FR3022993A1

FR3022993A1 - CRYOGENIC CLEANING WITH HEAT INPUT

Info

Publication number: FR3022993A1
Application number: FR1455985A
Authority: FR
Inventors: Benoit Davidian; Bernard Saulnier
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-01-01
Also published as: CN106461323A; US20170138665A1; EP3161399A1; EP3161399B1; WO2015197940A1; CN106461323B

Abstract

Procédé de purification d'un flux gazeux d'alimentation mettant en œuvre une unité d'adsorption comprenant au moins 2 adsorbeurs, une unité de distillation cryogénique, un échangeur et un compresseur fonctionnant à une température inférieure ou égale à -50°C, dans lequel la chaleur nécessaire à la régénération des adsorbeurs est issue, au moins en partie, d'au moins une partie de la chaleur générée par le compresseur, lors de la compression d'un fluide.Process for purifying a feed gas stream using an adsorption unit comprising at least 2 adsorbers, a cryogenic distillation unit, an exchanger and a compressor operating at a temperature of less than or equal to -50 ° C, in wherein the heat required for the adsorber regeneration is derived, at least in part, from at least a portion of the heat generated by the compressor, during the compression of a fluid.

Description

La présente invention est relative à un procédé de purification d'un flux gazeux d'alimentation mettant en oeuvre une unité d'adsorption et une unité de distillation cryogénique. L'adsorption est un phénomène en général favorisé par une température basse. Par exemple, pour une ASU (Air Separation Unit = Unité de séparation d'air), l'arrêt du CO2 sur un tamis moléculaire est jusqu'à 5 fois supérieure à -100°C qu'à 20°C, environ 3 fois pour l'arrêt du propane. La régénération nécessite un appoint de chaleur qui perturbe le bilan frigorifique de l'appareil, si l'adsorption a eu lieu à une température négative. Son coût énergétique peut être d'autant plus important que la température est basse. Dans les procédés selon l'état de la technique, l'adsorption est faite à une température positive et la chaleur pour régénérer (celle en excédent) est rejetée à l'atmosphère sans impacter le bilan frigorifique de la partie cryogénique. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une épuration cryogénique dans un procédé de séparation cryogénique qui sait déjà gérer au niveau bilan frigorifique une entrée de chaleur de chaleur au moins égale à celle nécessaire à la régénération des adsorbeurs.The present invention relates to a process for purifying a feed gas stream using an adsorption unit and a cryogenic distillation unit. Adsorption is a phenomenon generally favored by a low temperature. For example, for an ASU (Air Separation Unit), stopping CO2 on a molecular sieve is up to 5 times greater than -100 ° C than at 20 ° C, about 3 times for stopping propane. Regeneration requires additional heat which disturbs the refrigerant balance of the apparatus, if the adsorption took place at a negative temperature. Its energy cost can be all the more important as the temperature is low. In the processes according to the state of the art, the adsorption is made at a positive temperature and the heat to regenerate (that in excess) is released into the atmosphere without impacting the cooling balance of the cryogenic part. Starting from there, a problem that arises is to provide a cryogenic purification in a cryogenic separation process which already knows how to manage at the refrigeration balance level a heat input of heat at least equal to that required for the regeneration of the adsorbers.

