EP4713119A1 - Procédé et appareil de refroidissement et de séparation d'un débit de co2 contenant un premier composant - Google Patents

Procédé et appareil de refroidissement et de séparation d'un débit de co2 contenant un premier composant

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EP4713119A1
EP4713119A1 EP24721553.6A EP24721553A EP4713119A1 EP 4713119 A1 EP4713119 A1 EP 4713119A1 EP 24721553 A EP24721553 A EP 24721553A EP 4713119 A1 EP4713119 A1 EP 4713119A1
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Procédé de refroidissement et de séparation d'un flux de CO2 (1) contenant au moins un premier composant ayant une température de rosée entre 0 et 15°C à une première pression dans lequel le flux est refroidi par échange indirect de chaleur dans un seul échangeur (R3) avec de l'eau et au moins un courant de CO2 liquide (19) qui se vaporise formant un flux de CO2 à une troisième température, afin de condenser l'au moins un premier composant (8) présent dans le flux de CO2.

Description

Procédé et appareil de refroidissement et de séparation d'un débit de CO2 contenant un premier composant
La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de refroidissement et de séparation, par exemple séchage, d’un débit de CO2 contenant au moins un premier composant, pouvant être de l’eau, du méthanol, de l’ammoniac, ayant une température de condensation plus élevée que celle du CO2.
Le CO2 peut contenir au moins un autre composant plus léger et/ou plus lourd que le CO2.
Les fumées traitées par les procédés de capture de CO2 produisent souvent un produit CO2 saturé en eau, disponible à basse pression alors qu’il est souvent nécessaire de le produire épuré en eau et sous pression (à cause de la spécification du produit ou de son intégration dans un liquéfacteur de CO2). Il est alors nécessaire de le comprimer et le sécher.
La présente invention propose une optimisation d’un agencement pour une condensation partielle de l'eau d'un fluide de CO2 humide par refroidissement contre de l'eau et du CO2 liquide.
Cette invention peut être appliquée dans le cadre de différentes synergies qui peuvent être identifiées lors de la compression et le séchage du CO2 humide avec diverses unités/technologies (par exemple, CO2 humide provenant d’une unité de lavage aux amines sur fumées et cryogénie sur gaz résiduaire d’un PSA H2 d’un SMR, ou encore CO2 humide provenant d’une canalisation et séchage en amont d’un liquéfacteur).
Quand la teneur en eau imposée par la spécification du CO2 final est contraignante et/ou que le CO2 est destiné à une liquéfaction à des températures en dessous de 0°C, un séchage avec un TSA est l’un des moyens permettant d’être conforme. Il est possible d’utiliser un schéma qui comprend un premier échangeur de chaleur avec de l’eau de refroidissement à une première température suivi d’un deuxième échangeur de chaleur avec de l’eau de refroidissement à une deuxième température inférieure à la première température (produite par une unité de réfrigération mécanique donc consommatrice d’énergie) ou avec un fluide réfrigérant provenant d’une unité de réfrigération mécanique afin de refroidir le CO2 humide davantage et diminuer la taille du TSA en aval ainsi que l’énergie nécessaire pour sa régénération.
GB-A-2416389 décrit un procédé de refroidissement de CO2 humide dans lequel le CO2 humide comprimé est refroidi d’abord avec l’eau de mer dans un premier échangeur de chaleur et ensuite par deux débits de CO2 gazeux dans un deuxième échangeur de chaleur pour condenser de l’eau contenue dans le CO2 en amont d’une unité d’adsorption. L’eau est enlevée au moyen d’un séparateur de phases en aval des deux échangeurs.
La présente invention est relative à un procédé de refroidissement et de séparation d’un flux de CO2 contenant au moins un premier composant ayant une température de rosée entre 0 et 70°C à une première pression qui est de l’eau et éventuellement au moins un composant plus léger et/ou plus lourd que le CO2 comprenant au moins les étapes suivantes : i. Refroidissement du flux de CO2 à la première pression depuis une première température jusqu’à une deuxième température par échange indirect de chaleur avec un courant d’eau de refroidissement se réchauffant ii. Refroidissement du flux de CO2 à la première pression à la deuxième température par échange indirect de chaleur avec au moins un courant de CO2 liquide qui se vaporise formant un débit de CO2 à une troisième température iii. Séparation de condensât produit par condensation de l’au moins un premier composant présent dans le flux de CO2 lors d’au moins une des étapes i) ou ii) formant un débit (9) enrichi en CO2 et épuré en l’au moins un premier composant iv.les étapes i) et ii) ayant lieu dans un seul échangeur de chaleur (R3) et les première et/ou deuxième températures étant entre 0 et 15°C, v.le débit enrichi en CO2 (9) contenant encore de l’eau est séché par adsorption (A1 ,A2) ou absorption de l’eau et vi.le débit de CO2 gazeux issu de la vaporisation de l’au moins un courant de CO2 liquide (19) étant au moins en partie mélangé avec un gaz produit (11 , 21) en séchant le débit enrichi en CO2 de l’eau.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles :
• le flux contenant au moins un premier composant est comprimé en amont de l’étape i) et/ou le flux enrichi en CO2 est comprimé après avoir été séché. • le débit de CO2 gazeux issu de la vaporisation de l’au moins un courant de CO2 liquide est au moins en partie mélangé un gaz produit en séchant le débit enrichi en CO2 en amont de la compression du débit séché.
