FR2989454A1 - Installation de compression d'un flux gazeux humide - Google Patents

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Abstract

Installation de compression d'un flux gazeux comprenant au moins 0,1% en volume d'eau, comprenant un compresseur à N étages de compression, caractérisée en ce que : - chaque étage de compression comprend un moyen de compression et un échangeur raccordé directement ou indirectement à un circuit d'eau de refroidissement (C) ; et - au moins un premier échangeur (IC2) et un deuxième échangeur (IC3) d'un premier et d'un deuxième étages de compression consécutifs ou non sont raccordés en série au circuit d'eau de refroidissement (C).

Description

La présente invention est relative à une installation de compression d'un flux gazeux comprenant au moins 0,1% d'eau, typiquement au moins 0,1% d'eau et au moins 20% de CO2, et un procédé de compression mettant en oeuvre une telle installation. Afin de réduire les émissions de CO2 d'origine humaine dans l'atmosphère, des procédés de capture du CO2 générés dans un procédé donné sont développés. Il s'agit d'extraire le CO2 d'un gaz généré par le procédé, éventuellement de le purifier et enfin, en général, de le comprimer afin de le transporter dans un pipeline. L'une des voies du traitement du CO2 consiste à distiller le flux gazeux riche en CO2 dans une unité de purification cryogénique.
Dans une telle unité, il est nécessaire de comprimer le gaz d'entrée ; le gaz d'entrée pouvant être des fumées issues d'un procédé tel qu'un procédé de purification par adsorption ou un procédé de haut-fourneau.. Pour les applications traitant du CO2 humide, c'est-à-dire comprenant au moins 0,1% d'eau, l'utilisation de compresseurs en inox est préconisée car la condensation du CO2 humide forme de l'acide carbonique qui est très corrosif pour les aciers au carbone. Cependant l'emploi de compresseurs en inox conduit à une installation présentant un coût élevé. Dès lors, un problème qui se pose est de fournir une installation d'alimentation d'une colonne de distillation cryogénique présentant un plus faible coût.
Une solution de l'invention est une installation de compression d'un flux gazeux comprenant au moins 0,1% en volume d'eau, comprenant un compresseur à N étages de compression, caractérisée en ce que : - chaque étage de compression comprend un moyen de compression et un échangeur raccordé directement ou indirectement à un circuit d'eau de refroidissement C; et - au moins un premier échangeur IC2 et un deuxième échangeur IC3 échangeur d'un premier et d'un deuxième étages de compression consécutifs ou non sont raccordés en série au circuit d'eau de refroidissement C. Selon le cas, l'installation selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les enveloppes des échangeurs des n premiers étages de compression, situés côté alimentation du compresseur, sont constituées d'un acier dont la teneur en chrome est inférieur à 11% massique et sans revêtement inoxydable, avec n < N - 1 ; - les enveloppes des échangeurs des n premiers étages de compression, situés côté alimentation du compresseur, sont en acier au carbone, avec n < N - 1. - le deuxième échangeur 1C3 est raccordé également directement au circuit d'eau de refroidissement C et un système de régulation de la température permet de contrôler le mélange de l'eau de refroidissement issue du premier échangeur et de l'eau de refroidissement issue directement du circuit d'eau de refroidissement C (cf figure 4). - les échangeurs non raccordés en série au circuit d'eau de refroidissement comprennent à leur sortie d'eau de refroidissement un dispositif permettant de créer une chute de pression ; cette chute de pression pourra correspondre à la chute de pression causée par le raccordement en série des échangeurs ; - l'échangeur du dernier étage de compression, situé côté production du compresseur, est en acier inoxydable. Dans le cadre de l'invention, on aura de préférence n = N-1. La présente invention a également pour objet un procédé de compression d'un flux gazeux comprenant au moins 0,1% d'eau et au moins 20% de CO2 mettant en oeuvre une installation de compression selon l'invention.
