FR3139477A1 - Procédé de séparation - Google Patents
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Abstract
Procédé de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation 16 comprenant au moins un composant condensable et notamment de l’hydrogène, le procédé comprenant les étapes suivantes :a) introduction dans une unité de séparation par adsorption modulée en pression (1) d’un gaz de synthèse dit dé-saturé (17) issu du gaz de synthèse d’alimentation (16) ;b) séparation par l’unité de séparation par adsorption modulée en pression (1) du gaz de synthèse dé-saturé (17) en une première fraction et un gaz résiduaire (2) enrichi en dioxyde de carbone, puis ;c) compression du gaz résiduaire (2) avec au moins deux étages (11a ; 11b) de compression et refroidissement à au moins un étage de compression intermédiaire du gaz résiduaire comprimé ;caractérisé en ce que le procédé comprend en outre :- une étape dite de désaturation durant laquelle au moins une partie du composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation 16 est, en amont de ladite unité de séparation par adsorption modulée en pression (1), condensée par refroidissement à une température inférieure à 10°C, notamment inférieure ou égal à 5°C et séparée, produisant ledit gaz de synthèse dé-saturé (17) et au moins un condensat (6) ;- le gaz de synthèse d’alimentation (16) échangeant thermiquement avec le gaz de synthèse dé-saturé (17) de manière à réchauffer ledit gaz de synthèse dé-saturé (17).Figure d’abrégé : Fig. 1
Description
La présente invention est relative à un procédé de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse. L’invention concerne également une installation pour mettre en œuvre un tel procédé.
Les procédés de capture de dioxyde de carbone sont utilisés dans la production d’hydrogène à partir de gaz de synthèse provenant d’une réaction de reformage du méthane à la vapeur et/ou d’oxydation partielle du méthane, combinée le plus souvent avec une réaction de conversion (appelée aussi shift) du monoxyde de carbone à la vapeur. Pour séparer et purifier (et éventuellement capturer) le dioxyde de carbone contenu dans le gaz de synthèse par voie cryogénique par exemple, il est nécessaire de sécher le gaz d’alimentation d’une unité de séparation et purification pour éliminer les composants condensables (principalement de l’eau, mais aussi éventuellement du méthanol ou de l’ammoniac). Il s’agit par exemple d’éviter la solidification de l’eau en glace lorsque l’unité de séparation et purification est une unité cryogénique dans laquelle le dioxyde de carbone est séparé et purifié par condensation partielle. Une unité de séchage typiquement utilisée est une unité de séchage par adsorption telle que modulée en température (appelée aussi unité TSA).
Le gaz de synthèse (ou syngas) est typiquement constitué d’hydrogène à hauteur de 75%. Les 25% restants sont répartis entre le dioxyde de carbone et du méthane, de l’azote, du monoxyde de carbone résiduel et des composants condensables, dont en particulier de l’eau. Le gaz de synthèse est d’abord passé dans une unité de séparation par adsorption modulée en pression (appelée aussi unité PSA) pour séparer l’hydrogène d’une part et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone d’autre part. Le gaz de synthèse issu de la réaction de reformage à la vapeur, de la réaction d’oxydation partielle du méthane et/ou potentiellement de la réaction de conversion à la vapeur est normalement refroidi à une température autour de 30°C ou 40°C avant d’être envoyé à l’unité PSA. Le gaz arrive typiquement à l’unité PSA à une pression entre 20 et 60bara, saturé en eau.
Le gaz résiduaire doit être comprimé, refroidi pour permettre son séchage et in fine la séparation et purification du dioxyde de carbone dans l’unité de séparation et purification. La compression se fait typiquement jusqu’à 50bara. Les autres gaz du gaz résiduaire sont par exemple brûlés dans le four où la réaction de reformage a lieu.
Refroidir le gaz résiduaire lors de sa compression permet de diminuer la consommation en énergie de l’étape de compression. Un dispositif de compression et de refroidissement comprenant un ou plusieurs étages de compression et des échangeurs de chaleurs de refroidissement dits intermédiaires, situés entre deux étages de compression, pour refroidir le gaz résiduaire comprimé est donc utilisé. Les échangeurs de chaleurs intermédiaires sont aussi appelés « intercoolers » en anglais. Les échangeurs de refroidissement utilisent typiquement de l’eau comme fluide de refroidissement, eau qui peut être alors refroidie dans des tours de refroidissement. Un problème survient lors de la compression et du refroidissement du gaz résiduaire dans ces échangeurs de refroidissement : le gaz résiduaire peut atteindre son point de rosée et les composants condensables sont condensés. Du ou des condensats composé(s) majoritairement d’eau et de dioxyde de carbone dissout sont alors générés. Ils sont particulièrement acides (pH ~3).
Différentes stratégies ont été mises en œuvre dans l’art antérieur afin de minimiser les coûts liés à la compression du gaz résiduaire.
L’utilisation de matériaux résistants à la corrosion, tel que l’acier inoxydable, pour le dispositif de compression, notamment pour les échangeurs intermédiaires, permet de sécher le gaz résiduaire à un niveau de pression haute sans risque de corrosion des matériaux par les composants condensables. Le coût du séchage est par ailleurs réduit grâce à la pression relativement élevée et les dépenses d’exploitation d’autant. Cependant, de tels matériaux entraînent une augmentation des dépenses d’investissement.
