FR3137308A1 - Dispositif et procédé de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un flux de fluide cible - Google Patents

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Abstract

TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE CAPTURE CRYOGÉNIQUE DE DIOXYDE DE CARBONE CONTENU DANS UN FLUX DE FLUIDE CIBLE Le dispositif (200) de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible, au moins partielle, comporte au moins :- un circuit de transport (210) d’un fluide cible,- un circuit fermé de circulation (240) d’un premier fluide réfrigérant,- un circuit d’acheminement (261) d’un deuxième fluide réfrigérant, - un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :- un premier échangeur thermique (215) de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant ;- un deuxième échangeur thermique (216) de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant ; et- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » (225) du dioxyde de carbone dans le fluide cible, configuré pour réaliser un échange thermique entre le fluide cible et au moins le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant. Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE CAPTURE CRYOGÉNIQUE DE DIOXYDE DE CARBONE CONTENU DANS UN FLUX DE FLUIDE CIBLE Domaine technique de l’invention
La présente invention vise un procédé et un dispositif de capture cryogénique de dioxyde de carbone. Elle s’applique, notamment, au domaine du traitement industriel de flux gazeux contenant du dioxyde de carbone.
 État de la technique
La capture de dioxyde de carbone (CO2) est une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre d’origine industrielle. Les flux contenant du CO2sont prétraités avant de faire l’objet d’une capture du CO2. Le CO2capturé peut être ensuite liquéfié pour son transport avant valorisation ou stockage.
Le procédé d’anti-sublimation pour la capture du dioxyde de carbone est connu de la personne du métier. Un tel procédé consiste à réaliser une cristallisation du CO2dans un échangeur de chaleur sans passer par la phase liquide.
Dans des procédés d’anti-sublimation connus, une réduction de la teneur en dioxyde de carbone des gaz d’échappement provenant d’une combustion fossile est réalisée. Notamment, dans de tels procédés, les frigories sont produites par une unité de séparation de l’air pour fournir en oxygène un système de combustion. De tels procédés sont ci-après surnommés « S1 ». Cependant, les procédés S1 posent la problématique d’une juxtaposition ou de l’implémentation à un système de séparation de l’air par distillation cryogénique afin de produire les frigories nécessaires à l’anti-sublimation du CO2.
Dans d’autres procédés connus, une étape d'extraction du dioxyde de carbone est réalisée dans un appareil destiné à la production d'énergie mécanique par anti-sublimation. De tels procédés sont ci-après surnommés « S2 ». Dans un tel procédé, le dioxyde de carbone est extrait des fumées provenant de la combustion d'hydrocarbures. Notamment, lors de la mise en œuvre de ce procédé, le mélange d’azote et de dioxyde de carbone est refroidi par une distillation fractionnée à cascade intégrée fournissant un mélange de fluide frigorigène composé au moins de méthane, d’éthane et de dioxyde de carbone. Cependant, les procédés S2 présentent l’inconvénient de mettre en place un système de réfrigération dit en cascade de mélange d’hydrocarbures effectué dans un grand nombre d’échangeurs.
Dans d’autres procédés connus, une étape d’anti-sublimation est mise en œuvre en deux étages de cristallisation, un étage étant réalisé dans un échangeur de chaleur par refroidissement et l’autre étage étant réalisé dans un module de détente suivie d’une séparation solide/gaz. De tels procédés sont ci-après surnommés « S3 ». Cependant, les procédés S3 ne permettent pas d’optimiser l’apport de frigories lors de l’étape d’anti-sublimation ou lorsqu’une étape de pré-refroidissement est réalisée.
Ainsi, toutes les solutions S1, S2 et S3 ont pour conséquence de complexifier le procédé par la multiplication des équipements ainsi que de limiter l’efficacité des échanges de chaleur et de la production de froid lors des étapes de pré-refroidissement et d’anti-sublimation. La mise en œuvre de ces procédés aboutit à des coûts économiques et énergétiques élevés.
Des solutions de l’art antérieur proposent également des procédés de production d’un gaz riche en CO2et d’un fluide pauvre en CO2grâce à une étape d’anti-sublimation réalisée sur le fluide pauvre en CO2. Notamment, lors de la mise en œuvre de tels procédés, un flux de CO2liquide à température cryogénique produit par échauffement ou pressurisation est recyclé pour céder tout ou partie de sa puissance frigorifique aux fluides refroidis dans la première partie du procédé avant cristallisation. De tels procédés sont ci-après surnommés « S4 ». Cependant, les procédés S4 excluent la récupération du CO2sous forme de liquide cryogénique. En effet, le CO2liquide cryogénique produit est recyclé et utilisé comme source de frigories lors de l’étape de pré-refroidissement impliquant son échauffement et donc sa vaporisation.
Des solutions de l’art antérieur proposent des procédés d’anti-sublimation par récupération de frigories provenant d’un gaz naturel liquéfié (d’acronyme « GNL ») (S5). Notamment, l’utilisation de deux boucles de réfrigération intermédiaire à l’aide d’un fluide caloporteur permet de transférer l’énergie thermique à basse température des frigories du gaz naturel liquéfié. De tels procédés sont ci-après surnommés « S5 ». D’autres solutions appliquent de tels procédés par récupération des frigories pour la purification d’un gaz à l’aide d’un mélange réfrigérant intermédiaire composé de méthane, d’éthane, de propane et de n-butane. De tels procédés sont ci-après surnommés « S6 ».
L’ensemble des procédés S5 et S6 présente la problématique de dépendance d’une présence de frigories disponibles. La présence de GNL ou de méthane liquéfié à proximité de l’unité conditionne le champ d’applicabilité du système. En effet, l’utilisation du GNL ou du méthane liquéfié n’est pas assurée en raison de la variabilité de l’approvisionnement et de l’émission du terminal méthanier en gaz naturel. Une telle dépendance pose le problème d’un fonctionnement continu, stable et robuste de l’unité de capture de CO2par anti-sublimation employant un cycle intermédiaire de refroidissement valorisant les flux de frigories de GNL.
Dans d’autres procédés d’anti-sublimation connus, une purification de gaz naturel par capture du CO2est décrite. Notamment, dans de tels procédés, une étape de liquéfaction du gaz naturel refroidi par un mélange réfrigérant et une étape d’anti-sublimation du CO2pour produire du GNL pressurisé sont réalisées. De tels procédés sont ci-après surnommés « S7 ». Cependant, les procédés S7 ne permettent pas de réaliser la seule anti-sublimation de CO2présent dans un gaz ne nécessitant pas d’être liquéfié.
Par ailleurs, la mise en place d’un système de mélange réfrigérant intégré s’est jusqu’alors limitée au contexte de la liquéfaction de l’azote, de l’hydrogène, du gaz naturel et à ce jour, aucun procédé n’a adapté ce concept à une anti-sublimation ciblée et spécifique du CO2.
Enfin, dans les solutions de l’art antérieur, lorsque l’anti-sublimation du CO2est réalisée par un refroidissement valorisant des frigories provenant du GNL, l’utilisation du GNL n’est pas assurée en raison de la variabilité de l’approvisionnement en GNL. Par exemple, cet approvisionnement en GNL dépend de l’émission d’un ensemble constitué d’une unité de méthanation produisant du gaz naturel suivi d’une liquéfaction d’un tel gaz. Cette dépendance à l’approvisionnement en GNL ne permet pas de fournir un fonctionnement continu, stable et robuste d’une unité de capture de CO2par anti-sublimation.
 Présentation de l’invention
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible, au moins partielle, qui comporte au moins :
- un circuit de transport d’un fluide cible,
- un circuit fermé de circulation d’un premier fluide réfrigérant,
- un circuit d’acheminement d’un deuxième fluide réfrigérant,
- un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :
- un premier échangeur thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant ;
- un deuxième échangeur thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant ; et
- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone dans le fluide cible, configuré pour réaliser un échange thermique entre le fluide cible, au moins le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant,
le circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant étant distinct du circuit d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant,
le circuit de transport du fluide cible étant configuré pour réaliser successivement un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation, et
le circuit de circulation du premier fluide réfrigérant étant configuré pour réaliser successivement un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet l’extraction d’une partie du CO2contenu dans un fluide cible, par exemple, un flux des fumées déshydratées. Un tel dispositif permet notamment la mise en œuvre d’un pré-refroidissement du fluide cible suivi d’une anti-sublimation du CO2contenu dans ce fluide cible, sans réaliser une condensation liquide du CO2. Notamment, un double apport de frigories provenant de deux fluides réfrigérants circulant dans deux circuits distincts est réalisé dans l’ensemble d’anti-sublimation du CO2. Ainsi l’échange thermique mis en œuvre dans l’ensemble d’anti-sublimation peut être réalisé avec un fluide réfrigérant, parmi le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant, et/ou un autre fluide réfrigérant distinct.
Par ailleurs, le dispositif permet de mettre en œuvre le circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant correspondant à un cycle d’apport de froid intégré. Un tel circuit de circulation fermé permet une participation du premier fluide réfrigérant aux différents échanges thermiques tout au long du circuit.
L’implémentation d’un tel cycle permet notamment d’intensifier les échanges thermiques, d’adapter et de contrôler les paliers de températures rencontrés au cours des étapes de pré-refroidissement et d’anti-sublimation du CO2à coûts énergétiques et économiques améliorés. Plus particulièrement, cette implémentation permet d’optimiser les échanges thermiques, et, par exemple, la puissance et donc le coût du compresseur. Ces optimisations permettent une simplification du dispositif.
Ainsi, un tel dispositif permet une amélioration du cycle d’apport de froid intégré et une optimisation de la capture du CO2par anti-sublimation. Une solution technique économique et flexible réduisant l’émission de gaz à effet de serre, par capture du CO2contenu dans un fluide cible, est donc fournie.