Une solution de la présente invention est un procédé de purification d'un flux gazeux d'alimentation mettant en oeuvre une unité d'adsorption comprenant au moins 2 adsorbeurs, une unité de distillation cryogénique, un échangeur et un compresseur fonctionnant à une température inférieure ou égale à -50°C, dans lequel la chaleur nécessaire à la régénération des adsorbeurs est issue, au moins en partie, d'au moins une partie de la chaleur générée par le compresseur, lors de la compression d'un fluide. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit procédé comprend une étape d'adsorption mise en oeuvre par l'unité d'adsorption, avec l'étape d'adsorption réalisée à une température négative ; - ledit procédé comprend selon une première alternative les étapes successives suivantes (figure 1): a) le flux gazeux d'alimentation 1 est refroidi dans l'échangeur 2 à une température inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -100°C ; b) le flux gazeux refroidi 3 est envoyé à l'unité d'adsorption 4 où au moins une impureté X est au moins en partie adsorbée de manière à récupérer un flux gazeux 5 appauvri en impureté X ; c) le flux gazeux appauvri en impureté X 5 est introduit dans l'échangeur 2 pour être refroidi à une température inférieure à -50°C, de préférence -150°C ; d) le flux gazeux 5 appauvri en impureté X et refroidi est envoyé à l'unité de distillation cryogénique 7 où il est séparé en au moins 2 flux 8 et 9 ; e) une partie du flux 9 est introduit dans l'échangeur pour être réchauffée à une température supérieure à -150°C, de préférence supérieure à-100°C, plus préférentiellement supérieure à - 50°C, idéalement à une température proche de celle du flux gazeux d'alimentation 1 à l'issu de l'étape a) avant d'être comprimé dans le compresseur 10 avec un taux de compression supérieur à 1.2 f) le flux 9 comprimé est envoyé à l'unité d'adsorption 4 pour régénérer un des deux adsorbeurs ; avec la compression à l'étape e) entraînant une augmentation de température du flux 9 d'au moins 20°C et fournissant ainsi l'apport de chaleur nécessaire à la régénération d'au moins un des adsorbeurs ; - ledit procédé comprend selon une deuxième alternative les étapes successives suivantes (figure 2): a) le flux gazeux d'alimentation 1 est refroidi dans l'échangeur 2 à une température inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -100°C ; b) le flux gazeux refroidi 3 est envoyé à l'unité d'adsorption 4 où au moins une impureté X est au moins en partie adsorbée de manière à récupérer un premier flux appauvri en impureté X 5; c) le flux gazeux 5 appauvri en impureté X est comprimé dans le compresseur 10 avec un taux de compression supérieur à 1.2 avant d'être refroidi dans l'échangeur 2 à une température inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -150°C; d) le flux gazeux 5 appauvri en impureté X, comprimé et refroidi est envoyé à l'unité de distillation cryogénique 7 où il est séparé en au moins 2 flux 8 et 9 ; e) une partie du flux 9 est introduit dans l'échangeur pour être réchauffée à une température supérieure à -150°C, de préférence supérieure à -100°C, plus préférentiellement -50°C, idéalement à une température proche de celle du flux gazeux d'alimentation 5 à l'issue de la compression de l'étape c); f) le flux 9 réchauffé est envoyé à l'unité d'adsorption 4 pour régénérer au moins un des deux adsorbeurs ; avec la compression à l'étape c) entraînant une augmentation de température du flux gazeux 5 appauvri en impureté X d'au moins 20°C et fournissant ainsi de façon indirecte via l'échangeur 2 l'apport de chaleur nécessaire au réchauffage d'une partie du flux 9 et donc à la régénération d'au moins un des deux adsorbeurs à l'étape f) ; - les adsorbeurs comprennent un monolit, de préférence un tamis moléculaire. - le flux gazeux d'alimentation est de l'air et l'impureté X est choisie parmi H20, CO2, N20, CnHm, NOx ; - le flux gazeux d'alimentation comprend de l'eau et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape de pré-purification du flux gazeux d'alimentation permettant d'éliminer au moins une partie de l'eau ; - l'étape de pré-purification se fait par adsorption à température ambiante ; - l'adsorption de l'étape de pré-purification se fait sur monolit de type alumine, gel de silice ou tamis moléculaire.A solution of the present invention is a method for purifying a feed gas stream using an adsorption unit comprising at least 2 adsorbers, a cryogenic distillation unit, an exchanger and a compressor operating at a lower temperature or equal to -50 ° C, wherein the heat required for the adsorber regeneration is derived, at least in part, from at least a portion of the heat generated by the compressor, during the compression of a fluid. Depending on the case, the process according to the invention may have one or more of the following characteristics: said process comprises an adsorption step carried out by the adsorption unit, with the adsorption step carried out at a temperature negative; said process comprises, according to a first alternative, the following successive steps (FIG. 1): a) the feed gas stream 1 is cooled in exchanger 2 at a temperature below -50 ° C., preferably below -100 ° C. VS ; b) the cooled gas stream 3 is sent to the adsorption unit 4 where at least one impurity X is at least partially adsorbed so as to recover a gaseous stream 5 depleted in impurity X; c) the gas stream depleted in impurity X 5 is introduced into the exchanger 2 to be cooled to a temperature below -50 ° C, preferably -150 ° C; d) the cooled and impurity-degraded gaseous stream X is sent to the cryogenic distillation unit 7 where it is separated into at least 2 streams 8 and 9; e) a portion of the stream 9 is introduced into the exchanger to be heated to a temperature greater than -150 ° C, preferably greater than -100 ° C, more preferably greater than -50 ° C, ideally at a temperature close to that of the feed gas stream 1 at the end of step a) before being compressed in the compressor 10 with a compression ratio greater than 1.2 f) the compressed stream 9 is sent to the adsorption unit 4 to regenerate one of the two adsorbers; with the compression in step e) resulting in a temperature increase of the flow 9 of at least 20 ° C and thus providing the heat input necessary for the regeneration of at least one of the adsorbers; said process comprises, according to a second alternative, the following successive steps (FIG. 2): a) the feed gas stream 1 is cooled in exchanger 2 at a temperature below -50 ° C., preferably below -100 ° C. VS ; b) the cooled gaseous flow 3 is sent to the adsorption unit 4 where at least one impurity X is at least partially adsorbed so as to recover a first stream impoverished in impurity X 5; c) the impurity-degraded gaseous stream X is compressed in the compressor 10 with a compression ratio greater than 1.2 before being cooled in the exchanger 2 to a temperature below -50 ° C, preferably below -150 ° C; d) the compressed and cooled impurity X impurity stream X is fed to the cryogenic distillation unit 7 where it is separated into at least 2 streams 8 and 9; e) part of the stream 9 is introduced into the exchanger to be heated to a temperature greater than -150 ° C, preferably greater than -100 ° C, more preferably -50 ° C, ideally at a temperature close to that of gaseous feed stream 5 at the end of the compression of step c); f) the heated stream 9 is sent to the adsorption unit 4 to regenerate at least one of the two adsorbers; with the compression in step c) resulting in an increase in the temperature of the impurity-impregnated gas stream X by at least 20 ° C. and thus indirectly supplying via the exchanger 2 the supply of heat required for reheating a part of the flow 9 and therefore the regeneration of at least one of the two adsorbers in step f); the adsorbers comprise a monolite, preferably a molecular sieve. the feed gas stream is air and the impurity X is chosen from H 2 O, CO 2, N 2 O, CnH 2, NO x; the feed gas stream comprises water and said process comprises, before step a), a step of pre-purification of the feed gas stream making it possible to remove at least a portion of the water; the pre-purification step is carried out by adsorption at ambient temperature; the adsorption of the pre-purification step is done on monolith of alumina, silica gel or molecular sieve type.

