FR2992056A1 - Procede et appareil de refroidissement ou de rechauffage d'un melange gazeux - Google Patents

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Abstract

Dans un procédé de refroidissement ou de réchauffage d'un mélange gazeux, un mélange gazeux à séparer est refroidi dans un passage (23) d'une ligne d'échange (3), ce passage étant fermé par un moyen de fermeture étanche à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange pour former une première portion du passage et une deuxième portion du passage de part et d'autre du moyen de fermeture, le mélange se refroidissant uniquement dans la première portion du passage et pas dans la deuxième portion du passage, le mélange gazeux refroidi dans la première portion du passage est soutiré de la ligne d'échange à une première température et est traité par des moyens de traitement (6) pour former un gaz traité (9) enrichi en un constituant du mélange gazeux et le gaz traité sort des moyens de traitement à une deuxième température et se refroidit dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange pour former un gaz traité refroidi.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de refroidissement ou de réchauffage d'un mélange gazeux. Elle peut être intégrée à un procédé et à un appareil de séparation à température subambiante, voire cryogénique. Il est souvent nécessaire de refroidir ou de réchauffer un mélange gazeux dans une ligne d'échange jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci. Ce procédé sera illustré dans la Figure 2A. Ainsi le mélange gazeux 1A se refroidit ou se réchauffe dans un passage 23A et puis est soutiré de la ligne d'échange 3, le passage étant fermé au niveau intermédiaire et la partie 13A du passage 23A en aval du soutirage ne servant pas à un échange thermique, si aucun autre fluide n'est disponible aux températures de cette zone de la ligne d'échange. Il est souvent nécessaire de refroidir ou de réchauffer un mélange gazeux dans une ligne d'échange à partir d'une température intermédiaire de celle-ci. Ce procédé sera illustré dans la Figure 2B. Ainsi le mélange gazeux 1B est inséré dans la ligne d'échange 3 puis se refroidit ou se réchauffe dans un passage 23B, le passage étant fermé au niveau intermédiaire et la partie 13B du passage 23B en amont du soutirage ne servant pas à un échange thermique, si aucun autre fluide n'est disponible aux températures de cette zone de la ligne d'échange. Il est souvent nécessaire de cumuler ces deux principes dans la même ligne d'échange, comme illustré dans la Figure 2C, cumulant ainsi deux zones 13A & 13B 25 ne servant pas à un échange thermique (respectivement dans les passages 23A & 23B). - si la température de sortie du fluide 1A est inférieure à celle d'entrée du fluide 1B dans le cas d'un refroidissement des fluides 1A et 1B dans la ligne d'échange 3. 30 - ou si la température de sortie du fluide 1A est supérieure à celle d'entrée du fluide 1B dans le cas d'un réchauffement des fluides 1A et 1B dans la ligne d'échange 3. - et s'il n'y a pas d'autres fluides pouvant échanger de la chaleur dans ces zones de la ligne d'échange.