Enfin, la distinction des deux circuits de fluides réfrigérants dans le dispositif permet d’assurer l’inter-indépendance des circuits. Ainsi, le fonctionnement du procédé est assuré par le circuit fermé de circulation et/ou le circuit d’acheminement. Par exemple, lorsqu’un circuit de fluide réfrigérant puise ses frigories dans une source froide à disponibilité variable, l’autre circuit de fluide réfrigérant n’est pas impacté par la variabilité de disponibilité de cette source froide.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant est configuré pour réaliser, en amont du passage successif respectivement à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique, un autre passage successif respectivement à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet une intégration totale des branches aller et retour de la boucle du circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant dans les différents échanges thermiques mis en œuvre au sein des échangeurs. Ainsi, les différents échanges thermiques entre les différents fluides sont optimisés sans nécessiter de sources de frigories supplémentaires.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant comporte, de plus, au moins un moyen de détente du fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit de transport du fluide cible est configuré pour réaliser un deuxième passage dans au moins un échangeur thermique parmi le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet au fluide cible ayant subi l’anti-sublimation, tel qu’un flux de fumées incondensables, de recirculer dans au moins un échangeur thermique afin de céder ses frigories lors des échanges thermiques. Notamment, lorsqu’une recirculation du fluide cible est réalisée successivement dans l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique, un tel premier circuit de transport du fluide cible permet une participation du fluide cible aux différents échanges thermiques tout au long du circuit. Les différents échanges thermiques sont ainsi optimisés.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant est configuré pour réaliser un passage successif respectivement dans l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet une participation du deuxième fluide réfrigérant à l’apport des frigories nécessaires dans les trois échangeurs thermiques.
Dans des modes de réalisation optionnels, le dispositif comporte, de plus :
- un circuit de passage d’un troisième fluide réfrigérant, et
- un quatrième échangeur thermique entre le deuxième fluide réfrigérant et le troisième fluide réfrigérant, le deuxième fluide réfrigérant issu du quatrième échangeur thermique étant configuré pour être fourni à l’ensemble d’anti-sublimation.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet au deuxième fluide réfrigérant de récupérer des frigories provenant d’une source froide de nature variable correspondant au troisième fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation optionnels, le troisième fluide réfrigérant du circuit de passage comporte majoritairement du gaz naturel liquéfié.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet l’apport efficace des frigories nécessaires au fonctionnement des échangeurs thermiques par notamment l’utilisation du GNL. De plus, l’utilisation des frigories provenant du GNL permet de réduire le débit du premier fluide réfrigérant. Ainsi, les coûts économiques et énergétiques sont réduits lors de l’anti-sublimation du CO2réalisée par le dispositif.
Dans des modes de réalisation optionnels, le dispositif comporte, de plus, au moins :
- un moyen de détermination d’une capacité frigorifique d’au moins un fluide réfrigérant parmi le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant, et
- un moyen de régulation du débit du premier fluide réfrigérant et/ou du deuxième fluide réfrigérant en fonction de la capacité frigorifique déterminée.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet un asservissement du premier fluide réfrigérant et/ou du deuxième fluide réfrigérant en fonction de la capacité frigorifique du premier fluide réfrigérant et/ou du deuxième fluide. Notamment, le dispositif permet une adaptation constante des débits des fluides réfrigérants en fonction d’une capacité frigorifique. L’adaptabilité et la flexibilité du dispositif sont donc améliorées. Lorsque la capacité frigorifique des fluides réfrigérants dépend d’une source de frigories, par exemple d’un troisième fluide réfrigérant, l’adaptabilité du dispositif permet de pallier la fluctuation de cette source.
Dans des modes de réalisation optionnels, au moins un moyen de régulation est configuré pour réguler le débit du premier fluide réfrigérant et/ou du deuxième fluide réfrigérant.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet une adaptation constante des débits des fluides réfrigérants en fonction d’une capacité frigorifique et selon notamment des contraintes thermiques inhérentes aux éléments du dispositif.
Dans des modes de réalisation optionnels, le moyen de détermination détermine la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant en fonction d’une quantité du troisième fluide réfrigérant du circuit de passage.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet une adaptation en temps réel du débit du deuxième fluide réfrigérant en fonction de la quantité du troisième fluide réfrigérant fournie au dispositif. De plus, lorsque le débit du deuxième fluide réfrigérant conditionne le débit du premier fluide réfrigérant, le dispositif permet indirectement une adaptation en temps réel du débit du premier fluide réfrigérant en fonction de la quantité du troisième fluide réfrigérant. L’adaptabilité du dispositif permet donc de pallier la fluctuation de la quantité de troisième fluide réfrigérant. Ainsi, l’apport en frigories est constamment assuré au sein du dispositif. Autrement dit, l’apport en frigories, fixé par exemple selon les conditions d’utilisation du dispositif, réalisé par le premier, le deuxième et le troisième fluide réfrigérant est stable.
Dans des modes de réalisation optionnels, le dispositif comporte, de plus :
- un échangeur thermique complémentaire, appelé « moyen de fusion » du dioxyde de carbone anti-sublimé, et
- un récupérateur de dioxyde de carbone liquide issu du moyen de fusion.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet une fusion intégrée du CO2solide produit lors de l’anti-sublimation et permet donc la récupération de CO2sous forme liquide et extrait du fluide cible. La présence de CO2à l’état liquide facilite notamment son transport et permet, en aval, une valorisation ou un stockage du CO2liquide.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit de transport du fluide cible est configuré pour réaliser, en aval du passage à travers le premier échangeur thermique et en amont du passage dans le deuxième échangeur thermique, un passage dans le moyen de fusion.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet un pré-refroidissement supplémentaire du fluide cible, en amont du deuxième échangeur thermique et du moyen d’anti-sublimation, par un échange thermique réalisé dans le moyen de fusion. Les différents échanges thermiques sont ainsi optimisés.
Dans des modes de réalisation optionnels, le flux de fluide cible comporte majoritairement de l’azote.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet la capture par anti-sublimation du CO2contenu dans un flux comportant majoritairement de l’azote. Une telle capture est, par exemple, applicable à un fluide cible correspondant à un flux de fumées comportant majoritairement de l’azote, et notamment à un flux de fumées déshydratées comportant majoritairement de l’azote.
Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible, au moins partielle, qui comporte au moins :
- une étape de transport du fluide cible successivement à travers un premier échangeur thermique, un deuxième échangeur thermique et un troisième échangeur thermique appelé « ensemble d’anti-sublimation »,
- une étape de circulation du premier fluide réfrigérant successivement à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique, et
- une étape d’acheminement d’un deuxième fluide réfrigérant à travers l’ensemble d’anti-sublimation,
l’étape de circulation du premier fluide réfrigérant et l’étape d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant étant distinctes,
le premier échangeur thermique réalisant une première étape d’échange thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant,
le deuxième échangeur thermique réalisant une deuxième étape d’échange thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant, et
l’ensemble d’anti-sublimation réalisant une troisième étape d’échange thermique entre le fluide cible, le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant.
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.
 Brève description des figures
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du procédé et du dispositif objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
représente, schématiquement et sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé objet de la présente invention,
représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention,
représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et
représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention.
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
Les articles indéfinis "un" et "une", tels qu'ils sont utilisés dans la description et dans les revendications, doivent être compris comme signifiant "au moins un", sauf indication claire du contraire.
L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Tel qu'utilisé ici dans la description et dans les revendications, "ou" doit être compris comme ayant la même signification que "et/ou" tel que défini ci-dessus. Par exemple, lorsqu'on sépare des éléments dans une liste, "ou" ou "et/ou" doit être interprété comme étant inclusif, c'est-à-dire l'inclusion d'au moins un, mais aussi de plus d'un, d'un nombre ou d'une liste d'éléments, et, facultativement, d'éléments supplémentaires non listés. Seuls les termes indiquant clairement le contraire, tels que "un seul des" ou "exactement un des", ou, lorsqu'ils sont utilisés dans les revendications, "consistant en", font référence à l'inclusion d'un seul élément d'un nombre ou d'une liste d'éléments. En général, le terme "ou" tel qu'il est utilisé ici ne doit être interprété comme indiquant des alternatives exclusives (c'est-à-dire "l'un ou l'autre, mais pas les deux") que lorsqu'il est précédé de termes d'exclusivité, tels que "soit", "l'un de", "un seul de" ou "exactement un de".
Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc.
Dans les revendications, ainsi que dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant, mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement.
On appelle « fluide chaud » un fluide introduit dans un échangeur thermique et transférant des calories à un autre fluide dans cet échangeur thermique, un tel échangeur thermique réalisant un échange thermique également appelé transfert thermique. Notamment, la température du fluide chaud diminue au cours de l’échange thermique. En d’autres termes, la température du fluide chaud en sortie de l’échangeur thermique est inférieure à la température du fluide chaud en entrée de l’échangeur. Similairement, on appelle « branche chaude » d’un circuit fermé au moins une partie dudit circuit dans laquelle la température du fluide transporté diminue.
On appelle « fluide froid » un fluide introduit dans un échangeur thermique et transférant des frigories à un autre fluide dans cet échangeur thermique, un tel échangeur thermique réalisant un échange thermique également appelé transfert thermique. Autrement dit, le fluide froid, dans cet échangeur thermique, récupère des calories d’un fluide chaud et refroidit donc le fluide chaud. Notamment, la température du fluide froid augmente au cours de l’échange thermique. En d’autres termes, la température du fluide froid en sortie de l’échangeur thermique est supérieure à la température du fluide froid en entrée de l’échangeur. Similairement, on appelle « branche froide » d’un circuit fermé au moins une partie dudit circuit dans laquelle la température du fluide transporté augmente.
Le terme « anti-sublimation » se rapporte à une transformation induisant un changement d’état d’un composé, ce composé passant d’un état gazeux à un état solide, sans passage par un état liquide intermédiaire. On note que le terme « anti-sublimation » est un synonyme de « condensation » ou « condensation solide ».
Les termes « fluide cible » se réfèrent à un fluide comportant du CO2. Par exemple, le fluide cible est un flux de fumées déshydratées comportant également de l’oxygène (O2) et de l’azote (N2). Le terme « fumées déshydratées » se réfère à des fumées exemptes d’eau ou comportant une quantité d’eau inférieure à une valeur limite prédéterminée fixée, par exemple, par un opérateur.
Le terme « échangeur thermique » se réfère à tout échangeur de chaleur susceptible de convenir aux conditions opératoires permettant l’accomplissement de pré-refroidissements, d’anti-sublimation ou de fusion. Par exemple, un tel échangeur thermique est un échangeur thermique à plaques et ailettes à flux multiples.
