FR3137309A1 - 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 d’un fluide cible (210),- un circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant (240) et- un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :- un premier échangeur thermique (215) de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant,- un deuxième échangeur thermique (216) de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant et- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » (225) du dioxyde de carbone configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide réfrigérant,le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comportant, de plus, au moins un moyen de détente (243, 244, 245) du fluide réfrigérant. Figure pour l’abrégé : Figure 2
Description
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.
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.
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 :
- un circuit de transport d’un fluide cible,
- un circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant et
- un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :
- un premier échangeur thermique de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant,
- un deuxième échangeur thermique de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant et
- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide réfrigérant,
le circuit de transport d’un fluide cible étant configuré pour réaliser successivement un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique,
le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant étant configuré pour réaliser successivement :
- un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation et/ou
- un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique,
le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comportant, de plus, au moins un moyen de détente du fluide réfrigérant.
- un circuit de transport d’un fluide cible,
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- un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :
- un premier échangeur thermique de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant,
- un deuxième échangeur thermique de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant et
- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide réfrigérant,
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le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant étant configuré pour réaliser successivement :
- un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation et/ou
- un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique,
le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comportant, de plus, au moins un moyen de détente du fluide réfrigérant.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet l’extraction 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.
Par ailleurs, le dispositif permet de mettre en œuvre le deuxième circuit de circulation fermé de fluide réfrigérant correspondant à un cycle d’apport de froid intégré. Un tel deuxième circuit de circulation fermé permet une participation du 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.
De plus, le deuxième circuit de circulation fermé de fluide réfrigérant est compatible avec, par exemple, un mélange réfrigérant d’hydrocarbures. Notamment, l’étagement en température combiné à une composition optimisée du mélange réfrigérant permet l’intensification des échanges thermiques lors de la mise en œuvre du dispositif. Ainsi, la perte énergétique est limitée et une meilleure efficacité thermodynamique est obtenue.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit de transport d’un 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 dispositif comporte, de plus :
- un quatrième échangeur thermique, appelé « moyen de fusion » du dioxyde de carbone anti-sublimé et
- un récupérateur de dioxyde de carbone liquide issu du moyen de fusion.
- un quatrième échangeur thermique, 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 troisième échangeur thermique comporte, de plus, un échangeur thermique intermédiaire, le dispositif comportant, de plus, un troisième circuit fermé d’acheminement d’un fluide caloporteur intermédiaire entre l’échangeur thermique intermédiaire et le moyen d’anti-sublimation.
Grâce à ces dispositions, le nombre de flux de fluide réalisant l’échange thermique dans le moyen d’anti-sublimation est diminué. Ainsi, la mise en œuvre du dispositif est simplifiée.
Dans des modes de réalisation optionnels, une portion du circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant est configurée 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 la récupération, par le fluide réfrigérant, des frigories fournies lors de la fusion du CO2solide. Ainsi, un pré-refroidissement du fluide réfrigérant en amont du deuxième échangeur thermique et la fusion du CO2solide sont réalisés.
Dans des modes de réalisation optionnels, l’ensemble d’anti-sublimation comporte, de plus :
- un échangeur thermique subsidiaire et
- un troisième circuit fermé d’acheminement d’un fluide caloporteur subsidiaire.
- un échangeur thermique subsidiaire et
- un troisième circuit fermé d’acheminement d’un fluide caloporteur subsidiaire.
Grâce à ces dispositions, le dispositif permet de mettre en œuvre deux étapes distinctes d’échange thermique dans l’ensemble d’anti-sublimation, limitant ainsi le nombre d’interactions thermiques simultanées entre les flux.
Dans des modes de réalisation optionnels, le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de compression en amont du premier échangeur thermique.
Dans des modes de réalisation optionnels, dans lequel le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de séparation du fluide réfrigérant en une fraction lourde et une fraction légère, le moyen de séparation étant disposé en amont d’au moins un échangeur thermique.
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, caractérisé en ce qu’il comporte :
- une étape de transport d’un fluide cible comportant successivement :
- une première étape d’échange thermique de pré-refroidissement,
- une deuxième étape d’échange thermique de pré-refroidissement et
- une troisième étape d’échange thermique, appelée « étape d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone et
- une étape de circulation fermée d’un fluide réfrigérant comportant successivement :
- la première étape d’échange thermique, la deuxième étape d’échange thermique et l’étape d’anti-sublimation et/ou
- l’étape d’anti-sublimation, la deuxième étape d’échange thermique et la première étape d’échange thermique,
l’étape de circulation fermée comportant au moins une étape de détente du fluide réfrigérant.
- une étape de transport d’un fluide cible comportant successivement :
- une première étape d’échange thermique de pré-refroidissement,
- une deuxième étape d’échange thermique de pré-refroidissement et
- une troisième étape d’échange thermique, appelée « étape d’anti-sublimation » du dioxyde de carbone et
- une étape de circulation fermée d’un fluide réfrigérant comportant successivement :
- la première étape d’échange thermique, la deuxième étape d’échange thermique et l’étape d’anti-sublimation et/ou
- l’étape d’anti-sublimation, la deuxième étape d’échange thermique et la première étape d’échange thermique,
l’étape de circulation fermée comportant au moins une étape de détente du 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.
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 :
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 rappelle ici les définitions suivantes :
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-refroidissement, 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 transport d’un fluide réfrigérant » ou « circuit de passage d’un fluide réfrigérant » se réfèrent à un ensemble de conduites configurées pour le transport de fluide réfrigérant. La configuration du circuit de circulation, de transport ou de passage dépend des performances souhaitées des dispositifs, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 et 1300, et des conditions opératoires prévues par ces dispositifs, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 et 1300.
