FR3067099B1 - GAS MIXTURE SEPARATION DEVICE - Google Patents
GAS MIXTURE SEPARATION DEVICE Download PDFInfo
- Publication number
- FR3067099B1 FR3067099B1 FR1754771A FR1754771A FR3067099B1 FR 3067099 B1 FR3067099 B1 FR 3067099B1 FR 1754771 A FR1754771 A FR 1754771A FR 1754771 A FR1754771 A FR 1754771A FR 3067099 B1 FR3067099 B1 FR 3067099B1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- unit
- gaseous mixture
- compression
- separation
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 59
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 59
- 239000012465 retentate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000012466 permeate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000008246 gaseous mixture Substances 0.000 claims description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 29
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 24
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 22
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 230000000274 adsorptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
- B01D2256/12—Oxygen
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/10—Single element gases other than halogens
- B01D2257/104—Oxygen
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/50—Carbon oxides
- B01D2257/504—Carbon dioxide
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2258/00—Sources of waste gases
- B01D2258/02—Other waste gases
- B01D2258/0233—Other waste gases from cement factories
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2258/00—Sources of waste gases
- B01D2258/02—Other waste gases
- B01D2258/0241—Other waste gases from glass manufacture plants
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2258/00—Sources of waste gases
- B01D2258/02—Other waste gases
- B01D2258/025—Other waste gases from metallurgy plants
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2258/00—Sources of waste gases
- B01D2258/02—Other waste gases
- B01D2258/0283—Flue gases
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
- B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
- B01D53/047—Pressure swing adsorption
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Le dispositif de séparation (1) comprend une unité de compression (6) et une unité (7) de séparation du mélange gazeux (2, 8), destinée à produire un perméat (3) et un rétentat (4), et agencée en aval de l'unité de compression (6). L'unité de compression (6) est conformée pour réaliser une compression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute cette compression.The separation device (1) comprises a compression unit (6) and a unit (7) for separation of the gas mixture (2, 8), intended to produce a permeate (3) and a retentate (4), and arranged in downstream of the compression unit (6). The compression unit (6) is shaped to achieve compression such that the temperature of the gas mixture remains substantially constant throughout this compression.
Description
Dispositif de séparation de mélange gazeuxGaseous mixture separation device
La présente invention concerne un dispositif de séparation de mélange gazeux etde conversion d'énergie.The present invention relates to a gas mixture separation device and energy conversion.
La séparation cryogénique est typiquement préférée dans l'industrie pour produirede grands volumes d'oxygène, d'azote ou autre, exploités dans une variété de systèmesde conversion d'énergie différents, par exemple pour le chauffage de fourneaux industrielsou pour des centrales électriques à gaz naturel ou à charbon.Cryogenic separation is typically preferred in industry for producing large volumes of oxygen, nitrogen or the like, exploited in a variety of different energy conversion systems, for example for heating industrial furnaces or for gas-fired power plants. natural or charcoal.
Cependant, la séparation cryogénique présente des coûts énergétiquesd’exploitation très élevés, en particulier comporte une phase de compressionparticulièrement coûteuse en énergie.However, the cryogenic separation has very high energy operating costs, in particular involves a compression phase particularly costly energy.
On connaît déjà dans l’état de la technique, notamment d’après US 2004/0016237,un dispositif intégré de séparation cryogénique d'air et de conversion d'énergie,comprenant une unité de séparation d'air propre à produire de l’air enrichi en oxygène, etune unité de compression pour fournir de l'air comprimé à l'unité de séparation d'air. Ledispositif comprend en outre une unité de combustion alimentée par l’air enrichi enoxygène produit par l'unité de séparation. L’unité de combustion est propre à délivrer ungaz d’entrainement à une turbine.Already known in the state of the art, in particular according to US 2004/0016237, an integrated device for cryogenic air separation and energy conversion, comprising an air separation unit clean to produce the oxygen enriched air, anda compression unit for supplying compressed air to the air separation unit. The device further comprises a combustion unit powered by the oxygen-enriched air produced by the separation unit. The combustion unit is suitable for delivering a driving gas to a turbine.
On connaît par ailleurs, notamment d’après US 6 382 958, un dispositif deséparation à membrane céramique, utilisé dans un procédé de chauffage. Dans un teldispositif, l’air est chauffé à très haute température avant séparation. US 8 752 391 décrit également un dispositif de séparation à membrane céramiquefonctionnant à haute température, dans lequel la température du mélange gazeux estélevée à plus de 540°C avant séparation. Ce type de membrane est particulièrementonéreux et n’est pas adapté pour des utilisations à basse température.Furthermore, according to US Pat. No. 6,382,958, a ceramic membrane separating device used in a heating method is known. In such a device, the air is heated to a very high temperature before separation. US 8,752,391 also discloses a high temperature ceramic membrane separation device in which the temperature of the gas mixture is raised above 540 ° C before separation. This type of membrane is particularly expensive and is not suitable for low temperature applications.
