FR3140362A3 - Procédé de production de gaz de synthèse d’ammoniac - Google Patents

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Abstract

Titre de l’invention : Procédé de production de gaz de synthèse d’ammoniac Dans un procédé de production d’un gaz de synthèse d’ammoniac, un débit d’hydrogène gazeux (1) est divisé en deux fractions, la première fraction (3) est refroidie et liquéfiée par échange de chaleur avec un premier cycle de réfrigération (R2) et un deuxième cycle de réfrigération à l’azote (R1), on envoie de l’azote depuis un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique (8) à une première pression d’au plus 2 bars à un premier compresseur (C1),on comprime l’azote dans le premier compresseur, on extrait de l’azote (21) à une pression intermédiaire du compresseur et on l’envoie au deuxième cycle de réfrigération dans lequel l’azote est détendu (T1, T2) pour fournir du froid et renvoyé au premier compresseur à une pression inférieure à 2 bars, on comprime de l’azote dans le premier compresseur jusqu’à une deuxième pression égale à celle de la deuxième fraction d’hydrogène gazeux et on comprime la deuxième fraction et l’azote à la deuxième pression (17) dans un deuxième compresseur(C2) pour fournir un gaz de synthèse d’ammoniac (19). Figure de l’abrégé : 1

Description

Procédé de production de gaz de synthèse d’ammoniac
La présente invention est relative à un procédé de production de gaz de synthèse d’ammoniac.
Quasiment aucune synergie préalable n’existe entre les procédés de production de gaz de synthèse d'ammoniac (NH3) et d'hydrogène liquide (LH2), entraînant des pertes d'optimisation ou une efficacité moindre, des coûts plus élevés, une consommation d'énergie plus élevée et une empreinte au sol augmentée.
Une configuration NH3-LH2comprend :
  • Production d'hydrogène (H2).Pour la production d'ammoniac et la liquéfaction de l'hydrogène.
  • Production d'azote (N2). Pour la production d'ammoniac et la liquéfaction de l'hydrogène. Dans le procédé mentionné, il y a un cycle N2 fermé utilisé pour pré-refroidir l'hydrogène. Bien qu'il s'agisse d'un cycle fermé, un flux de N2 minimal et continu est nécessaire pour la purge et les pertes dans le cycle d’N2 fermé.
*Si les électrolyseurs sont alcalins, l’hydrogène pourra être produit sous pression à 29 bara environ
Afin d'optimiser l'intégration des deux systèmes, il est connu de US2021/0331917 combiner non seulement deux compresseurs d'hydrogène des deux systèmes, mais également deux compresseurs de N2(un de procédé NH3et un de procédé LH2).
Dans cette demande de brevet, on voit qu'il existe un compresseur de N2d'environ 10 bara à 65 bara qui combine le flux d’azote de cycle de pré-refroidissement LH2 et le cycle d’azote nécessaire à la production d'ammoniac. Ainsi, le générateur à simple colonne N2devrait produire de l’azote à 10 bara. De plus, il faut un autre flux avec son compresseur conséquent compte tenu de la haute pression du cycle, 65 bara.
L'idée de combiner des machines fonctionne également avec les électrolyseurs alcalins XL à la pointe de la technologie qui produisent du H2à la pression atmosphérique.
Selon l’invention, les deux compresseurs d’azote des deux cycles, celui de la production d’hydrogène liquide et celui de l’ammoniac, sont combinés.
Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de production d’un gaz de synthèse d’ammoniac dans lequel :
  1. Un débit d’hydrogène gazeux est divisé en deux fractions, la première fraction est refroidie et liquéfiée par échange de chaleur avec un premier cycle de réfrigération et un deuxième cycle de réfrigération à l’azote
  2. On envoie de l’azote depuis un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique à une première pression d’au plus 2 bars à un premier compresseur
  3. On comprime l’azote dans le premier compresseur, on extrait de l’azote à une pression intermédiaire du compresseur, par exemple entre 10 et 15 bars et on l’envoie au deuxième cycle de réfrigération dans lequel l’azote est détendu pour fournir du froid et renvoyé au premier compresseur à une pression inférieure à 2 bars
  4. On comprime de l’azote dans le premier compresseur jusqu’à une deuxième pression égale à celle de la deuxième fraction d’hydrogène gazeux, on comprime la deuxième fraction et l’azote à la deuxième pression dans un deuxième compresseur pour fournir un gaz de synthèse d’ammoniac.
En effet, cinq améliorations majeures peuvent être aisément distinguées.
  1. Il n'y a pas besoin de simple colonne de séparation d’azote à haute pression et l’azote peut être généré à partir d'un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique à double colonne dont la colonne basse pression opère légèrement au-dessus de la pression atmosphérique, ce qui diminue le CAPEX de l'ASU.
  2. Le cycle LH2reste inchangé, pouvant mettre en œuvre le PRM sans changer la structure et assurant ainsi l'optimisation maximale et la plus grande efficacité.
  3. Dans l'idée proposée, il y aura une combinaison de deux compresseurs N2 et donc seulement 1 compresseur nécessaire alors que l'idée de l’art antérieur incorpore deux compresseurs ; compte tenu de la haute pression du cycle de pré-refroidissement. Cette idée conduira à réduire les CAPEX et à réduire la consommation d'énergie.
