FR3119883A1 - Hydrogen liquefaction method and apparatus - Google Patents

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Abstract

Titre : Procédé et appareil de liquéfaction d’hydrogène Dans un procédé de liquéfaction d’hydrogène, on envoie un gaz riche en hydrogène (27) provenant d’un appareil de séparation (102) par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle, le gaz sortant de l’appareil de séparation à une température d’au plus 103K contenant au moins 99,9% mol d’hydrogène et à une pression entre 20 et 30 bars à un liquéfacteur d’hydrogène, sans avoir réchauffé le gaz riche en hydrogène à une température au-dessus de 0°C. Figure de l’abrégé : FIG.2 Title: Hydrogen Liquefaction Process and Apparatus In a process for the liquefaction of hydrogen, a hydrogen-rich gas (27) is sent from a separation device (102) by distillation and/or stripping and/or partial condensation, the gas leaving the separation device at a temperature of at most 103K containing at least 99.9% mol of hydrogen and at a pressure between 20 and 30 bars in a hydrogen liquefier, without having heated the hydrogen-rich gas to a temperature above 0°C. Abstract Figure: FIG.2

Description

Procédé et appareil de liquéfaction d’hydrogèneHydrogen liquefaction method and apparatus

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction d’hydrogène, de préférence intégré avec la séparation cryogénique d’un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène.The present invention relates to a process and an apparatus for the liquefaction of hydrogen, preferably integrated with the cryogenic separation of a mixture of carbon monoxide and hydrogen.

La liquéfaction de l’hydrogène est décrite dans « Techniques de l’Ingénieur », chapitre de Jean Gallarda, J3603.Hydrogen liquefaction is described in “Engineering Techniques”, chapter by Jean Gallarda, J3603.

L’hydrogène est refroidi puis liquéfié en trois étapes :The hydrogen is cooled and then liquefied in three stages:

  • De la température ambiante jusqu’à 230K par un groupe frigorifiqueFrom ambient temperature up to 230K by a refrigeration unit
  • De 230K à environ 80K par un premier cycle frigorifiqueFrom 230K to about 80K by a first refrigeration cycle
  • D’environ 80K à environ 20 K par un deuxième cycle frigorifiqueFrom about 80K to about 20K by a second refrigeration cycle

L’échange de chaleur entre 300K et 20K se fait par intermédiaire d’échangeurs à plaques multi-passages en aluminium brasé.The heat exchange between 300K and 20K is done through brazed aluminum multi-passage plate heat exchangers.

Les passages correspondant au flux de gaz à liquéfier contiennent du catalyseur et permettent d’effectuer une conversion continue de l’hydrogène jusqu’à attendre une teneur supérieure à 95% en para-hydrogène.The passages corresponding to the flow of gas to be liquefied contain catalyst and allow continuous conversion of hydrogen until a para-hydrogen content greater than 95% is reached.

Le refroidissement jusqu’à environ 80K s’effectue dans une enceinte isolée thermiquement par de la perlite. Ce refroidissement, appelé prérefroidissement, s’effectue à l’aide d’un cycle d’azote fermé ou avec le froid d’un rajout de liquide cryogénique (généralement de l’azote liquide) appelé en français « biberonnage », les deux consommant beaucoup d’énergie.The cooling down to approximately 80K is carried out in an enclosure thermally insulated with perlite. This cooling, called pre-cooling, is carried out using a closed nitrogen cycle or with the cold of an addition of cryogenic liquid (generally liquid nitrogen) called in French "biberonnage", both consuming lot of energy.

Le refroidissement d’environ 80K à 20K s’effectue dans une enceinte sous vide entretenue à environ 10-6mm Hg, les équipements de l’enceinte étant entourés d’isolation multicouches. Ce refroidissement qui comprend la liquéfaction est réalisé à l’aide d’un cycle d’hydrogène ou d’hélium. Un cycle d’azote, en particulier, ne pourrait être utilisé à des températures aussi basses.Cooling from approximately 80K to 20K takes place in a vacuum enclosure maintained at approximately 10 -6 mm Hg, with the equipment in the enclosure surrounded by multi-layer insulation. This cooling, which includes liquefaction, is carried out using a hydrogen or helium cycle. A nitrogen cycle, in particular, could not be used at such low temperatures.

Un but de la présente invention est de réduire la consommation en énergie du procédé et éventuellement d’éliminer une partie de l’équipement en éliminant l’étape de préfroidissement.An object of the present invention is to reduce the energy consumption of the process and possibly to eliminate part of the equipment by eliminating the precooling step.

Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d’hydrogène dans lequel :According to one object of the invention, there is provided a hydrogen liquefaction process in which:

  1. On envoie un gaz riche en hydrogène provenant d’un appareil de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle, le gaz sortant de l’appareil de séparation à une température d’au plus 103K contenant au moins 99,9% mol d’hydrogène, de préférence au moins 99.99%, mol d’hydrogène voire au moins 99,999% mol d’hydrogène et à une pression entre 20 et 30 bars à un liquéfacteur d’hydrogène, sans avoir réchauffé le gaz riche en hydrogène à une température au-dessus de 0°C, de préférence au-dessus de -50°C, voire au-dessus de -100°C.A hydrogen-rich gas is sent from a separation apparatus by distillation and/or exhaustion and/or partial condensation, the gas leaving the separation apparatus at a temperature of at most 103K containing at least 99.9% mol of hydrogen, preferably at least 99.99%, mol of hydrogen or even at least 99.999% mol of hydrogen and at a pressure between 20 and 30 bars to a hydrogen liquefier, without having heated the hydrogen-rich gas to a temperature above 0°C, preferably above -50°C, or even above -100°C.
  2. On refroidit le gaz riche en hydrogène à partir de la température d’au plus 103K et à la pression entre 20 et 30 bars dans un premier échangeur de chaleur du liquéfacteur et on le liquéfie pour former de l’hydrogène liquide.The hydrogen-rich gas is cooled from the temperature of at most 103K and at the pressure between 20 and 30 bars in a first heat exchanger of the liquefier and liquefied to form liquid hydrogen.

Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d’hydrogène intégré avec la séparation cryogénique d’un mélange d’hydrogène et d’un autre composant dans lequel on refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur auxiliaire jusqu’à au moins 120K, on sépare le mélange refroidi par condensation partielle et/ou par distillation et/ou par épuisement à une température en dessous de 120K pour produire un débit riche en hydrogène contenant au moins une impureté à entre 20 et 30 bars et on épure le débit riche en hydrogène à une température cryogénique d’au plus 103K pour réduire sa teneur en l’au moins une impureté pour former le gaz riche en hydrogène de l’étape i).According to one object of the invention, there is provided a process for the liquefaction of hydrogen integrated with the cryogenic separation of a mixture of hydrogen and of another component in which the mixture is cooled in an auxiliary heat exchanger until at least 120K, the cooled mixture is separated by partial condensation and/or by distillation and/or by exhaustion at a temperature below 120K to produce a flow rich in hydrogen containing at least one impurity at between 20 and 30 bars and purifies the hydrogen-rich stream at a cryogenic temperature of at most 103K to reduce its content of the at least one impurity to form the hydrogen-rich gas of step i).

Selon d’autres aspects facultatifs de l’invention qui peuvent être combinés de toute manière compatible avec la science et la logique :According to other optional aspects of the invention which may be combined in any manner compatible with science and logic:

  • le gaz riche en hydrogène est épuré par adsorption pour enlever l’au moins une impureté qui est du monoxyde de carbone et/ou de l’azote et/ou méthane.the hydrogen-rich gas is purified by adsorption to remove the at least one impurity which is carbon monoxide and/or nitrogen and/or methane.
  • le mélange comprend comme composants principaux l’hydrogène et le monoxyde de carbone et éventuellement le méthane et/ou l’azote.the mixture comprises as main components hydrogen and carbon monoxide and possibly methane and/or nitrogen.
  • le gaz riche en hydrogène est soutiré d’une colonne de distillation ou d’épuisement ou d’un séparateur de phases, ladite colonne ou séparateur opérant à entre 20 et 30 bars abs.the hydrogen-rich gas is withdrawn from a distillation or stripping column or from a phase separator, said column or separator operating at between 20 and 30 bars abs.
  • le procédé est tenu en froid au moins partiellement par un cycle de réfrigération, le fluide du cycle se réchauffant et se refroidissant dans le premier échangeur de chaleur et éventuellement dans un deuxième échangeur de chaleur.the process is kept cold at least partially by a refrigeration cycle, the cycle fluid being heated and cooled in the first heat exchanger and optionally in a second heat exchanger.
  • l’hydrogène liquéfié est stocké dans un stockage dont le gaz d’évaporation est réchauffé dans le premier et le deuxième échangeur de chaleur.the liquefied hydrogen is stored in a storage whose boil-off gas is heated in the first and second heat exchangers.
  • le gaz riche en hydrogène se liquéfie dans le premier échangeur de chaleur ou en aval de celui-ci à l’intérieur d’une première enceinte isolée et on sépare le mélange et éventuellement on épure le débit riche en hydrogène à l’intérieur d’une deuxième enceinte isolée.the hydrogen-rich gas liquefies in the first heat exchanger or downstream thereof inside a first insulated enclosure and the mixture is separated and optionally the hydrogen-rich flow is purified inside a second insulated enclosure.
  • le gaz riche en hydrogène est mélangé avec un débit riche en hydrogène ayant substantiellement la même pression, température et composition et le mélange est liquéfié dans le premier échangeur de chaleur ou après refroidissement dans le premier échangeur de chaleur.the hydrogen-rich gas is mixed with a hydrogen-rich stream having substantially the same pressure, temperature and composition and the mixture is liquefied in the first heat exchanger or after cooling in the first heat exchanger.
  • le débit riche en hydrogène se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur et ensuite est mélangé avec le gaz riche en hydrogène.the hydrogen-rich stream cools in the second heat exchanger and then is mixed with the hydrogen-rich gas.
  • le gaz riche en hydrogène n’est pas mélangé avec un autre gaz en amont du premier échangeur de chaleur.the hydrogen-rich gas is not mixed with another gas upstream of the first heat exchanger.

Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d’hydrogène comprenant un liquéfacteur comprenant un premier échangeur de chaleur, un appareil de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle, des moyens pour envoyer un gaz riche en hydrogène provenant de l’appareil de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle à une température d’au plus 103K contenant au moins 99,9% mol d’hydrogène, de préférence au moins 99.99%, mol d’hydrogène voire au moins 99,999% mol d’hydrogène et à une pression entre 20 et 30 bars au liquéfacteur d’hydrogène, sans avoir réchauffé le gaz riche en hydrogène à une température au-dessus de 0°C et des moyens pour envoyer le gaz riche en hydrogène se refroidir à partir de la température d’au plus 103K et à la pression entre 20 et 30 bars dans le premier échangeur de chaleur et des moyens pour liquéfier le gaz refroidi pour former de l’hydrogène liquide.According to another object of the invention, there is provided a hydrogen liquefaction apparatus comprising a liquefier comprising a first heat exchanger, a separation apparatus by distillation and/or exhaustion and/or partial condensation, means for sending a hydrogen-rich gas originating from the apparatus for separation by distillation and/or stripping and/or partial condensation at a temperature of at most 103K containing at least 99.9% mol of hydrogen, preferably at least 99.99%, mol of hydrogen or even at least 99.999% mol of hydrogen and at a pressure between 20 and 30 bars in the hydrogen liquefier, without having heated the hydrogen-rich gas to a temperature above 0°C and means for sending the hydrogen-rich gas will be cooled from the temperature of at most 103K and at the pressure between 20 and 30 bars in the first heat exchanger and means for liquefying the cooled gas to form liquid hydrogen.

Le liquéfacteur peut comprendre un deuxième échangeur de chaleur pour refroidir un autre débit d’hydrogène qui sera mélangé avec celui provenant de l’appareil de séparation ou ne peut comprendre que le premier échangeur de chaleur pour refroidir un gaz à liquéfier.The liquefier may include a second heat exchanger to cool another flow of hydrogen which will be mixed with that coming from the separation device or may only include the first heat exchanger to cool a gas to be liquefied.

En alimentant le procédé de liquéfaction avec un gaz riche en hydrogène disponible à la pression et à la température requises, il est possible de réduire la taille de l’échangeur de chaleur du préfroidissement voire de l’éliminer complètement si tout le gaz d’alimentation vient d’une source extérieure déjà la bonne pression et la bonne température.By feeding the liquefaction process with a hydrogen-rich gas available at the required pressure and temperature, it is possible to reduce the size of the precooling heat exchanger or even eliminate it altogether if all the feed gas comes from an external source already the right pressure and the right temperature.

Les moyens pour liquéfier le gaz refroidi pour former de l’hydrogène liquide peuvent être constitués par le premier échangeur de chaleur et/ou par des moyens de détente en aval de celui-ci.The means for liquefying the cooled gas to form liquid hydrogen can be constituted by the first heat exchanger and/or by expansion means downstream of the latter.

Les moyens de détente sont de préférence localisés dans la même enceinte isolée que l’échangeur de chaleur mais peuvent se trouver dans une enceinte thermiquement isolée dédiée.The expansion means are preferably located in the same insulated enclosure as the heat exchanger but may be in a dedicated thermally insulated enclosure.

L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures.The invention will be described in more detail with reference to the figures.

illustre un procédé de séparation cryogénique pour produire de l’hydrogène. illustrates a cryogenic separation process to produce hydrogen.

et illustrent très schématiquement des procédés de liquéfaction d’hydrogène provenant, par exemple, du procédé de la . And very schematically illustrate hydrogen liquefaction processes originating, for example, from the process of .

montre un procédé utilisant un séparateur de phase 9, une colonne de lavage au méthane 15, une colonne d’épuisement 25 et une colonne de séparation de monoxyde de carbone et de méthane 45, contenant par exemple des garnissages structurés pour les colonnes et capables de fonctionner à des températures cryogéniques. shows a process using a phase separator 9, a methane washing column 15, a stripping column 25 and a carbon monoxide and methane separation column 45, containing for example structured packings for the columns and capable of operate at cryogenic temperatures.

Le gaz de synthèse 1 contenant du monoxyde de carbone, du méthane et du monoxyde de carbone est épuré en eau et/ou en dioxyde de carbone dans l’unité d’épuration 3 avant d’arriver à l’échangeur de chaleur 7 où il se refroidit jusqu’à une température cryogénique et se condense partiellement.The syngas 1 containing carbon monoxide, methane and carbon monoxide is purified into water and/or carbon dioxide in the purification unit 3 before arriving at the heat exchanger 7 where it cools to cryogenic temperature and partially condenses.

Les deux phases sont séparées dans un séparateur de phases 9, pour former un gaz 11 enrichi en hydrogène et un liquide appauvri en hydrogène 13. Le gaz 11 est envoyé en cuve de la colonne de lavage au méthane 15 qui produit un gaz 19 enrichi en hydrogène qui se réchauffe dans l’échangeur. Une partie de ce gaz 19 sert à régénérer l’unité d’épuration 3.The two phases are separated in a phase separator 9, to form a gas 11 enriched in hydrogen and a liquid depleted in hydrogen 13. The gas 11 is sent to the bottom of the methane scrubbing column 15 which produces a gas 19 enriched in hydrogen which heats up in the exchanger. Part of this gas 19 is used to regenerate the purification unit 3.

Au moins un gaz intermédiaire 210, 211 soutiré de la colonne 15 est refroidi dans un échangeur de chaleur 23 par échange de chaleur avec un fluide du procédé, ici le liquide 51.At least one intermediate gas 210, 211 withdrawn from column 15 is cooled in a heat exchanger 23 by heat exchange with a process fluid, here the liquid 51.