• l’échangeur de chaleur est de technologie tubes et calandre, comprenant au moins deux faisceaux tubulaires, le CO2 contenant le premier composant étant injecté côté calandre et l’eau de refroidissement étant injectée dans un premier faisceau tubulaire et le au moins un courant de CO2 liquide se vaporisant étant injecté dans un deuxième faisceau tubulaire.
• l’échangeur de chaleur de chaleur comprend au moins trois faisceaux tubulaires, un courant de CO2 liquide étant injecté dans le deuxième faisceau tubulaire et un courant de CO2 gazeux ou un courant de CO2 liquide étant injecté dans un troisième faisceau tubulaire.
• l’au moins un courant de CO2 liquide provient d’un procédé de distillation et/ou de condensation partielle alimenté par un débit autre que le débit enrichi en CO2 traité par les étapes i) et ii).
• un débit gazeux contenant du CO2 provenant du procédé de distillation et/ou de condensation partielle sert à la régénération de l’unité d’adsorption dans laquelle le débit enrichi en CO2 et épuré en l’au moins un premier composant est séché. le gaz ayant servi à la régénération est mélangé avec le flux de CO2 humide en amont de l’étape i). l’au moins un débit de CO2 liquide qui se vaporise dans l’échangeur de chaleur est à une pression entre 25 et 45 bars abs, voire entre 30 et 45 bars abs.
Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un appareil de refroidissement et de séparation d’un flux de CO2 contenant au moins un premier composant ayant une température de rosée entre 0 et 70°C à une première pression qui est de l’eau et éventuellement au moins un composant plus léger et/ou plus lourd que le CO2 comprenant des moyens d’échange de chaleur, des moyens pour envoyer un courant d’eau de refroidissement aux moyens d’échange de chaleur, des moyens pour envoyer au moins un courant de CO2 liquide aux moyens d’échange de chaleur, des moyens pour envoyer le flux de CO2 à la première pression se refroidir dans les moyens d’échange de chaleur depuis une première température jusqu’à une deuxième température par échange indirect de chaleur avec le courant d’eau de refroidissement qui se réchauffe et se refroidir ensuite dans les moyens d’échange de chaleur à la première pression depuis la deuxième température par échange indirect de chaleur avec au moins un courant de CO2 liquide qui se vaporise formant un débit de CO2 à une troisième température, des moyens pour sortir des moyens d’échange du condensât produit par condensation de l’au moins un premier composant présent dans le flux de CO2, des moyens pour sortir des moyens d’échange de chaleur un débit enrichi en CO2 et épuré en l’au moins un premier composant et les moyens d’échange de chaleur étant constitués par un seul échangeur de chaleur, des moyens pour sécher le débit enrichi en CO2 et des moyens pour mélanger le débit de CO2 à la troisième température avec le débit séché par les moyens pour sécher le débit enrichi en CO2.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles :
• l’échangeur de chaleur est constitué par une calandre et au moins deux faisceaux tubulaires disposés dans la calandre, les moyens pour envoyer un flux de CO2 à la première pression se refroidir, les moyens pour sortir le condensât (8) et les moyens pour sortir le débit enrichi en CO2 étant reliés fluidiquement à la calandre.
• un des faisceaux tubulaires est relié fluidiquement aux moyens pour envoyer le courant d’eau de refroidissement et un autre des faisceaux tubulaires est relié aux moyens pour envoyer le courant de CO2 liquide.
• l’appareil comprend un compresseur pour comprimer le débit séché en aval de moyens de séchage.
• les moyens pour mélanger le débit de CO2 à la troisième température avec le débit séché par les moyens pour sécher le débit enrichi en CO2 sont reliés à un point en amont du compresseur.