Les termes « circuit de circulation d’un fluide réfrigérant », « circuit de passage d’un fluide réfrigérant » ou « circuit d’acheminement d’un fluide réfrigérant » se réfèrent à un ensemble de conduites configurées pour le transport de fluide réfrigérant. Les termes « circuit de transport d’un fluide cible » se réfèrent à un ensemble de conduites configurées pour le transport de fluide cible. La configuration du circuit de circulation, de passage, d’acheminement ou de transport dépend des performances souhaitées des dispositifs, 200, 300, 400 et 500, et des conditions opératoires prévues par ces dispositifs, 200, 300, 400 et 500.
Le terme « pré-refroidissement » utilisé pour un fluide se réfère à une diminution de la température d’un fluide, un tel fluide correspondant à un fluide chaud cédant ses calories lors d’un pré-refroidissement. Notamment, lorsque le fluide est gazeux ou sous forme de fumées, le pré-refroidissement du fluide correspond à une diminution de la température de ce fluide réalisée, par exemple, sans liquéfaction du fluide.
Le terme « successivement » se réfère à un passage d’un fluide dit « successif » dans, par exemple, deux éléments, les deux éléments correspondant à un élément dit « amont » et un élément dit « aval ». Le passage successif, dans ce cas, se fait par l’élément en amont puis l’élément en aval. Par exemple, ces deux éléments sont des échangeurs thermiques. Par exemple, la phrase « un passage successivement dans A et B » désigne un passage réalisé dans « A » puis « B » autrement dit, le fluide passant dans « B » doit au moins être passé avant dans « A ». On note qu’un troisième élément peut être présent entre ces deux éléments, tel qu’un séparateur liquide-gaz, un moyen de compression, un moyen de détente ou un moyen de mélange. Par exemple, la phrase « un passage successivement dans A, B et C » désigne un passage réalisé dans « A » puis « B » puis « C », autrement dit, le fluide passant dans « C » doit au moins être passé avant dans « B » et « A ». On note qu’un quatrième et/ou cinquième élément peut être présent entre deux éléments parmi les trois éléments, tel qu’un séparateur liquide-gaz, un moyen de compression, un moyen de détente ou un moyen de mélange.
Le terme « majoritairement » se réfère notamment à une fraction molaire d’un composé présent dans un mélange, une telle fraction étant égale à une valeur associée à une majorité relative, voire absolue. Un composé est présent en majorité relative dans un mélange lorsque la fraction molaire d’un tel composé est supérieure aux autres fractions molaires définies pour les autres composés du mélange, chaque autre fraction molaire étant considérée isolément. Un composé est en majorité absolue lorsque la fraction molaire d’un tel composé est supérieure aux autres fractions molaires additionnées et définies pour les autres composés du mélange. Autrement dit, un composé en majorité absolue dans un mélange présente une fraction molaire supérieure à 50%.
Le terme « capacité frigorifique » se rapporte à une donnée représentative de la quantité de frigories transportées par un fluide réfrigérant. On note que les frigories présentes dans le fluide réfrigérant, également appelé fluide frigorifique, peuvent provenir d’une source froide ayant cédé ses frigories au fluide réfrigérant.
On note que les éléments d’un même type, par exemple des compresseurs ou échangeurs, peuvent ne pas être des éléments distincts, mais des étages d’un élément unique pour tout ou partie des éléments d’un type donné. Par exemple, les échangeurs, 215, 216, 225, 230 et 226, peuvent correspondre à des étages distincts d’un échangeur unique.
On note que l’ensemble d’anti-sublimation 225 mentionné dans la présente description peut être constitué d’un ensemble d’échangeurs d’anti-sublimation fonctionnant simultanément ou séquentiellement. Un tel fonctionnement séquentiel peut être défini, par exemple, selon une périodicité prédéterminée en fonction des besoins fixés, par exemple, par un opérateur. Autrement dit, un ensemble d’anti-sublimation 225 peut comporter plusieurs échangeurs d’anti-sublimation fonctionnant en décalé les uns des autres et configurés pour assurer une continuité de fonctionnement d’un dispositif de capture. Préférentiellement, un ensemble d’anti-sublimation 225 comporte au moins deux échangeurs d’anti-sublimation et encore plus préférentiellement quatre échangeurs d’anti-sublimation.
On note que les quantièmes énoncés pour les différents fluides réfrigérants sont utilisés pour faciliter la lecture. Chaque quantième correspond à un fluide dédié, les fluides présentant des quantièmes différents étant dans des circuits de circulation, de passage ou d’acheminement distinct.
On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.
On observe, sur la , une vue schématique d’un mode de réalisation du procédé 100 objet de la présente invention. Le procédé 100 est un procédé de capture cryogénique de dioxyde de carbone (CO2) contenu dans un fluide cible. On note que la capture du CO2est au moins partielle. Préférentiellement, la capture du CO2est supérieure ou égale à 90%.
On note, en , que le procédé 100 de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible comporte une étape de transport 105 d’un fluide cible à travers, successivement :
- un premier échangeur thermique de pré-refroidissement,
- un deuxième échangeur thermique de pré-refroidissement et
- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone.
Dans ces modes de réalisation :
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser une première étape d’échange thermique 106 correspondant à un premier pré-refroidissement du fluide cible ; autrement dit, le fluide cible est un fluide chaud en entrée du premier échangeur thermique ;
- le deuxième échangeur thermique est configuré pour réaliser une deuxième étape d’échange thermique 107 correspondant à un deuxième pré-refroidissement du fluide cible, en aval du premier pré-refroidissement 106 ; autrement dit, le fluide cible, pré-refroidi en amont, est un fluide chaud en entrée du deuxième échangeur thermique ;
- l’ensemble d’anti-sublimation est configuré pour réaliser une troisième étape d’échange thermique 108 correspondant à une anti-sublimation du CO2contenu dans le fluide cible, à la suite du deuxième pré-refroidissement 107 ; autrement dit, le fluide cible, pré-refroidi en amont, est un fluide chaud en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation.
On note, dans ces modes de réalisation, que le circuit de transport du fluide cible correspond à une branche chaude.
On note, en , que le procédé 100 de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible comporte, de plus, une étape de circulation fermée 110 d’un premier fluide réfrigérant à travers, successivement, l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur et le premier échangeur thermique. Cette succession de passages dans ces échangeurs thermiques étant appelée « circulation retour » du fluide réfrigérant.
Dans ces modes de réalisation, lors de la « circulation retour » du fluide réfrigérant :
- l’ensemble d’anti-sublimation est configuré pour réaliser la troisième étape d’échange thermique 108 correspondant à un premier réchauffement du premier fluide réfrigérant ; autrement dit, le premier fluide réfrigérant est un fluide froid en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation et cède ses frigories aux fluides chauds ;
- le deuxième échangeur thermique est configuré pour réaliser la deuxième étape d’échange thermique 107 correspondant à un deuxième réchauffement du premier fluide réfrigérant, en aval du premier réchauffement 108 ; autrement dit, le premier fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du deuxième échangeur thermique ; et
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser la première étape d’échange thermique 106 correspondant à un troisième réchauffement du premier fluide réfrigérant, en aval du deuxième réchauffement 107 ; autrement dit, le premier fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du premier échangeur thermique.
On note, dans ces modes de réalisation, que la « circulation retour » du circuit de circulation du premier fluide réfrigérant correspond à une branche froide.
Dans des modes de réalisation, le procédé 100 comporte une étape d’acheminement 115 d’un deuxième fluide réfrigérant à travers au moins l’ensemble d’anti-sublimation.
Dans des modes de réalisation, tel que celui représenté en , le procédé 100 comporte une étape d’acheminement 115 d’un deuxième fluide réfrigérant à travers successivement :
- l’ensemble d’anti-sublimation,
- le deuxième échangeur thermique, et
- le premier échangeur thermique.
Dans ces modes de réalisation :
- l’ensemble d’anti-sublimation est configuré pour réaliser la troisième étape d’échange thermique 108 correspondant à un premier réchauffement du deuxième fluide réfrigérant ; autrement dit, le deuxième fluide réfrigérant est un fluide froid en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation et cède ses frigories aux fluides chauds ;
- le deuxième échangeur thermique est configuré pour réaliser la deuxième étape d’échange thermique 107 correspondant à un deuxième réchauffement du deuxième fluide réfrigérant, en aval du premier réchauffement 108 ; autrement dit, le deuxième fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du deuxième échangeur thermique ; et
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser la première étape d’échange thermique 106 correspondant à un troisième réchauffement du deuxième fluide réfrigérant, en aval du deuxième réchauffement 107 ; autrement dit, le deuxième fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du premier échangeur thermique.
On note, dans ces modes de réalisation, que le circuit d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant correspond à une branche froide.
En d’autres termes, dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en :
- le premier échangeur thermique réalise une première étape d’échange thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant,
- le deuxième échangeur thermique réalise une deuxième étape d’échange thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant, et
- l’ensemble d’anti-sublimation réalise une troisième étape d’échange thermique entre le fluide cible, le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation (non représentés), l’étape de circulation 110 du premier fluide réfrigérant est réalisée, de plus, successivement à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur et l’ensemble d’anti-sublimation. On note qu’une telle succession de passages dans ces échangeurs thermiques est appelée « circulation aller » du fluide réfrigérant. Notamment, ce passage successif est réalisé en amont de l’autre passage successif appelé « circulation retour » et réalisé à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur et le premier échangeur thermique.
Dans ces modes de réalisation, lors de la « circulation aller » du premier fluide réfrigérant :
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser le premier échange thermique 106 correspondant à un premier refroidissement du premier fluide réfrigérant ; autrement dit, le premier fluide réfrigérant est un fluide chaud en entrée du premier échangeur thermique ;
- le deuxième échangeur thermique est configuré pour réaliser le deuxième échange thermique 107 correspondant à un deuxième refroidissement du premier fluide réfrigérant, en aval du premier refroidissement 106 ; autrement dit, le premier fluide réfrigérant, refroidi en amont, est un fluide chaud en entrée du deuxième échangeur thermique et
- l’ensemble d’anti-sublimation est configuré pour réaliser le troisième échange thermique 108 correspondant à un troisième refroidissement du premier fluide réfrigérant, à la suite du deuxième refroidissement 107 ; autrement dit, le premier fluide réfrigérant, refroidi en amont, est un fluide chaud en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation.
On note, dans ces modes de réalisation, que la « circulation aller » du premier fluide réfrigérant correspond à une branche chaude.