Dans ce cas, l'entrée intermédiaire du fluide 1B et en amont de la sortie intermédiaire du fluide 1A. Le fluide 1B peut être issu d'une transformation (débit et/ou composition et/ou pression et température) par un moyen 6 (après le soutirage) Pour minimiser la taille de l'échangeur et augmenter l'efficacité de l'échange thermique il faut éviter au maximum ces zones « mortes ». Dans un procédé de séparation à température subambiante, il est nécessaire de refroidir le mélange à séparer dans une ligne d'échange, par exemple proche de la température de rosée, avant de l'envoyer dans une étape de distillation. Cette même ligne d'échange sert également à réchauffer un ou plusieurs fluides produits par cette distillation et/ou par d'autres distillations et/ou par d'autres moyens de traitement, par exemple compression, détente, séparation et/ou par moyens autres que la distillation. La séparation à température subambiante peut être une distillation ou une séparation dans au moins un séparateur de phases. Dans un exemple concret, un mélange de dioxyde de carbone, d'azote, d'oxygène, d'oxydes d'azote et d'autres impuretés est refroidi dans une ligne d'échange afin d'être distillé pour séparer les oxydes d'azote moins volatils que le CO2 et un gaz appauvri en oxydes d'azote est produit par distillation, ce gaz contenant encore de l'azote et de l'oxygène, et d'autres impuretés résiduaires. Ce gaz est ensuite réchauffé et puis comprimé. Le débit molaire de gaz comprimé sera nécessairement à plus forte pression que le mélange à séparer et plus petit que le débit molaire de mélange à séparer. L'invention s'applique évidemment à des mélanges autres que les mélanges riches en CO2, le terme « riche en CO2 » impliquant un contenu en CO2 supérieur à 60%. Tous les pourcentages concernant des puretés sont des pourcentages molaires. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de refroidissement ou de réchauffage d'un mélange gazeux dans lequel : i) un mélange gazeux à séparer est refroidi ou réchauffé dans un passage d'une ligne d'échange, ce passage étant fermé par un moyen de fermeture étanche à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange pour former une première portion du passage et une deuxième portion du passage de part et d'autre du moyen de fermeture, le mélange se refroidissant ou se réchauffant uniquement dans la première portion du passage et pas dans la deuxième portion du passage ii) le mélange gazeux refroidi ou réchauffé dans la première portion du passage est soutiré de la ligne d'échange à une première température et est traité par des moyens de traitement pour former un gaz traité pouvant avoir la même composition que le mélange gazeux ou étant enrichi en un constituant du mélange gazeux. iii) le gaz traité sort des moyens de traitement à une deuxième température et a) se refroidit dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange si le mélange se refroidit dans l'étape i) pour former un gaz traité refroidi, ou b) se réchauffe dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange si le mélange se réchauffe dans l'étape ii) pour former un gaz traité réchauffé. La ligne d'échange est composée d'un empilages de plaques identiques séparées par des ondes. L'espace entre deux plaque adjacentes forme un passage. Selon d'autres objets facultatifs : - le mélange gazeux est traité par des moyens de traitement constitués par des moyens de séparation à température subambiante et le gaz traité est enrichi en un constituant du mélange gazeux. - le mélange gazeux est traité par distillation dans une colonne de distillation à température subambiante, voire cryogénique, et éventuellement le mélange gazeux rentre dans la colonne de distillation à une température supérieure 20 d'au moins 2°C à sa température de rosée. - le gaz traité est envoyé à la deuxième portion sans avoir été refroidi ou réchauffé dans un autre passage de la ligne d'échange. - le mélange gazeux se refroidit dans la ligne d'échange, la deuxième température est supérieure à la première température et dans lequel le gaz traité est 25 refroidi en aval des moyens de traitement pour amener sa température à une troisième température inférieure à la première température. - le mélange gazeux se réchauffe dans la ligne d'échange, la deuxième température est inférieure à la première température et dans lequel le gaz traité est réchauffé en aval des moyens de traitement pour amener sa température à une 30 troisième température supérieure à la première température. - la troisième température diffère de la première température d'au plus 5°C. - le procédé utilise un échangeur de chaleur permettant un échange de chaleur entre le gaz traité et un autre gaz, par exemple le gaz en cours de traitement, pour amener le gaz traité à la troisième température, l'échangeur de chaleur présentant un AT entre le gaz traité à la deuxième température et l'autre gaz à l'extrémité de l'échangeur d'au moins 5°C, voire d'au moins 10°C. - la deuxième température diffère de la première température d'au moins 15°C. - le mélange gazeux est riche en dioxyde de carbone. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de refroidissement ou de réchauffage d'un mélange gazeux comprenant une ligne d'échange comprenant au moins deux passages dont au moins un est fermé par un moyen de fermeture étanche à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange pour former une première portion du passage et une deuxième portion du passage de part et d'autre du moyen de fermeture, des moyens pour envoyer un mélange gazeux à séparer se refroidir ou se réchauffer uniquement dans la première portion et pas dans la deuxième portion du passage, des moyens pour soutirer le mélange gazeux refroidi ou réchauffé de la première portion du passage à une première température, des moyens de traitement pour traiter le mélange soutiré pour former un gaz traité pouvant avoir la même composition que le mélange gazeux ou étant enrichi en un constituant du mélange gazeux, des moyens pour sortir le traité des moyens de traitement à une deuxième température, reliés à la deuxième portion du passage de sorte que le gaz traité puisse se refroidir dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange si le mélange se refroidit dans la première portion pour former un gaz traité refroidi ou puisse se réchauffer dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange si le mélange se réchauffe dans la première portion pour former un gaz traité réchauffé.