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%.
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, 325, 326, 605 et 915, peuvent correspondre à des étages distincts d’un échangeur unique.
On note que l’ensemble d’anti-sublimation 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 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 comporte d’au moins deux échangeurs d’anti-sublimation et encore plus préférentiellement quatre échangeurs d’anti-sublimation.
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 dans, 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.
- 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 ce mode de réalisation :
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser un premier 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 un deuxième 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 un troisième 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.
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser un premier 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 un deuxième 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 un troisième 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, 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 fluide réfrigérant à travers, successivement :
- le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation, une telle succession de passages dans ces échangeurs thermiques étant appelée « circulation aller » du fluide réfrigérant, et
- 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.
- le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation, une telle succession de passages dans ces échangeurs thermiques étant appelée « circulation aller » du fluide réfrigérant, et
- 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.
On remarque, en , que :
- la succession d’étapes correspondant à la « circulation aller » du fluide réfrigérant est représentée par des flèches en trait plein et
- la succession d’étapes correspondant à la « circulation retour » du fluide réfrigérant est représentée par des flèches en pointillés.
- la succession d’étapes correspondant à la « circulation aller » du fluide réfrigérant est représentée par des flèches en trait plein et
- la succession d’étapes correspondant à la « circulation retour » du fluide réfrigérant est représentée par des flèches en pointillés.
Dans ce mode de réalisation, lors de la « circulation aller » du fluide réfrigérant :
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser le premier échange thermique 106 correspondant à un premier refroidissement du fluide réfrigérant ; autrement dit, le 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 fluide réfrigérant, en aval du premier refroidissement 106 ; autrement dit, le 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 fluide réfrigérant, à la suite du deuxième refroidissement 107 ; autrement dit, le fluide réfrigérant, refroidi en amont, est un fluide chaud en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation.
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser le premier échange thermique 106 correspondant à un premier refroidissement du fluide réfrigérant ; autrement dit, le 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 fluide réfrigérant, en aval du premier refroidissement 106 ; autrement dit, le 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 fluide réfrigérant, à la suite du deuxième refroidissement 107 ; autrement dit, le fluide réfrigérant, refroidi en amont, est un fluide chaud en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation.
On note, dans ce mode de réalisation, que la « circulation aller » du fluide réfrigérant correspond à une branche chaude.
Dans ce mode de réalisation, le fluide réfrigérant de la « circulation aller » est détendu lors d’une étape de détente 109 en aval de l’ensemble d’anti-sublimation, autrement dit en aval du troisième refroidissement du fluide réfrigérant. On note que l’étape de détente 109 correspond à une délimitation entre la « circulation aller » et la « circulation retour » du fluide réfrigérant. Le 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 fluide réfrigérant.
Dans ce mode de réalisation, lors de la « circulation retour » du fluide réfrigérant :
- l’ensemble d’anti-sublimation est configuré pour réaliser le troisième échange thermique 108 correspondant à un premier réchauffement du fluide réfrigérant, à la suite du troisième refroidissement 108 ; autrement dit, le 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 le deuxième échange thermique 107 correspondant à un deuxième réchauffement du fluide réfrigérant, en aval du premier réchauffement 108 ; autrement dit, le fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du deuxième échangeur thermique et
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser le premier échange thermique 106 correspondant à un troisième réchauffement du fluide réfrigérant, en aval du deuxième réchauffement 107 ; autrement dit, le fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du premier échangeur thermique.
- l’ensemble d’anti-sublimation est configuré pour réaliser le troisième échange thermique 108 correspondant à un premier réchauffement du fluide réfrigérant, à la suite du troisième refroidissement 108 ; autrement dit, le 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 le deuxième échange thermique 107 correspondant à un deuxième réchauffement du fluide réfrigérant, en aval du premier réchauffement 108 ; autrement dit, le fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du deuxième échangeur thermique et
- le premier échangeur thermique est configuré pour réaliser le premier échange thermique 106 correspondant à un troisième réchauffement du fluide réfrigérant, en aval du deuxième réchauffement 107 ; autrement dit, le fluide réfrigérant, réchauffé en amont, est un fluide froid en entrée du premier échangeur thermique.
On note, dans ce mode de réalisation, que la « circulation retour » du fluide réfrigérant correspond à une branche froide.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , la double flèche verticale représente la mise en œuvre simultanée des étapes 105 et 110. Autrement dit, l’étape de transport 105 d’un fluide cible et l’étape de circulation fermée 110 sont simultanées.
On observe, sur la , une vue schématique d’un mode de réalisation du procédé 1400 objet de la présente invention. On note que le procédé 1400 est un mode de réalisation particulier du procédé 100 précédemment décrit. Autrement dit, le procédé 1400 comporte des étapes supplémentaires mentionnées dans la suite de la description.
Similairement à la , on remarque, en , que :
- les étapes de fourniture du fluide réfrigérant se rapportent à la « circulation aller » du fluide réfrigérant, la succession de ces étapes étant représentée par des flèches en trait plein et
- les étapes d’injection se rapportent à la « circulation retour » du fluide réfrigérant, la succession de ces étapes étant représentée par des flèches en pointillés.
- les étapes de fourniture du fluide réfrigérant se rapportent à la « circulation aller » du fluide réfrigérant, la succession de ces étapes étant représentée par des flèches en trait plein et
- les étapes d’injection se rapportent à la « circulation retour » du fluide réfrigérant, la succession de ces étapes étant représentée par des flèches en pointillés.
On observe, en , que l’étape de circulation fermée 110 de fluide réfrigérant du procédé 1400 de capture cryogénique de dioxyde de carbone comporte, de plus :
- une étape de compression de gaz 111,
- une première étape de séparation 112 du fluide réfrigérant, en aval de l’étape de compression, en une fraction lourde et une fraction légère.