Préférentiellement, le premier fluide réfrigérant de la « circulation aller » est détendu lors d’une étape de détente (non représentée) en aval de l’ensemble d’anti-sublimation, autrement dit en aval du troisième refroidissement 108 du fluide réfrigérant. On note qu’une telle étape de détente correspond à une délimitation entre la « circulation aller » et la « circulation retour » du premier fluide réfrigérant. Le premier fluide réfrigérant de la « circulation retour » est détendu en amont de l’ensemble d’anti-sublimation, autrement dit en amont d’un premier réchauffement du premier fluide réfrigérant.
On note que, dans le procédé 100 représenté en , l’étape de circulation 110 du premier fluide réfrigérant et l’étape d’acheminement 115 du deuxième fluide réfrigérant sont distinctes.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , les doubles flèches verticales représentent la mise en œuvre simultanée des étapes 105, 110 et 115. Autrement dit, l’étape de transport 105 d’un fluide cible, l’étape de circulation 110 d’un premier fluide réfrigérant et l’étape d’acheminement 115 d’un deuxième fluide réfrigérant sont simultanées.
Préférentiellement, le procédé 100 peut être mis en œuvre par les moyens des dispositifs, 200, 300, 400 et 500, exposés ci-dessous. Autrement dit, les moyens des dispositifs, 200, 300, 400 et/ou 500, sont configurés pour mettre en œuvre les étapes du procédé 100.
On observe, sur la , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 200 objet de la présente invention. Ce dispositif 200 réalise une capture cryogénique, au moins partielle, de dioxyde de carbone contenu dans un flux de fumées déshydratées. Le dispositif 200 comporte, au moins :
- un circuit de transport d’un fluide cible 210,
- un circuit fermé de circulation d’un premier fluide réfrigérant 240,
- un circuit d’acheminement 261 d’un deuxième fluide réfrigérant,
- un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :
- un premier échangeur thermique 215 de pré-refroidissement ;
- un deuxième échangeur thermique 216 de pré-refroidissement ; et
- un troisième échangeur thermique 225, appelé « ensemble d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone dans le fluide cible.
On note que le circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant est distinct du circuit d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant.
Dans ces modes de réalisation :
- le premier échangeur thermique 215 est configuré pour réaliser un premier échange thermique entre le fluide cible, le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant. Le fluide cible subit, dans le premier échangeur 215, un premier pré-refroidissement ;
- le deuxième échangeur thermique 216 est configuré pour réaliser un deuxième échange thermique entre le fluide cible et le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant. Le fluide cible subit, dans le deuxième échangeur 216, un deuxième pré-refroidissement et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225, correspondant au troisième échangeur thermique, est configuré pour réaliser l’anti-sublimation du dioxyde de carbone contenu dans le flux de fluide cible par un troisième échange thermique entre le fluide cible, le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant.
On observe, en , que le circuit de transport 210 du fluide cible est configuré pour réaliser successivement un passage à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225. En d’autres termes, le circuit 210 de transport du fluide cible comporte :
- le premier échangeur thermique 215 de pré-refroidissement du fluide cible,
- le deuxième échangeur thermique 216 de pré-refroidissement du fluide cible et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225 du dioxyde de carbone.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le circuit de transport 210 du fluide cible est configuré pour réaliser un deuxième passage dans au moins un échangeur thermique parmi le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225. On note qu’un tel deuxième passage du fluide cible se distingue du premier passage du fluide cible, le premier passage étant réalisé à travers successivement le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225.
En d’autres termes, le circuit de transport 210 du fluide cible est configuré pour réaliser, en aval du passage successif respectivement à travers :
- le premier échangeur thermique 215,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
un autre passage dans au moins un échangeur thermique parmi :
- le premier échangeur thermique,
- le deuxième échangeur thermique, et
- l’ensemble d’anti-sublimation.
On observe, en , que le circuit de circulation 240 du premier fluide réfrigérant est configuré pour réaliser successivement un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur thermique 216 et le premier échangeur thermique 215. Lors d’un tel passage, le circuit de circulation 240 correspond à une branche froide du dispositif 200 et le premier fluide réfrigérant cède ses frigories successivement dans l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur thermique 216 et le premier échangeur thermique 215.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant est configuré pour réaliser, en amont du passage successif respectivement à travers :
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- le premier échangeur thermique 215,
un autre passage successif respectivement à travers :
- le premier échangeur thermique 215,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225.
Autrement dit, dans ces modes de réalisation, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant est configuré pour réaliser successivement :
- un premier passage, correspondant à une branche chaude, à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation et
- un deuxième passage, correspondant à une branche froide, à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique.
Préférentiellement, tel que représenté en , le circuit fermé de circulation 240 d’un premier fluide réfrigérant comporte au moins :
- au moins un compresseur de gaz, 248 et/ou 249, connecté préférentiellement à un refroidisseur intermédiaire (non représenté) configuré pour refroidir le fluide réfrigérant compressé,
- un premier séparateur 241 du fluide réfrigérant, issu du compresseur, 248 et/ou 249, en une fraction lourde et une fraction légère,
- un moyen de fourniture 251 de la fraction lourde séparée au premier échangeur thermique 215,
- un premier détendeur 243 de la fraction lourde issue du premier échangeur thermique 215,
- un premier mélangeur 247 de la fraction lourde issue du premier détendeur 215,
- un moyen de fourniture 252 de la fraction légère séparée au premier échangeur thermique 215,
- un deuxième séparateur 242 du fluide réfrigérant, issue du premier échangeur thermique 215, en une fraction lourde et une fraction légère,
- un moyen de fourniture 253 de la fraction lourde séparée, issue du deuxième séparateur 242, au deuxième échangeur thermique 216,
- un deuxième détendeur 244 de la fraction lourde issue du deuxième échangeur thermique 216,
- un deuxième mélangeur 246 de la fraction lourde issue du deuxième détendeur 244,
- un moyen de fourniture 254 de la fraction légère séparée, issue du deuxième séparateur 242, au deuxième échangeur thermique 216,
- un moyen de fourniture 255 de la fraction légère, issue du deuxième échangeur thermique 216, à l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- un troisième détendeur 245 de la fraction légère, issue de l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- un moyen d’injection 256 du fluide réfrigérant, issu du troisième détendeur 245, dans l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- un moyen d’injection 257 du fluide réfrigérant, issu de l’ensemble d’anti-sublimation 225 dans le deuxième mélangeur 246,
- un moyen d’injection 258 du fluide réfrigérant, issu du deuxième mélangeur 246, dans le deuxième échangeur thermique 216,
- un moyen d’injection 259 du fluide réfrigérant, issu du deuxième échangeur thermique 216, dans le premier mélangeur 247,
- un moyen d’injection 260 du fluide réfrigérant, issu du premier mélangeur 247, dans le premier échangeur thermique 215 et
- un moyen d’injection 290 du fluide réfrigérant, issu du premier échangeur thermique 215, dans le compresseur, 248 et/ou 249.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en à 5, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de compression, 248 et/ou 249. Par exemple, le moyen de compression, 248 ou 249, est un compresseur. Préférentiellement, le circuit fermé de circulation 240 comporte un deuxième compresseur 248 en amont du premier compresseur 249.
Dans des modes de réalisation (non représentés) au moins un refroidisseur intermédiaire est disposé en aval du moyen de compression, 248 ou 249.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en à 5, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de compression 248 disposé directement en aval du premier échangeur thermique 215. Autrement dit, aucun échangeur thermique secondaire n’est présent entre le moyen de compression 249 et le premier échangeur thermique 215.
Plus généralement, dans certains modes de réalisation, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant comporte, de plus, au moins un moyen de séparation, 241 et/ou 242, d’une fraction lourde et d’une fraction légère. Dans ces modes de réalisation, le moyen de séparation, 241 et/ou 242, est disposé en amont d’au moins un échangeur thermique, 215, 216 et/ou 225.
Notamment, le moyen de séparation, 241 et/ou 242, est configuré pour réaliser une séparation entre un gaz et un liquide, appelée séparation liquide/gaz, la fraction lourde correspondant au liquide et la fraction légère correspondant au gaz. On note que le moyen de séparation, 241 et/ou 242, est n’importe quel moyen de séparation liquide/gaz connu de la personne du métier. Par exemple, le moyen de séparation, 241 et/ou 242, est une cuve flash. On note que les moyens de séparation, 241 et 242, décrits peuvent être de même nature ou de nature différente.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en à 5, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant comporte un moyen de séparation 241 disposé directement en amont du premier échangeur thermique 215. Autrement dit, aucun échangeur thermique secondaire n’est présent entre le moyen de séparation 241 et le premier échangeur thermique 215.
Dans les modes de réalisation, tels que ceux représentés en à 5, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant comporte un moyen de séparation 242 disposé en amont du deuxième échangeur thermique 216.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en à 5, le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de détente, 243, 244 et/ou 245 du premier fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation, au moins un moyen de détente, 243, 244 et/ou 245 du premier fluide réfrigérant est disposé en amont et/ou en aval d’un échangeur thermique, 215, 216 et 225.
On note que les moyens de détente, 243, 244 et 245, décrits peuvent être de même nature ou de nature différente. Dans des modes de réalisation, un moyen de détente, 243, 244 et/ou 245, est une vanne de Joule-Thompson. Dans des variantes, un moyen de détente, 243, 244 et/ou 245, est une turbine de détente configurée pour récupérer une énergie de détente. Une telle turbine de détente est équipée, par exemple, d’une génératrice et/ou d’un couple de compresseurs.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le moyen de détente 243 est disposé en aval du premier échangeur, 215.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le moyen de détente 244 est disposé en aval du deuxième échangeur 216.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le moyen de détente 245 est disposé en aval de l’ensemble d’anti-sublimation, 225. On note que, dans ces modes de réalisation, le moyen de détente 245 est également disposé en amont de l’ensemble d’anti-sublimation 225.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le moyen de détente 245 est disposé en amont de l’ensemble d’anti-sublimation 225.
Dans des modes de réalisation, le premier fluide réfrigérant comporte au moins un composé choisi parmi le méthane, l’éthane, le propane, butane et le pentane.
Dans des modes de réalisation, le fluide réfrigérant est un mélange réfrigérant (d’acronyme « MR », également dénommé « mix-réfrigérant » en anglais).