Sécher le gaz résiduaire en amont de la compression permet d’utiliser pour le dispositif de compression des matériaux moins chers tels que l’acier au carbone, car les composants condensables ont été supprimés. Cependant, le coût de séchage est plus élevé à cause de la grande quantité de composants condensables à éliminer, du large débit volumique et des isothermes d’adsorption à basse pression.
Sécher le gaz résiduaire à un étage intermédiaire de compression est un compromis connu, permettant l’usage d’acier au carbone aux étages de compression en aval de l’unité de séchage et réduisant le coût du séchage, celui-ci se faisant à une pression plus élevée. L‘unité de séchage (ou sécheur) est typiquement disposée à un étage de compression de 10bara environ. Il est aussi connu d’utiliser, en amont de l’unité de séchage un dispositif de condensation de composants condensables par refroidissement pour traiter le gaz résiduaire issu de l’unité PSA. Un tel dispositif utilisant par exemple de l’eau glacée maximise la condensation en amont du sécheur. Afin de maintenir aussi de l’acier au carbone aux étages de compression en amont de l’unité de séchage, il est cependant nécessaire de maintenir le gaz résiduaire à une température de 7 à 10°C au-dessus de la température de rosée des composants condensables. Il s’agit d’une marge de sécurité contre les potentielles fluctuations de température pouvant entraîner une condensation accidentelle des composants condensables. Maintenir ainsi le gaz résiduaire à une température plus élevée a pour conséquence que la compression se fait à une température plus élevée, ce qui consomme d’avantage d’énergie.
Il est de manière générale difficile de gérer les risques de condensation lors de cette étape de compression, particulièrement aux étages supérieurs de compression, en amont de l’unité de séchage le cas échéant. Par ailleurs, lorsque la température baisse en hiver, le risque de condensation accidentelle augmente davantage. Il existe donc un besoin d’un procédé de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone avec moins de contraintes liées à la condensation et présentant une plus faible consommation électrique.
L’invention a ainsi pour objet un procédé de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation comprenant au moins un composant condensable, le gaz de synthèse d’alimentation comprenant notamment de l’hydrogène, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) introduction dans une unité de séparation par adsorption modulée en pression (unité PSA) d’un gaz de synthèse dit dé-saturé issu du gaz de synthèse d’alimentation ;
b) séparation par l’unité de séparation par adsorption modulée en pression du gaz de synthèse dé-saturé en une première fraction et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone ;
c) compression du gaz résiduaire avec au moins deux étages de compression et refroidissement à au moins un étage de compression intermédiaire du gaz résiduaire comprimé ;
caractérisé en ce que le procédé comprend en outre :
- une étape dite de désaturation, durant laquelle au moins une partie du au moins un composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation est, en amont de ladite unité de séparation par adsorption modulée en pression, condensée par refroidissement inférieur à une température inférieure à 10°C, notamment inférieure ou égale à 5°C et séparée, produisant ledit gaz de synthèse dé-saturé et au moins un condensat ;
- le gaz de synthèse d’alimentation échangeant thermiquement avec le gaz de synthèse dé-saturé de manière à réchauffer ledit gaz de synthèse dé-saturé en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression.
a) introduction dans une unité de séparation par adsorption modulée en pression (unité PSA) d’un gaz de synthèse dit dé-saturé issu du gaz de synthèse d’alimentation ;
b) séparation par l’unité de séparation par adsorption modulée en pression du gaz de synthèse dé-saturé en une première fraction et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone ;
c) compression du gaz résiduaire avec au moins deux étages de compression et refroidissement à au moins un étage de compression intermédiaire du gaz résiduaire comprimé ;
caractérisé en ce que le procédé comprend en outre :
- une étape dite de désaturation, durant laquelle au moins une partie du au moins un composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation est, en amont de ladite unité de séparation par adsorption modulée en pression, condensée par refroidissement inférieur à une température inférieure à 10°C, notamment inférieure ou égale à 5°C et séparée, produisant ledit gaz de synthèse dé-saturé et au moins un condensat ;
- le gaz de synthèse d’alimentation échangeant thermiquement avec le gaz de synthèse dé-saturé de manière à réchauffer ledit gaz de synthèse dé-saturé en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression.
Contrairement à ce qui est connu de l’état de l’art dans lequel le dispositif de condensation des composants condensables par refroidissement traite le gaz résiduaire pour maximiser la condensation desdits composants en amont d’un sécheur, l’invention propose de traiter le gaz d’alimentation de l’unité PSA. Il est connu de l’art antérieur que refroidir de manière poussée le gaz d’alimentation d’une unité PSA n’apporte rien du point de vue de cette unité, voire se fait au détriment de son fonctionnement.
Eliminer au moins une partie du ou des composant(s) condensable(s) du gaz d’alimentation de l’unité PSA réduit les risques de condensation accidentelle du ou desdits composants durant l’étape c) à partir d’un certain étage de compression. Réchauffer le gaz d’alimentation de l’unité PSA, refroidi de manière poussée lors de l’étape de désaturation, permet de le ramener dans des plages de températures compatibles avec un bon fonctionnement de l’unité PSA.