Selon d'autres objets facultatifs : - les moyens de traitement sont constitués par des moyens de séparation à température subambiante capable d'enrichir le gaz traité en un constituant du mélange gazeux. - les moyens de traitement sont constitués par une colonne de distillation à température subambiante, voire cryogénique, et éventuellement le mélange gazeux rentre dans la colonne de distillation à une température supérieure d'au moins 2°C à sa température de rosée. - les moyens d'envoi du gaz traité ne sont pas reliés à un autre passage de la ligne d'échange que celui ayant deux portions. - dans un appareil de refroidissement du mélange gazeux, la deuxième température est supérieure à la première température et l'appareil comprend des moyens de refroidissement en aval des moyens de traitement pour amener sa température à une troisième température inférieure à la première température. - dans un appareil de réchauffage du mélange gazeux, la deuxième température est inférieure à la première température et l'appareil comprend des moyens de réchauffage pour réchauffer le gaz traité en aval des moyens de traitement pour amener sa température à une troisième température supérieure à la première température. - l'appareil comprend un échangeur de chaleur permettant un échange de chaleur entre le gaz traité et un autre gaz, par exemple le gaz en cours de traitement, pour amener le gaz traité à la troisième température, l'échangeur de chaleur présentant un AT entre le gaz traité à la deuxième température et l'autre gaz à l'extrémité de l'échangeur d'au moins 5°C, voire d'au moins 10°C. - le mélange gazeux à séparer est riche en CO2. - le mélange gazeux est refroidi, puis traité par distillation pour réduire sa teneur en oxydes d'azote pour former un gaz traite qui est refroidi dans le même passage que le mélange gazeux. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux Figures. Les Figures 1 et 3 représentent un procédé de refroidissement selon l'invention, la Figure 4 représente un détail de la ligne d'échange selon l'art antérieur et la Figure 5 représente un détail de la ligne d'échange selon l'invention. Dans la Figure 1, un mélange gazeux, pouvant être riche en dioxyde de carbone, par exemple contenant au moins 60% de dioxyde de carbone, est séparé par distillation à température subambiante. Ce mélange 1 se refroidit dans la ligne d'échange 3 jusqu'à une température intermédiaire de celle-ci. Cette première température est au moins 2°C supérieure à la température de rosée du mélange 1 qui comprend également de l'azote, de l'oxygène et au moins un oxyde d'azote. La ligne d'échange est de préférence un échangeur en aluminium à plaques brasées.