• les moyens pour mélanger le débit de CO2 à la troisième température avec le débit séché par les moyens pour sécher le débit enrichi en CO2 sont reliés à un point en aval du compresseur.
• le flux de CO2 contenant au moins un premier composant provient d’un procédé de lavage aux amines
La présente invention propose une optimisation du schéma en introduisant une étape de refroidissement en amont de l’unité d’adsorption, par exemple du TSA (si présente) avec du CO2 liquide provenant d’une unité cryogénique. Cette étape a lieu dans un seul échangeur de chaleur, refroidi également par de l’eau de refroidissement.
La configuration proposée dans cette invention présente la possibilité d'utiliser moins d’équipements, principalement un premier échangeur avec de l’eau de refroidissement et un deuxième échangeur avec du CO2 liquide en amont du TSA en les rassemblant dans un seul échangeur.
Dans le cas d’un échangeur à tube et à calandre, la condensation d’eau pourra prendre lieu dans la calandre de cet échangeur d'où l'économie à la fois du refroidisseur et du pot séparateur en aval du refroidisseur, le CO2 liquide sera vaporisé dans le deuxième faisceau tubulaire de l’échangeur.
Le CO2 liquide vaporisé pourra être mis en commun avec le CO2 qui est séché. Pour ce faire, il sera injecté à une section intermédiaire du compresseur commun ou à sa sortie.
L’échangeur avec le double faisceau tubulaire a une seule passe côté calandre, ce qui minimise les pertes de charge côté calandre et permet l’installation d’un séparateur de gouttelettes sur la face de sortie du deuxième faisceau.
Le CO2 liquide servant pour la deuxième étape de refroidissement peut provenir d’un procédé opérant à basse température par exemple par distillation et/ou condensation partielle produisant du CO2. Ce procédé remplace l’unité de réfrigération mécanique servant pour produire de l’eau de refroidissement souvent utilisée pour cet objectif.
Description de l’invention
L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure :
La figure 1 représente schématiquement un procédé selon l’invention.
L’invention permet de récupérer et sécher du CO2 humide 1 qui peut provenir par exemple d’une unité de lavage au amines M ou d’une canalisation de CO2 gazeux à l’entrée d’un liquéfacteur.
Le CO2 humide est comprimé dans un premier compresseur C1 , refroidi au moyen d’eau dans un refroidisseur R1 pour condenser une partie de l’eau qu’il contient. L’eau 6 est enlevée dans un séparateur S1 et le CO2 3 toujours contenant de l’eau est comprimé dans un compresseur C2 jusqu’ à la pression d’adsorption du TSA A1 , A2 entre 5 et 30 bara, de préférence à 10 bara et récupéré à la sortie de compresseur C2 à une température entre 80°C et 150°C. Le débit 7 à une première pression entre 5 et 30 bara est envoyé à un échangeur de chaleur R3 à calandre et à tubes, ayant deux faisceaux de tubes F1 , F2, le débit 7 étant envoyé à la calandre. L’eau contenue dans le débit 7 a une température de rosée entre 0 et 70°C à cette première pression. De l’eau de refroidissement est envoyée au premier faisceau F1 pour refroidir le CO2 humide en circulant dans les tubes du premier faisceau. Cette eau est de préférence à température ambiante. Un débit de CO2 liquide 19 est envoyé au deuxième faisceau F2 où il se vaporise formant du CO2 sec gazeux en circulant dans les tubes du deuxième faisceau F2, de préférence à une pression entre 25 bars abs et 45 bars abs voire entre 30 bars abs et 45 bars abs.
De l’eau condensée 8 produite par le refroidissement du CO2 humide 7 est retirée de la calandre.
Au moins deux flux de CO2 liquide peuvent être envoyés à l’échangeur R3 en rajoutant des faisceaux tubulaires.
Sinon au moins un flux de CO2 liquide et au moins un flux de CO2 gazeux peuvent être envoyés à l’échangeur R3 en rajoutant des faisceaux tubulaires.
Une étape de séchage intermédiaire du gaz 9 séché dans l’échangeur R3 sera effectuée par exemple dans une unité TSA d'adsorption A1 pour s'assurer que le produit CO2 final est conforme à la spécification en eau. L’unité de séchage peut être un sécheur au tri éthylène glycol TEG également.
L'adsorption à température modulée (« temperature swing adsorption », TSA, en anglais) est un procédé de séparation de mélange gazeux au cours duquel ont lieu alternativement l’adsorption d’un gaz par un solide ou un liquide à une température donnée, puis sa désorption à une température plus élevée1.