Selon une mise en œuvre du procédé, le gaz de synthèse d’alimentation comprend entre 70 et 80% d’hydrogène et entre 20 et 30% d’autres composés parmi lesquels le dioxyde de carbone, le au moins un composant condensable, éventuellement du méthane et du monoxyde de carbone résiduels et par exemple de l’azote. En particulier, la première fraction est enrichie en hydrogène.
Selon une mise en œuvre du procédé, le au moins un composant condensable est choisi parmi l’eau, l’ammoniac et/ou le méthanol.
Selon une mise en œuvre du procédé, lors de l’étape de désaturation, la condensation du au moins un composant condensable est faite par refroidissement du gaz de synthèse d’alimentation à l’aide d’un fluide réfrigérant. Le fluide réfrigérant est en particulier choisi parmi de l’eau glacée, de l’air froid ou un fluide frigorigène.
Selon une mise en œuvre du procédé, le gaz de synthèse d’alimentation échange thermiquement avec le gaz de synthèse dé-saturé dans un échangeur dit économiseur et une différence de température minimale entre le gaz de synthèse d’alimentation et le gaz de synthèse dé-saturé, au sein de l’échangeur économiseur, est comprise entre 2 et 10°C, notamment entre 5 et 10°C. Une température du gaz de synthèse dé-saturé est notamment comprise entre 20 et 40°C, notamment entre 30 et 40°C.
Selon une mise en œuvre, le procédé comprend une étape d) durant laquelle le gaz résiduaire est séché par adsorption de manière à séparer du composant condensable résiduel du gaz résiduaire.
Selon une mise en œuvre du procédé, le gaz résiduaire est séché durant l’étape d), en aval de l’étape c) de compression. Alternativement, le gaz résiduaire est séché durant l’étape d), à un étage de compression intermédiaire durant l’étape c).
Selon une mise en œuvre du procédé, à l’étape d), le gaz résiduaire est séché par adsorption dans une unité de séchage du gaz résiduaire par adsorption et le procédé comprend une étape de régénération de ladite unité de séchage du gaz résiduaire par adsorption.
Selon une mise en œuvre, le procédé comprend en aval de l’étape c) et éventuellement en aval de l’étape d) lorsque celle-ci existe, une étape e) durant laquelle le dioxyde de carbone est séparé du gaz résiduaire pour être capturé ou séquestré. Le dioxyde de carbone est notamment séparé par condensation partielle durant l’étape e), le dioxyde de carbone étant au moins en partie condensé. Alternativement, le dioxyde de carbone est séparé du gaz résiduaire à l’aide d’une membrane dans une unité membranaire. Alternativement, le dioxyde de carbone est séparé par la combinaison d’une séparation par condensation partielle et d’une séparation à l’aide d’une membrane.
Selon une mise en œuvre, le procédé comprend les étapes suivantes :
- mesure d’une température du gaz de synthèse dé-saturé,
- comparaison de la température du gaz de synthèse dé-saturé mesurée avec une température minimale consigne du gaz de synthèse dé-saturé entrant dans l’unité de séparation par adsorption modulée en pression,
- si la température du gaz de synthèse dé-saturé mesurée est inférieure à la température minimale consigne, régulation de la température du gaz de synthèse dé-saturé par diminution du refroidissement du gaz de synthèse d’alimentation dans au moins un échangeur de chaleur dit d’alimentation, disposé en amont de l’étape de désaturation.
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L’invention a également pour objet une installation de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation comprenant au moins un composant condensable, le gaz de synthèse d’alimentation comprenant notamment de l’hydrogène, l’installation comprenant :
- une unité de séparation par adsorption modulée en pression (unité PSA) configurée pour séparer un gaz de synthèse dit dé-saturé, issu du gaz de synthèse d’alimentation, en une première fraction et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone ;
- un dispositif de compression disposé en aval de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, le dispositif de compression comprenant au moins deux étages de compression du gaz résiduaire et au moins un échangeur intermédiaire de refroidissement du gaz résiduaire comprimé à un étage de compression intermédiaire ;
caractérisé en ce que l’installation comprend :
- en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, un dispositif de condensation par refroidissement et séparation configuré pour condenser et séparer au moins une partie du composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation et produire le gaz de synthèse dé-saturé et au moins un condensat ;
- un échangeur économiseur agencé pour provoquer un échange thermique entre le gaz de synthèse d’alimentation et le gaz de synthèse dé-saturé.