- une étape de compression de gaz 111,
- une première étape de séparation 112 du fluide réfrigérant, en aval de l’étape de compression, en une fraction lourde et une fraction légère.
Préférentiellement, l’étape de compression 111 est réalisée en deux étapes, par exemple par deux compresseurs distincts. Autrement dit, une compression bi-étagée est préférentiellement mise en œuvre lors de l’étape de compression 111. Une telle compression bi-étagée mise en œuvre améliore le taux de compression.
Préférentiellement, lors de la première étape de séparation 112, la fraction lourde correspond à une fraction liquide et la fraction légère correspondant à une fraction gazeuse.
Dans des modes de réalisation, l’étape de compression 111 comporte, de plus, une étape de refroidissement intermédiaire en aval de la compression 111.
On note, en , que l’étape de circulation fermée 110 du fluide réfrigérant en circuit fermé comporte, de plus :
- une étape de fourniture 113 de la fraction lourde séparée, en aval de la première étape de séparation 112, au premier échangeur thermique et
- une étape de fourniture 116 de la fraction légère séparée, en aval de la première étape de séparation, au premier échangeur thermique.
- une étape de fourniture 113 de la fraction lourde séparée, en aval de la première étape de séparation 112, au premier échangeur thermique et
- une étape de fourniture 116 de la fraction légère séparée, en aval de la première étape de séparation, au premier échangeur thermique.
Lors du premier échange thermique réalisé dans le premier échangeur thermique, la fraction lourde et la fraction légère séparées et fournies sont des fluides chauds en entrée du premier échangeur thermique. Autrement dit, la fraction lourde et la fraction légère séparées cèdent leurs calories dans le premier échangeur thermique.
Préférentiellement, l’étape de fourniture 113 de la fraction lourde et l’étape de fourniture 116 de la fraction légère séparée au premier échangeur sont réalisées simultanément. Encore plus préférentiellement, les échanges thermiques réalisés dans le premier échangeur thermique sont réalisés simultanément.
On observe, en , qu’en aval de la première étape de séparation 112 du fluide réfrigérant, la fraction lourde et la fraction légère sont engagées distinctement dans plusieurs étapes comprises dans l’étape de circulation 110 du fluide réfrigérant en circuit fermé.
Notamment, les différentes étapes dans lesquelles la fraction lourde séparée, lors de la première étape de séparation 112, est impliquée sont les suivantes :
- une première étape de détente 114 de la fraction lourde issue du premier échangeur thermique,
- une première étape de mélange 115 de la fraction lourde en aval de la première étape de détente 114.
- une première étape de détente 114 de la fraction lourde issue du premier échangeur thermique,
- une première étape de mélange 115 de la fraction lourde en aval de la première étape de détente 114.
Lors de la première étape de détente 114, la pression de la fraction lourde issue du premier échangeur thermique est diminuée. Préférentiellement, la fraction lourde est sous forme liquide en amont et en aval d’une telle détente.
Lors de la première étape de mélange 115, la fraction lourde détendue est mélangée à un autre flux de fluide réfrigérant mentionné dans la suite de la description. Une portion de la boucle de fluide réfrigérant, correspondant à la circulation du fluide réfrigérant en circuit fermé, est ainsi formée.
Par ailleurs, la fraction légère :
- séparée, lors de la première étape de séparation 112 et
- issue du premier échangeur thermique, formant un fluide réfrigérant,
est impliquée dans une deuxième étape de séparation 117. Autrement dit, ce fluide réfrigérant correspond à la fraction légère séparée lors de la première étape de séparation 112 et ayant subi un refroidissement dans le premier échangeur thermique.
- séparée, lors de la première étape de séparation 112 et
- issue du premier échangeur thermique, formant un fluide réfrigérant,
est impliquée dans une deuxième étape de séparation 117. Autrement dit, ce fluide réfrigérant correspond à la fraction légère séparée lors de la première étape de séparation 112 et ayant subi un refroidissement dans le premier échangeur thermique.
Préférentiellement, lors de l’échange thermique de la fraction légère séparée dans le premier échangeur thermique, cette fraction est transformée en une fraction lourde et une fraction légère formant ainsi le fluide réfrigérant. La fraction lourde et la fraction légère sont séparées lors de la deuxième étape de séparation 117.
Par exemple, la fraction légère séparée lors de la première étape de séparation 112 correspond à une fraction gazeuse et subit une liquéfaction partielle dans le premier échangeur thermique. Dans cet exemple, le flux de fluide sortant du premier échangeur thermique est un mélange gaz-liquide correspondant à un mélange fraction légère et fraction lourde. Ce mélange gaz-liquide est ensuite séparé lors de la deuxième étape de séparation 117.
On note, en , que l’étape de circulation fermée 110 du fluide réfrigérant en circuit fermé comporte, de plus :
- une étape de fourniture 118 de la fraction lourde séparée, en aval de la deuxième étape de séparation 117, au deuxième échangeur thermique et
- une étape de fourniture 121 de la fraction légère séparée, en aval de la deuxième étape de séparation 117, au deuxième échangeur thermique.
- une étape de fourniture 118 de la fraction lourde séparée, en aval de la deuxième étape de séparation 117, au deuxième échangeur thermique et
- une étape de fourniture 121 de la fraction légère séparée, en aval de la deuxième étape de séparation 117, au deuxième échangeur thermique.
Lors du deuxième échange thermique 107 réalisé dans le deuxième échangeur thermique, la fraction lourde et la fraction légère séparées et fournies sont des fluides chauds en entrée du premier échangeur thermique. Autrement dit, la fraction lourde et la fraction légère séparées cèdent leurs calories dans le deuxième échangeur thermique.
