FR3108528A3 - Installation de purification d’un flux gazeux comprenant une unité d’oxydation catalytique et une unité de séparation membranaire - Google Patents
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- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
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Abstract
L’invention concerne Installation de purification d’un flux gazeux, le flux gazeux comprenant au plus 50% de CO2 et du CO, ladite installation comportant : une unité d’oxydation catalytique (3), un échangeur de chaleur (6) permettant d’utiliser la chaleur en sortie de l’unité d’oxydation catalytique (3) pour préchauffer le flux gazeux entrant dans l’unité d’oxydation catalytique (3) et refroidir le flux gazeux sortant de l’unité d’oxydation catalytique (3), une unité de séparation membranaire (7), un réchauffeur (2) disposé en série du résidu de l’unité de séparation membranaire (7), l’unité d’oxydation catalytique (3) étant configurée pour oxyder le CO du flux gazeux issu du réchauffeur (2). Figure d’abrégé : Fig. 3
Description
L’accroissement de la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère est en très grande partie la cause du réchauffement global. Le CO2 d’origine humaine est essentiellement émis dans l’atmosphère par la combustion des combustibles fossiles dans les centrales thermiques et dans un certain nombre d’unités industrielles comme les cimenteries, les unités de production d’hydrogène ou encore les unités de production d’acier.
Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre et/ou de la production de CO2 utilisé pour la récupération assistée du pétrole, une unité de capture et de purification du CO2 par voie cryogénique peut être employée en aval des installations émettrices de CO2. La capture et la purification du CO2 par voie cryogénique sont basées essentiellement sur la condensation partielle du CO2 à des températures proches de son point triple qui peut être complétée par une ou plusieurs distillations pour augmenter la pureté en CO2 du produit final. Pour assurer ces condensations partielles et distillation, on va devoir comprimer les gaz à purifier, les sécher puis les refroidir pour former une phase liquide enrichie en CO2 et une phase gaz enrichie en gaz incondensables que l’on va séparer dans un ou plusieurs pots de condensation partielle. Grâce à ce genre de procédé, des rendements de capture compris entre 80% et 95% sont atteignables.
Afin de maximiser le rendement de capture du CO2, des membranes peuvent aussi être employées sur les gaz incondensables provenant du ou des pots de condensation partielle. Le perméat des membranes étant alors chargé en CO2 et à plus basse pression que les gaz incondensables, on va pouvoir recycler ce perméat dans la chaine de compression de l’unité de capture. Le CO2 qui aura ainsi traversé la membrane et qui aura été recyclé au compresseur pourra alors être liquéfié dans le ou les pots de condensation partielle. On peut atteindre des rendements de capture de l’ordre de 99% en couplant le procédé de condensation partielle avec celui des membranes.
Deux paramètres importants permettent le dimensionnement des membranes et de quantifier leur performance : le rendement par membrane et la sélectivité en CO2. Plus le rendement en CO2 sera important, moins il sera nécessaire d’ajouter des modules de membrane pour augmenter le rendement global de l’unité. L’investissement initial est alors réduit.
Dans de très nombreux cas, l’augmentation de la température (>30°C) en entrée des membranes permet d’augmenter le rendement par module et donc de faire des gains en investissement. Une source de chaleur est alors nécessaire et un échangeur de chaleur pourra être nécessaire pour apporter cette chaleur au gaz entrant dans les membranes.
De plus, dans un certain nombre de cas, une unité d’oxydation catalytique est installée sur le gaz résiduel issu des membranes pour oxyder le monoxyde de carbone afin de réduire ses émissions à l’atmosphère. Cette unité d’oxydation catalytique nécessite des températures relativement élevées (>130°C). Un appoint de chaleur important est donc nécessaire. Le gaz sortant étant encore chaud, on préchauffe le gaz à purifier avec le gaz en sortie du réacteur pour économiser l’appoint de chaleur (c’est pour cela qu’on appelle communément cet échangeur, un économiseur). L’appoint est alors fait par le biais d’un autre échangeur entre l’économiseur et le réacteur. Un tel dispositif est décrit à la .