- une unité de séparation par adsorption modulée en pression (unité PSA) configurée pour séparer un gaz de synthèse dit dé-saturé, issu du gaz de synthèse d’alimentation, en une première fraction et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone ;
- un dispositif de compression disposé en aval de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, le dispositif de compression comprenant au moins deux étages de compression du gaz résiduaire et au moins un échangeur intermédiaire de refroidissement du gaz résiduaire comprimé à un étage de compression intermédiaire ;
caractérisé en ce que l’installation comprend :
- en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, un dispositif de condensation par refroidissement et séparation configuré pour condenser et séparer au moins une partie du composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation et produire le gaz de synthèse dé-saturé et au moins un condensat ;
- un échangeur économiseur agencé pour provoquer un échange thermique entre le gaz de synthèse d’alimentation et le gaz de synthèse dé-saturé.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend une unité de séchage du gaz résiduaire par adsorption configurée pour séparer du composant condensable résiduel du gaz résiduaire.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend, en aval du dispositif de compression, en particulier le cas échéant en aval de l’unité de séchage du gaz résiduaire, une unité de séparation et purification configurée pour séparer le dioxyde de carbone du gaz résiduaire comprimé et éventuellement séché et capturer ou séquestrer ledit dioxyde de carbone. L’unité de séparation et purification comprend notamment une unité configurée pour séparer par condensation partielle le dioxyde de carbone du gaz résiduaire. Alternativement, l’unité de séparation et purification comprend une unité membranaire configurée pour séparer le dioxyde de carbone du gaz résiduaire à l’aide d’une membrane. Alternativement, l’unité de séparation et purification comprend, pour la séparation du dioxyde de carbone du gaz résiduaire, une combinaison d’une unité configurée pour séparer par condensation partielle le dioxyde de carbone et d’une unité membranaire.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de condensation par refroidissement et séparation comprend :
- un échangeur bi-fluide comprenant une section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation et une section de circulation d’un fluide réfrigérant, agencée pour être en échange thermique avec la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation, refroidir le gaz de synthèse d’alimentation, condenser les composés condensables et produire le gaz de synthèse dé-saturé et le au moins un condensat ;
- un dispositif de séparation des condensats configuré pour séparer le au moins un condensat du gaz de synthèse dé-saturé.
L’échangeur bi-fluide est en particulier un échangeur du type tube-calandre, la section de circulation du fluide réfrigérant étant définie par l’espace interne d’au moins un tube contenu dans une calandre et la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation étant définie par un espace compris entre la calandre et le au moins un tube. Le dispositif de séparation du au moins un condensat est par exemple un bidon séparateur de phase. Le dispositif de condensation par refroidissement et séparation comprend notamment un groupe frigorifique de refroidissement du fluide réfrigérant.
- un échangeur bi-fluide comprenant une section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation et une section de circulation d’un fluide réfrigérant, agencée pour être en échange thermique avec la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation, refroidir le gaz de synthèse d’alimentation, condenser les composés condensables et produire le gaz de synthèse dé-saturé et le au moins un condensat ;
- un dispositif de séparation des condensats configuré pour séparer le au moins un condensat du gaz de synthèse dé-saturé.
L’échangeur bi-fluide est en particulier un échangeur du type tube-calandre, la section de circulation du fluide réfrigérant étant définie par l’espace interne d’au moins un tube contenu dans une calandre et la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation étant définie par un espace compris entre la calandre et le au moins un tube. Le dispositif de séparation du au moins un condensat est par exemple un bidon séparateur de phase. Le dispositif de condensation par refroidissement et séparation comprend notamment un groupe frigorifique de refroidissement du fluide réfrigérant.
Selon un mode de réalisation, l’échangeur économiseur comprend :
- une première section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation ;
- une deuxième section de circulation du gaz de synthèse dé-saturé, agencée pour être en échange thermique avec la première section.
L’échangeur économiseur est en particulier un échangeur du type tube-calandre, la section de circulation du gaz de synthèse dé-saturé étant définie par l’espace interne d’au moins un tube contenu dans une calandre et la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation étant définie par un espace compris entre la calandre et le au moins un tube.
- une première section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation ;
- une deuxième section de circulation du gaz de synthèse dé-saturé, agencée pour être en échange thermique avec la première section.
L’échangeur économiseur est en particulier un échangeur du type tube-calandre, la section de circulation du gaz de synthèse dé-saturé étant définie par l’espace interne d’au moins un tube contenu dans une calandre et la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation étant définie par un espace compris entre la calandre et le au moins un tube.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend, en amont de la première section de l’échangeur économiseur, au moins un échangeur de chaleur dit d’alimentation, agencé pour réguler la température du gaz de synthèse d’alimentation.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de compression est au moins en partie réalisé en alliage d’acier au carbone, notamment le au moins un échangeur intermédiaire dudit dispositif de compression.
Selon un mode de réalisation, l’unité de séchage par adsorption est disposée en aval du dispositif de compression. Alternativement, l’unité de séchage par adsorption est disposée à un étage intermédiaire de compression du dispositif de compression. L’unité de séchage par adsorption est notamment une unité régénérable telle qu’une unité de séchage par adsorption modulée en température (unité TSA).
L’installation de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone peut être utilisée pour mettre en œuvre le procédé tel que décrit précédemment.
L’invention concerne également un procédé de refonte d’une installation de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation comprenant au moins un composant condensable, le gaz de synthèse d’alimentation comprenant notamment de l’hydrogène, l’installation comprenant :
- une unité de séparation par adsorption modulée en pression configurée pour séparer un gaz de synthèse dit dé-saturé, issu du gaz de synthèse d’alimentation, en une première fraction et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone ;
- un dispositif de compression disposé en aval de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, le dispositif de compression comprenant au moins deux étages de compression du gaz résiduaire et au moins un échangeur intermédiaire de refroidissement du gaz résiduaire comprimé à un étage de compression intermédiaire ;
le procédé comprenant les étapes :
- disposer en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression un dispositif de condensation par refroidissement et séparation configuré pour condenser et séparer au moins une partie du au moins un composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation et produire le gaz de synthèse dé-saturé et au moins un condensat ;
- disposer une première section de circulation d’un échangeur économiseur en amont du dispositif de condensation par refroidissement et séparation pour la circulation du gaz de synthèse d’alimentation et disposer une deuxième section de circulation de l’échangeur économiseur en aval du dispositif de condensation par refroidissement et séparation et en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, pour la circulation du gaz de synthèse dé-saturé.