Dans des modes de réalisation, le mélange réfrigérant est un mélange d’hydrocarbures, comportant au moins deux composés parmi le méthane, l’éthane, propane, l’isobutane et le n-butane.
Dans des modes de réalisation, le mélange réfrigérant est un mélange d’hydrocarbures, comportant au moins trois composés parmi le méthane, l’éthane, propane, l’isobutane et le n-butane.
Dans des modes de réalisation, le mélange réfrigérant est un mélange d’hydrocarbures qui comporte en fractions molaires par rapport à la quantité de matière totale du mélange :
- 30 à 60% de méthane,
- 20 à 50% d’éthane,
- 0 à 20% de propane,
- 0 à 20% d’isobutane et
- 0 à 40% de n-butane.
Ainsi, le dispositif permet un étagement en température combinée à une composition optimisée du fluide réfrigérant, assurant ainsi l’intensification des échanges thermiques. La perte exégétique est limitée et une meilleure efficacité thermodynamique est obtenue. Par exemple, lorsqu’un mélange d’hydrocarbure est utilisé, le dispositif permet, notamment, d’atteindre une température d’anti-sublimation comprise entre -150°C à -60°C. Cette gamme de température est large et est donc notamment adaptée au traitement de fluides cibles présentant des caractéristiques variables. L’utilisation d’un tel mélange permet de travailler sur une gamme de température large, dont la borne supérieure est élevée, tout en conservant la même architecture.
Dans des modes de réalisation, un exemple de cycle intégré appliqué dans un dispositif 200 est le suivant :
le premier fluide réfrigérant est compressé à une pression, par exemple, de 14 à 23 bara (bar absolu) dans une compression à deux étages avec deux refroidisseurs intermédiaires. La compression bi-étagée est réalisée successivement par deux moyens de compression, 248 et 249.
Dans cet exemple, le fluide en sortie de la compression bi-étagée présente deux phases, une phase gazeuse et une phase liquide. Le premier fluide réfrigérant en sortie de la compression bi-étagée et des deux refroidisseurs intermédiaires présente une température égale, par exemple, à 30°C et est ensuite séparé à l'aide d'une cuve flash 241 en une fraction légère et une fraction lourde correspondant respectivement à une phase gazeuse et une phase liquide. Les deux flux de fraction légère et lourde passent par le premier échangeur thermique 215 et sortent à une température égale, par exemple, à -40°C.
Dans cet exemple, la fraction lourde en sortie du premier échangeur thermique 215 est ensuite détendue à la pression atmosphérique par un moyen de détente 243 avant de retourner dans le premier échangeur 215 pour transférer ses frigories.
Dans cet exemple, la fraction légère est partiellement condensée dans le premier échangeur thermique 215 et correspond à un fluide présentant deux phases, une phase gazeuse et une phase liquide. Les deux phases du fluide sont ensuite séparées dans une cuve flash 242. Les deux flux de fraction légère et lourde provenant de la cuve flash 242 passent dans le deuxième échangeur 216 et sortent, par exemple, à une température comprise entre -112°C et -97°C.
Dans cet exemple, le flux de fraction lourde issu du deuxième échangeur 216 est ensuite détendu à la pression atmosphérique par un moyen de détente 244 avant d'entrer à nouveau dans le deuxième échangeur 216 pour fournir des frigories.
Dans cet exemple, le flux de fraction légère issu du deuxième échangeur 216 passe ensuite dans l’ensemble d’anti-sublimation 225 afin d’être refroidi à la température d'anti-sublimation. Ce flux est ensuite détendu par un moyen de détente 245 à la pression atmosphérique avant de rentrer de nouveau dans l’ensemble d’anti-sublimation 225, pour transférer les frigories nécessaires pour l’anti-sublimation du CO2.
Dans cet exemple, le premier fluide réfrigérant en sortie de l’ensemble d’anti-sublimation 225 est ensuite mélangé par un mélangeur 246 au flux de fluide détendu par le détendeur 244 avant d'entrer dans le deuxième échangeur thermique 216 pour fournir des frigories. Le premier fluide réfrigérant en sortie du deuxième échangeur thermique 216 est ensuite mélangé par un mélangeur 247 au flux de fluide détendu par le détendeur 243 avant d'entrer dans le premier échangeur thermique 215 pour fournir des frigories.
Dans cet exemple, le premier fluide réfrigérant en sortie du premier échangeur thermique 215 est finalement introduit dans les compresseurs 248 et 249 pour réaliser la compression bi-étagée, fermant ainsi le circuit de circulation 240 du premier fluide réfrigérant.
On note que les dispositifs 300, 400 et 500 sont des variantes du dispositif 200. Ainsi, certaines caractéristiques et variantes énoncées pour les éléments du dispositif 200 sont similaires et transposables aux éléments des dispositifs 300, 400 et 500, et inversement, présentant une numérotation identique.
On observe, en figures 2, 3, 4 et 5, que le circuit d’acheminement, 261, 361, 461 et 561, du deuxième fluide réfrigérant est configuré pour réaliser un passage dans au moins l’ensemble d’anti-sublimation 225.
On note que, le circuit d’acheminement 261 du deuxième fluide réfrigérant correspond à une branche froide. Autrement dit, le deuxième fluide réfrigérant cède ses frigories au cours de l’échange thermique réalisé dans le moyen d’anti-sublimation et conjointement au premier fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation, le deuxième fluide réfrigérant comporte un mélange d’hydrocarbures.
Dans des modes de réalisation, le deuxième fluide réfrigérant comporte de l’isopentane. Par exemple, le deuxième fluide réfrigérant est constitué d’isopentane.
Dans des modes de réalisation, le deuxième fluide est sous forme liquide. Notamment, le deuxième fluide reste sous cette forme tout au long du ou des échanges thermiques réalisés dans les échangeurs thermiques, 215, 216 et 225. Par exemple, lorsque le circuit d’acheminement 261 est un circuit fermé formant un cycle 261, tel que représenté en figures 2 à 4, le deuxième fluide réfrigérant reste sous forme liquide dans tout le cycle 261.
Dans des variantes, le deuxième fluide réfrigérant comporte du gaz naturel liquéfié (d’acronyme « GNL »). Par exemple, le deuxième fluide réfrigérant est constitué de GNL.
Ainsi, dans ces variantes, un échange thermique réalisé directement par le GNL, sans utilisation d’un troisième fluide réfrigérant refroidi par le GNL, simplifie le dispositif et limite, par exemple, les pertes thermiques et pertes de charge lors de l’échange intermédiaire avec le troisième fluide.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2, 3 et 5, le circuit d’acheminement, 261, 361 et 561, du deuxième fluide réfrigérant est configuré pour réaliser un passage successif respectivement dans l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur thermique 216 et le premier échangeur thermique 215.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2, 3 et 4, le dispositif, 200, 300 et 400, comporte :
- un circuit de passage 262 d’un troisième fluide réfrigérant, et
- un quatrième échangeur thermique 226.
On note que le quatrième échangeur thermique 226 est configuré pour réaliser un échange thermique entre le deuxième fluide réfrigérant et le troisième fluide réfrigérant.
Dans ces modes de réalisation :
- le circuit de passage 262 du troisième fluide réfrigérant correspond à une branche froide,
- le circuit d’acheminement, 261, 361 et 461, du deuxième fluide réfrigérant correspond à une branche froide.
Autrement dit, le deuxième fluide réfrigérant est refroidi par le troisième fluide réfrigérant dans le quatrième échangeur thermique 226.
Dans ces modes de réalisation, le deuxième fluide du circuit réfrigérant d’acheminement, 261, 361 et 461, issu du quatrième échangeur thermique 226 est configuré pour être fourni à l’ensemble d’anti-sublimation 225.
Dans des modes de réalisation, le troisième fluide réfrigérant du circuit de passage 262 comporte majoritairement du gaz naturel liquéfié (d’acronyme « GNL »). Préférentiellement, le troisième fluide est constitué de GNL.
Dans des modes de réalisation, un exemple de cycle 261 du deuxième fluide réfrigérant appliqué dans un dispositif 200 est le suivant :
le deuxième fluide réfrigérant, constitué, par exemple, d’isopentane liquide, est refroidi, par exemple, à -140°C dans le quatrième échangeur thermique 226 et présente une pression égale à, par exemple, 5 bara. Un tel refroidissement du deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement est réalisé par transfert de frigories provenant d’un troisième flux de fluide réfrigérant transporté dans un circuit de passage 262.
Dans cet exemple, le troisième flux de fluide est constitué, par exemple de GNL, les températures du GNL en entrée et en sortie du quatrième échangeur thermique 226 étant respectivement, par exemple, égales à -145°C et -110°C. Ensuite, le deuxième fluide réfrigérant du circuit de circulation 240 présentant une température de -140°C entre dans l’ensemble d’anti-sublimation 225 afin de réaliser un échange thermique.
Dans cet exemple, le deuxième fluide réfrigérant, en sortie de l’ensemble d’anti-sublimation 225, est ensuite introduit dans le deuxième échangeur thermique 216 afin de réaliser un autre échange thermique. Puis le deuxième fluide réfrigérant, en sortie du troisième échangeur thermique 216, est ensuite introduit dans le premier échangeur thermique 215 afin de réaliser un autre échange thermique.
Dans cet exemple, lors de chaque échange thermique réalisé successivement dans le moyen d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur thermique 216 et le premier échangeur thermique 215, le deuxième fluide réfrigérant est un fluide froid. Notamment, le deuxième fluide réfrigérant cède ses frigories aux fluides chauds des échangeurs thermiques et notamment au flux de fluide cible, par exemple un flux de fumées déshydratées, passant successivement dans ces échangeurs thermiques, 215, 216, 225. Le circuit d’acheminement 261 du deuxième fluide réfrigérant est ensuite fermé par l’introduction du deuxième fluide réfrigérant dans le quatrième échangeur thermique 226. Le deuxième fluide réfrigérant réalise ensuite un nouveau cycle.
Préférentiellement, l’exemple des conditions mentionnées pour le circuit d’acheminement 261 du deuxième fluide réfrigérant mentionné ci-dessus pour un dispositif 200 est réalisé en synergie avec l’exemple du cycle de Claude et/ou l’exemple du traitement d’un flux de fluide cible d’un circuit de transport 210 mentionné ci-dessus et réalisé par le dispositif 200.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux revendiqués en figures 2 à 5, le dispositif, 200, 300, 400 et 500, qui comporte, de plus :
- un échangeur thermique complémentaire 230, appelé « moyen de fusion » du dioxyde de carbone anti-sublimé, et
- un récupérateur 235 de dioxyde de carbone liquide issu du moyen de fusion.