Préférentiellement, l’étape de fourniture 118 de la fraction lourde et l’étape de fourniture 121 de la fraction légère séparée au deuxième échangeur sont réalisées simultanément. Encore plus préférentiellement, les échanges thermiques réalisés dans le deuxième échangeur thermique sont réalisés simultanément.
On observe, en , qu’en aval de la deuxième étape de séparation 117 du fluide réfrigérant, la fraction lourde et la fraction légère sont engagées distinctement dans plusieurs étapes comprises dans l’étape de circulation 110 du fluide réfrigérant en circuit fermé.
Notamment, les différentes étapes dans lesquelles la fraction lourde séparée, lors de la deuxième étape de séparation 117, est impliquée sont les suivantes :
- une deuxième étape de détente 119 de la fraction lourde issue du deuxième échangeur thermique et
- une deuxième étape de mélange 120 de la fraction lourde en aval de la deuxième étape de détente 119.
- une deuxième étape de détente 119 de la fraction lourde issue du deuxième échangeur thermique et
- une deuxième étape de mélange 120 de la fraction lourde en aval de la deuxième étape de détente 119.
Lors de la deuxième étape de détente 119, la pression de la fraction lourde issue du premier échangeur thermique est diminuée. Préférentiellement, la fraction lourde est sous forme liquide en amont d’une telle détente. Une telle détente a pour conséquence, entre autres, de diminuer la température d’évaporation associée au liquide.
Lors de la deuxième étape de mélange 120, la fraction lourde détendue est mélangée à un autre flux de fluide réfrigérant mentionné dans la suite de la description. Une portion de la boucle de fluide réfrigérant, correspondant à la circulation du fluide réfrigérant en circuit fermé, est ainsi formée.
Par ailleurs, la fraction légère :
- séparée, lors de la deuxième étape de séparation 117 et
- issue du deuxième échangeur thermique, formant un fluide réfrigérant,
est impliquée dans une étape de fourniture 122 à un ensemble d’anti-sublimation.
- séparée, lors de la deuxième étape de séparation 117 et
- issue du deuxième échangeur thermique, formant un fluide réfrigérant,
est impliquée dans une étape de fourniture 122 à un ensemble d’anti-sublimation.
Lors du troisième échange thermique 108 réalisé dans l’ensemble d’anti-sublimation, la fraction légère fournie est un fluide chaud en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation. Autrement dit, la fraction légère cède ses calories dans l’ensemble d’anti-sublimation.
On observe, en , que l’étape de circulation fermée 110 du fluide réfrigérant en circuit fermé comporte, de plus :
- en aval du troisième échange thermique, une troisième étape de détente 123 de la fraction légère issue de l’ensemble d’anti-sublimation et
- une étape d’injection 124 du fluide réfrigérant, en aval de la troisième étape de détente, dans l’ensemble d’anti-sublimation.
- en aval du troisième échange thermique, une troisième étape de détente 123 de la fraction légère issue de l’ensemble d’anti-sublimation et
- une étape d’injection 124 du fluide réfrigérant, en aval de la troisième étape de détente, dans l’ensemble d’anti-sublimation.
Autrement dit, la fraction légère issue du deuxième échangeur thermique est fournie à l’ensemble d’anti-sublimation afin de réaliser un premier passage dans cet échangeur. Lors du premier passage dans l’ensemble d’anti-sublimation, la fraction légère correspond à un fluide chaud. En aval de ce premier passage, le fluide obtenu est détendu puis réinjecté dans l’ensemble d’anti-sublimation. Cette réinjection correspond à un deuxième passage dans l’ensemble d’anti-sublimation, le fluide réalisant ce deuxième passage correspondant à un fluide froid.
On observe, en , que l’étape de circulation fermée 110 du fluide réfrigérant en circuit fermé comporte, de plus :
- une étape d’injection 125 du fluide réfrigérant, issu du troisième échangeur thermique, en amont de la deuxième étape de mélange,
- une étape d’injection 126 du fluide réfrigérant, en aval de la deuxième étape de mélange 120, dans le deuxième échangeur thermique,
- une étape d’injection 127 du fluide réfrigérant, issu du deuxième échangeur thermique, en amont de la première étape de mélange,
- une étape d’injection 128 du fluide réfrigérant, en aval de la première étape de mélange, dans le premier échangeur thermique et
- une étape d’injection 129 du fluide réfrigérant, issu du premier échangeur thermique, en amont de l’étape de compression.
- une étape d’injection 125 du fluide réfrigérant, issu du troisième échangeur thermique, en amont de la deuxième étape de mélange,
- une étape d’injection 126 du fluide réfrigérant, en aval de la deuxième étape de mélange 120, dans le deuxième échangeur thermique,
- une étape d’injection 127 du fluide réfrigérant, issu du deuxième échangeur thermique, en amont de la première étape de mélange,
- une étape d’injection 128 du fluide réfrigérant, en aval de la première étape de mélange, dans le premier échangeur thermique et
- une étape d’injection 129 du fluide réfrigérant, issu du premier échangeur thermique, en amont de l’étape de compression.
Dans ces modes de réalisation, les fluides réfrigérants issus respectivement de la deuxième étape de détente 119 et de l’étape d’injection 125 sont mélangés lors de la deuxième étape de mélange 120. Lors de l’étape d’injection 126, le mélange obtenu est injecté dans le deuxième échangeur thermique afin d’être impliqué dans le deuxième échange thermique 107. Le mélange correspond à un fluide froid en entrée du deuxième échangeur thermique.