Le liquide de cuve 17 de la colonne 15 rejoint le liquide 13 du séparateur 9 et le mélange 91 contenant entre 1 et 3% mol d’hydrogène est envoyé en tête d’une colonne d’épuisement 25. Un gaz de tête 27 de la colonne d’épuisement contient au moins 95% mol d’hydrogène ainsi que du monoxyde de carbone, de l’azote et du méthane. Il se trouve à entre 20 et 30 bars qui est la pression d’opération de la colonne 25 et a une température entre 103 et 120K. Le gaz 27 n’est pas réchauffé mais est épuré dans une unité d’adsorption 29 fonctionnant à des températures cryogéniques pour enlever le monoxyde de carbone et/ou le méthane et/ou l’azote pour fournir un gaz 31 capable d’être liquéfié contenant au moins 99,9% mol d’hydrogène de préférence au moins 99.99%, mol d’hydrogène voire au moins 99,999% mol d’hydrogène. Une épuration de ce genre est décrite dans « The low temperature removal of small quantities of nitrogen or methane from hydrogen gas by physical adsorption on a synthetic zeolite », Kidnay et al, AIChE Journal, Vol 12, no. 1, janvier 1966.Bottom liquid 17 from column 15 joins liquid 13 from separator 9 and mixture 91 containing between 1 and 3% mol of hydrogen is sent to the top of a stripping column 25. A top gas 27 from the stripping column contains at least 95% mol of hydrogen as well as carbon monoxide, nitrogen and methane. It is between 20 and 30 bars which is the operating pressure of column 25 and has a temperature between 103 and 120K. The gas 27 is not heated but is purified in an adsorption unit 29 operating at cryogenic temperatures to remove carbon monoxide and/or methane and/or nitrogen to provide a gas 31 capable of being liquefied. containing at least 99.9% mol of hydrogen, preferably at least 99.99% mol of hydrogen or even at least 99.999% mol of hydrogen. A purification of this type is described in "The low temperature removal of small quantities of nitrogen or methane from hydrogen gas by physical adsorption on a synthetic zeolite", Kidnay et al, AIChE Journal, Vol 12, no. 1, January 1966.

Un liquide 33 pris en cuve de la colonne d’épuisement 25 se refroidit dans l’échanger 7 et est envoyé à la colonne de séparation 45. Une autre partie du même liquide 35 se vaporise dans un rebouilleur de cuve 37 et est renvoyé en cuve de la colonne d’épuisement.A liquid 33 taken from the bottom of the stripping column 25 is cooled in the exchanger 7 and is sent to the separation column 45. Another part of the same liquid 35 vaporizes in a bottom reboiler 37 and is returned to the bottom. of the exhaustion column.

La colonne de séparation comprend plusieurs sections de séparation par distillation et éventuellement une capacité 99. Elle a un rebouilleur de cuve 73 qui sert à chauffer le liquide de cuve 75, le gaz formé étant renvoyé à la cuve. Le liquide de cuve 77 enrichi en méthane est divisé en deux. Une partie 83 se vaporise dans l’échangeur 7 pour former du carburant. Le reste 85 est pressurisée par une pompe 87 et est envoyé en tête de la colonne de lavage 15.The separation column comprises several distillation separation sections and optionally a capacity 99. It has a bottom reboiler 73 which is used to heat the bottom liquid 75, the gas formed being returned to the bottom. The bottom liquid 77 enriched in methane is divided into two. Part 83 vaporizes in exchanger 7 to form fuel. The rest 85 is pressurized by a pump 87 and is sent to the top of the washing column 15.

Le gaz de tête de la colonne 43 enrichi en monoxyde de carbone est envoyé à un compresseur de produit 57 qui produit un gaz enrichi en monoxyde de carbone 57. Une partie du gaz enrichi en monoxyde de carbone 61 est refroidie et se divise en deux. Une partie 65 est détendue dans une turbine 67 pour fournir du froid. Le gaz détendu 89 est renvoyé à l’entrée du compresseur 57. Le reste du gaz 69 poursuit son refroidissement dans l’échangeur 7 et sert à réchauffer les rebouilleurs 73 et 37 (débits 93 et 73). Le gaz ayant servi pour le rebouillage est ainsi partiellement condensé et alimente comme débit 97 la capacité 99 en tête de la colonne de séparation 45. Le gaz 41 de la capacité 99 alimente le compresseur 57. Le liquide 47 de la capacité 99 est envoyé à un séparateur de phases 49, le liquide 51 du séparateur sert de fluide frigorigène dans l’échangeur de chaleur 23 pour refroidir les gaz intermédiaires 21A,21B,21C ainsi que le gaz de tête 27 de la colonne d’épuisement.The overhead gas from column 43 enriched in carbon monoxide is sent to a product compressor 57 which produces a gas enriched in carbon monoxide 57. A portion of the gas enriched in carbon monoxide 61 is cooled and splits into two. Part 65 is expanded in a turbine 67 to supply cold. The expanded gas 89 is returned to the inlet of the compressor 57. The rest of the gas 69 continues its cooling in the exchanger 7 and is used to heat the reboilers 73 and 37 (flows 93 and 73). The gas used for the reboiling is thus partially condensed and supplies as flow 97 capacity 99 at the top of separation column 45. Gas 41 from capacity 99 supplies compressor 57. Liquid 47 from capacity 99 is sent to a phase separator 49, the liquid 51 from the separator serves as refrigerant in the heat exchanger 23 to cool the intermediate gases 21A, 21B, 21C as well as the top gas 27 of the stripping column.

Un liquide soutiré de la section de séparation de la colonne de séparation peut remplacer le liquide 47 ou un autre liquide du procédé.A liquid withdrawn from the separation section of the separation column can replace liquid 47 or another process liquid.