L'adsorption à température modulée utilise la dépendance de l'adsorption à la température. L'adsorbant est chargé du composé à séparer et est largement débarrassé de ce composé dans une étape ultérieure au moyen de l'introduction d'énergie thermique. Pour le fonctionnement continu d'un système d'adsorption à température modulée, au moins deux lits d’adsorbants sont nécessaires ; l'un étant chargé et l'autre étant désorbé. Pendant que le gaz est adsorbé dans le lit A1 , il est désorbé dans le lit A2 et vice versa.
Le CO2 sec 11 sortant du lit d’adsorbant A1 (ou A2 selon le cycle) peut ensuite être comprimé davantage à la pression finale par un compresseur C3 en commun avec le ou les flux de CO2 vaporisé(s) 19. Si le CO2 vaporisé 19 est à une pression suffisamment élevée, il peut être mélangé au CO2 sec en aval du compresseur C3.
Sinon le CO2 vaporisé peut être envoyé comme débit 19A en amont du compresseur C2, si sa pression n’est assez élevée pour être envoyé en amont du compresseur C3.
Le débit de CO2 sec peut être mélangé avec le flux de CO2 liquide vaporisé 19 dans le faisceau F2 en amont ou en aval du compresseur C3. Le débit comprimé 21 peut être refroidi par un refroidisseur R4 pour former un débit 23 de CO2 sec. Le gaz 23 peut alimenter un liquéfacteur de CO2 autre que l’appareil 20.
Cette solution est favorablement économique en termes de coûts d’investissement car le nombre d’équipements nécessaires est réduit. Seulement un seul échangeur à double fluides froids R3 sera nécessaire à la place de plusieurs échangeurs et de potentiellement des pots de séparation gaz/liquide. De plus, cette solution se passe potentiellement de groupe de réfrigération dédié.
L’au moins un flux 19 peut être produit par un appareil de distillation et/ou de condensation partielle 20 produisant un débit gazeux enrichi en CO2 25 et/ou un débit gazeux 27 enrichi en l’au moins un composant plus léger ou plus lourd que le CO2. L’appareil 20 est alimenté par un débit autre que le débit 11 , 21 , 23.
Le débit 7 à la première pression peut contenir un autre premier composant que l’eau, ayant une température de rosée entre 0 et 70°C à cette première pression, par exemple du méthanol ou l’ammoniac.
Le débit 7 à la première pression peut contenir un autre premier composant à la place de l’eau ou en plus de l’eau, ayant une température de rosée entre 0 et 70°C à cette première pression, par exemple du méthanol ou l’ammoniac.

Claims

Revendications
1. Procédé de refroidissement et de séparation d’un flux de CO2 (1 ,3, 7) contenant au moins un premier composant ayant une température de rosée entre 0 et 70°C à une première pression qui est de l’eau et éventuellement au moins un composant plus léger et/ou plus lourd que le CO2 comprenant au moins les étapes suivantes: i. Refroidissement du flux de CO2 à la première pression depuis une première température jusqu’à une deuxième température par échange indirect de chaleur avec un courant d’eau de refroidissement se réchauffant ii. Refroidissement du flux de CO2 à la première pression à la deuxième température par échange indirect de chaleur avec au moins un courant de CO2 liquide (19) qui se vaporise formant un débit de CO2 à une troisième température iii) Séparation de condensât (8) produit par condensation de l’au moins un premier composant présent dans le flux de CO2 lors d’au moins une des étapes i) ou ii) formant un débit (9) enrichi en CO2 et épuré en l’au moins un premier composant iii. les étapes i) et ii) ayant lieu dans un seul échangeur de chaleur (R3) et les première et/ou deuxième températures étant entre 0 et 15°C, iv.le débit enrichi en CO2 (9) contenant encore de l’eau est séché par adsorption (A1 , A2) ou absorption de l’eau, v.le débit de CO2 gazeux issu de la vaporisation de l’au moins un courant de CO2 liquide (19) étant au moins en partie mélangé avec un gaz produit (11 , 21) en séchant le débit enrichi en CO2 de l’eau.
2. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le flux (1 , 3, 7) contenant au moins un premier composant est comprimé (C1 ,C2) en amont de l’étape i) et/ou le flux enrichi en CO2 (9) est comprimé après avoir été séché (C3).