Dans ces modes de réalisation, les fluides réfrigérants issus respectivement de la première étape de détente 114 et de l’étape d’injection 127 sont mélangés lors de la première étape de mélange 115. Lors de l’étape d’injection 128, le mélange obtenu est injecté dans le premier échangeur thermique. On note que le premier échange thermique 106 réalisé par un tel mélange est en aval de l’étape d’injection 128. Le mélange correspond à un fluide froid en entrée du premier échangeur thermique.
Dans ces modes de réalisation, l’étape d’injection 129 du fluide réfrigérant issu du premier échangeur thermique dans un compresseur réalisant l’étape de compression 111 assure la fermeture du cycle de circulation du fluide réfrigérant.
Préférentiellement, les étapes comprises dans l’étape de circulation 110 d’un fluide réfrigérant en circuit fermé sont réalisées successivement, sauf mention du contraire.
Préférentiellement, les procédés 100 et 1400 peuvent être mis en œuvre par tout ou partie des moyens des dispositifs, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1300, exposés ci-dessous. Autrement dit, les moyens des dispositifs, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1300, sont configurés pour mettre en œuvre tout ou partie les étapes des procédés 100 et 1400.
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 du fluide réfrigérant 240 et
- un groupe de 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, appelé « ensemble d’anti-sublimation » 225 du dioxyde de carbone configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide réfrigérant.
- un circuit de transport d’un fluide cible 210,
- un circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant 240 et
- un groupe de 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, appelé « ensemble d’anti-sublimation » 225 du dioxyde de carbone configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide réfrigérant.
On note que :
- le premier échangeur thermique 215 est configuré pour réaliser un premier échange thermique entre le fluide cible et le fluide réfrigérant, le fluide cible subissant un premier pré-refroidissement,
- le deuxième échangeur thermique 216 est configuré pour réaliser un deuxième échange thermique entre le fluide cible et le fluide réfrigérant, le fluide cible subissant 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 et le fluide réfrigérant.
- le premier échangeur thermique 215 est configuré pour réaliser un premier échange thermique entre le fluide cible et le fluide réfrigérant, le fluide cible subissant un premier pré-refroidissement,
- le deuxième échangeur thermique 216 est configuré pour réaliser un deuxième échange thermique entre le fluide cible et le fluide réfrigérant, le fluide cible subissant 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 et le fluide réfrigérant.
On observe, en , que le circuit de transport 210 d’un fluide cible est configuré pour réaliser successivement un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique. 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.
- 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.
Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, le circuit fermé de circulation 240 du 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 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage, correspondant à une branche froide, à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur et le premier échangeur thermique.
- un premier passage, correspondant à une branche chaude, à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage, correspondant à une branche froide, à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur et le premier échangeur thermique.
Préférentiellement, le circuit fermé de circulation 240 d’un fluide réfrigérant comporte au moins :
- un compresseur de gaz, 248 et/ou 249,
- 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, issu 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 261 du fluide réfrigérant, issu du premier échangeur thermique 215, dans le compresseur, 248 et/ou 249.
- un compresseur de gaz, 248 et/ou 249,
- 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, issu 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 261 du fluide réfrigérant, issu du premier échangeur thermique 215, dans le compresseur, 248 et/ou 249.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , l’apport frigorifique nécessaire lors du pré-refroidissement du fluide cible et de l’anti-sublimation du CO2contenu dans le fluide cible est réalisé par un cycle intégré 240.
Préférentiellement, le cycle intégré 240 est réalisé avec un mélange réfrigérant d’hydrocarbures.
Dans des modes de réalisation, un exemple de cycle intégré appliqué dans un dispositif 200 est le suivant :
le fluide réfrigérant est compressé à une pression comprise entre 16 et 22 bara (bar absolu) dans une compression à deux étages avec deux refroidisseurs intermédiaires (non représentés). 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 fluide réfrigérant en sortie de la compression bi-étagée présente une température égale 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 de fraction lourde passent par le premier échangeur thermique 215 et sortent une température égale à -40°C.
le fluide réfrigérant est compressé à une pression comprise entre 16 et 22 bara (bar absolu) dans une compression à deux étages avec deux refroidisseurs intermédiaires (non représentés). 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 fluide réfrigérant en sortie de la compression bi-étagée présente une température égale 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 de fraction lourde passent par le premier échangeur thermique 215 et sortent une température égale 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 de fraction lourde provenant de la cuve flash 242 passent dans le deuxième échangeur 216 et sortent à une température, par exemple, comprise entre -112°C et -100,5°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 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 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 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 fluide réfrigérant.
Les modes de réalisation, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, représentés en figures 2 à 11, comportent chacun un circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant comportant 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 certains modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 4 et 8 à 11, le circuit fermé de circulation 240 du 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 248 et le premier échangeur thermique 215.
Dans d’autres modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 5 à 7, le circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de compression 248 disposé directement en aval d’un échangeur supplémentaire 605 de pré-refroidissement.
Les modes de réalisation, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, représentés en figures 2 à 11, comportent chacun un circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant comportant 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, 915, 216, 225 et/ou 325.
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 faction lourde correspondant au liquide et la faction 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 les modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 4 et 9 et 11, le circuit fermé de circulation 240 du 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 figures 5 à 7, le circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant comporte un moyen de séparation 241 disposé directement en amont d’un échangeur supplémentaire 605 de pré-refroidissement.
Dans les modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 11, le circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant comporte un moyen de séparation 242 disposé en amont du deuxième échangeur thermique 216.
Les modes de réalisation, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, représentés en figures 2 à 11, comportent chacun un circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant comportant au moins un moyen de détente, 243, 244 et/ou 245 du fluide réfrigérant.
Dans des modes de réalisation, au moins un moyen de détente, 243, 244 et/ou 245 du fluide réfrigérant est disposé en amont et/ou en aval d’un échangeur thermique, 215, 915, 216, 225 et/ou 325.