On connaît par ailleurs, d’après WO 2008/013843, un dispositif pour mettre enoeuvre une combustion enrichie en oxygène, dans lequel de l’énergie est produite par uncycle Rankine indépendant à partir d’une récupération de chaleur. Toutefois ce dispositifne permet pas de rendre un procédé de séparation de gaz plus efficace.Also known from WO 2008/013843, a device for implementing an oxygen enriched combustion, wherein energy is produced by an independent Rankine cycle from a heat recovery. However, this device does not make a gas separation process more efficient.
On connaît par ailleurs, d’après US 7 637 109, l’utilisation d’un réfrigérant tel quele gaz naturel liquéfié, pour refroidir de l’oxygène avant compression. Ce dispositif derefroidissement est agencé en amont d’un système de compression, et ne permet doncpas une compression isotherme.It is also known from US Pat. No. 7,637,109 to use a refrigerant such as liquefied natural gas to cool oxygen prior to compression. This cooling device is arranged upstream of a compression system, and therefore does not allow isothermal compression.
On connaît également, d’après US 2012 0324944, un dispositif de séparation,fonctionnant à de basses pressions.Also known from US 2012 0324944 is a separation device operating at low pressures.
Toutefois, de tels dispositifs ne donnent pas entièrement satisfaction.However, such devices are not entirely satisfactory.
En particulier, les processus de séparation connus sont habituellement coûteux enénergie. L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif intégré de séparationde mélange gazeux et de conversion d'énergie présentant un meilleur rendement. A cet effet, l’invention a notamment pour objet un dispositif de séparation d’unmélange gazeux comprenant : - une unité de compression ; - une unité de séparation du mélange gazeux, destinée à produire unperméat et un rétentat, et agencée en aval de l’unité de compression ; caractérisé en ce que l’unité de compression est conformée pour réaliser unecompression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constantedurant toute cette compression. L’unité de compression réalise donc une compression quasi-isotherme. Une tellecompression quasi-isotherme nécessite moins d’énergie pour porter le mélange gazeux àune pression prédéterminée. L’invention est basée sur un procédé de séparation de gaz, utilisant un cyclethermodynamique impliquant une compression isotherme et prévoyant d’utiliser la chaleurdégagée par une combustion pour chauffer l’un des gaz séparés. Un exempled’application est l’oxy-combustion.In particular, the known separation processes are usually expensive in energy. The object of the invention is in particular to provide an integrated gas mixture separation and energy conversion device having a better efficiency. For this purpose, the invention particularly relates to a device for separating a gaseous mixture comprising: - a compression unit; a unit for separating the gaseous mixture, intended to produce a dermatate and a retentate, and arranged downstream of the compression unit; characterized in that the compression unit is shaped to achieve a compression such that the temperature of the gas mixture remains substantially constant throughout this compression. The compression unit thus performs a quasi-isothermal compression. Such quasi-isothermal radiation requires less energy to bring the gas mixture to a predetermined pressure. The invention is based on a gas separation process, using a cyclethermodynamics involving isothermal compression and providing for the use of heat generated by combustion to heat one of the separated gases. An example of application is oxycombustion.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre en outre l’une ou plusieurs descaractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisonstechniquement possibles. - Durant la compression, la différence entre la température du mélange gazeux àtout moment, et la température initiale du mélange gazeux, est inférieure à 50 °C. - Le dispositif de séparation comprend des moyens d’injection d’un liquide dansl’unité de compression, permettant d’adjoindre un liquide au mélange gazeux dans l’unitéde compression pour former un fluide diphasique, le liquide étant propre à absorber lachaleur issue de la compression pour maintenir la température sensiblement constantedurant cette compression. - Le dispositif de séparation comprend une unité de chauffage, connectée à l’unitéde séparation, et une machine de détente, agencée en aval de l’unité de chauffage. - La machine de détente est configurée pour réaliser une détente telle que latempérature du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute la détente,notamment la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et latempérature du mélange gazeux préalablement à la détente, est inférieure à 50 °C. - La machine de détente est reliée mécaniquement à un générateur électrique. - L’unité de chauffage comporte un échangeur de chaleur. - L’unité de séparation comporte un appareil de séparation membranaire. - Le mélange gazeux est formé d’air, le perméat est de l’air enrichi en oxygène etle rétentat est de l’air appauvri en oxygène. - Le mélange gazeux est formé par du gaz de combustion, le perméat est de l’airenrichi en CO2 et le rétentat est de l’air appauvri en CO2. L’invention a également pour objet une installation industrielle, caractérisée en cequ’elle comporte un dispositif de séparation tel que défini précédemment. L’installation selon l’invention peut comprendre en outre l’une ou plusieurs descaractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisonstechniquement possibles. - L’installation industrielle comprend une unité de combustion, connectée à l’unitéde séparation de sorte que le perméat ou le rétentat alimente l’unité de combustion. - L’installation industrielle comprend une machine de détente agencée en aval del’unité de combustion (10). - L’unité de chauffage est connectée à l’unité de combustion, de sorte que l’unitéde chauffage est alimentée par un gaz d’échappement issu d’une combustion réaliséedans l’unité de combustion. L’invention concerne également un procédé de séparation d’un mélange gazeux,caractérisé en ce qu’il est mis en oeuvre au moyen d’un dispositif de séparation tel quedéfini précédemment, et en ce qu’il comporte les étapes suivantes : - une étape de compression du mélange gazeux, durant laquelle latempérature du mélange gazeux reste sensiblement constante durant lacompression, pour obtenir un mélange gazeux comprimé; - une étape de séparation au moins partielle du mélange gazeux comprimépour obtenir un perméat et un rétentat ; - une étape de chauffage du perméat ou du rétentat ; - une étape de détente du perméat ou du rétentat chauffé. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmilesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d’une installation industrielle comprenant undispositif de séparation de mélange gazeux selon un exemple de mode de réalisation deinvention ; et - la figure 2 est un diagramme d’un cycle thermodynamique représentantl’évolution du mélange gazeux dans le dispositif de la figure 1.The device according to the invention may furthermore comprise one or more of the following features, taken singly or in any combination that is technically possible. During compression, the difference between the temperature of the gaseous mixture at any time, and the initial temperature of the gaseous mixture, is less than 50 ° C. - The separation device comprises means for injecting a liquid into the compression unit, for adding a liquid to the gaseous mixture in the compression unit to form a two-phase fluid, the liquid being adapted to absorb the heat resulting from compression to maintain the temperature substantially constant during this compression. - The separation device comprises a heating unit, connected to the separation unit, and an expansion machine, arranged downstream of the heating unit. - The expansion machine is configured to perform a relaxation such that the temperature of the gaseous mixture remains substantially constant throughout the expansion, in particular the difference between the temperature of the gaseous mixture at any time, and the temperature of the gaseous mixture prior to expansion, is lower at 50 ° C. - The expansion machine is mechanically connected to an electric generator. - The heating unit has a heat exchanger. The separation unit comprises a membrane separation apparatus. - The gaseous mixture is formed of air, the permeate is air enriched in oxygen and the retentate is air depleted in oxygen. - The gas mixture is formed by combustion gas, the permeate is air enriched in CO2 and the retentate is air depleted in CO2. The invention also relates to an industrial installation, characterized in that it comprises a separation device as defined above. The installation according to the invention may furthermore comprise one or more of the following characteristics, taken singly or in any combination that is technically possible. - The industrial plant includes a combustion unit, connected to the separation unit so that the permeate or retentate feeds the combustion unit. - The industrial installation comprises a relaxation machine arranged downstream of the combustion unit (10). - The heating unit is connected to the combustion unit, so that the heating unit is fed with an exhaust gas from a combustion realized in the combustion unit. The invention also relates to a method for separating a gaseous mixture, characterized in that it is implemented by means of a separation device as defined above, and in that it comprises the following steps: step of compressing the gaseous mixture, during which the temperature of the gaseous mixture remains substantially constant during compression, to obtain a compressed gaseous mixture; a step of at least partial separation of the compressed gaseous mixture to obtain a permeate and a retentate; a step of heating the permeate or the retentate; a step of relaxing the permeate or the heated retentate. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended figures, in which: FIG. 1 is a schematic view of an industrial installation comprising a device for gas mixture separation according to an exemplary embodiment of invention; and FIG. 2 is a diagram of a thermodynamic cycle representing the evolution of the gaseous mixture in the device of FIG.
On notera que dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sontdéfinis relativement à un sens d’écoulement d’un mélange gazeux dans un circuit.It should be noted that in the present description, the terms "upstream" and "downstream" are defined with respect to a direction of flow of a gaseous mixture in a circuit.
On a représenté, sur la figure 1, une installation industrielle 20.There is shown in Figure 1, an industrial plant 20.
Par exemple, l’installation industrielle 20 forme une aciérie, une verrerie ou unecentrale électrique. L’installation industrielle 20 comprend un dispositif de séparation 1 et une unité decombustion 10.For example, the industrial plant 20 forms a steel plant, a glassware or an electric power plant. The industrial plant 20 comprises a separation device 1 and a combustion unit 10.