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le débit de CO2 gazeux issu de la vaporisation de l’au moins un courant de CO2 liquide (19) est au moins en partie mélangé un gaz produit (11 , 15) en séchant le débit enrichi en CO2 en amont de la compression du débit séché.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’échangeur de chaleur (R3) est de technologie tubes et calandre, comprenant au moins deux faisceaux tubulaires (F1 , F2), le CO2 contenant le premier composant étant injecté côté calandre et l’eau de refroidissement étant injectée dans un premier faisceau tubulaire (F1) et le au moins un courant de CO2 liquide (19) se vaporisant étant injecté dans un deuxième faisceau tubulaire (F2).
5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l’échangeur de chaleur de chaleur comprend au moins trois faisceaux tubulaires (F1 , F2), un courant de CO2 liquide (19) étant injecté dans le deuxième faisceau tubulaire (F2) et un courant de CO2 gazeux ou un courant de CO2 liquide étant injecté dans un troisième faisceau tubulaire.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’au moins un courant de CO2 liquide (19) provient d’un procédé de distillation et/ou de condensation partielle (20) alimenté par un débit autre que le débit enrichi en CO2 traité par les étapes i) et ii) (9, 21 , 23).
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel, un débit gazeux (21 , 29) contenant du CO2 provenant du procédé de distillation et/ou de condensation partielle (20) sert à la régénération de l’unité d’adsorption (A1 , A2) dans laquelle le débit (9) enrichi en CO2 et épuré en l’au moins un premier composant est séché.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le gaz ayant servi à la régénération (31 , 35, 37, 39) est mélangé avec le flux de CO2 humide (1 ,3,7) en amont de l’étape i).
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’au moins un débit de CO2 liquide (19) qui se vaporise dans l’échangeur de chaleur (R3) est à une pression entre 25 et 45 bars abs, voire entre 30 et 45 bars abs.
10. Appareil de refroidissement et de séparation d’un flux de CO2 (1 ,3,7) contenant au moins un premier composant ayant une température de rosée entre 0 et 70°C à une première pression qui est de l’eau et éventuellement au moins un composant plus léger et/ou plus lourd que le CO2 comprenant des moyens d’échange de chaleur (R3), des moyens pour envoyer un courant d’eau de refroidissement aux moyens d’échange de chaleur, des moyens pour envoyer au moins un courant de CO2 liquide (19)aux moyens d’échange de chaleur, des moyens pour envoyer le flux de CO2 à la première pression se refroidir dans les moyens d’échange de chaleur depuis une première température jusqu’à une deuxième température par échange indirect de chaleur avec le courant d’eau de refroidissement qui se réchauffe et se refroidir ensuite dans les moyens d’échange de chaleur à la première pression depuis la deuxième température par échange indirect de chaleur avec au moins un courant de CO2 liquide (19) qui se vaporise formant un débit de CO2 à une troisième température, des moyens pour sortir des moyens d’échange du condensât (8) produit par condensation de l’au moins un premier composant présent dans le flux de CO2, des moyens pour sortir des moyens d’échange de chaleur un débit (9) enrichi en CO2 et épuré en l’au moins un premier composant et les moyens d’échange de chaleur étant constitués par un seul échangeur de chaleur, des moyens (A1 , A2) pour sécher le débit enrichi en CO2 et des moyens pour mélanger le débit de CO2 à la troisième température avec le débit (11 , 15) séché par les moyens pour sécher le débit enrichi en CO2.
11 . Appareil selon la revendication 10 dans lequel l’échangeur de chaleur (R3) est constitué par une calandre et au moins deux faisceaux tubulaires (F1 , F2) disposés dans la calandre, les moyens pour envoyer un flux de CO2 (7) à la première pression se refroidir, les moyens pour sortir le condensât (8) et les moyens pour sortir le débit enrichi en CO2 (9) étant reliés fluidiquement à la calandre
12. Appareil selon la revendication 11 dans lequel un des faisceaux tubulaires (F 1 ) est relié fluidiquement aux moyens pour envoyer le courant d’eau de refroidissement et un autre des faisceaux tubulaires (F2) est relié aux moyens pour envoyer le courant de CO2 liquide (19).
13. Appareil selon l’une des revendications 10 à 12 comprenant un compresseur (C3) pour comprimer le débit séché en aval de moyens de séchage (A1 , A2).
14. Appareil selon la revendication 13 dans lequel les moyens pour mélanger le débit de CO2 à la troisième température avec le débit (11 , 15) séché par les moyens pour sécher le débit enrichi en CO2 sont reliés à un point en amont du compresseur (C3).
15. Appareil selon la revendication 13 dans lequel les moyens pour mélanger le débit de CO2 à la troisième température avec le débit (11 , 15) séché par les moyens pour sécher le débit enrichi en CO2 sont reliés à un point en aval du compresseur
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