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 7, 9 et 11, le moyen de détente 243 est disposé en aval du premier échangeur, 215 ou 915.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 2 à 7, 9 à 11, 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, 3 et 4 à 10, le moyen de détente 245 est disposé en aval de l’ensemble d’anti-sublimation, 225 et 325. 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 et 325.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 4 et 11, le moyen de détente 245 est disposé en amont de l’ensemble d’anti-sublimation 225.
Dans des variantes, telles que celle représentée en , le dispositif 300 comporte un ensemble d’anti-sublimation 325 qui comporte, de plus :
- un échangeur thermique subsidiaire 326 et
- un troisième circuit fermé d’acheminement 327 d’un fluide caloporteur subsidiaire.
- un échangeur thermique subsidiaire 326 et
- un troisième circuit fermé d’acheminement 327 d’un fluide caloporteur subsidiaire.
Dans ces variantes, l’échangeur thermique intermédiaire 326 est configuré pour réaliser un échange thermique entre, au moins :
- le fluide caloporteur intermédiaire circulant dans le circuit fermé d’acheminement 327 et
- le fluide réfrigérant circulant dans le circuit fermé de circulation 240.
- le fluide caloporteur intermédiaire circulant dans le circuit fermé d’acheminement 327 et
- le fluide réfrigérant circulant dans le circuit fermé de circulation 240.
On note que, lors du transfert thermique réalisé dans l’échangeur thermique intermédiaire 326, le fluide caloporteur intermédiaire correspond à un fluide chaud et une portion du fluide réfrigérant injecté par le moyen d’injection 256 correspond à un fluide froid. Autrement dit, le fluide caloporteur intermédiaire est refroidi lors du transfert thermique réalisé dans l’échangeur thermique intermédiaire 326.
Par ailleurs, dans ces variantes, l’ensemble d’anti-sublimation 325 est configuré pour réaliser un autre échange thermique, correspondant au transfert thermique d’anti-sublimation, entre au moins :
- le fluide caloporteur intermédiaire circulant dans le circuit fermé d’acheminement 327 et
- le fluide cible circulant dans le circuit de transport 210.
- le fluide caloporteur intermédiaire circulant dans le circuit fermé d’acheminement 327 et
- le fluide cible circulant dans le circuit de transport 210.
On note que, lors de ce transfert thermique d’anti-sublimation, le fluide cible correspond à un fluide chaud et cède donc ses calories au fluide caloporteur intermédiaire circulant dans le circuit fermé d’acheminement 327 correspondant à un fluide froid.
Autrement dit, le fluide caloporteur permet de transporter les frigories issues de l’échangeur thermique intermédiaire 326 vers un sous échangeur thermique compris dans l’ensemble d’anti-sublimation 325. Un tel sous-échangeur étant configuré pour réaliser le transfert thermique d’anti-sublimation. Préférentiellement, le fluide caloporteur sortant du sous-échangeur réalise ensuite un autre passage dans l’échangeur thermique intermédiaire 326. Lors de cet autre passage, le fluide caloporteur correspond à un fluide chaud. Autrement dit, le fluide caloporteur réalise une boucle réfrigérante permettant notamment de réaliser l’anti-sublimation du CO2contenu dans le fluide cible.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le dispositif 500 comporte un circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant configuré pour réaliser successivement :
- un passage à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et un échangeur thermique 505 et
- un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215.
- un passage à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et un échangeur thermique 505 et
- un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215.
On remarque, en , que l’échangeur thermique 505 est disposé entre le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225. Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, le moyen de détente 245 est disposé entre l’échangeur thermique 505 et l’ensemble d’anti-sublimation 225. Ainsi, une limitation du nombre de fluides passant dans l’ensemble d’anti-sublimation 225 est réalisée.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le dispositif 1300 comporte un circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant configuré pour réaliser successivement :
- un premier passage à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage à travers le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215.
- un premier passage à travers le premier échangeur thermique 215, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage à travers le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215.
Dans ces modes de réalisation, lors du premier passage successif à travers le premier échangeur thermique 215 et le deuxième échangeur thermique 216, le fluide réfrigérant correspond à un fluide chaud. Lors du premier passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le fluide réfrigérant, détendu en amont par le moyen de détente 245, correspond à un fluide froid.
Dans ces modes de réalisation, lors du deuxième passage successif à travers le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215, le fluide réfrigérant correspond à un fluide froid.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 5 à 7, les dispositifs 700, 800 et 900 comportent un échangeur thermique supplémentaire 605 en amont du premier échangeur thermique, 215 ou 915. Autrement dit, le groupe d’échangeurs thermique représenté en figures 5 et 6 comporte quatre échangeurs thermiques, 605, 215, 216 et 225. On note que le groupe d’échangeur thermique représenté en comporte similairement quatre échangeurs thermiques, 605, 915, 216 et 225.
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 ces 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 605, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225. On note que la portion du circuit 210 réalisant ces passages successifs est une branche chaude.
Dans ces modes de réalisation, le circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant est configuré pour réaliser successivement :
- un premier passage à travers l’échangeur thermique supplémentaire 605, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur 216, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, et l’échangeur thermique supplémentaire 605.
- un premier passage à travers l’échangeur thermique supplémentaire 605, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur 216, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, et l’échangeur thermique supplémentaire 605.
Dans ces modes de réalisation, lors du premier passage successif à travers :
- l’échangeur thermique supplémentaire 605,
- le premier échangeur thermique, 215 ou 915,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
le fluide réfrigérant correspond à un fluide chaud.
- l’échangeur thermique supplémentaire 605,
- le premier échangeur thermique, 215 ou 915,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
le fluide réfrigérant correspond à un fluide chaud.