- une unité de séparation par adsorption modulée en pression configurée pour séparer un gaz de synthèse dit dé-saturé, issu du gaz de synthèse d’alimentation, en une première fraction et un gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone ;
- un dispositif de compression disposé en aval de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, le dispositif de compression comprenant au moins deux étages de compression du gaz résiduaire et au moins un échangeur intermédiaire de refroidissement du gaz résiduaire comprimé à un étage de compression intermédiaire ;
le procédé comprenant les étapes :
- disposer en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression un dispositif de condensation par refroidissement et séparation configuré pour condenser et séparer au moins une partie du au moins un composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation et produire le gaz de synthèse dé-saturé et au moins un condensat ;
- disposer une première section de circulation d’un échangeur économiseur en amont du dispositif de condensation par refroidissement et séparation pour la circulation du gaz de synthèse d’alimentation et disposer une deuxième section de circulation de l’échangeur économiseur en aval du dispositif de condensation par refroidissement et séparation et en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression, pour la circulation du gaz de synthèse dé-saturé.
La représente une installation de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation 16 (ou syngas).
Dans le mode de réalisation représenté, le gaz de synthèse d’alimentation 16 est produit dans une unité en vue de la production d’hydrogène et comprend de l’hydrogène. Il s’agit typiquement d’un gaz de synthèse comprenant entre 70 et 80% d’hydrogène et entre 20 et 30% d’autres composés parmi lesquels du dioxyde de carbone, au moins un composant condensable (une pluralité dans ce mode de réalisation : « les composants condensables »), du méthane non-converti, du monoxyde de carbone non-converti et de l’azote.
Le gaz de synthèse est traité dans une unité de séparation par adsorption modulée en pression 1 (autrement appelée unité PSA) pour séparer le gaz de synthèse en une première fraction enrichie en hydrogène et un gaz résiduaire 2 enrichi en dioxyde de carbone. L’unité PSA 1 comprend une première sortie pour la première fraction enrichie en hydrogène et une deuxième sortie pour le gaz résiduaire 2 produit. Une conduite assure l’alimentation de l’unité PSA 1 en gaz de synthèse. L’unité de séparation par adsorption modulée en pression 1 va récupérer jusqu’à 90% de l’hydrogène initialement contenu dans le gaz de synthèse.
En amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression 1, le gaz de synthèse d’alimentation 16 est séparé d’au moins une partie de ses composants condensables (ici essentiellement de l’eau) dans un dispositif de condensation par refroidissement et séparation qui produit un gaz de synthèse dé-saturé 17 et des condensats 6. Ce dispositif comprend un échangeur bi-fluide 3 qui lui-même comprend une section de circulation 4 du gaz de synthèse d’alimentation 16, disposée sur la conduite d’alimentation 16 de l’unité PSA 1 en gaz de synthèse, et une section de circulation 5 d’un fluide réfrigérant. Ces deux sections sont agencées dans l’échangeur bi-fluide 3 pour être en échange thermique l’une avec l’autre. L’échangeur bi-fluide 3 permet ainsi un échange thermique entre le fluide réfrigérant et le gaz de synthèse d’alimentation 16, le fluide réfrigérant refroidissant le gaz de synthèse d’alimentation 16 à une température inférieure à 10°C, notamment à une température inférieure ou égale à 5°C. Ce refroidissement provoque ainsi la condensation d’une partie des composants condensables contenus dans le gaz de synthèse d’alimentation 16, donnant ainsi les condensats 6. L’unité PSA 1 traite alors un gaz qui a été débarrassé d’une partie de ses composants condensables, ce qui simplifie sa régénération. Le risque de condensation accidentelle lors d’une étape de compression du gaz résiduaire 2 produit par l’unité PSA 1 est ainsi réduit. Le fluide réfrigérant est par exemple de l’eau glacée, de l’air froid ou un fluide frigorigène. Le fluide réfrigérant est apporté à l’échangeur bi-fluide 3 après avoir été refroidi par un groupe frigorifique (non représenté). L’échangeur bi-fluide 3 est typiquement un échangeur du type tube-calandre, la section de circulation du fluide réfrigérant étant définie par l’espace interne d’au moins un tube contenu dans une calandre et la section de circulation du gaz de synthèse étant définie par un espace compris entre la calandre et le au moins un tube.
Les condensats 6 sont ensuite séparés dans un dispositif de séparation des condensats 6. Le dispositif de séparation des condensats 6 et l’échangeur bi-fluide 3 peuvent être intégrés, auquel cas la séparation des condensats 6 a lieu dans le corps de l’échangeur lui-même ou bien l’échange de chaleur a lieu dans le dispositif de séparation des condensats 6. Alternativement, le dispositif de séparation des condensats 6 peut constituer une unité distincte de l’échangeur bi-fluide 3 au sein du dispositif de condensation par refroidissement et séparation. Le dispositif de séparation des condensats 6 est par exemple un bidon séparateur de phase.