Le dispositif de séparation 1 comporte un circuit principal 5 comprenant une unitéde compression 6 et une unité de séparation 7. L’unité de compression 6 est alimentée en un mélange gazeux 2 présentant unepression PO et une température T0, et comprime ce mélange gazeux 2 pour obtenir unmélange gazeux comprimé 8 présentant une pression P1 supérieure à PO et unetempérature T1.The separating device 1 comprises a main circuit 5 comprising a compression unit 6 and a separation unit 7. The compression unit 6 is supplied with a gas mixture 2 having a pressure PO and a temperature T0, and compresses this gaseous mixture 2 to obtaining a compressed gaseous mixture 8 having a pressure P1 greater than PO and a temperature T1.
La pression P1 est par exemple supérieure à 7 bar, de préférence supérieure à 24bar.The pressure P1 is for example greater than 7 bar, preferably greater than 24 bar.
Par exemple, le mélange gazeux 2 est formé d’air. Cet air peut optionnellementêtre préalablement déshydraté. En variante, le mélange gazeux 2 est formé de gaz decombustion. L’unité de compression 6 est propre à délivrer une compression quasi isotherme.Plus particulièrement, la température du mélange gazeux reste sensiblement constantedurant toute la compression.For example, the gaseous mixture 2 is formed of air. This air can optionally be previously dehydrated. Alternatively, the gaseous mixture 2 is formed of combustion gas. The compression unit 6 is capable of delivering an almost isothermal compression. More particularly, the temperature of the gaseous mixture remains substantially constant throughout the compression.
Ainsi, par définition, les températures T0 et T1 sont sensiblement égales.Thus, by definition, the temperatures T0 and T1 are substantially equal.
Avantageusement, la différence entre la température T0 du mélange gazeux 2 etla température T1 du mélange gazeux comprimé 8 est inférieure à 50 °C.Advantageously, the difference between the temperature T 0 of the gaseous mixture 2 and the temperature T1 of the compressed gaseous mixture 8 is less than 50 ° C.
De préférence, la différence entre la température T0 du mélange gazeux 2 et latempérature T1 du mélange gazeux comprimé 8 est inférieure à 15°C.Preferably, the difference between the temperature T0 of the gaseous mixture 2 and the temperature T1 of the compressed gaseous mixture 8 is less than 15 ° C.
Optionnellement, le mélange gazeux 2 est préalablement refroidi sous latempérature ambiante avant l’unité de compression.Optionally, the gaseous mixture 2 is cooled beforehand under ambient temperature before the compression unit.
Pour réaliser une telle compression isotherme ou quasi-isotherme, un liquide peutêtre adjoint au mélange gazeux 2 dans l’unité de compression 6 pour former un fluidediphasique. Ainsi, le liquide, en contact direct avec le gaz, absorbe la chaleur issue de lacompression de ce gaz, pour ainsi obtenir une compression isotherme au cours delaquelle la température reste sensiblement constante durant toute la compression. Leditliquide peut être apte à subir un changement de phase par évaporation lors del’absorption de la chaleur de compression. Il est à noter que la température estconsidérée comme sensiblement constante lorsque la différence entre cette température et la température initiale est notamment inférieure à 50 °C, de préférence inférieure à15°C. A titre d’exemple, ledit liquide utilisé peut-être de l’eau ou une huile.To perform such an isothermal or quasi-isothermal compression, a liquid may be added to the gaseous mixture 2 in the compression unit 6 to form a diphasic fluid. Thus, the liquid, in direct contact with the gas, absorbs the heat resulting from the compression of this gas, thereby obtaining an isothermal compression during which the temperature remains substantially constant throughout the compression. Said liquid may be able to undergo a phase change by evaporation during the absorption of the heat of compression. It should be noted that the temperature is considered substantially constant when the difference between this temperature and the initial temperature is in particular less than 50.degree. C., preferably less than 15.degree. By way of example, said liquid used may be water or an oil.
Un autre exemple d’unité de compression quasi-isotherme est décrit dans ledocument « On The Strategies Towards Isothermal Gas Compression And Expansion »,2014, par Mahbod Heidari, Sylvain Lemofouet et Alfred Rufer.Another example of a quasi-isothermal compression unit is described in the paper "On The Strategies Towards Isothermal Gas Compression and Expansion", 2014, by Mahbod Heidari, Sylvain Lemofouet and Alfred Rufer.