Dans ces modes de réalisation, lors du deuxième passage successif à travers :
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- le deuxième échangeur 216,
- le premier échangeur thermique, 215 ou 915, et
- l’échangeur thermique supplémentaire 605,
le fluide réfrigérant, détendu en amont du deuxième passage par le moyen de détente 245, correspond à un fluide froid.
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- le deuxième échangeur 216,
- le premier échangeur thermique, 215 ou 915, et
- l’échangeur thermique supplémentaire 605,
le fluide réfrigérant, détendu en amont du deuxième passage par le moyen de détente 245, correspond à un fluide froid.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le dispositif 700 comporte un moyen de séparation 705 disposé entre l’échangeur thermique supplémentaire 605 et le premier échangeur thermique 215.
Dans des modes de réalisation, tels que celui représenté en , le dispositif 800 comporte un moyen de déshydratation 805 du fluide cible disposé entre l’échangeur thermique supplémentaire 605 et le premier échangeur thermique 215.
Dans des variantes, telles que celle représentée en , le premier échangeur thermique est un ensemble d’anti-sublimation secondaire 915 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 901 configuré pour réaliser la fusion de l’eau anti-sublimée. Préférentiellement, le fluide chaud réalisant la fusion est un flux d’eau 902. Encore plus préférentiellement, un moyen de récupération 903 d’eau, sous forme liquide et provenant du fluide cible, est disposé en aval du moyen de fusion.
Dans des modes de réalisations, tels que ceux représentés en figures 2 à 11, le circuit de transport d’un fluide cible est configuré pour réaliser un deuxième passage, successivement dans :
- l’ensemble d’anti-sublimation, 225 ou 325,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- le premier échangeur thermique, 215 ou 915,
le fluide cible correspondant à un fluide froid.
- l’ensemble d’anti-sublimation, 225 ou 325,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- le premier échangeur thermique, 215 ou 915,
le fluide cible correspondant à un fluide froid.
Par exemple, le fluide cible réalisant ce deuxième passage est un flux de fumées incondensables.
Les modes de réalisation, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, représentés en figures 2 à 11, comportent chacun :
- un quatrième échangeur thermique 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.
- un quatrième échangeur thermique 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 11, le moyen de fusion 230 et l’ensemble d’anti-sublimation, 225 ou 325, sont confondus dans un moyen 270 unique. On note qu’un tel moyen unique 270 présente deux modes de fonctionnement : un mode fusion et/ou un mode anti-sublimation. Autrement dit, l’ensemble d’anti-sublimation, 225 ou 325, 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 8, 10 et 11, 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 8, 10 et 11, le circuit de transport du fluide cible 210 est configuré pour réaliser un passage dans le moyen de fusion 230, en aval du passage à travers le premier échangeur thermique, 215 ou 915, et en amont du passage dans le deuxième échangeur 216 thermique.
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 ou 915, le moyen de fusion 230, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation, 225 ou 325. Notamment, le fluide cible subit :
- au moins trois pré-refroidissements lors du passage dans le premier échangeur thermique, 215 ou 915, 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 ou 325.
- au moins trois pré-refroidissements lors du passage dans le premier échangeur thermique, 215 ou 915, 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 ou 325.
Dans des modes de réalisation, tels que ceux représentés en figures 5 à 7, le fluide cible, transporté dans le circuit de transport 210, subit :
- quatre pré-refroidissements lors du passage dans l’échangeur supplémentaire 605, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, 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 ou 325.
- quatre pré-refroidissements lors du passage dans l’échangeur supplémentaire 605, le premier échangeur thermique, 215 ou 915, 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 ou 325.
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 égale à 30°C et une pression égale à 1,1 bara. En sortie du premier échangeur thermique 215, le flux de fumée 210 présente une température égale à -40°C.
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 égale à 30°C et une pression égale à 1,1 bara. En sortie du premier échangeur thermique 215, le flux de fumée 210 présente une température 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 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 égale à -102°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 égales à -56°C à 5,2 bara. Le CO2sous forme solide subit ensuite 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. 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 ci-dessus 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, tels que celui représenté en , le dispositif 1100 comporte un circuit fermé 240 de circulation du fluide réfrigérant présentant une portion 1105 configurée pour réaliser un passage dans le moyen de fusion 230. Le fluide réfrigérant est un fluide chaud lors du passage dans le moyen de fusion 230. Autrement dit, le fluide réfrigérant cède ses calories au CO2solide qui subit alors une fusion.
Dans ces modes de réalisation, le passage de la portion 1105 dans le moyen de fusion 230 est réalisé en aval du passage à travers le premier échangeur thermique 215 et en amont du passage dans le deuxième échangeur thermique 216.
Dans ces modes de réalisation, le circuit fermé de circulation 240 du fluide réfrigérant est donc configuré pour réaliser successivement :
- un premier passage à travers le premier échangeur thermique 215, le moyen de fusion 230, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215.
- un premier passage à travers le premier échangeur thermique 215, le moyen de fusion 230, le deuxième échangeur thermique 216 et l’ensemble d’anti-sublimation 225 et
- un deuxième passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation 225, le deuxième échangeur 216 et le premier échangeur thermique 215.
Dans ces modes de réalisation, lors du premier passage successif à travers :
- le premier échangeur thermique 215,
- le moyen de fusion 230,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
le fluide réfrigérant correspond à un fluide chaud.
- le premier échangeur thermique 215,
- le moyen de fusion 230,
- le deuxième échangeur thermique 216 et
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
le fluide réfrigérant correspond à un fluide chaud.
Dans ces modes de réalisation, lors du deuxième passage successif à travers :
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- le deuxième échangeur 216 et
- le premier échangeur thermique 215,
le fluide réfrigérant, détendu en amont du deuxième passage par le moyen de détente 245, correspond à un fluide froid.
