FR2972792A1 - Procede et appareil de liquefaction de co2 - Google Patents
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Abstract
Dans un procédé de liquéfaction d'un gaz contenant au moins 60% mol. de CO , pour produire au moins un produit liquide, un premier gaz d'alimentation est comprimé depuis une première pression jusqu'à une deuxième pression et refroidi pour former un débit liquide ou supercritique, au moins une partie du débit liquide ou supercritique est refroidie dans un échangeur de chaleur (E1) pour former un liquide de cycle à la deuxième pression, le liquide de cycle est divisé en au moins deux fractions y compris une fraction auxiliaire, au moins une fraction étant vaporisée dans l'échangeur par échange de chaleur avec la partie du débit liquide ou supercritique, et pour le cas où il y a au moins deux fractions chacune est vaporisée à une pression différente, et le ou les gaz formés étant ensuite comprimé(s) et mélangé(s) avec le premier gaz d'alimentation, la fraction auxiliaire (13) soit constituant le produit liquide ou un des produits liquides soit étant traitée par séparation à température subambiante dans au moins un moyen de séparation (P1,P3) pour former le produit liquide.
Description
La présente invention est relative à un procédé et appareil de liquéfaction de CO2. Une voie industrielle envisagée pour le transport du CO2 est celle du transport par bateaux, nécessitant la liquéfaction du CO2, par exemple issu de différentes sources : gaz de centrales à charbon, d'unités sidérurgiques, de SMR, de procédés de gazéification, etc. Il est parfois nécessaire de transporter le CO2 par canalisation à des pressions supercritiques et pour cela, le liquide à transporter doit être pressurisé à des pressions élevées. Cette liquéfaction peut être précédée d'un ou plusieurs traitements des 15 fumées (ou gaz de synthèse) par des méthodes de séparation physique et/ou chimique. Le principe d'une unité de liquéfaction du CO2 a été mentionné dans le Sub 2174/2302. L'invention propose des schémas optimisés pour la liquéfaction du CO2 et 20 éventuellement le conditionnement du CO2 pour transport par canalisation à partir d'une ou plusieurs sources, minimisant les pertes de CO2 ainsi que l'énergie spécifique liée à la purification et à la liquéfaction du CO2. Selon l'invention, le CO2 impur issu d'une ou plusieurs sources est comprimé via le compresseur de cycle à la pression désirée pour condenser le 25 CO2 à température ambiante (ou contre un fluide froid intermédiaire). Une partie de ce CO2 peut être directement comprimée à une pression suffisante pour le transport du CO2 par canalisation, une autre partie du CO2 peut être utilisée dans la boite froide. Le CO2 liquide envoyé dans la boite froide a potentiellement deux utilités : une partie peut être purifiée pour la production de 30 CO2 liquide, l'autre assure le bilan frigorifique par détente du CO2 liquide. L'unité peut également comporter les briques technologiques suivantes : - Séchage du gaz par adsorption en amont du compresseur. - Elimination ou réduction des impuretés telles que le Hg par adsorption, NOx via une colonne de distillation. - Purification du CO2 via une colonne de distillation. - Amélioration du rendement CO2 via une compression intermédiaire dans la boite froide. Cet arrangement permet ainsi une utilisation fiable du liquéfacteur même 5 si une des sources de CO2 est perdue. Si au moins une source de CO2 impur est à la bonne pression pour la liquéfaction du CO2, le gaz de cette source est préférentiellement choisi pour la production de CO2 liquide. Eventuellement la compression du gaz de l'une des sources peut être 10 nécessaire pour égaler au moins la pression du CO2 liquide produit. Il est connu de liquéfier un débit de CO2 en le comprimant et en le refroidissant selon JP-A-58208117, EP-A-0646756 et SU-A-1479802. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un gaz contenant au moins 600/0 mol. de CO2 , voire au moins 800/0 de CO2, pour 15 produire au moins un produit liquide dans lequel un premier gaz d'alimentation est comprimé depuis une première pression jusqu'à une deuxième pression et refroidi pour former un débit liquide ou supercritique, au moins une partie du débit liquide ou supercritique est refroidie dans un échangeur de chaleur pour former un liquide de cycle à la deuxième pression, le liquide de cycle est divisé 20 en au moins deux fractions y compris une fraction auxiliaire, au moins une fraction étant vaporisée dans l'échangeur par échange de chaleur avec la partie du débit liquide ou supercritique, la au moins une fractions étant vaporisée, et pour le cas où il y a au moins deux fractions chacune est vaporisée à une pression différente, et le ou les gaz formés étant ensuite comprimé(s) et 25 mélangé(s) avec le premier gaz d'alimentation, la fraction auxiliaire soit constituant le produit liquide ou un des produits liquides soit étant traitée par séparation