L’installation comprend un échangeur économiseur 7 agencé pour provoquer un échange thermique entre le gaz de synthèse d’alimentation 16 et le gaz de synthèse dé-saturé 17. Pour cela, l’échangeur économiseur 7 comprend une première section de circulation 8 du gaz de synthèse d’alimentation 16, disposée sur une portion amont (par rapport au dispositif de condensation par refroidissement et séparation) de la conduite d’alimentation de l’unité PSA 1. L’échangeur économiseur 7 comprend par ailleurs une deuxième section de circulation 9 du gaz de synthèse dé-saturé 17, disposée sur une portion de la conduite d’alimentation de l’unité PSA 1, avale au dispositif de condensation par refroidissement et séparation. Ces deux sections sont agencées dans l’échangeur économiseur 7 pour être en échange thermique l’une avec l’autre. L’échangeur économiseur 7 permet ainsi un échange thermique entre le gaz de synthèse d’alimentation 16 (non dé-saturé) et le gaz de synthèse dé-saturé 17. La différence de température minimale entre les deux sections de circulation de l’échangeur économiseur 7 (approche en température minimum) est comprise entre 2 et 10°C, notamment entre 5 et 10°C. Le gaz de synthèse d’alimentation 16 réchauffe ainsi le gaz de synthèse dé-saturé 17 avant envoi dans l’unité PSA 1. L’échangeur économiseur 7 est typiquement un échangeur du type tube-calandre, la section de circulation du gaz de synthèse dé-saturé 17 étant définie par l’espace interne d’au moins un tube contenu dans une calandre et la section de circulation du gaz de synthèse d’alimentation 16 étant définie par un espace compris entre la calandre et le au moins un tube. L’impact négatif du refroidissement poussé causé par le dispositif de condensation par refroidissement et séparation en amont de l’unité est ainsi évité.
Dans un cas où l’échangeur économiseur 7 ne suffirait pas à compenser l’impact du refroidissement sur l’unité PSA 1, il est proposé de réguler la température du gaz de synthèse d’alimentation 16, issu d’une unité de reformage et/ou d’une unité d’oxydation partielle, à l’aide d’un échangeur de chaleur 15 disposé en amont de l’échangeur économiseur 7 et du dispositif de condensation par refroidissement et séparation, du point de vue du procédé (échangeur d’alimentation 15). Une régulation typique comprend une étape de mesure d’une température du gaz de synthèse dé-saturé 17 et une étape de comparaison de cette température avec une température minimale consigne du gaz de synthèse dé-saturé 17 entrant dans l’unité de séparation par adsorption modulée en pression. Si la température du gaz de synthèse d’alimentation 16 est trop basse, c’est à dire inférieure à la température minimale consigne, il est possible de limiter le refroidissement du le gaz de synthèse d’alimentation 16 en réduisant le débit d’un fluide de refroidissement circulant dans l’échangeur d’alimentation 15 et/ou en faisant contourner ledit échangeur d’alimentation 15 par une partie du gaz de synthèse (une part du gaz de synthèse d’alimentation 16 n’est alors plus refroidie et est mélangée avec la part qui est refroidie dans l’échangeur de chaleur 15). L’opération est effectuée jusqu’à ce que la température mesurée du gaz de synthèse dé-saturé 17 soit supérieure ou égale à la température minimale consigne. Une unité de calcul et de commande (non représentée) permet d’effectuer les mesures et calculs nécessaires à une telle régulation.
L'échangeur économiseur 7 assurant une grande partie du refroidissement, le dispositif de condensation par refroidissement et séparation ne sert qu’à ajuster la température de refroidissement et sa taille ainsi que sa consommation énergétique peut être réduite. L’échangeur bi-fluide 3 n’a alors besoin d’apporter que l’énergie de condensation des composants condensables mais pas celle de refroidissement des autres composés du gaz de synthèse, tel que l’hydrogène.
Le gaz de synthèse dé-saturé 17 est donc amené à l’unité PSA 1, à une température typiquement comprise entre 30 et 40°C et une pression comprise entre 20 et 60 bara (bar absolu). L’unité PSA 1 produit alors le gaz résiduaire 2. Celui-ci est ensuite comprimé dans un dispositif de compression 10. Le dispositif de compression 10 comprend, deux étages 11a ; 11b ou niveaux de compression du gaz résiduaire 2. Dans d’autres modes de réalisations, le dispositif de compression 10 peut cependant comprendre plus de deux étages de compression. Après compression au premier niveau de compression, le gaz résiduaire 2 est refroidi par un échangeur intermédiaire 12 de refroidissement (intercooler en anglais) du gaz résiduaire comprimé à un étage 11a de compression intermédiaire. Le fait qu’au moins une partie des condensats aient été éliminée en aval de l’unité PSA permet de refroidir davantage le gaz résiduaire 2 sans risque de condensation dans l’échangeur intermédiaire 12. Le dispositif de compression 10 consomme alors moins d’énergie pour comprimer le gaz résiduaire 2. Dans l’échangeur intermédiaire 12, de l’eau refroidie dans des tours de refroidissement (non-représentées) sert typiquement de fluide de refroidissement. L’échangeur intermédiaire 12 est au moins en partie réalisé en alliage d’acier au carbone, ceci étant rendu possible par les risques de condensation réduits. De tels matériaux sont moins coûteux que l’acier inoxydable. En particulier, un tel alliage n’est pas conçu pour résister à des composés dont le pH est inférieur à 4. Un étage de compression correspond à un niveau de compression atteint dans le dispositif de compression 10 à la sortie d’un organe de compression, tel qu’une roue de compression. Un étage de compression intermédiaire se situe alors entre deux organes de compression du dispositif de compression 10.