L'invention va être illustrée sur une ASU avec un compresseur froid. Le compresseur froid introduit dans la boite froide une entrée thermique qui réchauffe le gaz comprimé. Le bilan frigorifique naturel de l'appareil permet de gérer cette entrée thermique. Une partie du gaz chaud va être utilisé directement ou indirectement via un échange thermique avec un autre fluide pour assurer la phase chauffage de la régénération. Ceci se fait sans réelle pénalité énergétique, car cela ne perturbe pas (ou peu) le bilan frigorifique de l'appareil. La figure 1 représente la première alternative de la solution selon l'invention. L'air 1 est refroidi dans la ligne d'échange 2 (par exemple, jusqu'à -120°C), puis passe dans un lit d'adsorbant 4 à basse température (-120°C), puis est réintroduit (éventuellement légèrement plus chaud, du fait de l'adsorption) dans la ligne d'échange 2 pour refroidissement final avant d'être envoyé dans la partie distillation 7. Une partie de l'azote résiduaire 9 est soutiré vers -120°C de la ligne d'échange, puis comprimé dans un compresseur froid 10 où il s'échauffe jusqu'à une température de -80°C par exemple, puis envoyé dans un lit d'adsorbant en régénération. La chaleur apportée par la compression constitue l'apport de chaleur nécessaire pour la phase de chauffage de la régénération. L'azote se refroidit dans le lit d'adsorbant 4, et est ensuite envoyé à température autour de -120°C vers la ligne d'échange 2 pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante. La température d'adsorption peut être préférentiellement proche de la température d'entrée « naturelle dans le booster froid», c'est-à-dire celle dictée par le procédé, comme si on avait eu une épuration classique à température ambiante. On voit que la phase de chauffage de la régénération ne perturbe pas (ou peu) le bilan frigorifique de l'appareil, celle-ci se faisant sur l'apport de chaleur naturelle apportée par la compression froide. Il n'y a donc pas de pénalité énergétique à faire une épuration cryogénique.The invention will be illustrated on an ASU with a cold compressor. The cold compressor introduces into the cold box a thermal input that heats the compressed gas. The natural refrigerant balance of the device makes it possible to manage this thermal input. Part of the hot gas will be used directly or indirectly via a heat exchange with another fluid to ensure the heating phase of the regeneration. This is done without real energy penalty, because it does not disturb (or little) the refrigeration balance of the device. FIG. 1 represents the first alternative of the solution according to the invention. The air 1 is cooled in the exchange line 2 (for example, up to -120 ° C.), then passes into a bed of adsorbent 4 at a low temperature (-120 ° C.), and is then reintroduced (optionally slightly warmer, due to the adsorption) in the exchange line 2 for final cooling before being sent to the distillation part 7. Part of the residual nitrogen 9 is drawn off at -120 ° C. from the line exchange, then compressed in a cold compressor 10 where it heats up to a temperature of -80 ° C for example, and then sent into a bed of adsorbent regeneration. The heat provided by the compression constitutes the heat input required for the heating phase of the regeneration. The nitrogen cools in the adsorbent bed 4, and is then sent at around -120 ° C towards the exchange line 2 for further heating to room temperature. The adsorption temperature may be preferably close to the "natural temperature in the cold booster", that is to say that dictated by the process, as if there had been a conventional purification at room temperature. It can be seen that the heating phase of the regeneration does not disturb (or little) the refrigeration balance of the apparatus, this being done on the natural heat input brought by the cold compression. There is no energy penalty to cryogenic purification.