à température subambiante dans au moins un moyen de séparation pour former le produit liquide ou un des produits liquides. Eventuellement : 30 - la fraction du débit liquide ou supercritique n'est pas refroidie dans l'échangeur de chaleur et sert de produit. - un deuxième gaz d'alimentation est épuré dans le moyen de séparation ou au moins un des moyen de séparation, sans avoir été comprimé avec le premier gaz d'alimentation. - au moins une fraction du gaz de cycle est vaporisée à une pression inférieure à la première pression et comprimé jusqu'à la première pression avant d'être mélangé au premier gaz d'alimentation. - la fraction auxiliaire et/ou le deuxième gaz d'alimentation est/sont épuré(s) pour former le produit liquide ou un des produits liquides par séparation dans au moins un séparateur de phases et/ou au moins une colonne de distillation. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d'un gaz contenant au moins 600/0 mol. de CO2, éventuellement au moins 900/0 mol. de CO2, voire au moins 950/0 mol. de CO2, pour produire au moins un produit liquide, comprenant un échangeur de chaleur, un moyen de compression, une conduite pour envoyer un premier gaz d'alimentation au moyen de compression pour être comprimé depuis une première pression jusqu'à une deuxième pression, des moyens pour refroidir le gaz à la deuxième pression pour former un débit liquide ou supercritique, éventuellement une conduite pour amener une partie du débit liquide ou supercritique pour servir de produit sans passer par l'échangeur de chaleur, une conduite pour amener au moins une partie du débit liquide ou supercritique se refroidir dans l' échangeur pour former un liquide de cycle à la deuxième pression, au moins une conduite pour envoyer au moins une fraction du liquide se vaporiser dans l'échangeur, pour le cas où plusieurs fractions s'y vaporisent des moyens permettant de vaporiser les au moins deux fractions chacune à une pression différente, et au moins une conduite pour envoyer le(s) gaz formé(s) au moyen de compression et une conduite d'une fraction auxiliaire du liquide de cycle reliée à l'échangeur de chaleur pour transporter soit le ou un des produits liquides ou un liquide à traiter pour former le ou un des produits liquides. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - au moins une dite conduite pour envoyer un gaz formé par vaporisation au moyen de compression est reliée à un point du moyen de compression en amont de l'entrée du premier gaz d'alimentation dans le moyen de compression. - l'appareil comprend une boite froide contenant l'échangeur et des moyens de détente d'un liquide à vaporiser dans l'échangeur, ainsi que des moyens de traitement de la fraction auxiliaire du liquide de cycle, constitués par au moins un séparateur de phase et/ou au moins une colonne de distillation. - l'appareil comprend une conduite pour envoyer un deuxième gaz d'alimentation aux moyens de traitement sans avoir été comprimé dans les moyens de compression. - la conduite pour envoyer un deuxième gaz d'alimentation aux moyens de traitement est reliée à l'échangeur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. Dans la Figure 1, l'appareil comprend un échangeur de chaleur E1, une pompe 42, un compresseur à quatre étages Cl, C2, C3, C4 et une série de séparateurs de phase P1, P2, P3. Les séparateurs de phase, l'échangeur de chaleur et les vannes de détente se trouvent dans une boite froide. Un mélange de gaz de trois sources différentes est liquéfié pour former un débit de CO2 supercritique et purifié pour former un débit liquide de CO2 pur. Le gaz 1 contenant au moins 600/0 mol. de CO2, voire au moins 900/0 mol. de CO2 ou éventuellement au moins 950/0 mol. de CO2 ainsi qu'au moins un autre gaz, pouvant être par exemple l'azote, le méthane, le monoxyde de carbone est à liquéfier. Dans cet exemple chiffré, le gaz contient 990/0 de CO2 et 10/0 d'azote. Le gaz 1 à une première pression provenant d'une co-génération est mélangé avec les gaz 1A, 1B ayant une composition similaire et le mélange formé est envoyé au troisième étage C3 d'un compresseur à quatre étages. Le gaz est refroidi par le refroidisseur R3, comprimé dans le quatrième étage C4 jusqu'à une deuxième pression au-delà de la pression critique, par exemple 83 bars abs et puis refroidi dans les échangeurs E3, E4 pour former un fluide supercritique. Eventuellement une partie 40 du fluide n'est pas envoyée à l'échangeur de chaleur E1 mais est pressurisée par la pompe 42 jusqu'à une pression de 150 bars pour former un produit, par exemple à envoyer dans une canalisation. Le reste du fluide ou le fluide à la pression de sortie de l'étage C4 est liquéfié dans l'échangeur E1 pour former un liquide de cycle. Le liquide est divisé en au moins cinq fractions. Une fraction très haute pression 4 est détendue dans la vanne 6, refroidie dans l'échangeur E1 et envoyée au troisième étage C4 du compresseur. Une fraction haute