On note que le moyen de fusion correspond à un échangeur thermique connu de la personne du métier. Un tel moyen de fusion est configuré pour transférer des calories au dioxyde de carbone anti-sublimé.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le moyen de fusion 230 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 sont confondus dans un moyen 270 unique. On note qu’un tel moyen unique 270 présente deux modes de fonctionnements : un mode fusion et/ou un mode anti-sublimation. Autrement dit, l’ensemble d’anti-sublimation 225 compris dans le moyen 270 unique et dans un mode de fonctionnement particulier réalise, par un transfert thermique de fusion distinct du transfert thermique d’anti-sublimation, la fusion du CO2solide formé lors du transfert thermique d’anti-sublimation.
Par ailleurs, le récupérateur 235 de CO2liquide est un ballon de récupération adapté pour le stockage du CO2sous forme liquide. N’importe quel moyen de récupération 235 du CO2connu de la personne du métier peut être utilisé.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le circuit de transport du fluide cible 210 est configuré pour réaliser un passage dans le moyen de fusion 230. Le fluide cible est un fluide chaud lors du passage dans le moyen de fusion 230. Autrement dit, le fluide cible cède ses calories au CO2solide qui subit alors une fusion.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 5, le circuit de transport du fluide cible 210 est configuré pour réaliser, en aval du passage à travers le premier échangeur thermique 215 et en amont du passage dans le deuxième échangeur 216 thermique, un passage dans le moyen de fusion 230.
Autrement dit, dans ces modes de réalisation, le circuit de transport du fluide cible 210 est configuré pour réaliser successivement un passage dans le premier échangeur thermique 215, le moyen de fusion 230, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225. Notamment, le fluide cible subit :
- au moins trois pré-refroidissements lors du passage dans le premier échangeur thermique 215, le moyen de fusion 230 et le deuxième échangeur thermique 216 et
- une anti-sublimation du CO2lors du passage dans l’ensemble d’anti-sublimation 225.
Dans des modes de réalisation, un exemple de traitement d’un fluide cible, correspondant à un flux de fumées déshydratées, réalisé par le dispositif 200 est le suivant :
Le flux de fumées, circulant dans le circuit de transport 210, subit un premier pré-refroidissement dans le premier échangeur thermique 215. En entrée du premier échangeur thermique 215, le flux de fumée présente une température, par exemple, égale à 30°C et une pression, par exemple, égale à 1,1 bara. En sortie du premier échangeur thermique 215, le flux de fumée 210 présente une température, par exemple, égale à -40°C.
Dans cet exemple, le flux de fumées subit ensuite un deuxième pré-refroidissement dans le moyen de fusion 230. En sortie du moyen de fusion 230, le flux de fumée présente une température, par exemple, égale à -54°C. Le flux de fumée 210 subit ensuite un troisième pré-refroidissement dans le deuxième échangeur thermique 216. En sortie du deuxième échangeur thermique 216, le flux de fumée présente une température, par exemple, comprise entre -112°C et -97°C.
Dans cet exemple, le flux de fumée subit ensuite une anti-sublimation du CO2dans l’ensemble d’anti-sublimation 225. Autrement dit, le flux de fumées 210 est refroidi dans le moyen d’anti-sublimation 225. Le CO2présent initialement sous forme gazeuse est anti-sublimé en un solide. On note que, lors du transfert thermique d’anti-sublimation, les conditions de pression et de température appliquées au flux de fumées déshydratées 210 sont en dessous du point triple défini pour le CO2, défini par un couple température et pression respectivement égale à -56°C à 5,2 bara. Le CO2sous forme solide subit ensuite, par exemple, une fusion dans le moyen de fusion 230. Autrement dit, le CO2solide issu du moyen d’anti-sublimation 225 est réchauffé dans le moyen de fusion 230.
Dans cet exemple, en sortie de l’ensemble d’anti-sublimation 225, le flux de fumées correspond à un flux de fumées incondensables. Le flux de fumées incondensables est ensuite réinjecté dans l’ensemble d’anti-sublimation 225 pour céder ses frigories. Autrement dit, le flux de fumées incondensables sortant de l’ensemble d’anti-sublimation 225 réalise un deuxième passage dans l’ensemble d’anti-sublimation 225. En sortie de l’ensemble d’anti-sublimation 225 associé au deuxième passage, le flux de fumées incondensables cède ses frigories dans le deuxième échangeur thermique 216. En sortie du deuxième échangeur thermique 216, le flux de fumées incondensables cède ses frigories dans le premier échangeur thermique 215. Par exemple, en sortie du premier échangeur thermique 215, au moins 90% de la quantité de CO2présente initialement dans le flux de fumées déshydratées a été capturée. Autrement dit, la quantité de CO2présente dans le flux de fumées incondensables, en sortie de l’échangeur thermique 215, est notamment inférieure à 10% de la quantité de CO2présente initialement dans le flux de fumées déshydratées.
Ainsi, dans un tel exemple, le dispositif 200 réalise la capture d’au moins 90% de la quantité de CO2présente initialement dans le flux de fumées déshydratées.
Préférentiellement, l’exemple de cycle intégré mentionné précédemment pour un dispositif 200 est réalisé en synergie avec l’exemple de traitement d’un flux de fumées déshydratées 210 mentionné ci-dessus et réalisé par le dispositif 200.
Dans des modes de réalisation, le débit de fluide cible à traiter est supérieur ou égal à 1 000 Nm3/h (normo mètre cube par heure). Par exemple, le débit de fluide cible correspond à un flux de fumées déshydratées.
On note que le débit de fluide cible à traiter est prédéterminé, par exemple, en fonction :
- du dispositif, 200, 300, 400 et 500, mis en œuvre, à savoir les éléments structuraux, tels que les compresseurs, les séparateurs et les échangeurs thermiques, par lesquels passe le circuit de circulation de fluide réfrigérant,
- de la quantité de CO2contenu dans le fluide cible,
- de la quantité d’eau contenue dans le fluide cible et/ou
- des conditions opératoires prédéterminées par un opérateur.
Préférentiellement, le fluide cible est un gaz. Notamment, les exemples et modes de réalisation mentionnés précédemment et par la suite restent applicables lorsque le fluide cible est un gaz.
Dans des modes de réalisation, le flux de fumées à traiter comporte une fraction molaire en CO2inférieure ou égale à 40%. Préférentiellement, la fraction molaire en CO2est comprise entre 1% et 40% et plus préférentiellement entre 2% et 20%. Préférentiellement, une telle fraction molaire en CO2correspond à une fraction molaire dite « sèche », c’est-à-dire une fraction molaire en CO2donnée pour un flux de gaz déshydraté, tel qu’un flux de fumées déshydratées.
Dans des modes de réalisation, le fluide cible à traiter comporte majoritairement de l’azote. Préférentiellement, la fraction molaire en azote, par rapport à la quantité de matière totale du mélange, est supérieure à 40%, plus préférentiellement supérieure à 60% et encore plus préférentiellement égale à environ 80%. Préférentiellement, une telle fraction molaire en azote correspond à une fraction molaire dite « sèche », c’est-à-dire une fraction molaire en azote donnée pour un flux de gaz déshydraté, tel qu’un flux de fumées déshydratées.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le dispositif 200 comporte :
- un moyen de détermination 271 d’une capacité frigorifique d’au moins un fluide réfrigérant parmi :
- le premier fluide réfrigérant circulant dans le circuit fermé de circulation 240 et
- le deuxième fluide réfrigérant circulant dans le circuit d’acheminement 261, et
- un moyen de régulation 272 du débit du deuxième fluide réfrigérant en fonction de la capacité frigorifique déterminée.
Dans des modes de réalisation, le moyen de détermination 271 détermine la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant. Le moyen de détermination 271 est, par exemple, un moyen de mesure d’une température, tel qu’un capteur de température, permettant de déterminer une quantité de frigories transportée par le deuxième fluide réfrigérant et pouvant être cédée lors d’un échange thermique. Par exemple cet échange thermique est réalisé dans le moyen de sublimation 225.
Dans ces modes de réalisation, le moyen de détermination 271 déterminant la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant envoie une donnée brute ou une donnée représentative de cette capacité frigorifique au moyen de régulation 272 du deuxième fluide réfrigérant. En fonction de cette donnée, le moyen de régulation 272 régule le débit du deuxième fluide réfrigérant. Par exemple, le moyen de régulation 272 comporte une électrovanne configurée pour réguler le débit du deuxième fluide réfrigérant en fonction d’une commande. Une telle commande est dépendante de la capacité frigorifique déterminée par le moyen de détermination 271.
Dans des modes de réalisation, le moyen de régulation 272 du deuxième fluide réfrigérant comporte, de plus, des éléments configurés pour assurer le stockage de l’excédent de fluide réfrigérant, tels qu’un moyen de stockage 223 du deuxième fluide réfrigérant. On note que de tels éléments sont préférentiellement connectés directement au circuit d’acheminement 261 du deuxième fluide réfrigérant. Par exemple, un tel moyen de stockage 223 du deuxième fluide réfrigérant est appelé « stockage tampon » du deuxième fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation, le moyen de régulation 272 du deuxième fluide réfrigérant comporte, de plus, d’autres moyens de régulation d’au moins une machine rotative telle qu’une pompe. On note qu’une telle machine rotative est préférentiellement présente dans le circuit d’acheminement 261 du deuxième fluide réfrigérant. Par exemple, une machine rotative est une pompe centrifuge à débit variable.
En d’autres termes le moyen de régulation 272 comprend préférentiellement un ensemble d’éléments configurés pour réguler le débit du deuxième fluide réfrigérant, un tel ensemble comportant, par exemple, une électrovanne d’asservissement d’un débit de deuxième fluide réfrigérant, une pompe centrifuge à débit variable et un stockage tampon.
Notamment, lorsque la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 261 n’est pas suffisante, autrement dit lorsque les frigories transportées par le deuxième fluide réfrigérant sont insuffisantes, le moyen de régulation 272 réduit le débit du deuxième fluide réfrigérant. Préférentiellement, cette réduction de débit du deuxième fluide réfrigérant entraîne l’augmentation du débit d’un ou plusieurs autres fluides froids permettant ainsi d’apporter la quantité de frigories nécessaire pour un échange thermique donné, tel que l’échange thermique d’anti-sublimation. Ces autres fluides froids sont, par exemple, le premier fluide réfrigérant du circuit fermé de circulation 240.