Un autre exemple d’unité de compression quasi-isotherme est décrit dansUS 4 027 993. Cette unité de compression utilise un mélange de gaz et de liquide, et apour avantage de maintenir la température du gaz constante après la compression. US 4 446 698 ou WO 2010/037980 décrivent des compresseurs isothermesproposant une surface de transfert de chaleur plus importante dans un échangeur dechaleur. US 4 311 025, US 9 267 504 ou US 7 401 475 décrivent des dispositifs danslequel du liquide est injecté pendant les phases de compression et d’expansion pourgarder le système sensiblement isotherme. L’unité de séparation 7, agencé en aval de l’unité de compression 6, est destinée àséparer le mélange gazeux comprimé 8 pour obtenir un perméat 3 et un rétentat 4,présentant respectivement des températures T1 a et T1 b.Another example of a quasi-isothermal compression unit is described in US 4,027,993. This compression unit uses a mixture of gas and liquid, and has the advantage of keeping the temperature of the gas constant after compression. US 4,446,698 or WO 2010/037980 disclose isothermal compressors proposing a larger heat transfer surface in a heat exchanger. US 4,311,025, US 9,267,504 or US 7,401,475 disclose devices in which liquid is injected during the compression and expansion phases to guard the substantially isothermal system. The separation unit 7, arranged downstream of the compression unit 6, is intended to separate the compressed gaseous mixture 8 to obtain a permeate 3 and a retentate 4, respectively having temperatures T1a and T1b.
Lorsque le mélange gazeux 2, 8 est formé par du gaz de combustion, le perméat 3est de l’air enrichi en CO2 et le rétentat 4 est de l’air appauvri en CO2.When the gas mixture 2, 8 is formed by combustion gas, the permeate 3 is CO2 enriched air and the retentate 4 is CO2 depleted air.
Pour parvenir à cette séparation, plusieurs variantes de réalisation sontenvisagées, et le cas échéant combinées, selon la présente invention.To achieve this separation, several embodiments are envisaged, and if necessary combined, according to the present invention.
Selon une première variante, l’unité de séparation 7 comporte un appareil deséparation membranaire 9 comme visible sur la figure 1.According to a first variant, the separation unit 7 comprises a membrane separation apparatus 9 as visible in FIG.
De manière connue en soi, l’appareil de séparation membranaire 9 comprend unfiltre disposé transversalement ou radialement à un flux d’un mélange gazeux comprimé.Le filtre permet alors le passage sélectif de certaines molécules et l’arrêt d’autres. L’appareil de séparation membranaire 9 est à même d’opérer à des pressions demélange gazeux comprimé 8 comprises entre 7 bar et 80 bar.In a manner known per se, the membrane separation apparatus 9 comprises a filter arranged transversely or radially to a flow of a compressed gaseous mixture. The filter then allows the selective passage of certain molecules and the stopping of others. The membrane separation apparatus 9 is able to operate at compressed gaseous mixture pressures 8 of between 7 bar and 80 bar.
Les procédés de séparation membranaire présentent habituellement unrendement élevé ainsi que des facilités de conception et de maintenance.Membrane separation processes usually exhibit high efficiency as well as ease of design and maintenance.
Selon une seconde variante, l’unité de séparation 7 comporte un appareil deséparation par adsorption.According to a second variant, the separation unit 7 comprises an adsorption separation apparatus.
De manière connue en soi, l’appareil de séparation par adsorption, notamment parinversion de pression, retire un composant d'un mélange gazeux comprimé en utilisant son affinité chimique et ses caractéristiques particulières vis-à-vis d'un adsorbant exposéà une oscillation de pression rigoureusement contrôlée.In a manner known per se, the adsorptive separation apparatus, in particular by pressure reversal, removes a component from a compressed gaseous mixture by using its chemical affinity and its particular characteristics with respect to an adsorbent exposed to an oscillation of pressure strictly controlled.
Selon une troisième variante, l’unité de séparation 7 comporte un appareil deséparation membranaire et un appareil de séparation par adsorption en série entrelesquelles est agencé un compresseur. Cette variante permet notamment d’améliorerl’efficacité de la séparation. L’unité de séparation 7 ne présente pas de phénomènes dissipatifs importants, latempérature T1a du perméat 3 et la température T1b du rétentat 4 sont doncsensiblement égales à la température T1 du mélange gazeux comprimé 8.According to a third variant, the separation unit 7 comprises a membrane separation apparatus and an adsorption separation apparatus in series, between which a compressor is arranged. This variant makes it possible in particular to improve the efficiency of the separation. The separation unit 7 does not exhibit any significant dissipation phenomena, the temperature T1a of the permeate 3 and the temperature T1b of the retentate 4 are therefore substantially equal to the temperature T1 of the compressed gas mixture 8.
Classiquement, le perméat 3 ou le rétentat 4 alimente une unité de combustion 10.Dans le mode de réalisation décrit, le perméat 3 alimente l’unité de combustion 10.Conventionally, the permeate 3 or the retentate 4 feeds a combustion unit 10. In the embodiment described, the permeate 3 feeds the combustion unit 10.