- l’ensemble d’anti-sublimation 225,
- le deuxième échangeur 216 et
- le premier échangeur thermique 215,
le fluide réfrigérant, détendu en amont du deuxième passage par le moyen de détente 245, correspond à un fluide froid.
On note que les dispositifs 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 et 1300 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, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 et 1300 présentant une numérotation identique.
Dans des modes de réalisation, le 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.
- 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 combiné 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’hydrocarbures 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, le débit de fluide cible à traiter est supérieur ou égal à 1 000 Nm3/h. 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, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 ou 1300, 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.
- du dispositif, 200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 ou 1300, 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.
Un exemple des performances du dispositif 200 est donné dans le tableau 1 ci-dessous. Dans cet exemple, le débit du flux de fumées à traiter est égal à 3 250 t/h. Dans cet exemple, le flux de fumées déshydratées est constitué d’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% d’argon.
- 3,7% de CO2,
- 80,5% d’azote,
- 14,81% de dioxygène et
- 0,97% d’argon.
| Paramètres | Unité | Borne inférieure | Borne supérieure |
| Pression de mélange réfrigérant | bara | 16 | 22 |
| Débit de mélange réfrigérant | t/h | 768 | x |
| Températures des fumées en entrée de l’ensemble d’anti-sublimation 225 | °C | -112 | -100,5 |
| Composition de MR | |||
| Azote | Fraction Molaire | 0 | 0 |
| Méthane | 40,3 | 45,8 | |
| Éthane | 29,57 | 37,07 | |
| Propane | 0 | 3,11 | |
| Isobutane | 0 | 3,34 | |
| n-butane | 22,69 | 27,2 |
On note que le choix de la composition du mélange réfrigérant dépend de la composition des fumées à traiter. Ainsi, la composition du mélange réfrigérant est adaptable au cas par cas.
Claims (10)
- Dispositif (200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300) 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 d’un fluide cible (210),
- un circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant (240) et
- un groupe d’au moins trois échangeurs thermiques, comportant :
- un premier échangeur thermique (215, 915) de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant,
- un deuxième échangeur thermique (216) de pré-refroidissement entre le fluide cible et le fluide réfrigérant et
- un troisième échangeur thermique, appelé « ensemble d’anti-sublimation » (225, 325) du dioxyde de carbone configuré pour réaliser un échange thermique avec le fluide réfrigérant,
le circuit de transport d’un fluide cible étant configuré pour réaliser successivement un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et le troisième échangeur thermique,
le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant étant configuré pour réaliser successivement :
- un passage à travers le premier échangeur thermique, le deuxième échangeur thermique et l’ensemble d’anti-sublimation et/ou
- un passage à travers l’ensemble d’anti-sublimation, le deuxième échangeur thermique et le premier échangeur thermique,
le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comportant, de plus, au moins un moyen de détente (243, 244, 245) du fluide réfrigérant. - Dispositif (200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300) selon la revendication 1, dans lequel le circuit de transport d’un fluide cible est configuré pour réaliser un deuxième passage dans au moins un échangeur thermique parmi le premier échangeur thermique (215, 915), le deuxième échangeur thermique (216) et l’ensemble d’anti-sublimation (225, 325).
- Dispositif (200, 300, 500, 1000, 1100, 1200, 1300) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte, de plus :
- un quatrième échangeur thermique (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. - Dispositif (200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1300) selon la revendication 3, 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, 915) et en amont du passage dans le deuxième échangeur (216) thermique, un passage dans le moyen de fusion (230).
- Dispositif (1100) selon la revendication 3, dans lequel une portion du circuit fermé de circulation (1105) du fluide réfrigérant est configurée pour réaliser, en aval du passage à travers le premier échangeur thermique (215) et en amont du passage dans le deuxième échangeur thermique (216), un passage dans le moyen de fusion (230).
- Dispositif (300) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’ensemble d’anti-sublimation (325) comporte, de plus :
- un échangeur thermique subsidiaire (326) et
- un troisième circuit fermé (327) d’acheminement d’un fluide caloporteur subsidiaire. - Dispositif (200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1300) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de compression (249, 248) en amont du premier échangeur thermique (215, 915, 216, 225, 325).
- Dispositif (200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1300) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit fermé de circulation du fluide réfrigérant comporte au moins un moyen de séparation (241, 242) du fluide réfrigérant en une fraction lourde et une fraction légère, le moyen de séparation étant disposé en amont d’au moins un échangeur thermique (215, 915, 216, 225, 325).
- Dispositif (200, 300, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le flux de fluide cible comporte majoritairement de l’azote.
- 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) d’un fluide cible comportant successivement :
- une première étape d’échange thermique (106) de pré-refroidissement,
- une deuxième étape d’échange thermique (107) de pré-refroidissement et
- une troisième étape d’échange thermique, appelée « étape d’anti-sublimation » (108) du dioxyde de carbone,
- une étape de circulation fermée (110) d’un fluide réfrigérant comportant successivement :
- la première étape d’échange thermique, la deuxième étape d’échange thermique et l’étape d’anti-sublimation et/ou
- l’étape d’anti-sublimation, la deuxième étape d’échange thermique et la première étape d’échange thermique,
l’étape de circulation fermée comportant au moins une étape de détente (109) du fluide réfrigérant.
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|---|---|---|---|
| FR2206513A FR3137309A1 (fr) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | Dispositif et procédé de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un flux de fluide cible |
| PCT/EP2023/067881 WO2024003285A1 (fr) | 2022-06-29 | 2023-06-29 | Dispositif et procédé de capture cryogénique de dioxyde de carbone contenu dans un flux de fluide cible |
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