Il sera compris qu’il existe beaucoup de procédés permettant de séparer un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone comme composants principaux, contenant éventuellement aussi de l’azote et/ou du méthane. Si ces procédés permettent de produire de l’hydrogène a une température cryogénique et à une pression compatible avec celles du liquéfacteur, l’hydrogène produit peut-être épuré à température cryogénique et envoyé au liquéfacteur comme gaz d’alimentation, éventuellement seul gaz d’alimentation.It will be understood that there are many methods for separating a mixture of hydrogen and carbon monoxide as main components, possibly also containing nitrogen and/or methane. If these processes make it possible to produce hydrogen at a cryogenic temperature and at a pressure compatible with those of the liquefier, the hydrogen produced may be purified at cryogenic temperature and sent to the liquefier as feed gas, possibly as the only supply gas. feed.

Par exemple, l’hydrogène 27 peut être produit par un séparateur de phases à entre 20 et 30 bars abs dans un procédé de condensation partielle associée ou pas à une distillation.For example, hydrogen 27 can be produced by a phase separator at between 20 and 30 bar abs in a partial condensation process associated or not with distillation.

D’autres procédés de séparation sont également capables de fournir de l’hydrogène à une température cryogénique et à une pression entre 20 et 30 bars, par exemple la séparation de gaz de purge d’un procédé de production d’ammoniac.Other separation processes are also capable of supplying hydrogen at cryogenic temperature and pressure between 20 and 30 bar, for example the separation of purge gas from an ammonia production process.

Comme l’hydrogène sort de l’enceinte du procédé froid à basse température, un complément de frigories devra être apporté par rapport à un procédé où l’hydrogène se réchauffe jusqu’à la température ambiante. Ceci est réalisé en augmentant la production de frigories. Pour le cas d’une séparation cryogénique de monoxyde de carbone et d’hydrogène il est nécessaire de grossir le débit de cycle CO (ou N2).As the hydrogen leaves the enclosure of the cold process at low temperature, additional cold will have to be provided compared to a process where the hydrogen heats up to ambient temperature. This is achieved by increasing the production of frigories. For the case of a cryogenic separation of carbon monoxide and hydrogen, it is necessary to increase the flow rate of the CO (or N2) cycle.

L’hydrogène produit à basse température et à une pression entre 20 et 30 bars peut être épuré dans l’enceinte isolée thermiquement dans laquelle se trouve la colonne de séparation et/ou le séparateur de phases dont il provient. Sinon et en particulier dans le cas de la modification d’un appareil existant, l’hydrogène peut sortir de l’enceinte où se trouve la colonne de séparation et/ou le séparateur de phases dont il provient et être envoyé par au moins une conduite isolée thermiquement dans une enceinte 102 contenant l’appareil d’épuration pour réduire sa teneur en impuretés, par exemple au moins un de monoxyde de carbone, méthane et azote.The hydrogen produced at low temperature and at a pressure between 20 and 30 bars can be purified in the thermally insulated enclosure in which the separation column and/or the phase separator from which it comes is located. Otherwise, and in particular in the case of the modification of an existing apparatus, the hydrogen can leave the enclosure where the separation column and/or the phase separator from which it comes and be sent by at least one pipe thermally insulated in an enclosure 102 containing the purification device to reduce its content of impurities, for example at least one of carbon monoxide, methane and nitrogen.

La purification “froide” est une étape nécessaire afin d’éliminer toutes les impuretés qui pourraient geler le long de la ligne d’échange qui descend jusqu’à approximativement 20K, et par conséquent boucher les échangeurs de chaleur.The “cold” purification is a necessary step in order to eliminate all the impurities which could freeze along the exchange line which goes down to approximately 20K, and consequently clog the heat exchangers.

[Tab. 1] Pureté molaire moyen avant épuration Gamme de puretés possibles avant épuration Pureté après épuration H2 98% 95% à 99% > 99.999% CO 0.4% ppm à 1% < 10 ppb CH4 1.2% 0.5% à 3% < 10 ppb N2 0.4% ppm to 1% < 10 ppb [tab. 1] Average molar purity before purification Range of possible purities before purification Purity after purification H2 98% 95% to 99% > 99.999% CO 0.4% ppm at 1% < 10 ppb CH 4 1.2% 0.5% to 3% < 10 ppb # 2 0.4% ppm to 1% < 10 ppb

La purification de l’hydrogène gazeux avec une unité d’adsorption à température modulée de type TSA (« Temperature Swing Adsorption »] est normalement possible à 80K (où la capacité d'adsorption est élevée. Enlever 2%, voire même 1% d’impuretés implique des cycles courts (de quelques heures) et un débit de régénération élevé.Purification of hydrogen gas with a TSA (Temperature Swing Adsorption) type temperature swing adsorption unit is normally possible at 80K (where the adsorption capacity is high. Removing 2% or even 1% of impurities involves short cycles (a few hours) and a high regeneration rate.

montre une première variante du procédé selon l’invention où le débit 27 de la alimente un procédé de liquéfaction comme seul fluide d’alimentation. shows a first variant of the method according to the invention where the flow rate 27 of the feeds a liquefaction process as the only feed fluid.

L’hydrogène épuré gazeux 27 sort soit de l’enceinte E isolée thermiquement dans laquelle se trouve la colonne de séparation et/ou le séparateur de phases C dont il provient soit d’une enceinte dédiée d’épuration 102 à une pression entre 20 et 30 bars abs.The gaseous purified hydrogen 27 leaves either the thermally insulated enclosure E in which the separation column and/or the phase separator C is located, from which it comes, or from a dedicated purification enclosure 102 at a pressure between 20 and 30 bar abs.