Dans un mode de réalisation non-représenté, le gaz résiduaire comprimé issu du dispositif de compression 10 est refroidi dans un dernier échangeur de refroidissement. Le gaz résiduaire comprimé issu du dispositif de compression 10 est envoyé dans une unité de séchage 13 par adsorption modulée en température (unité TSA) dans laquelle le gaz résiduaire est, par adsorption, débarrassé des composants condensables résiduels qu’il contient. L’unité TSA 13 subit de manière cyclique des étapes de production durant lesquelles le gaz résiduaire est séché et des étapes de régénération durant lesquelles l’adsorbant est régénéré. Dans le mode de réalisation de la , le séchage par l’unité TSA 13 a lieu postérieurement à l’étape de compression, en aval du dispositif de compression 10, à une pression d’environ 50 bara. Dans un autre mode de réalisation, le séchage par l’unité TSA 13 peut aussi avoir lieu à un étage 11a intermédiaire de compression dudit dispositif de compression 12, à une pression d’environ 10 bara.
Une fois séché, le gaz résiduaire enrichi en dioxyde de carbone est envoyé dans une unité de séparation et purification 14 dans laquelle le dioxyde de carbone est séparé des autres composants du gaz résiduaire lors d’une condensation partielle, produisant une phase liquide et une phase gazeuse, le dioxyde de carbone étant au moins en partie condensé dans la phase liquide. L’unité de séparation et purification 14 comprend notamment une unité membranaire (non-représentée) configurée pour séparer le dioxyde de carbone gazeux résiduel de la phase gazeuse des autres composants gazeux de la phase gazeuse. Alternativement, l’unité de séparation et purification comprend une unité membranaire qui assure seule la séparation du dioxyde de carbone des autres composants du gaz résiduaire. Grâce à l’unité de séparation et purification, le dioxyde de carbone peut être capturé plutôt que de d’être émis dans l’atmosphère, ce qui améliore le bilan carbone de la production d’hydrogène.
Une installation de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone standard peut être refondue (revamping en anglais) pour intégrer un dispositif de condensation par refroidissement et séparation et un échangeur économiseur 7 tels que décrits précédemment et mettre en œuvre un procédé moins contraignant du point de vue de la condensation.
Le procédé selon l’invention est également applicable aux procédés de reformage autotherme et procédés d’oxydation partielle, en plus des procédés de reformage à la vapeur.
Grâce à l’invention, il est possible d’avoir recours à un dispositif de compression et refroidissement en partie constitué d’acier carbone. Les dépenses d’investissement concernant le dispositif de compression sont réduites. De plus, diminuer la teneur en composants condensables du gaz de synthèse et donc celle du gaz résiduaire permet de davantage refroidir ce dernier lors de l’étape de compression, ce qui économise beaucoup d’énergie. En outre, lorsqu’il est nécessaire de séparer les composants condensables résiduels du gaz résiduaire, il est possible de mettre en œuvre le séchage par l’unité de séchage 13 du gaz résiduaire par adsorption à une pression supérieure à celle où elle est normalement mise en œuvre autour de 10bara dans l’état de la technique, sans avoir recours à un dispositif de compression et refroidissement en acier inoxydable. Le coût du séchage est alors diminué et une unité de séchage de plus petite taille peut être utilisée. La phase de démarrage du procédé est également moins contraignante sur le préchauffage de l’installation car le risque de condensation à cause d’une température trop froide est réduit. Condenser en amont de l’unité PSA 1 une partie des composants condensables contenus dans le gaz de synthèse permet par ailleurs d’éliminer par les condensats certaines impuretés, limitant leur quantité dans le gaz résiduaire. Des condensats autres que l’eau, éventuellement présents dans le gaz de synthèse, comme le méthanol ou l’ammoniaque, peuvent être éliminés. Ces impuretés ou condensats auraient sinon dues être traitées par une unité catalytique ou par une unité de séchage par adsorption surdimensionnée à cet effet.