A cette première température, le mélange 1 est introduit dans une colonne de lavage 5 alimentée en tête par un débit de reflux. Un liquide enrichi en au moins un oxyde d'azote 7 est soutiré en cuve de la colonne et un gaz enrichi en dioxyde de carbone 9 est soutiré en tête de la colonne. Le gaz 9 est envoyé à un échangeur de chaleur 11 en aluminium à plaques brasées où il se réchauffe, ensuite il est chauffé dans un réchauffeur 13 avant d'être épuré dans un lit d'adsorbant 15 pour éliminer des impuretés. Le gaz traité dans l'adsorbant est à une deuxième température supérieure à la première température. Ensuite le gaz est refroidi dans l'échangeur 11 jusqu'à une troisième température plus froide que la première température de sorte que le gaz 9 puisse être refroidi dans le même passage que le mélange gazeux pour former un produit riche en dioxyde de carbone. La colonne 5 peut par exemple servir à éliminer le NO2 et/ou le N204 et/ou le méthanol et/ou les hydrocarbures lourds du mélange 1. Le liquide de reflux 12 de la colonne est riche en dioxyde de carbone et ne contient pas l'impureté à éliminer. Ce liquide peut provenir d'un condenseur de tête ou d'une autre colonne, par exemple de la colonne qui épure le débit 9. Dans ce cas, la quantité de reflux dans la colonne est calculée de sorte que le reflux non seulement épure le gaz mais également le refroidit pour compenser les pertes thermiques. L'échangeur 11 qui réchauffe et refroidit le gaz 9 avant et après le traitement à température élevée aura une différence de température basse entre le fluide chaud et le fluide froid, puisqu'il s'agit d'un échangeur brasé à plaques. Pour un échangeur où les fluides ont respectivement 0°C and 100°C, une difference de temperature au bout chaud de 5°C or jusqu'à 10°C peut être admise pour réduire l'investissement.
Alternativement la colonne 5 peut être remplacée par une colonne de lavage au méthanol ou aux hydrocarbures. Dans ce cas, ce sera nécessaire de réchauffer le mélange 1 dans la ligne d'échange 3 plutôt que de le refroidir. L'invention permet de produit le débit revenant à l'échangeur à une température proche de celui soutiré de l'échangeur afin d'utiliser une plus grande partie du passage. Ainsi deux fluides sont refroidis ou réchauffés dans un même passage. La Figure 3 illustre l'invention de manière plus générale. Ici un fluide 1 est refroidi dans la ligne d'échange 3. Le fluide 1 se refroidit dans la portion à gauche 19A du passage 19 jusqu'à une température intermédiaire de la ligne d'échange qui est la première température. A ce niveau le passage est fermé par un moyen de fermeture étanche. Le fluide 1 est ensuite traité par un moyen de traitement 3. Le moyen de traitement peut comprendre une ou plusieurs colonnes de distillation et un moyen de traitement par adsorption comme pour la Figure 1. Par contre, beaucoup d'autres possibilités existent. Parmi les moyens de séparation froides, on peut nommer un ou plusieurs séparateurs de phases en série ou en parallèle. Le moyen de traitement peut être constitué par tout moyen qui permet de modifier la composition et/ou le débit du fluide. En particulier le moyen de traitement peut modifier la température du gaz traité dans le moyen de traitement de sorte que le gaz traité se trouve à une deuxième température plus élevée que la première température. Dans ce cas, selon un aspect de l'invention, le gaz traité doit être refroidi pour l'amener à une troisième température inférieure à la première température pour pouvoir être refroidi dans la portion 19B du passage 19 à droite du moyen de fermeture.