De préférence, le procédé de compression selon l'invention est caractérisé en ce que : - on mesure la température de l'eau de refroidissement Te du circuit de refroidissement C; - on compare Te à la température de rosée Tr du flux gazeux entrant dans un deuxième échangeur 1C3 appartenant à un des N-1 étages de compression situés côté alimentation du compresseur; et, si la température de l'eau du circuit de refroidissement Te est telle que Te - Tr < 10°C : - l'entrée d'eau de refroidissement dudit échangeur est raccordée à la sortie d'eau de refroidissement d'un premier échangeur 1C2 appartenant aux dits N-1 étages de compression, situés côté alimentation du compresseur, et/ou - on introduit de l'eau extérieure à ladite installation de compression et présentant une température Ts > Te directement dans le circuit d'eau de refroidissement C ou directement dans ledit échangeur, de sorte que la température Téch de l'eau entrant dans ledit échangeur soit telle que Téch - Tr > 10°C. De préférence, le flux gazeux est un flux produit par un PSA (adsorption modulée en pression) H2, un PSA CO2, un procédé de séparation membranaire, une turbine à combustion, 5 un procédé d'oxycombustion, un procédé de fabrication de ciment, un haut fourneau, un procédé de fabrication d'hydrogène ou un procédé de raffinage. La solution proposée par la présente invention permet de réduire le prix de la machine en évitant la condensation du CO2 humide (c'est-à-dire comprenant au moins 0,1% d'eau) dans le compresseur permettant de choisir des matériaux beaucoup moins cher, typiquement 10 de l'acier carbone. L'installation et le procédé selon l'invention vont être décrits plus en détail à l'aide des figures 1 à 3. Notons dans un premier temps que la composition du flux gazeux à comprimer n'est pas constante et varie en fonction des phases de marche du PSA ou du haut fourneau ce qui 15 modifie la valeur du point de rosée. La figure 1 donne un exemple de composition d'un flux gazeux issu d'un PSA en phase de production. La figure 2 donne les courbes de rosée pour les différentes températures de flux gazeux. 20 La température minimale des gaz dans un échangeur est considérée comme égale à la température d'entrée d'eau de refroidissement, correspondant à la température de peau des tubes de l'échangeur dans lesquels circule l'eau de refroidissement. Autrement dit, la température minimale du flux gazeux dans l'échangeur pourra être contrôlée via la température d'entrée d'eau de refroidissement. 25 Dès lors pour éviter le risque de condensation dans les échangeurs de chaleur, une marge pourra être constamment maintenue entre les conditions du flux gazeux et son point de rosée. Afin de maintenir cette marge, l'installation selon l'invention est employée. L'invention va à présent être détaillée en prenant l'exemple d'une installation de 30 compression comprenant 4 étages de compression (cf. figure 3).
Les échangeurs 1C2 et IC3 du deuxième et du troisième étage de compression sont raccordés en série (figure 3). L'échangeur IC3 du troisième étage de compression sera selon l'invention nommé « deuxième échangeur », tandis que l'échangeur IC2 du deuxième étage de compression sera selon l'invention nommé « premier échangeur ». Autrement dit, l'échangeur du troisième étage de compression est alimenté par le retour d'eau chaude (eau de refroidissement réchauffé dans l'échangeur du second étage de compression) provenant de l'échangeur du second étage de compression permettant ainsi une marge suffisante au point de rosée dans l'échangeur du troisième étage de compression et évitant ainsi les risques de condensation. La différence de température de l'eau entre l'entrée et de sortie de l'échangeur est généralement de 10 ° C. Les échangeurs 1C2 et IC3 du deuxième et du troisième étage de compression doivent être conçus pour un débit d'eau de refroidissement identique. Un dispositif (un orifice ou une vanne par exemple) doit être installé à la sortie des échangeurs ICI et refroidisseur du premier et du quatrième étage de compression afin de créer une chute de pression supplémentaire (typiquement de 1 bar) correspondant à la chute de pression induite par l'assemblage en série des échangeurs IC2 et IC3 du deuxième et du troisième étage de compression. Des moyens de mesure de la température, de la pression et de la teneur en eau du flux gazeux et de la température de l'eau du circuit de refroidissement à l'entrée de l'échangeur du troisième étage de compression peuvent être mis en place afin de calculer la différence entre la 20 température du flux gazeux et son point de rosée. D'autres arrangements sont également possibles pour alimenter l'échangeur du troisième étage de compression D'autres arrangements sont également possibles pour alimenter l'échangeur du troisième étage de compression avec de l'eau plus chaude comme par exemple un mélange d'eau froide et 25 chaude à travers une vanne thermostatique, notamment lorsque la marge observée n'est pas suffisante. Notons qu'en général le ou les premiers échangeurs des premiers étages de compression situés côté alimentation du compresseur n'ont pas besoin de recevoir de l'eau plus chaude et sont raccordés directement au circuit d'eau de refroidissement. En effet, le flux 30 gazeux étant à plus basse pression, son point de rosée est plus froid et donc plus éloigné de la température nominale de l'eau de refroidissement. Lorsque la pression du flux gazeux augmente, son point de rosée se rapproche de celle de l'eau de refroidissement et pour maintenir une marge suffisante, l'invention propose de faire circuler l'eau de refroidissement au moins partiellement en série dans au moins deux échangeurs Concernant les moyens de compression des trois premiers étages de compression, les volutes du compresseur sont faites en acier au carbone comme pour les compresseurs standard. Les roues sont faites d'un matériau en acier inoxydable martensitique tel que pour les compresseurs standard. La nuance exacte est sélectionnée afin de satisfaire au critère de l'API617 ( code américain pour les machines) pour les applications avec du gaz contenant de l'hydrogène.