pression 5 est détendue dans la vanne 15, refroidie dans l'échangeur et envoyée au troisième étage C3 du compresseur. Une fraction moyenne pression 7 est détendue dans une vanne 16, refroidie dans l'échangeur E1 et envoyée à l'entrée du deuxième étage C2 du compresseur. Une fraction basse pression est détendue dans une vanne 43 à 8,4 bars a et envoyée à un séparateur de phases 35. Cette fraction basse pression sera à 5,6 bars abs, si la concentration en azote réduit à 100 ppm. Seule est nécessaire la vaporisation d'un débit dans l'échangeur, par exemple la vaporisation de la fraction basse pression. Ceci étant, la vaporisation à plusieurs pressions permet d'améliorer l'échange. Le liquide formé 39 et le gaz formé 37 sont refroidis dans l'échangeur E1, mélangés et envoyés à l'entrée du premier étage Cl du compresseur. Le reste du liquide 13 est détendu dans une vanne 19 (ou une turbine liquide), sans passer par l'échangeur E1, et envoyé à un séparateur de phases P1. Dans le séparateur de phases, il forme un liquide 23 et un gaz 21. Le liquide 23 est chauffé dans l'échangeur puis envoyé au troisième séparateur de phases P3. Le liquide de ce séparateur est le produit riche en dioxyde de carbone 25 de l'appareil, à -50°C et 7 bar abs. Les gaz des séparateurs P1 et P3 sont mélangés, refroidis dans l'échangeur E1, comprimés par un compresseur C5, refroidis dans un refroidisseur 31 puis réchauffés dans l'échangeur E1 et envoyé pour être envoyés au deuxième séparateur de phases P2. Le gaz 33 de ce séparateur contient 300/0 d'hydrogène, 500/0 de dioxyde de carbone et 150/0 d'azote et est réchauffé dans l'échangeur E1. Le liquide est réchauffé dans l'échangeur comme débit 36 puis mélangé avec la fraction 13 envoyée au séparateur P1. Il est évident que le procédé ne comprend pas obligatoirement le traitement de la fraction 13 et donc que le gaz peut être simplement renvoyé au compresseur après refroidissement dans l'échangeur E1. Dans ce cas, le liquide 20 constitue un des produits liquide du procédé. Il est également possible de traiter la fraction 13 par distillation pour produire un produit liquide riche en dioxyde de carbone ou de la traiter tout simplement pour enlever une partie gazeuse, la partie 22 constituant un produit liquide. Selon la Figure 2, les éléments déjà décrits dans la Figure 1 ne seront pas décrits de nouveau. A la différence du procédé de la Figure 1, une portion 1 du gaz d'alimentation est déjà à une pression suffisamment élevée pour être liquéfié dans l'échangeur E1. Deux débits 1A, 1B à la première pression sont donc comprimés jusqu'à la deuxième pression en étant envoyés au troisième étage du compresseur, comme décrit précédemment et l'autre débit 1 à la deuxième pression est envoyé directement à l'échangeur E1 où il se liquéfie au moins partiellement avant d'être envoyé au séparateur de phases. Il sera apprécié que le débit 1 peut être le seul débit traité dans le séparateur de phases ou sinon qu'il peut être mélangé avec la fraction 13. Cette façon de procéder permet également de gérer le cas dans lequel le débit 1 et les débits 1A, 1B ont des puretés très différentes. Par exemple le débit 1 peut être envoyé soit au séparateur P1, soit au séparateur P2, soit au séparateur P3 selon sa composition. Selon la Figure 3, autrement que dans la Figure 2, même si le débit 1 doit être comprimé dans un compresseur auxiliaire C6 pour atteindre la pression nécessaire, il est possible d'envoyer du gaz d'une source directement au traitement par épuration et d'autres gaz au cycle de liquéfaction de CO2. Cette façon de procéder permet également de gérer le cas dans lequel le débit 1 et les débits 1A, 1B ont des puretés très différentes. Par exemple le débit 1 peut être envoyé soit au séparateur P1, soit au séparateur P2, soit au séparateur P3 selon sa composition.
Dans les variantes des figures 2 et 3, le compresseur de cycle sert à comprimer les gaz à des pressions en dessous de la deuxième pression. Le gaz 1 n'a pas besoin d'être comprimé jusqu'à cette pression ou, selon les cas, ne peut y être comprimé à cause de sa composition. Il sera noté que le débit liquide refroidi dans l'échangeur E1 est divisé en quatre parties 4,5,7 et 41 qui sont ensuite réchauffées dans l'échangeur E1 pour être envoyé au compresseur C1, C2, C3, C4. Il y a donc autant de débits vaporisés chacun à une pression différente qu'il y a d'étages de compresseurs, chaque pression de vaporisation correspondant à une pression d'entrée d'étage de compresseur. Ceci correspond à un optimum et il est évidemment possible de ne vaporiser qu'un seul débit destiné au compresseur (par exemple celui à la pression la plus basse) ou moins de débits qu'il y a d'étages de compresseur. Selon les puretés désirées, il est possible de récupérer du liquide 20 provenant directement de l'échangeur E1 et de ne pas traiter le reste du liquide en séparateur de phases ou de le traiter, selon les besoins du client.