Avantageusement, la combustion réalisée dans l’unité de combustion 10 fait partiedu processus industriel de l’installation équipée du dispositif 1.Advantageously, the combustion carried out in the combustion unit 10 forms part of the industrial process of the installation equipped with the device 1.
Le dispositif de séparation 1 comporte un circuit secondaire 11 comprenant uneunité de chauffage 12 et une machine de détente 13. L’unité de chauffage 12 est connectée à l’unité de séparation 7, qui l’alimente enfluide froid 14. Le fluide froid 14 est choisi parmi le perméat 3 ou le rétentat 4. Plusparticulièrement, l’un parmi le perméat 3 ou le rétentat 4 alimente l’unité de combustion10, et l’autre alimente l’unité de chauffage 12. Ainsi, dans le mode de réalisation décrit, lerétentat 4 forme le fluide froid 14. L’unité de chauffage 12 est destinée à augmenter la température du fluide froid 14pour obtenir un fluide chauffé 15 à une température T2 prédéterminée.The separating device 1 comprises a secondary circuit 11 comprising a heating unit 12 and an expansion machine 13. The heating unit 12 is connected to the separation unit 7, which supplies it with cold entrluid 14. The cold fluid 14 is chosen from permeate 3 or retentate 4. More particularly, one of the permeate 3 or retentate 4 feeds the combustion unit 10, and the other feeds the heating unit 12. Thus, in the embodiment As described, the ether 4 forms the cold fluid 14. The heating unit 12 is intended to increase the temperature of the cold fluid 14 to obtain a heated fluid 15 at a predetermined temperature T2.
Avantageusement, l’unité de chauffage 12 comporte un échangeur de chaleur 16destiné à transférer de l'énergie thermique d’un fluide chaud 17 vers le fluide froid 14 pourobtenir le fluide chauffé 15.Advantageously, the heating unit 12 comprises a heat exchanger 16 designed to transfer heat energy from a hot fluid 17 to the cold fluid 14 to obtain the heated fluid 15.
Comme visible sur la figure 1, le fluide chaud 17 est formé par des gazd’échappement résultant de la combustion réalisée dans l’unité de combustion 10.As shown in FIG. 1, the hot fluid 17 is formed by exhaust gases resulting from the combustion carried out in the combustion unit 10.
Comme cela est notamment représenté sur la figure 2, l’unité de chauffage 12maintien de préférence la pression du fluide constante.As shown in particular in FIG. 2, the heating unit 12 preferably maintains the constant fluid pressure.
La machine de détente 13 est destinée à utiliser l'énergie du fluide chauffé 15 pourproduire de l’énergie mécanique.The expansion machine 13 is intended to use the energy of the heated fluid 15 to produce mechanical energy.
La machine de détente 13 et l’unité de compression 6 sont avantageusementmontées sur un même axe. Ainsi, l’énergie nécessaire à la compression est fournie aumoins en partie par la machine de détente 13. Préférentiellement, l’axe de la machine dedétente 13 et l’axe de l’unité de compression 6 sont liés mécaniquement.The expansion machine 13 and the compression unit 6 are advantageously mounted on the same axis. Thus, the energy required for compression is provided at least in part by the expansion machine 13. Preferably, the axis of the de-ducting machine 13 and the axis of the compression unit 6 are mechanically linked.
Dans le mode de réalisation décrit, la machine de détente 13 est reliéemécaniquement à un générateur d’énergie électrique 18, permettant de manière classiquede convertir une énergie mécanique de la machine de détente 13 en une énergieélectrique.In the embodiment described, the expansion machine 13 is connected mechanically to an electric energy generator 18, which conventionally enables the mechanical energy of the expansion machine 13 to be converted into electrical energy.
La machine de détente 13 rejette un fluide détendu 19.The expansion machine 13 rejects a relaxed fluid 19.
La machine de détente 13 est de préférence du type quasi isotherme, maisl’utilisation de tout autre type de machine de détente, par exemple isentropique, estpossible.The expansion machine 13 is preferably of the quasi-isothermal type, but the use of any other type of expansion machine, for example isentropic, is possible.
La machine de détente 13 peut par exemple être une turbine axiale ou radiale, uneturbine scroll ou à vis ou encore une machine d’expansion à piston,The expansion machine 13 may for example be an axial or radial turbine, a scroll turbine or screw or a piston expansion machine,
Le fonctionnement du dispositif de séparation 1 selon l’invention va maintenantêtre décrit en référence à la figure 2.The operation of the separation device 1 according to the invention will now be described with reference to FIG.
