11 où le procédé de séparation par adsorption (A) est un procédé de lavage aux amines.
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