Les échangeurs des trois premiers étages de compression sont de préférence Échangeurs de typetubes calandre. Leurs enveloppes sont faites d'acier au carbone en standard. Les tubes sont généralement fais d'un matériau à base de cuivre. Pour une telle application avec un circuit d'eau de refroidissement fermés (contenant des inhibiteurs de corrosion) et du gaz humide, les tubes sont en acier au carbone. Pour un circuit d'eau de refroidissement ouvert ou semi-ouvert, des tubes en inox ou en cuivre sont nécessaires pour éviter la corrosion du côté eau. De préférence, des ailettes en aluminium sont installées sur les tubes pour améliorer le transfert de chaleur et ainsi réduire la taille de l'échangeur. La plaque tubulaire est en acier carbone forgé. Pour éviter tout risque de fuite du côté de l'eau de refroidissement sur le côté processus qui mènerait à la condensation et ensuite à la corrosion du côté processus, une soudure de résistance de la connexion du tube / plaque tubulaire est recommandée. Ces soudures sont ensuite testées par un test de fuite à l'hélium avec un critère d'acceptation basé sur faible taux de fuite. Afin de réduire la vitesse du gaz entrant dans l'échangeur, une plaque « casse-vitesse » est ajoutée.Toutes les autres parties côté gaz de l'échangeur sont en acier au carbone. Celles-ci peuvent être galvanisées.
Des drains sont installés en point bas en cas de condensation (en cas de rupture du tube par exemple). Un détecteur de niveau dans ces points bas permet de détecter la présence de liquide dans l'échangeur. Un séparateur d'eau est installé sur en sortie de chaque échangeur afin d'éviter toute goutte d'aller vers la roue en cas de condensation (en cas de rupture du tube par exemple). Des pièges à condensats automatiques ne sont pas nécessaires. Seuls des vannes manuelles sont installées dans le drain lorsque le liquide est détecté. Une sonde de température dans les tuyaux d'aspiration des étages permet de détecter la condensation et d'arrêter la machine. L'échangeur du quatrième étage de compression (refroidisseur) est entièrement fait d'acier inoxydable (la nuance 304L est un bon compromis) car il est fortement soumis à la condensation. Un séparateur d'eau et un piège à condensats automatique permettent d'éliminer l'eau condensée (à haute teneur en acide carbonique) du gaz. Ces dispositifs doivent être adaptés à l'acide carbonique La présente invention a également pour objet un procédé de démarrage de l'installation de compression selon l'invention, dans lequel : - un gaz sec à une température Tg supérieure à la température de rosée Tr du flux gazeux à comprimer est comprimé dans le compresseur à N étages de compression jusqu'à ce que la température de peau des n premiers moyens de compression et des n premiers échangeurs en contact avec le flux gazeux, situés côté alimentation du compresseur avec n < N - 1, et la température de l'eau du circuit d'eau de refroidissement C soient supérieures à la température de rosée Tr du flux gazeux à comprimer, - le gaz sec est remplacé par ledit flux gazeux à comprimer. De préférence, le flux gazeux comprend au moins 0,1% d'eau et au moins 20% de CO2, et le gaz sec est de l'azote ou du dioxyde de carbone. Cette procédure de démarrage permet de chauffer les parties du compresseur (volutes, 20 tuyaux, échangeurs...)en contact avec le flux gazeux afin d'éviter la condensation du CO2 et donc la corrosion de ces parties. Pendant l'hiver, l'eau de refroidissement peut être trop froide et pourrait induire la condensation dans les échangeurs. La phase de démarrage à l'azote permet également de réchauffer la température de l'eau de refroidissement à un niveau suffisant. La température de 25 l'eau de refroidissement est surveillée et entre dans les conditions nécessaires pour remplacer l'azote par le gaz procédé et aussi pour contrôler et optimiser la capacité de refroidissement du système d'eau (marche/arrêt des ventilateurs du système de refroidissement). La puissance de l'eau de refroidissement du ventilateur de refroidissement est réduite lorsque l'eau est trop froide par rapport au niveau de la teneur en eau dans le gaz procédé.