La figure 2 montre un diagramme d’un cycle thermodynamique du fonctionnementdu dispositif de séparation décrit précédemment, selon un mode de réalisation del’invention. L’ordonnée de ce diagramme montre la pression P dans le circuit et l’abscissemontre le volume V dans le circuit. L’état du mélange gazeux circulant dans dispositif peut être représenté par unecourbe polygonale. Chaque ligne intermédiaire sur la courbe, située entre deux points decette courbe, représente une transformation énergétique dans le dispositif de séparation 1, c’est-à-dire que les différentes étapes parcourues lors de la conversion d’énergieélectrique sont représentées par les différents points sur la courbe polygonale de la figure 2.FIG. 2 shows a diagram of a thermodynamic cycle of the operation of the separation device described above, according to one embodiment of the invention. The ordinate of this diagram shows the pressure P in the circuit and abscissemontre the volume V in the circuit. The state of the gas mixture circulating in the device can be represented by a polygonal curvature. Each intermediate line on the curve, located between two points of this curve, represents an energetic transformation in the separation device 1, that is to say that the different steps traveled during the conversion of electrical energy are represented by the different points. on the polygonal curve of Figure 2.
Ainsi, plusieurs parties de la courbe polygonale peuvent être décrite comme suit.Thus, several parts of the polygonal curve can be described as follows.
Une première partie (représentée en trait plein) entre un point A et un point B dudiagramme représente la compression quasi isotherme du mélange gazeux 2 pour obtenirle mélange gazeux comprimé 8.A first part (shown in full lines) between a point A and a point B of the diagram represents the almost isothermal compression of the gaseous mixture 2 to obtain the compressed gaseous mixture 8.
Une seconde partie entre le point B et un point C représente étape de séparationdu mélange gazeux. Le mélange gazeux est séparé en un rétentat (représenté en traitinterrompu sur la figure 2) et en un perméat (représenté en pointillés sur la figure 2). Il està noter que cette étape de séparation a peu d’impact sur la pression du rétentat.A second portion between point B and a point C represents a separation step of the gaseous mixture. The gas mixture is separated into a retentate (shown in broken line in Figure 2) and a permeate (shown in dashed lines in Figure 2). It should be noted that this separation step has little impact on the retentate pressure.
Une troisième partie entre le point C et un point D représente le chauffage isobaredu fluide froid 14 (rétentat).A third part between the point C and a point D represents the cold fluid isobaredu heating 14 (retentate).
Une quatrième partie entre le point D et un point E représente la détente isothermedu fluide chauffé 15 (rétentat).A fourth portion between the point D and a point E represents the isothermal expansion of the heated fluid (retentate).
Par ailleurs, une cinquième partie entre le point C et un point F représentel’évolution du perméat suite à la séparation.On the other hand, a fifth part between the point C and a point F represents the evolution of the permeate following the separation.
On notera que l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation précédemmentdécrit, mais pourrait présenter diverses variantes.Note that the invention is not limited to the previously described embodiment, but could have various variants.
En particulier, il est possible que le dispositif de séparation 1, notamment l’unité dechauffage 16, soit alimenté en chaleur par une source de chaleur quelconque.In particular, it is possible that the separation device 1, in particular the heating unit 16, is supplied with heat by any heat source.
Par ailleurs, le dispositif 1 est apte à fonctionner avec des mélanges gazeux detypes variés.Furthermore, the device 1 is able to operate with various types of gas mixtures.
Il apparaît clairement que l’invention présente un certain nombre d’avantages.It is clear that the invention has a number of advantages.
Le dispositif de séparation selon l’invention permet de réduire les pertes d’énergiede l’installation industrielle 20 tout en séparant un mélange gazeux.The separating device according to the invention makes it possible to reduce the energy losses of the industrial installation while separating a gaseous mixture.
Il est à noter que les équipements en contact thermique avec le mélange gazeuxcomprimé 8 sont moins sollicités si le mélange gazeux comprimé 8 présente unetempérature T1 relativement basse. Les exigences imposées à ces équipements sontdonc simplifiées.It should be noted that equipment in thermal contact with the compressed gas mixture 8 is less stressed if the compressed gas mixture 8 has a relatively low temperature T1. The requirements imposed on these equipments are therefore simplified.
Ceci est particulièrement avantageux pour l’appareil de séparation membranaire 9qui n’opère habituellement pas à des températures élevées.This is particularly advantageous for the membrane separation apparatus 9 which does not usually operate at elevated temperatures.