7 Il est également possible de récupérer du liquide 22 à la sortie du séparateur de phases P1 comme seul produit ou comme un de plusieurs produits. Finalement le liquide 25 provenant du séparateur de phases P3 peut être 5 le seul ou un des produits. Pour obtenir des produits plus purs, au moins un des séparateur de phases P1, P3 peut être remplacé par une colonne de distillation.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Procédé de liquéfaction d'un gaz contenant au moins 600/0 mol. de CO2, voire au moins 800/0 de CO2, pour produire au moins un produit liquide dans lequel un premier gaz d'alimentation est comprimé depuis une première pression jusqu'à une deuxième pression et refroidi pour former un débit liquide ou supercritique, au moins une partie du débit liquide ou supercritique est refroidie dans un échangeur de chaleur (E1) pour former un liquide de cycle à la deuxième pression, le liquide de cycle est divisé en au moins deux fractions y compris une fraction auxiliaire, au moins une fraction étant vaporisée dans l'échangeur par échange de chaleur avec la partie du débit liquide ou supercritique, et pour le cas où il y a au moins deux fractions chacune est vaporisée à une pression différente, et le ou les gaz formés étant ensuite comprimé(s) et mélangé(s) avec le premier gaz d'alimentation, la fraction auxiliaire (13) soit constituant le produit liquide ou un des produits liquides soit étant traitée par séparation à température subambiante dans au moins un moyen de séparation (Pl ,P3) pour former le produit liquide ou un des produits liquides.
- 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une fraction (42) du débit liquide ou supercritique n'est pas refroidie dans l'échangeur de chaleur et sert de produit.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel un deuxième gaz d'alimentation est épuré dans le moyen de séparation (P1, P3) ou au moins un des moyen de séparation, sans avoir été comprimé avec le premier gaz d'alimentation.
- 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une fraction du gaz de cycle est vaporisée à une pression inférieure à la première pression et comprimé jusqu'à la première pression avant d'être mélangé au premier gaz d'alimentation.
- 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la fraction auxiliaire et/ou le deuxième gaz d'alimentation sont épurés pour former le produit liquide ou un des produits liquides par séparation dans au moins un séparateur de phases et/ou au moins une colonne de distillation.
- 6. Appareil de liquéfaction d'un gaz contenant au moins 600/0 mol. de CO2 pour produire au moins un produit liquide, comprenant un échangeur de chaleur (E1), un moyen de compression (Cl, C2, C3, C4), une conduite pour envoyer un premier gaz d'alimentation au moyen de compression pour être comprimé depuis une première pression jusqu'à une deuxième pression, des moyens pour refroidir le gaz à la deuxième pression pour former un débit liquide ou supercritique, éventuellement une conduite pour amener une partie du débit liquide ou supercritique pour servir de produit sans passer par l'échangeur de chaleur, une conduite pour amener au moins une partie du débit liquide ou supercritique se refroidir dans l' échangeur pour former un liquide de cycle à la deuxième pression, au moins une conduite pour envoyer au moins une fraction du liquide se vaporiser dans l'échangeur, pour le cas où plusieurs fractions s'y vaporisent des moyens permettant de vaporiser les au moins deux fractions chacune à une pression différente, et au moins une conduite pour envoyer le(s) gaz formé(s) au moyen de compression et une conduite d'une fraction auxiliaire du liquide de cycle reliée à l'échangeur de chaleur pour transporter soit le ou un des produits liquides ou un liquide à traiter pour former le ou un des produits liquides.
- 7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel au moins une dite conduite pour envoyer un gaz formé par vaporisation au moyen de compression (Cl, C2, C3, C4) est reliée à un point du moyen de compression en amont de l'entrée du premier gaz d'alimentation dans le moyen de compression.
- 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant une boite froide contenant l'échangeur et des moyens de détente (6, 15, 16, 43) d'un liquide à vaporiser dans l'échangeur, ainsi que des moyens de traitement de la fraction auxiliaire du liquide de cycle, constitués par au moins un séparateur de phase (P1, P2) et/ou au moins une colonne de distillation. 5
- 9. Appareil selon la revendication 8 comprenant une conduite pour envoyer un deuxième gaz d'alimentation aux moyens de traitement (P1, P2) sans avoir été comprimé dans les moyens de compression.
- 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel la conduite pour envoyer un deuxième gaz d'alimentation aux moyens de traitement est reliée à l'échangeur (E1). 10
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