Enfin, la présente invention a également pour objet un procédé d'arrêt de l'installation d'alimentation selon l'invention, dans lequel le compresseur est balayé et purgé avec un gaz sec.5

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Installation de compression d'un flux gazeux comprenant au moins 0,1% en volume d'eau, comprenant un compresseur à N étages de compression, caractérisée en ce que : - chaque étage de compression comprend un moyen de compression et un échangeur raccordé directement ou indirectement à un circuit d'eau de refroidissement (C) ; et - au moins un premier échangeur (IC2) et un deuxième échangeur (IC3) d'un premier et d'un deuxième étages de compression consécutifs ou non sont raccordés en série au circuit d'eau de refroidissement (C).
  2. 2. Installation de compression selon la revendication 1, caractérisée en ce que les enveloppes des échangeurs des n premiers étages de compression, situés côté alimentation du compresseur, sont constituées d'un acier dont la teneur en chrome est inférieur à 11% massique et sans revêtement inoxydable, avec n < N - 1.
  3. 3. Installation de compression selon la revendication 1, caractérisée en ce que les enveloppes des échangeurs des n premiers étages de compression, situés côté alimentation du compresseur, sont en acier au carbone, avec n < N - 1.
  4. 4. Installation de compression selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le deuxième échangeur (IC3) est raccordé également directement au circuit d'eau de refroidissement (C) et un système de régulation de la température permet de contrôler le mélange de l'eau de refroidissement issue du premier échangeur et de l'eau de refroidissement issue directement du circuit d'eau de refroidissement (C).
  5. 5. Installation de compression selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les échangeurs non raccordés en série au circuit d'eau de refroidissement comprennent à leur sortie d'eau de refroidissement un dispositif permettant de créer une chute de pression.30
  6. 6. Installation de compression selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'échangeur du dernier étage de compression, situé côté production du compresseur, est en acier inoxydable.
  7. 7. Procédé de compression d'un flux gazeux comprenant au moins 0,1% d'eau et au moins 20% de CO2 mettant en oeuvre une installation de compression selon l'une des revendications 1 à 6.
  8. 8. Procédé de compression selon la revendication 7, caractérisé en ce que : - on mesure la température de l'eau de refroidissement Te du circuit de refroidissement (C); - on compare Te à la température de rosée Tr du flux gazeux entrant dans un deuxième échangeur (IC3) appartenant à un des N-1 étages de compression situés côté alimentation du compresseur; et, si la température de l'eau du circuit de refroidissement Te est telle que Te - Tr < 10°C : - l'entrée d'eau de refroidissement dudit échangeur est raccordée à la sortie d'eau de refroidissement d'un premier échangeur (IC2) appartenant aux dits N-1 étages de compression, situés côté alimentation du compresseur, et/ou - on introduit de l'eau extérieure à ladite installation de compression et présentant une température Ts > Te directement dans le circuit d'eau de refroidissement (C) ou directement dans ledit échangeur, de sorte que la température Téch de l'eau entrant dans ledit échangeur soit telle que Téch - Tr > 10°C.
  9. 9. Procédé de compression selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le flux gazeux est un flux produit par un PSA H2, un PSA CO2, un procédé de séparation membranaire, une turbine à combustion, un procédé d'oxycombustion, un procédé de fabrication de ciment, un haut fourneau, un procédé de fabrication d'hydrogène ou un procédé de raffinage.
  10. 10. Procédé de démarrage de l'installation de compression selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel :- un gaz sec à une température Tg supérieure à la température de rosée Tr du flux gazeux à comprimer est comprimé dans le compresseur à N étages de compression jusqu'à ce que la température de peau des n premiers moyens de compression et des n premiers échangeurs en contact avec le flux gazeux, situés côté alimentation du compresseur avec n < N - 1, et la température de l'eau du circuit d'eau de refroidissement (C) soient supérieures à la température de rosée Tr du flux gazeux à comprimer, - le gaz sec est remplacé par ledit flux gazeux à comprimer.
  11. 11. Procédé de démarrage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le flux gazeux 10 comprend au moins 0,1% d'eau et au moins 20% de CO2.
  12. 12. Procédé de démarrage selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le gaz sec est de l'azote ou du dioxyde de carbone. 15
  13. 13. Procédé d'arrêt de l'installation de compression selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le compresseur est balayé et purgé avec un gaz sec.
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