Par ailleurs, en effectuant une compression isotherme et non adiabatique, lesdépenses énergétiques sont diminuées.In addition, by performing isothermal and non-adiabatic compression, the energy expenditure is decreased.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1754771A FR3067099B1 (en) | 2017-05-30 | 2017-05-30 | GAS MIXTURE SEPARATION DEVICE |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1754771A FR3067099B1 (en) | 2017-05-30 | 2017-05-30 | GAS MIXTURE SEPARATION DEVICE |
FR1754771 | 2017-05-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR3067099A1 FR3067099A1 (en) | 2018-12-07 |
FR3067099B1 true FR3067099B1 (en) | 2019-10-25 |
Family
ID=59974525
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR1754771A Active FR3067099B1 (en) | 2017-05-30 | 2017-05-30 | GAS MIXTURE SEPARATION DEVICE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR3067099B1 (en) |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1160000B1 (en) * | 2000-05-31 | 2005-01-19 | Borsig GmbH | Method and apparatus for the recuperation of nitrogen and/or propylene during the polypropylene production |
DE10325111A1 (en) * | 2003-06-02 | 2005-01-05 | Alstom Technology Ltd | Method for generating energy in a gas turbine comprehensive power generation plant and power plant for performing the method |
FR2891013B1 (en) * | 2005-09-16 | 2011-01-14 | Inst Francais Du Petrole | GENERATION OF ENERGY BY GAS TURBINE WITHOUT C02 EMISSION |
CN202010505U (en) * | 2011-03-15 | 2011-10-19 | 黄道军 | Energy-saving organic gas recovery device based on isothermal compression |
EP2916933A1 (en) * | 2012-10-31 | 2015-09-16 | Membrane Technology and Research, Inc | Sweep-based membrane gas separation integrated with gas-fired power production and co2 recovery |
WO2015127435A1 (en) * | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Glycos Biotechnologies, Inc. | Recovery of isoprene from fermentation processes using mechanical compression and condensation |
-
2017
- 2017-05-30 FR FR1754771A patent/FR3067099B1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR3067099A1 (en) | 2018-12-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3482146B1 (en) | Method for liquefying natural gas and for recovering possible liquids from the natural gas, comprising two refrigerant cycles semi-open to the natural gas and a refrigerant cycle closed to the refrigerant gas | |
JP6923629B2 (en) | Generation of low-pressure liquid carbon dioxide from power generation systems and methods | |
EP2368083B1 (en) | Method for producing a stream of subcooled liquefied natural gas using a natural gas feedstream, and associated facility | |
US20150240715A1 (en) | Power Generation And Methane Recovery From Methane Hydrates | |
WO2003004951A1 (en) | Method for the liquefaction and denitrogenation of natural gas, system for carrying out said method | |
CA2828339A1 (en) | Systems and methods for carbon dioxide capture and power generation in low emission turbine systems | |
MX2012014222A (en) | Low emission triple-cycle power generation systems and methods. | |
FR2891609A1 (en) | Fossil fuel e.g. coal, combustion performing method for e.g. refinery kiln, involves liquefying part of treated fumes by compression and cooling, and compressing liquefied fumes by using multiphase pump for obtaining compressed flux | |
FR2928845A1 (en) | CARBON DIOXIDE RECOVERY AND RECOVERY SYSTEM, AND CARBON DIOXIDE RECOVERY METHOD IN SUCH A SYSTEM. | |
FR2558893A1 (en) | METHOD FOR PRODUCING ENERGY USING A GAS TURBINE | |
EP2959242B1 (en) | Station for reducing gas pressure and liquefying gas | |
JP2017533371A5 (en) | ||
FR3053770B1 (en) | METHOD FOR LIQUEFACTING NATURAL GAS AND RECOVERING LIQUID EVENTS OF NATURAL GAS COMPRISING A SEMI-OPENING REFRIGERANT CYCLE WITH NATURAL GAS AND TWO REFRIGERANT GAS REFRIGERANT CYCLES | |
CN102589249A (en) | Carbon dioxide liquefaction system | |
FR2953913A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR COOLING / LIQUEFACTION AT LOW TEMPERATURE | |
WO2017216456A1 (en) | Apparatus and method for separating co2 at low temperature comprising a step of separation by permeation | |
FR3067099B1 (en) | GAS MIXTURE SEPARATION DEVICE | |
EP1488843B1 (en) | Method for processing flue gases | |
BE903196A (en) | ENERGY PRODUCTION PROCESS | |
FR2954973A1 (en) | Method for liquefaction/refrigeration of working gas with helium, involves reusing negative kilocalories of part of gas recovered in liquefaction/refrigeration process for cooling refrigerater/liquefactor body | |
EP3853544A1 (en) | Installation and method for purifying and liquefying natural gas | |
FR3035195B1 (en) | INSTALLATION AND PROCESS FOR PRODUCTION OF LIQUID HELIUM | |
WO2016091903A2 (en) | Gas liquefaction system with absorption machine and stirling heat pump | |
US20130000352A1 (en) | Air separation unit and systems incorporating the same | |
AU2016428816A1 (en) | Natural gas liquefaction facility |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20181207 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |
|
TP | Transmission of property |
Owner name: SARUS, FR Effective date: 20220601 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 7 |
|
PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 8 |