Sans être réchauffé à une température au-dessus de 0°C, de préférence au-dessus de -50°C, voire au-dessus de -100°C, voire sans avoir été réchauffé du tout et de préférence sans être comprimé, il passe par au moins une conduite isolée thermiquement dans une autre enceinte 104 isolée thermiquement où il sera liquéfié.Without being heated to a temperature above 0°C, preferably above -50°C, or even above -100°C, or even without having been heated at all and preferably without being compressed, it passes through at least one thermally insulated pipe into another thermally insulated enclosure 104 where it will be liquefied.

Cette enceinte 104 contient un échangeur de chaleur 101 à plaque multi-passages en aluminium brasé.This enclosure 104 contains a brazed aluminum multi-passage plate heat exchanger 101 .

Les passages correspondant au flux de gaz à liquéfier contiennent du catalyseur et permettent d’effectuer une conversion continue de l’hydrogène jusqu’à attendre une teneur supérieure à 95% en para-hydrogène.The passages corresponding to the flow of gas to be liquefied contain catalyst and allow continuous conversion of hydrogen until a para-hydrogen content greater than 95% is reached.

L’enceinte 104 est sous vide entretenu à environ 10-6mm Hg, les équipements à l’intérieur de l’enceinte étant entourés d’isolation multicouches. Ce refroidissement qui s’y effectue comprend la liquéfaction et est réalisé à l’aide d’un cycle d’hydrogène ou d’hélium.The enclosure 104 is under vacuum maintained at approximately 10 -6 mm Hg, the equipment inside the enclosure being surrounded by multilayer insulation. This cooling that takes place there includes liquefaction and is carried out using a hydrogen or helium cycle.

L’échangeur 101 peut contenir simplement au moins un passage pour refroidir et liquéfier l’hydrogène, tout l’hydrogène étant produit sous forme liquide et enlevé comme produit 111, ainsi que les passages nécessaires au cycle ou cycles de réfrigération.The exchanger 101 may simply contain at least one passage for cooling and liquefying the hydrogen, all the hydrogen being produced in liquid form and removed as product 111, as well as the passages necessary for the refrigeration cycle or cycles.

L’hydrogène épuré peut être introduit au bout chaud de l’échangeur de chaleur 101.The purified hydrogen can be introduced at the hot end of the heat exchanger 101.

Il sera donc compris que si l’hydrogène épuré est la seule source d’hydrogène à liquéfier ou si tout l’hydrogène à liquéfier est disponible à la température de l’hydrogène épurer, aucun prérefroidissement ne sera nécessaire et le deuxième échangeur classique pour refroidir l’hydrogène jusqu’à 120K environ avec son cycle d’azote ou autre réfrigérant ne sera pas requis.It will therefore be understood that if the purified hydrogen is the only source of hydrogen to be liquefied or if all the hydrogen to be liquefied is available at the temperature of the hydrogen to be purified, no precooling will be necessary and the second conventional exchanger to cool hydrogen up to around 120K with its nitrogen cycle or other refrigerant will not be required.

En d’autres cas, tel qu’illustré à la , le deuxième échangeur 103 sera présent mais de préférence l’hydrogène épuré 27 venant de la séparation à basse température sera mélangé avec l’hydrogène 127 refroidi dans le deuxième échangeur en dehors de l’enceinte 106 du deuxième échangeur 103 et ensuite le mélange formé sera refroidi dans l’échangeur de chaleur 101 de liquéfaction à l’intérieur de l’enceinte 104.In other cases, as illustrated in , the second exchanger 103 will be present but preferably the purified hydrogen 27 coming from the low temperature separation will be mixed with the hydrogen 127 cooled in the second exchanger outside the enclosure 106 of the second exchanger 103 and then the mixture formed will be cooled in the liquefaction heat exchanger 101 inside the enclosure 104.

Le détail des cycles de refroidissement n’est pas donné pour les échangeurs 101, 103 des figures, ces cycles étant abondamment décrits dans la littérature par exemple « Principles for the liquefaction of hydrogen with emphasis on precooling processes » de Walnum et al, IIR Conference, 2012, Berstad, D.O., J.H. Stang, and P. Nekså, Large-scale hydrogen liquefier utilising mixed-refrigerant pre-cooling. International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(10): p. 4512-4523, Quack, H. Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquefier. in ADVANCES IN CRYOGENIC ENGINEERING: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference - CEC. 2002. Madison, Wisconsin (USA): AIP, EP3339605, EP3368630, EP3368631, EP3368844, EP3368845 et EP3759192.The detail of the cooling cycles is not given for the exchangers 101, 103 of the figures, these cycles being abundantly described in the literature for example "Principles for the liquefaction of hydrogen with emphasis on precooling processes" by Walnum et al, IIR Conference , 2012, Berstad, D.O., J.H. Stang, and P. Nekså, Large-scale hydrogen liquefier using mixed-refrigerant pre-cooling. International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(10): p. 4512-4523, Quack, H. Conceptual design of a high efficiency large capacity hydrogen liquefier. in ADVANCES IN CRYOGENIC ENGINEERING: Proceedings of the Cryogenic Engineering Conference - CEC. 2002. Madison, Wisconsin (USA): AIP, EP3339605, EP3368630, EP3368631, EP3368844, EP3368845 and EP3759192.