  4. Dans l'idée proposée, en raison du maintien du cycle d'origine de pré-refroidissement d’azote, un flux de flux supplémentaire sera inutile, ce qui, à nouveau, entraîne une réduction du CAPEX.
  5. De plus, dans l'idée proposée, au lieu de comprimer à la fois le flux de pré-refroidissement d’azote et l’azote pour la production d'ammoniac d'environ 10 bara à 65 bara inutilement, le débit massique de pré-refroidissement de N2n'est comprimé qu'à 12 bara tandis que le reste du flux (pour produire de l'ammoniac) est comprimé à 36 bara. En fin de compte, cela se traduit par un compresseur de plus petite taille, ce qui entraîne moins de consommation et moins de CAPEX du compresseur.
Enfin, selon l’invention, la pression la plus élevée atteinte dans le cycle de pré-refroidissement LH2est de 22,6 bara au lieu de 65 bara, ce qui signifie moins de coût en CAPEX d'équipement et une plus grande simplicité.
L’invention sera décrite de manière détaillée, en se référant à la figure.
montre un procédé selon l’invention.
Dans la , un débit d’hydrogène gazeux 1 est divisé en deux fractions, la première fraction 3 est refroidie et liquéfiée par échange de chaleur avec un premier cycle de réfrigération R2 dans les échangeurs 2,4, 6 et avec un deuxième cycle de réfrigération à l’azote (R1) dans l’échangeur 2 qui constitue la section de pré-refroidissement de la liquéfaction.
L’hydrogène liquide 9 est formé par détente dans une turbine T3 et stocké dans un stockage 15 produisant du gaz 11 par rentrées de chaleur.
Le premier cycle R2 peut par exemple être un cycle à l’hydrogène.
On envoie de l’azote depuis un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique 8 à une première pression d’au plus 2 bars à un premier compresseur C1. L’appareil est typiquement un appareil à double colonne, bien connu, avec une colonne basse pression opérant à 2 bars abs au maximum qui produit l’azote 5. L’appareil peut également produire de l’oxygène.
On comprime l’azote 5 dans le premier compresseur, on extrait de l’azote 21 à une pression intermédiaire du compresseur, par exemple entre 10 et 15 bars et on l’envoie au deuxième cycle de réfrigération dans lequel l’azote est comprimé dans les compresseurs C3, C4, refroidi dans l’échangeur 2, divisé en deux formant les débits 22, 23. Le débit 23 est détendu dans une turbine T1 pour fournir du froid et renvoyé au premier compresseur à une pression inférieure à 2 bars. Le débit 22 se refroidit dans l’échangeur 2 puis est divisé en deux. La partie 25 est détendue dans une turbine T2 pour fournir du froid et renvoyée au premier compresseur à une pression inférieure à 2 bars. Le reste de l’azote 27 se refroidit ans l’échangeur 2, est détendu dans une vanne puis est renvoyé comme débit 7 au premier compresseur à une pression inférieure à 2 bars.
Le cycle R1 peut être plus ou moins complexe et comprend au minimum une seule turbine.
On comprime de l’azote dans le premier compresseur jusqu’à une deuxième pression égale à celle de la deuxième fraction d’hydrogène gazeux, c’est-à-dire 36 bars absolus ou 29 bars absolus on comprime la deuxième fraction 29 et l’azote à la deuxième pression 17 dans un deuxième compresseur C2 pour fournir un gaz de synthèse d’ammoniac 19 à 150 bars absolus.
Si le H2entre dans le compresseur C2 à 29 bara, ce serait donc le cas lors de l'utilisation d'électrolyseurs alcalins (la pression de sortie de l’hydrogène avec d'autres électrolyseurs tels que PEM est de 1 bar).
Comme moyen de production de frigories, on pourrait utiliser un débit d’azote liquide produit par un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique, ce liquide se vaporisant à environ 1.4 bara dans l’échangeur de chaleur 2 pour fournir du froid à environ -195°C. L’azote vaporisé pourrait ensuite être comprimé avec de l’azote gazeux de l’appareil de séparation d’air et ensuite comprimé avec de l’hydrogène pour former le gaz de synthèse d’ammoniac.

Claims (1)

  1. Procédé de production d’un gaz de synthèse d’ammoniac dans lequel
    1. Un débit d’hydrogène gazeux (1) est divisé en deux fractions, la première fraction (3) est refroidie et liquéfiée par échange de chaleur avec un premier cycle de réfrigération (R2) et un deuxième cycle de réfrigération à l’azote (R1)
    2. On envoie de l’azote depuis un appareil de séparation d’air par distillation cryogénique (8) à une première pression d’au plus 2 bars à un premier compresseur (C1)
    3. On comprime l’azote dans le premier compresseur, on extrait de l’azote (21) à une pression intermédiaire du compresseur, par exemple entre 10 et 15 bars et on l’envoie au deuxième cycle de réfrigération dans lequel l’azote est détendu (T1, T2) pour fournir du froid et renvoyé au premier compresseur à une pression inférieure à 2 bars
    4. On comprime de l’azote dans le premier compresseur jusqu’à une deuxième pression égale à celle de la deuxième fraction d’hydrogène gazeux, on comprime la deuxième fraction et l’azote à la deuxième pression (17) dans un deuxième compresseur (C2) pour fournir un gaz de synthèse d’ammoniac (19).
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