Dans des variantes, le moyen de détermination (non représenté) détermine la capacité frigorifique du premier fluide réfrigérant du circuit fermé de circulation 240. Le moyen de détermination est, par exemple, un moyen de mesure d’une température, tel qu’un capteur de température, permettant de déterminer une quantité de frigories transportée par le premier fluide réfrigérant et pouvant être cédée lors d’un échange thermique. Par exemple, cet échange thermique est réalisé dans l’ensemble d’anti-sublimation 225. Notamment, lorsqu’un tel échange thermique est réalisé dans le moyen de sublimation 225 et que le premier fluide réfrigérant subit une détente en amont du moyen de sublimation 225, la capacité frigorifique du premier fluide réfrigérant dépend du moyen de détente 245.
Dans ces variantes, le moyen de détermination (non représenté) déterminant la capacité frigorifique du premier fluide réfrigérant du circuit fermé de circulation 240 envoie une donnée brute ou une donnée représentative de cette capacité frigorifique au moyen de régulation 272 du deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 261. En fonction de cette donnée, le moyen de régulation 272 régule le débit du deuxième fluide réfrigérant. Par exemple, le moyen de régulation 272 comporte une électrovanne configurée pour réguler le débit du deuxième fluide réfrigérant en fonction d’une commande. Une telle commande est dépendante de la capacité frigorifique déterminée par le moyen de détermination.
Dans des variantes, le moyen de détermination (non représenté) détermine la capacité frigorifique du flux de fluide cible réalisant, par exemple un échange thermique, tel qu’un transfert de frigories, dans le moyen d’anti-sublimation 225.
Dans des modes de réalisation, le dispositif 200 comporte, de plus :
- un moyen de détermination 271 d’une capacité frigorifique d’au moins un fluide réfrigérant parmi :
- le premier fluide réfrigérant circulant dans le circuit fermé de circulation 240 et
- le deuxième fluide réfrigérant circulant dans le circuit d’acheminement 261, et
- un moyen de régulation 273 du débit du premier fluide réfrigérant en fonction de la capacité frigorifique déterminée.
Les modes de réalisation et variantes énoncées pour le moyen de régulation 272 sont également transposables et applicables au moyen de régulation 273.
Dans ces modes de réalisation, le moyen de détermination (non représenté) déterminant la capacité frigorifique du premier fluide réfrigérant envoie une donnée brute ou une donnée représentative de cette capacité frigorifique au moyen de régulation 273 du premier fluide réfrigérant. En fonction de cette donnée, le moyen de régulation 273 régule le débit du premier fluide réfrigérant. Par exemple, le moyen de régulation 273 comporte une électrovanne configurée pour réguler le débit du premier fluide réfrigérant en fonction d’une commande. Une telle commande est dépendante de la capacité frigorifique déterminée par le moyen de détermination.
Dans des modes de réalisation, le moyen de régulation 273 du premier fluide réfrigérant comporte, de plus, des éléments configurés pour assurer le stockage de l’excédent de fluide réfrigérant, tels qu’un moyen de stockage 281 du premier fluide réfrigérant. On note que de tels éléments sont préférentiellement connectés directement au circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant. Par exemple, un tel moyen de stockage 281 du premier fluide réfrigérant est appelé « stockage tampon » du premier fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation, le moyen de régulation 273 du premier fluide réfrigérant comporte, de plus, d’autres moyens de régulation d’au moins une machine rotative telle qu’un compresseur. On note qu’une telle machine rotative est préférentiellement présente dans le circuit fermé de circulation 240 du premier fluide réfrigérant. Par exemple, une machine rotative est un compresseur centrifuge à débit variable ou en recyclage.
En d’autres termes, le moyen de régulation 273 comprend préférentiellement un ensemble d’éléments configurés pour réguler le débit du premier fluide réfrigérant, un tel ensemble comportant, par exemple, une électrovanne d’asservissement d’un débit de premier fluide réfrigérant, un compresseur centrifuge à débit variable ou en recyclage et un stockage tampon.
Dans des modes de réalisation, au moins un moyen de régulation, 272 et/ou 273, d’un fluide réfrigérant, est configuré pour adapter le débit de fluide réfrigérant circulant dans le circuit d’acheminement 261 et/ou dans le circuit fermé de circulation 240.
D’une manière générale, dans ces modes de réalisation et variantes, le débit d’un flux de fluide réfrigérant régule le débit de l’autre flux réfrigérant. Tous les modes de réalisation et variantes énoncées précédemment sont cumulables. Ces adaptations constantes de débit sont notamment réalisées afin d’apporter les frigories nécessaires lors, par exemple, de l’échange thermique réalisé dans l’ensemble d’anti-sublimation 225.
On note également que les variantes énoncées ci-dessus et ci-dessous vis-à-vis des moyens de détermination et des moyens de régulation sont applicables aux deuxièmes fluides réfrigérants référencés des circuits d’acheminement, 261, 361, 461 et 561, des dispositifs 200, 300, 400 et 500.
Dans des modes de réalisation, le moyen de détermination 271 détermine la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 261 en fonction d’une quantité du troisième fluide réfrigérant du circuit de passage 262.
Par exemple, le moyen de détermination 271 détermine, en mesurant le débit du troisième fluide réfrigérant du circuit de passage 262 par un autre moyen de mesure, la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 261. La capacité frigorifique ainsi déterminée est ensuite utilisée par un ou plusieurs moyens de régulation, 272 et/ou 273, du débit de premier fluide réfrigérant circuit fermé de circulation 240 et/ou du débit de deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 261.
Ainsi, le débit du premier fluide réfrigérant et le débit du deuxième fluide réfrigérant sont adaptés, par exemple, en fonction de la disponibilité du troisième fluide réfrigérant. Préférentiellement, le troisième fluide réfrigérant est constitué de GNL. Plusieurs adaptations du dispositif 200 sont réalisables, les adaptations suivantes sont mentionnées à titre d’exemple :
- Lorsque le GNL n’est plus disponible, c’est-à-dire lorsque la quantité de troisième fluide réfrigérant est nulle ou insuffisante, le débit du premier fluide réfrigérant est maximal tandis que et le débit du deuxième fluide réfrigérant est faible, voire sensiblement nul ;
- Lorsque la disponibilité et donc le débit de GNL augmentent, le débit du premier fluide réfrigérant diminue et le débit du deuxième fluide réfrigérant augmente ;
- Lorsque la disponibilité et donc le débit de GNL diminuent, le débit du premier fluide réfrigérant augmente et le débit du deuxième fluide réfrigérant diminue ;
- Lorsque le débit de GNL disponible est supérieur au besoin du dispositif, le débit du premier fluide réfrigérant est faible, voire sensiblement nul, le débit du deuxième fluide réfrigérant est maximal et seule une partie du débit de GNL disponible est utilisée.
Dans des modes de réalisation, le circuit fermé de circulation 240 comporte un moyen de stockage 281 du premier fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation, le circuit d’acheminement 261 comporte un moyen de stockage 223 du deuxième fluide réfrigérant.
Par exemple, les moyens de stockage, 281 et 223, sont configurés pour adapter les débits des fluides réfrigérants en fonction des commandes reçues par les moyens de régulation, 272 et 273. Ainsi, l’adaptation des débits des fluides réfrigérants est facilitée.
On observe, sur la , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 300 objet de la présente invention. Le dispositif 300 est une variante du dispositif 200. Ainsi, toutes les caractéristiques et variantes énoncées pour les éléments du dispositif 200 sont similaires et transposables aux éléments du dispositif 300 présentant une numérotation identique, sauf mention du contraire.
On observe, en , que le dispositif 300 comporte, de plus, un cinquième échangeur thermique 323. On note que le cinquième échangeur thermique 323 est configuré pour réaliser un transfert thermique entre, au moins :
- le deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 361 et
- un fluide caloporteur circulant dans un circuit de passage 322.
On note que, lors de l’échange thermique réalisé dans le cinquième échangeur thermique 323 :
- le fluide caloporteur du circuit de passage 322 est une branche chaude et cède ses calories au deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 361 ;
- Le deuxième fluide réfrigérant est donc une branche froide et cède ses frigories au fluide caloporteur.
On observe, en , que lorsque l’on suit le circuit d’acheminement 361 du deuxième fluide, le cinquième échangeur thermique 323 est situé en amont du quatrième échangeur thermique 226. Autrement dit, en sortie du cinquième échangeur thermique 323, le deuxième fluide réfrigérant réalise ensuite un échange thermique dans le quatrième échangeur thermique 226. On note que, lors de l’échange thermique réalisé dans le quatrième échangeur thermique 226, le deuxième fluide réfrigérant correspond à une branche chaude et cède ses calories au troisième fluide réfrigérant du circuit de passage 262. Préférentiellement, le troisième fluide réfrigérant est réchauffé dans le quatrième échangeur thermique 226 à une température supérieure à 0°C.
Ainsi, dans le quatrième échangeur thermique 226, l’utilisation du cinquième échangeur thermique 323 permet un apport plus important des calories cédées par le deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 361 au troisième fluide réfrigérant du circuit de passage 262. Par exemple, lorsque le troisième fluide réfrigérant est constitué de gaz naturel liquéfié (d’acronyme « GNL »), une vaporisation du GNL peut être mise en œuvre lors de l’échange thermique réalisé dans le quatrième échangeur thermique 226.
Dans des modes de réalisation, le fluide caloporteur du circuit de passage 322 comporte de l’eau et préférentiellement est constitué d’eau.
On observe, sur la , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 400 objet de la présente invention. On note que ce dispositif 400 est une variante des dispositifs 200 et 300. Ainsi, toutes les caractéristiques et variantes énoncées pour les éléments des dispositifs 200 et 300 sont similaires et transposables aux éléments du dispositif 400 présentant une numérotation identique, sauf mention du contraire.
Notamment, dans le dispositif 400, le deuxième fluide réfrigérant ne réalise pas de transfert thermique dans :
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- le premier échangeur thermique 215.