Claims (15)
- Procédé de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation (16) comprenant au moins un composant condensable et notamment de l’hydrogène, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) introduction dans une unité de séparation par adsorption modulée en pression (1) d’un gaz de synthèse dit dé-saturé (17) issu du gaz de synthèse d’alimentation (16) ;
b) séparation par l’unité de séparation par adsorption modulée en pression (1) du gaz de synthèse dé-saturé (17) en une première fraction et un gaz résiduaire (2) enrichi en dioxyde de carbone ;
c) compression du gaz résiduaire (2) avec au moins deux étages (11a ; 11b) de compression et refroidissement à au moins un étage de compression intermédiaire du gaz résiduaire comprimé ;
caractérisé en ce que le procédé comprend en outre :
- une étape dite de désaturation durant laquelle au moins une partie du composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation (16) est, en amont de ladite unité de séparation par adsorption modulée en pression (1), condensée par refroidissement à une température inférieure à 10°C, notamment inférieure ou égale à 5°C et séparée, produisant ledit gaz de synthèse dé-saturé (17) et au moins un condensat (6) ;
- le gaz de synthèse d’alimentation (16) échangeant thermiquement avec le gaz de synthèse dé-saturé (17) de manière à réchauffer ledit gaz de synthèse dé-saturé (17) en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression (1). - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le gaz de synthèse d’alimentation (16) comprend entre 70 et 80% d’hydrogène et entre 20 et 30% d’autres composés parmi lesquels le dioxyde de carbone et le composant condensable.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le composant condensable est choisi parmi l’eau, l’ammoniac et/ou le méthanol.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lors de l’étape de désaturation, la condensation du composant condensable est faite par refroidissement du gaz de synthèse d’alimentation (16) à l’aide d’un fluide réfrigérant.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le gaz de synthèse d’alimentation (16) échange thermiquement avec le gaz de synthèse dé-saturé (17) dans un échangeur dit économiseur (7) et une différence de température minimale au sein de l’échangeur économiseur (7) entre le gaz de synthèse d’alimentation (16) et le gaz de synthèse dé-saturé (17) est comprise entre 2 et 10°C, notamment entre 5 et 10°C.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant une étape d) durant laquelle le gaz résiduaire est séché par adsorption de manière à séparer du composant condensable résiduel du gaz résiduaire.
- Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le gaz résiduaire est séché durant l’étape d), en aval de l’étape c) de compression.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel le gaz résiduaire est séché durant l’étape d), à un étage (11a) de compression intermédiaire.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes comprenant en aval de l’étape c) une étape e) durant laquelle le dioxyde de carbone est séparé du gaz résiduaire pour être capturé ou séquestré.
- Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit dioxyde de carbone est, durant l’étape e), séparé par condensation partielle, le dioxyde de carbone étant au moins en partie condensé et/ou le dioxyde de carbone est séparé à l’aide d’une membrane, dans une unité membranaire.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
- mesure d’une température du gaz de synthèse dé-saturé (17),
- comparaison de la température du gaz de synthèse dé-saturé (17) mesurée avec une température minimale consigne du gaz de synthèse dé-saturé (17) introduit dans l’unité de séparation par adsorption modulée en pression,
- si la température du gaz de synthèse dé-saturé (17) mesurée est inférieure à la température minimale consigne, régulation de la température du gaz de synthèse dé-saturé (17) par diminution du refroidissement du gaz de synthèse d’alimentation (16) dans au moins un échangeur de chaleur dit d’alimentation (15), disposé en amont de l’étape de désaturation. - Installation de production d’un gaz enrichi en dioxyde de carbone à partir d’un gaz de synthèse d’alimentation (16) comprenant au moins un composant condensable et notamment de l’hydrogène, l’installation comprenant :
- une unité de séparation par adsorption modulée en pression (1) configurée pour séparer un gaz de synthèse dit dé-saturé (17), issu du gaz de synthèse d’alimentation (16), en une première fraction et un gaz résiduaire (2) enrichi en dioxyde de carbone ;
- un dispositif de compression (10) disposé en aval de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression (1), le dispositif de compression (10) comprenant au moins deux étages (11a ; 11b) de compression du gaz résiduaire (2) et au moins un échangeur intermédiaire (12) de refroidissement du gaz résiduaire comprimé à un étage de compression intermédiaire ;
caractérisé en ce que l’installation comprend :
- en amont de l’unité de séparation par adsorption modulée en pression (1), un dispositif de condensation par refroidissement et séparation configuré pour condenser et séparer au moins une partie du composant condensable contenu dans le gaz de synthèse d’alimentation (16) et produire le gaz de synthèse dé-saturé (17) et au moins un condensat (6) ;
- un échangeur économiseur (7) agencé pour provoquer un échange thermique entre le gaz de synthèse d’alimentation (16) et le gaz de synthèse dé-saturé (17). - Installation selon la revendication précédente, comprenant une unité de séchage (13) par adsorption du gaz résiduaire, configurée pour séparer du composant condensable résiduel du gaz résiduaire (2).
- Installation selon l’une des revendications 12 ou 13, dans laquelle le dispositif de condensation par refroidissement et séparation comprend :
- un échangeur bi-fluide (3) comprenant une section de circulation (4) du gaz de synthèse d’alimentation (16) et une section de circulation (5) d’un fluide réfrigérant, agencée pour être en échange thermique avec la section de circulation (4) du gaz de synthèse d’alimentation (16), refroidir le gaz de synthèse d’alimentation (16), condenser les composés condensables et produire le gaz de synthèse dé-saturé (17) et le condensat (6) ;
- un dispositif de séparation des condensats configuré pour séparer le condensat (6) du gaz de synthèse dé-saturé (17). - Installation selon l’une des revendications 12 à 14, dans laquelle l’échangeur économiseur (7) comprend :
- une première section de circulation (8) du gaz de synthèse d’alimentation (16) ;
- une deuxième section de circulation (9) du gaz de synthèse dé-saturé (17), agencée pour être en échange thermique avec la première section (8).
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- 2022-09-12 FR FR2209108A patent/FR3139477A1/fr active Pending
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- 2023-09-04 WO PCT/EP2023/074167 patent/WO2024056425A1/fr unknown
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| Publication number | Publication date |
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