Concernant la phase de refroidissement de la régénération du procédé selon la première alternative, une partie de l'azote résiduaire est soutiré vers -120°C de la ligne d'échange, puis passe d'abord dans le lit en régénération (phase de refroidissement), avant d'être comprimé, puis envoyé vers la ligne d'échange pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante.With regard to the cooling phase of the regeneration of the process according to the first alternative, part of the residual nitrogen is withdrawn at around -120 ° C. from the exchange line and then goes first into the regenerating bed (cooling phase). ), before being compressed, and then sent to the exchange line for further heating to room temperature.

On constate que la phase de chauffage et de refroidissement se fait à une pression différente nécessitant une phase intermédiaire d'adaptation du lit à la bonne pression. La figure 2 représente la deuxième alternative de la solution selon l'invention.It is found that the heating and cooling phase is at a different pressure requiring an intermediate phase of adaptation of the bed to the correct pressure. FIG. 2 represents the second alternative of the solution according to the invention.

L'air 1 est partiellement refroidi jusqu'à -120°C, puis passe à travers le lit d'adsorbant 4 avant d'être comprimé à froid 10 où il s'échauffe jusqu'à -80°C, puis renvoyé dans la ligne d'échange 2 plus chaud, pour refroidissement final avant d'être envoyé dans la partie distillation 7. Une partie de l'azote résiduaire 9 se réchauffe dans la ligne d'échange 2, jusqu'à une température proche de celle de l'air comprimé à froid, par exemple -80°C, récupérant ainsi de façon indirecte la chaleur introduite par la compression de l'air. L'azote ainsi réchauffé à -80°C assure la phase de chauffage de la régénération en traversant un lit d'adsorbant 4 où il se refroidit jusqu'à -120°C, puis est envoyé vers la ligne d'échange 2 pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante.Air 1 is partially cooled to -120 ° C, then passes through the adsorbent bed 4 before being cold pressed where it heats to -80 ° C, and then returned to the exchange line 2 hotter, for final cooling before being sent to the distillation part 7. Part of the waste nitrogen 9 is heated in the exchange line 2, to a temperature close to that of the compressed air cold, for example -80 ° C, thus indirectly recovering the heat introduced by the compression of the air. The nitrogen thus warmed to -80 ° C. ensures the heating phase of the regeneration by passing through a bed of adsorbent 4 where it cools to -120 ° C. and is then sent to the exchange line 2 for reheating. additional up to room temperature.