Autrement dit, dans le dispositif 400 représenté en , le deuxième fluide réfrigérant du circuit d’acheminement 461 réalise un transfert thermique uniquement dans l’ensemble d’anti-sublimation 225. Ainsi, le premier échangeur thermique 215 et le deuxième échangeur 216 sont simplifiés puisque le nombre de flux circulant dans ces échangeurs est réduit, comparé aux dispositifs 200, 300 et 500.
On observe sur la , qui n’est pas à l’échelle, une vue schématique d’un mode de réalisation du dispositif 500 objet de la présente invention. Le dispositif 500 est une variante des dispositifs, 200, 300 et 400. Ainsi, toutes les caractéristiques et variantes énoncées pour les éléments des dispositifs 200, 300 et 400 sont similaires et transposables aux éléments du dispositif 500 présentant une numérotation identique, sauf mention du contraire.
On note, en , que le circuit d’acheminement 561 du deuxième fluide réfrigérant est ouvert. Le deuxième fluide réfrigérant comporte, par exemple, du GNL et est préférentiellement constitué de GNL. Dans le dispositif 500, représenté en , le GNL réalise directement les échanges thermiques dans les échangeurs, 215, 216 et/ou 225.
Ainsi, une source de deuxième fluide réfrigérant, telle que du GNL, disponible à proximité du dispositif 500 est directement utilisée. Dans cette variante, le procédé est simplifié et limite les pertes thermiques et les pertes de charge, comparé aux autres variantes, 200, 300 et 400, du dispositif 500.
Dans des modes de réalisation (non représentés), le dispositif comporte, de plus, un échangeur thermique supplémentaire en amont du premier échangeur thermique 215. Autrement dit, le groupe d’échangeurs thermique représenté en figures 2 à 5 comporte quatre échangeurs thermiques.
Dans des variantes (non représentées), le dispositif comporte un groupe d’échangeurs thermiques comportant au moins quatre échangeurs thermiques, et notamment un nombre d’échangeurs supérieur à quatre, par exemple cinq, six ou sept échangeurs thermiques.
Dans des modes de réalisation, le circuit de transport 210 d’un fluide cible est configuré pour réaliser successivement un passage à travers l’échangeur thermique supplémentaire du groupe d’échangeur, le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et le troisième échangeur thermique 225. On note que la portion du circuit 210 réalisant ces passages successifs est une branche chaude.
Dans des modes de réalisation (non représentés), le dispositif comporte un moyen de déshydratation du fluide cible disposé en amont du premier échangeur thermique 215.
Dans des variantes (non représentées), un échangeur thermique supplémentaire du groupe d’échangeurs est un ensemble d’anti-sublimation secondaire configuré pour réaliser une anti-sublimation de l’eau contenue dans le fluide cible. Préférentiellement, l’ensemble d’anti-sublimation de l’eau est couplé à un moyen de fusion configuré pour réaliser la fusion de l’eau anti-sublimée. Préférentiellement, le fluide chaud réalisant la fusion est un flux d’eau. Encore plus préférentiellement, un moyen de récupération d’eau ayant subi une fusion, sous forme liquide et provenant du fluide cible, est disposé en aval d’un tel moyen de fusion.
Un exemple des performances du dispositif 200 est donné dans le tableau 1 ci-dessous. Dans cet exemple :
- le débit du flux de fluide cible à traiter, circulant dans le circuit de transport 210, est égal à 3 250 t/h (tonnes par heure) ;
- le débit du deuxième fluide réfrigérant, circulant dans le circuit d’acheminement 261, est égal à 410 t/h, le deuxième fluide étant de l’isopentane liquide ;
- le débit disponible du troisième fluide réfrigérant, du circuit de passage 262, est égal à 150 t/h, le troisième fluide étant constitué de GNL.
Dans cet exemple, le flux de fumée est un mélange de CO2, d’azote, de dioxygène et d’argon, dont les fractions molaires sont, par rapport à la quantité de matière totale du mélange :
- 3,7% de CO2,
- 80,5% d’azote,
- 14,81% de dioxygène et
- 0,97%mol d’argon.
Paramètres Unité Borne inférieure Borne supérieure
Pression de mélange réfrigérant bara 14 23
Débit de mélange réfrigérant t/h 592 x
Températures des fumées du circuit de transport 210 en entrée du moyen d’anti-sublimation 225 °C -112 -97
Composition de MR
Méthane Fraction molaire 39,86 50,66
Éthane 27,79 40,96
Propane 0 4,35
Isobutane 0 5,74
n-butane 20,39 28,99
On note que le choix de la composition du mélange réfrigérant dépend de la composition des fumées. Ainsi, la composition du mélange réfrigérant est adaptable au cas par cas.
On note également que, dans cet exemple, le débit de fluide réfrigérant peut être adapté lorsque la disponibilité en GNL varie.

Claims (14)

  1. Dispositif (200, 300, 400, 500) de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible, au moins partielle, caractérisé en ce qu’il comporte au moins :
    - un circuit de transport (210) d’un fluide cible,
    - un circuit fermé de circulation (240) d’un premier fluide réfrigérant,
    - un circuit d’acheminement (261, 361, 461, 561) d’un deuxième fluide réfrigérant,
    - un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :
    - un premier échangeur thermique (215) de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant ;
    - un deuxième échangeur thermique (216) de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant ; et
    - un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » (225) du dioxyde de carbone dans le fluide cible, configuré pour réaliser un échange thermique entre le fluide cible et au moins le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant,
    le circuit fermé de circulation du premier fluide réfrigérant étant distinct du circuit d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant,
    le circuit de transport du fluide cible étant configurés pour réaliser successivement un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation, et
    le circuit de circulation du premier fluide réfrigérant étant configuré pour réaliser successivement un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique.
  2. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon la revendication 1, dans lequel le circuit fermé de circulation (240) du premier fluide réfrigérant est configuré pour réaliser, en amont du passage successif respectivement à travers l’ensemble d’anti-sublimation (225), le deuxième échangeur thermique (216) et le premier échangeur thermique (215), un autre passage successif respectivement à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation.
  3. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le circuit fermé de circulation (240) du premier fluide réfrigérant comporte, de plus, au moins un moyen de détente (243, 244, 245) du premier fluide réfrigérant.
  4. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de transport (210) du fluide cible est configuré pour réaliser en aval du passage successif respectivement à travers le premier échangeur thermique (215), le deuxième échangeur thermique (216) et l’ensemble d’anti-sublimation (225), un autre passage dans au moins un échangeur thermique parmi :
    - le premier échangeur thermique,
    - le deuxième échangeur thermique, et
    - l’ensemble d’anti-sublimation.
  5. Dispositif (200, 300, 500) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit d’acheminement (261, 361, 561) du deuxième fluide réfrigérant est configuré pour réaliser un passage successif respectivement dans l’ensemble d’anti-sublimation (225), le deuxième échangeur thermique (216) et le premier échangeur thermique (215).
  6. Dispositif (200, 300, 400) selon l’une des revendications 1 à 5, qui comporte, de plus :
    - un circuit de passage (262) d’un troisième fluide réfrigérant, et
    - un quatrième échangeur thermique (226) entre le deuxième fluide réfrigérant et le troisième fluide réfrigérant, le deuxième fluide réfrigérant issu du quatrième échangeur thermique étant configuré pour être fourni à l’ensemble d’anti-sublimation (225).
  7. Dispositif (200, 300, 400) selon la revendication 6, dans lequel le troisième fluide réfrigérant du circuit de passage (262) comporte majoritairement du gaz naturel liquéfié.
  8. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon l’une des revendications 1 à 7 qui comporte, de plus, au moins :
    - un moyen de détermination (271) d’une capacité frigorifique d’au moins un fluide réfrigérant parmi le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant, et
    - un moyen de régulation (272, 273) du débit du premier fluide réfrigérant et/ou du deuxième fluide réfrigérant en fonction de la capacité frigorifique déterminée.
  9. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon la revendication 8, dans lequel au moins un moyen de régulation (272, 273) est configuré pour réguler le débit du premier fluide réfrigérant et/ou du deuxième fluide réfrigérant.
  10. Dispositif (200, 300, 400) selon l’une des revendications 6 ou 7 et selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel le moyen de détermination (271) détermine la capacité frigorifique du deuxième fluide réfrigérant en fonction d’une quantité du troisième fluide réfrigérant du circuit de passage (262).
  11. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon l’une des revendications 1 à 10, qui comporte, de plus :
    - un échangeur thermique complémentaire (230), appelé « moyen de fusion » du dioxyde de carbone anti-sublimé, et
    - un récupérateur (235) de dioxyde de carbone liquide issu du moyen de fusion.
  12. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon la revendication 11, dans lequel le circuit de transport du fluide cible (210) est configuré pour réaliser, en aval du passage à travers le premier échangeur thermique (215) et en amont du passage dans le deuxième échangeur (216) thermique, un passage dans le moyen de fusion (230).
  13. Dispositif (200, 300, 400, 500) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le flux de fluide cible comporte majoritairement de l’azote.
  14. Procédé (100) de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un fluide cible, au moins partielle, caractérisé en ce qu’il comporte au moins :
    - une étape de transport (105) du fluide cible successivement à travers un premier échangeur thermique, un deuxième échangeur thermique et un troisième échangeur thermique appelé « ensemble d’anti-sublimation »,
    - une étape de circulation (110) d’un premier fluide réfrigérant successivement à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique, et
    - une étape d’acheminement (115) d’un deuxième fluide réfrigérant à travers l’ensemble d’anti-sublimation,
    l’étape de circulation du premier fluide réfrigérant et l’étape d’acheminement du deuxième fluide réfrigérant étant distinctes,
    le premier échangeur thermique réalisant une première étape d’échange thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant,
    le deuxième échangeur thermique réalisant une deuxième étape d’échange thermique de pré-refroidissement entre au moins le fluide cible et le premier fluide réfrigérant, et
    l’ensemble d’anti-sublimation réalisant un troisième échange thermique entre le fluide cible, le premier fluide réfrigérant et le deuxième fluide réfrigérant.
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US20080302133A1 (en) * 2005-12-21 2008-12-11 Gaz De France Method and Device for Recovering Carbon Dioxide from Fumes
WO2013062922A1 (fr) * 2011-10-22 2013-05-02 Baxter Larry L Systèmes et procédés de stockage d'énergie et de captage cryogénique du carbone intégrés

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