L’invention est relative à une installation de purification d’un flux gazeux, le flux gazeux comprenant au plus 50% de CO2 et du CO, ladite installation comportant :
une unité d’oxydation catalytique,
un échangeur de chaleur permettant d’utiliser la chaleur en sortie de l’unité d’oxydation catalytique pour préchauffer le flux gazeux entrant dans l’unité d’oxydation catalytique et refroidir le flux gazeux sortant de l’unité d’oxydation catalytique,
une unité de séparation membranaire,
un réchauffeur disposé en série du résidu de l’unité de séparation membranaire,
l’unité d’oxydation catalytique étant configurée pour oxyder le CO du flux gazeux issu du réchauffeur
Selon une réalisation, la ou les turbines sont placées en aval de l’échangeur de chaleur.
Selon une réalisation, l’installation de purification est configurée pour traiter un flux gazeux comprenant au moins 35% de CO2 et du CO.
Selon une réalisation, l’installation comprend un compresseur pour compresser le flux gazeux, un échangeur de chaleur pour refroidir le flux gazeux comprimé et un pot séparateur pour séparer le gaz de tête produit dans l’échangeur de chaleur.
Selon une réalisation, le gaz de tête produit dans l’échangeur de chaleur est le flux gazeux produit par ladite installation de purification, ce gaz de tête comprenant au plus 50% de CO2 et du CO.
Comme représenté sur la , le couplage entre les membranes 7 et l’unité d’oxydation catalytique 3 est en série, c’est-à-dire que les membranes 7 sont placées en aval de l’unité d’oxydation catalytique 3. De plus, des turbines sont placées après les membranes 7, ce qui nécessite dans la plupart des cas, un réchauffeur 10 placé après les turbines.
Le gaz à traiter 1 est réchauffé à travers l’économiseur 6 puis dans le réchauffeur 2 avant d’être envoyé à l’unité d’oxydation catalytique 3. La température en sortie de ce réacteur étant trop élevée pour les membranes, le gaz est alors refroidi contre le gaz à traiter 1 avant d’être envoyé dans la membrane 7. Le résidu des membranes 9, appauvri en CO2 est quant à lui détendu dans une ou plusieurs turbines 5 afin de générer de l’énergie. Afin de récupérer plus d’énergie, le résidu 9 peut être préchauffé dans un échangeur de chaleur 10 avant détente.
Comme représenté sur la , les membranes 7 peuvent aussi être placées après (c’est-à-dire en aval) l’économiseur 6. Cependant, une telle configuration nécessite un refroidisseur 4 placé après l’économiseur 6. Ainsi il faut dans ces deux cas, trois échangeurs de chaleur pour la mise en œuvre du procédé (un économiseur, un réchauffeur et un troisième échangeur qui selon le cas, est un réchauffeur ou un réfrigérant).
Comme représenté sur la , l’invention consiste à changer l’ordre des membranes 7 et du réacteur d’oxydation catalytique 3. On passe dans l’économiseur 6 en premier jusqu’à atteindre la température souhaitée à l’entrée des membranes 7 (entre 30°C et 100°C), puis on réchauffe, on envoie le gaz dans l’unité d’oxydation catalytique 3, puis on retourne à l’économiseur 6 pour ensuite envoyer le gaz à la ou les turbines 5.
Cela permet de minimiser le nombre d’échangeurs et de minimiser la consommation énergétique ainsi que le coût d’investissement.
Selon l’invention, le gaz à traiter 1 est préchauffé à une température intermédiaire à travers l’économiseur 6. Cette température est choisie pour être compatible avec les membranes 7 pour la récupération du CO2 dans le perméat 8. Le résidu est chauffé pour atteindre une haute température grâce au réchauffeur 2 qui permet alors de le traiter dans l’unité d’oxydation catalytique 3. Le gaz chaud est utilisé pour réchauffer le gaz d’entrée 1 dans l’économiseur 6 mais toute la chaleur disponible n’est pas transférée (afin que le gaz d’entrée 1 reste à une température suffisamment basse pour l’opération des membranes 7). La chaleur résiduelle permet de récupérer plus d’énergie lors de la détente dans la ou les turbines 5.
Claims (1)
- Installation de purification d’un flux gazeux, le flux gazeux comprenant au plus 50% de CO2 et du CO, ladite installation comportant :
- une unité d’oxydation catalytique (3),
- un échangeur de chaleur (6) permettant d’utiliser la chaleur en sortie de l’unité d’oxydation catalytique (3) pour préchauffer le flux gazeux entrant dans l’unité d’oxydation catalytique (3) et refroidir le flux gazeux sortant de l’unité d’oxydation catalytique (3),
- une unité de séparation membranaire (7),
- un réchauffeur (2) disposé en série du résidu de l’unité de séparation membranaire (7),
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