D'autres fluides éventuellement se réchauffent et se refroidissement dans le passage 23 de la ligne d'échange. Dans la Figure 4, on voit la disposition d'un procédé de refroidissement selon l'art antérieur où le fluide 1 se refroidit dans un passage 19 et le fluide 9 dérivé du fluide 1 se refroidit dans un passage 21, le point d'entrée du fluide 9 étant à une deuxième température plus élevée que la température de soutirage, ou première température du fluide 1. Ainsi les portions 13 des passages 19, 21 n'ont pas de fonction thermique. Selon la Figure 5, différents moyens de disposer les portions 19A et 19B du passage 19 de la Figure 3 de part et d'autre du moyen de fermeture 17. Le mélange 20 gazeux 1 se refroidit dans la portion 19A et un gaz dérivé du mélange gazeux 9 se refroidit dans la portion 19B. Selon la Figure 6 illustre l'invention pour le réchauffage du mélange gazeux de manière générale. Ici un fluide 1 est réchauffé dans la ligne d'échange 3. Le fluide 1 se réchauffe dans la portion à droite 19B du passage 19 jusqu'à une température 25 intermédiaire de la ligne d'échange qui est la première température. A ce niveau le passage est fermé par un moyen de fermeture étanche. Le fluide 1 est ensuite traité par un moyen de traitement 3. Le moyen de traitement peut comprendre une ou plusieurs colonnes de lavage. Par contre, beaucoup d'autres possibilités existent. Le moyen de traitement 30 peut être constitué par tout moyen qui permet de modifier la composition et/ou le débit du fluide. Un exemple est un traitement par mélange, par exemple avec un fluide plus froid. En particulier le moyen de traitement peut modifier la température du gaz traité dans le moyen de traitement de sorte que le gaz traité se trouve à une deuxième température plus basse que la première température. Dans ce cas, selon un aspect de l'invention, le gaz traité doit être réchauffé pour l'amener à une troisième température supérieure à la première température pour pouvoir être réchauffé dans la portion 19A du passage 19 à gauche du moyen de fermeture.5

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement ou de réchauffage d'un mélange gazeux dans lequel : i) un mélange gazeux à séparer est refroidi ou réchauffé dans un passage (23) d'une ligne d'échange (3), ce passage étant fermé par un moyen de fermeture étanche à un niveau intermédiaire de la ligne d'échange pour former une première portion(19A, 19B) du passage et une deuxième portion (19B, 19A) du passage de part et d'autre du moyen de fermeture (17), le mélange se refroidissant ou se réchauffant uniquement dans la première portion du passage et pas dans la deuxième portion du passage ii) le mélange gazeux refroidi ou réchauffé dans la première portion du passage est soutiré de la ligne d'échange à une première température et est traité par des moyens de traitement (6) pour former un gaz traité (9) pouvant avoir la même composition que le mélange gazeux ou étant enrichi en un constituant du mélange gazeux, iv) le gaz traité sort des moyens de traitement à une deuxième température et a) se refroidit dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange si le mélange se refroidit dans l'étape i) pour former un gaz traité refroidi, ou b) se réchauffe dans la deuxième portion du passage de la ligne d'échange si le mélange se réchauffe dans l'étape ii) pour former un gaz traité réchauffé.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le mélange gazeux est traité par des moyens de traitement (6) constitués par des moyens de séparation à température subambiante (5) et le gaz traité (9) est enrichi en un constituant du mélange gazeux.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le mélange gazeux est traité par distillation dans une colonne de distillation à température subambiante (5), voire cryogénique, et éventuellement le mélange gazeux rentre dans la colonne de distillation à une température supérieure d'au moins 2°C à sa température de rosée.
  4. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3 dans lequel le gaz traité (9) est envoyé à la deuxième portion (19B) sans avoir été refroidi ou réchauffé dans un autre passage de la ligne d'échange.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux (1) se refroidit dans la ligne d'échange, la deuxième température est supérieure à la première température et dans lequel le gaz traité est refroidi en aval des moyens de traitement (6) pour amener sa température à une troisième température inférieure à la première température.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 4 dans lequel le mélange gazeux (1) se réchauffe dans la ligne d'échange, la deuxième température est inférieure à la première température et dans lequel le gaz traité est réchauffé en aval des moyens de traitement (6) pour amener sa température à une troisième température supérieure à la première température.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendication 5 ou 6 dans lequel la troisième température diffère de la première température d'au plus 5°C.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendication 5 ou 6 utilisant un échangeur de chaleur (11) permettant un échange de chaleur entre le gaz traité (9) et un autre gaz, par exemple le gaz en cours de traitement, pour amener le gaz traité à la troisième température, l'échangeur de chaleur présentant un AT entre le gaz traité à la deuxième température et l'autre gaz à l'extrémité de l'échangeur d'au moins 5°C, voire d'au moins 10°C.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième température diffère de la première température d'au moins 15°C.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le mélange gazeux (1) est riche en dioxyde de carbone.
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