La température d'adsorption peut être préférentiellement proche de la température d'entrée « naturelle » dans le booster froid, typiquement autour de la température du palier de vaporisation de l'oxygène par exemple pour les schémas classiques mono-machines avec booster froid (vers -120°C pour de l'oxygène pressurisé à 40 bar). De nouveau, on voit que la phase de chauffage de la régénération ne perturbe pas (ou peu) le bilan frigorifique de l'appareil, celle-ci se faisant sur l'apport de chaleur naturelle apportée par la compression froide, de façon indirecte dans ce cas. Il n'y a donc pas de pénalité énergétique à faire une épuration cryogénique. Concernant la phase de refroidissement de la régénération du procédé selon la deuxième alternative, une partie de l'azote résiduaire sort de la ligne d'échange à une température proche de l'entrée du compresseur froid (vers -120°C), traverse le lit adsorbant pour le refroidir, puis est envoyé vers la ligne d'échange pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante. Dans ce cas, les phases de chauffage et de refroidissement se font à la même pression.25The adsorption temperature may be preferably close to the "natural" inlet temperature in the cold booster, typically around the temperature of the vaporization stage of oxygen, for example for the conventional single-machine cold booster -120 ° C for pressurized oxygen at 40 bar). Again, it can be seen that the heating phase of the regeneration does not disturb (or little) the refrigeration balance of the apparatus, this being done on the natural heat input brought by the cold compression, indirectly in that case. There is no energy penalty to cryogenic purification. With regard to the cooling phase of the regeneration of the process according to the second alternative, part of the residual nitrogen leaves the exchange line at a temperature close to the inlet of the cold compressor (around -120 ° C.), passes through the adsorbent bed to cool it, then is sent to the exchange line for additional heating up to room temperature. In this case, the heating and cooling phases are at the same pressure.

Claims

REVENDICATIONS1. Process for purifying a feed gas stream using an adsorption unit comprising at least 2 adsorbers, a cryogenic distillation unit, an exchanger and a compressor operating at a temperature of less than or equal to -50 ° C., in wherein the heat required for the adsorber regeneration is derived, at least in part, from at least a portion of the heat generated by the compressor, during the compression of a fluid.

2. Method according to claim 1, characterized in that said process comprises an adsorption step carried out by the adsorption unit, with the adsorption step carried out at a negative temperature.

3. purification process according to one of claims 1 or 2, characterized in that said method comprises the following successive steps: a) the feed gas stream (1) is cooled in the exchanger (2) at a temperature less than -50 ° C; b) the cooled gas stream (3) is sent to the adsorption unit (4) where at least one impurity X is at least partially adsorbed so as to recover a gas stream (5) depleted in impurity X; c) the gas stream depleted in impurity X (5) is introduced into the exchanger (2) to be cooled to a temperature below -50 ° C; d) the cooled and impurity-degraded gaseous stream (5) is sent to the cryogenic distillation unit (7) where it is separated into at least two streams (8) and (9); e) a portion of the stream (9) is introduced into the exchanger to be heated to a temperature above -150 ° C before being compressed in the compressor (10) with a compression ratio greater than 1.2; f) the compressed flow (9) is sent to the adsorption unit (4) to regenerate one of the two adsorbers, with the compression in step e) causing a flow temperature increase (9) of at least 20 ° C and thus providing the heat input necessary for the regeneration of at least one of the adsorbers.

4. Purification process according to one of claims 1 or 2, characterized in that said method comprises the following successive steps: a) the feed gas stream (1) is cooled in the exchanger (2) to a temperature less than -50 ° C; b) the cooled gas stream (3) is sent to the adsorption unit (4) where at least one impurity X is at least partially adsorbed so as to recover a first impurity-poor flux X (5); c) the gaseous stream (5) depleted in impurity X is compressed in the compressor (10) with a compression ratio greater than 1.2 before being cooled in the exchanger (2) at a temperature below -50 ° C; d) the compressed and cooled impurity X impurity stream (5) is fed to the cryogenic distillation unit (7) where it is separated into at least two streams (8) and (9); e) a portion of the stream (9) is introduced into the exchanger to be heated to a temperature above -150 ° C; f) the heated stream (9) is sent to the adsorption unit (4) to regenerate at least one of the two adsorbers; with the compression in step c) resulting in a temperature increase of the gas stream (5) depleted in compound X of 20 ° C and thus indirectly providing via the exchanger 2 the heat input necessary for reheating a part of the stream 9 and therefore the regeneration of at least one of the two adsorbers in step f).

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the adsorbers comprise a monolith, preferably a molecular sieve.

6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the gaseous feed stream is air and the impurity X is selected from H20, CO2, N20, CnHm, NOx.

7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the feed gas stream comprises water and said process comprises before step a) a pre-purification step of the feed gas stream to eliminate at least a portion of the water.

8. The method of claim 7, characterized in that the pre-purification step is by adsorption at room temperature.

9. Process according to claim 8, characterized in that the adsorption of the pre-purification step is carried out on a monolith of alumina, silica gel or molecular sieve type.