La liquéfaction d’hydrogène en tant que telle, habituellement portée par le cycle H2, peut être :Hydrogen liquefaction as such, usually driven by the H2 cycle, can be:

  • a) soit directement faite avec le surplus d’hydrogène gazeux qui ne sera pas liquéfié (approximativement 5000 Nm3/h à 29 bars peuvent être liquéfiés par 50000 Nm3/h d’hydrogène à la même pression). Dans ce cas, cet hydrogène excédentaire (et ultra pur → pas de PSA requis) peut être renvoyé au client à basse pression ou partiellement à moyenne pression à 6 bara par exemple ou, en rajoutant une compresseur d’hydrogène, à des pressions d’au moins 20+bara )a) either made directly with the excess hydrogen gas which will not be liquefied (approximately 5000 Nm 3 /h at 29 bars can be liquefied by 50000 Nm 3 /h of hydrogen at the same pressure). In this case, this excess hydrogen (and ultra pure → no PSA required) can be returned to the customer at low pressure or partially at medium pressure at 6 bara for example or, by adding a hydrogen compressor, at pressures of at least 20+bara)
  • b1) soit via un cycle H2 indépendant, par exemple où une grande quantité d’hydrogène liquide est souhaitéeb1) or via an independent H2 cycle, for example where a large quantity of liquid hydrogen is desired
  • b2) soit via un cycle He indépendantb2) or via an independent He cycle

L’invention peut également être utilisée en modifiant un appareil de séparation de gaz de synthèse existant. Il faudrait prévoir d’augmenter la taille du cycle de réfrigération, la taille des turbines et la taille des refroidisseurs de compresseurs de cycle.The invention can also be used by modifying an existing synthesis gas separation apparatus. Consideration should be given to increasing the size of the refrigeration cycle, the size of the turbines and the size of the cycle compressor coolers.

L’usage d’un biberonnage d’azote liquide peut permettre de fournir les frigories nécessaires pour soutirer un des produits principaux à température subambiante.The use of liquid nitrogen bottle feeding can provide the cold temperatures necessary to extract one of the main products at subambient temperature.

Eventuellement le gaz de synthèse 1 peut se refroidir au moins partiellement dans l’échangeur de chaleur 103 en amont de la séparation.Possibly the synthesis gas 1 can be cooled at least partially in the heat exchanger 103 upstream of the separation.

Eventuellement au moins une partie de l’appareil de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle peut être disposée dans la même enceinte thermiquement isolée que le deuxième échangeur de chaleur.Optionally at least part of the apparatus for separation by distillation and/or exhaustion and/or partial condensation can be arranged in the same thermally insulated enclosure as the second heat exchanger.

L’hydrogène à liquéfier est habituellement détendu en fin de refroidissement dans une turbine et/ou une vanne. Cette dernière étape n’est pas illustrée.The hydrogen to be liquefied is usually expanded at the end of cooling in a turbine and/or a valve. This last step is not illustrated.

Claims (12)

Procédé de liquéfaction d’hydrogène dans lequel
  1. On envoie un gaz riche en hydrogène (27) provenant d’un appareil de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle, le gaz sortant de l’appareil de séparation à une température d’au plus 103K contenant au moins 99,9% mol d’hydrogène, de préférence au moins 99.99%, mol d’hydrogène voire au moins 99,999% mol d’hydrogène et à une pression entre 20 et 30 bars à un liquéfacteur d’hydrogène, sans avoir réchauffé le gaz riche en hydrogène à une température au-dessus de 0°C.
  2. On refroidit le gaz riche en hydrogène à partir de la température d’au plus 103K et à la pression entre 20 et 30 bars dans un premier échangeur de chaleur (101) du liquéfacteur et on le liquéfie pour former de l’hydrogène liquide.
Hydrogen liquefaction process in which
  1. A hydrogen-rich gas (27) is sent from a separation apparatus by distillation and/or exhaustion and/or partial condensation, the gas leaving the separation apparatus at a temperature of at most 103K containing at least 99 99.99% mol of hydrogen, preferably at least 99.99% mol of hydrogen or even at least 99.999% mol of hydrogen and at a pressure between 20 and 30 bars to a hydrogen liquefier, without having reheated the rich gas into hydrogen at a temperature above 0°C.
  2. The hydrogen-rich gas is cooled from the temperature of at most 103K and at the pressure between 20 and 30 bars in a first heat exchanger (101) of the liquefier and liquefied to form liquid hydrogen.
Procédé de liquéfaction d’hydrogène selon la revendication 1 intégré avec la séparation cryogénique d’un mélange (1) d’hydrogène et d’un autre composant dans lequel on refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur auxiliaire (7) jusqu’à au moins 120K, on sépare le mélange refroidi par condensation partielle et/ou par distillation et/ou par épuisement à une température en dessous de 120K pour produire un débit riche en hydrogène contenant au moins une impureté à entre 20 et 30 bars et on épure le débit riche en hydrogène à une température cryogénique d’au plus 103K pour réduire sa teneur en l’au moins une impureté pour former le gaz riche en hydrogène de l’étape i).Process for the liquefaction of hydrogen according to claim 1 integrated with the cryogenic separation of a mixture (1) of hydrogen and of another component in which the mixture is cooled in an auxiliary heat exchanger (7) until at least minus 120K, the cooled mixture is separated by partial condensation and/or by distillation and/or by exhaustion at a temperature below 120K to produce a flow rich in hydrogen containing at least one impurity at between 20 and 30 bars and the hydrogen-rich flow at a cryogenic temperature of at most 103K to reduce its content of the at least one impurity to form the hydrogen-rich gas of step i). Procédé selon la revendication 2 dans lequel le gaz riche en hydrogène (27) est épuré par adsorption (102) pour enlever l’au moins une impureté qui est du monoxyde de carbone et/ou de l’azote et/ou méthane.Process according to Claim 2, in which the hydrogen-rich gas (27) is purified by adsorption (102) to remove the at least one impurity which is carbon monoxide and/or nitrogen and/or methane. Procédé selon la revendication 2 ou 3 où le mélange (1) comprend comme composants principaux l’hydrogène et le monoxyde de carbone et éventuellement le méthane et/ou l’azote.Process according to Claim 2 or 3, in which the mixture (1) comprises as main components hydrogen and carbon monoxide and optionally methane and/or nitrogen. Procédé selon la revendication 2,3 ou 4 où le gaz riche en hydrogène (27) est soutiré d’une colonne de distillation ou d’épuisement (C) ou d’un séparateur de phases, ladite colonne ou séparateur opérant à entre 20 et 30 bars abs.Process according to Claim 2, 3 or 4, in which the hydrogen-rich gas (27) is withdrawn from a distillation or stripping column (C) or from a phase separator, the said column or separator operating at between 20 and 30 bar abs. Procédé selon l’une des revendications 2 à 5 dans lequel le procédé est tenu en froid au moins partiellement par un cycle de réfrigération (105), le fluide du cycle se réchauffant et se refroidissant dans le premier échangeur de chaleur (101) et éventuellement dans un deuxième échangeur de chaleur (103).Process according to one of Claims 2 to 5, in which the process is kept cold at least partially by a refrigeration cycle (105), the cycle fluid being heated and cooled in the first heat exchanger (101) and optionally in a second heat exchanger (103). Procédé selon l’une des revendications 2 à 6 dans lequel l’hydrogène liquéfié est stocké dans un stockage dont le gaz d’évaporation est réchauffé dans le premier et le deuxième échangeur de chaleur (101, 103).Method according to one of Claims 2 to 6, in which the liquefied hydrogen is stored in a storage, the evaporation gas of which is heated in the first and the second heat exchanger (101, 103). Procédé selon l’une des revendications 2 à 7 dans lequel le gaz riche en hydrogène se liquéfie dans le premier échangeur de chaleur ou en aval de celui-ci à l’intérieur d’une première enceinte isolée (104) et on sépare le mélange et éventuellement on épure le débit riche en hydrogène à l’intérieur d’une deuxième enceinte isolée (E).Process according to one of Claims 2 to 7, in which the hydrogen-rich gas liquefies in the first heat exchanger or downstream thereof inside a first insulated enclosure (104) and the mixture is separated and optionally the hydrogen-rich flow is purified inside a second insulated enclosure (E). Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gaz riche en hydrogène (27) est mélangé avec un débit riche en hydrogène (127) ayant substantiellement la même pression, température et composition et le mélange est liquéfié dans le premier échangeur de chaleur (101) ou après refroidissement dans le premier échangeur de chaleur.Process according to one of the preceding claims, in which the hydrogen-rich gas (27) is mixed with a hydrogen-rich stream (127) having substantially the same pressure, temperature and composition and the mixture is liquefied in the first heat exchanger ( 101) or after cooling in the first heat exchanger. Procédé selon les revendications 6 et 9 dans lequel le débit riche en hydrogène (27) se refroidit dans le deuxième échangeur de chaleur (103) et ensuite est mélangé avec le gaz riche en hydrogène.A method according to claims 6 and 9 wherein the hydrogen-rich stream (27) cools in the second heat exchanger (103) and then is mixed with the hydrogen-rich gas. Procédé selon une des revendications 1 à 8 dans lequel le gaz riche en hydrogène (27) n’est pas mélangé avec un autre gaz en amont du premier échangeur de chaleur.Process according to one of Claims 1 to 8, in which the hydrogen-rich gas (27) is not mixed with another gas upstream of the first heat exchanger. Appareil de liquéfaction d’hydrogène comprenant un liquéfacteur comprenant un premier échangeur de chaleur (101), un appareil (102) de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle, des moyens pour envoyer un gaz riche en hydrogène (27) provenant de l’appareil de séparation par distillation et/ou épuisement et/ou condensation partielle à une température d’au plus 103K contenant au moins 99,9% mol d’hydrogène, de préférence au moins 99.99%, mol d’hydrogène voire au moins 99,999% mol d’hydrogène et à une pression entre 20 et 30 bars au liquéfacteur d’hydrogène, sans avoir réchauffé le gaz riche en hydrogène à une température au-dessus de 0°C et des moyens pour envoyer le gaz riche en hydrogène se refroidir à partir de la température d’au plus 103K et à la pression entre 20 et 30 bars dans le premier échangeur de chaleur et des moyens pour liquéfier le gaz refroidi pour former de l’hydrogène liquide.Hydrogen liquefaction apparatus comprising a liquefier comprising a first heat exchanger (101), an apparatus (102) for separation by distillation and/or exhaustion and/or partial condensation, means for sending a hydrogen-rich gas (27) coming from the apparatus for separation by distillation and/or exhaustion and/or partial condensation at a temperature of at most 103K containing at least 99.9% mol of hydrogen, preferably at least 99.99%, mol of hydrogen or even at least 99.999% mol of hydrogen and at a pressure between 20 and 30 bars to the hydrogen liquefier, without having reheated the hydrogen-rich gas to a temperature above 0°C and means for sending the gas rich in hydrogen will be cooled from the temperature of at most 103K and at the pressure between 20 and 30 bar in the first heat exchanger and means for liquefying the cooled gas to form liquid hydrogen.
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