WO2006054008A1 - Procede et installation pour la production combinee d'hydrogene et de dioxyde de carbone - Google Patents

Procede et installation pour la production combinee d'hydrogene et de dioxyde de carbone Download PDF

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Bernd Polster
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  • the present invention relates to a process for the combined production of hydrogen and carbon dioxide from a hydrocarbon source. More particularly, the present invention relates to a process for the combined production of hydrogen and carbon dioxide from a synthesis gas obtained from hydrocarbons and in particular natural gas, propane, butane, naphtha, petroleum gas. liquefied, alone or as a mixture.
  • carbon dioxide used for food purposes, is usually from rich sources, including
  • a widely used source is the CO2-rich effluent (about 98% by volume on a dry basis), available at low pressure, from the decarbonation unit integrated in the N 2 + 3H 2 feedstock preparation. ammonia synthesis.
  • This impure CO 2 saturated with water, is then compressed to approximately 35 bar, then purified by adsorption and / or catalytic destruction of heavier constituents than CO 2 , before being partially condensed cryogenically and purified by distillation of the constituents lighter than CO 2 , to be stored in liquid form, and finally transported in liquid or gaseous form.
  • the decarbonation unit implements washing processes, at a pressure of between 15 and 40 bar, at room temperature or colder, and with a solvent (of the aqueous amine solution type, potassium carbonate type, methanol, ...) regenerable at low pressure and at higher temperatures.
  • PSA waste gas (or PSA purge gas) is typically available at a pressure of less than 2 bar, and contains the residual 10% hydrogen and all the impurities contained in the gas.
  • synthesis CH 4 , CO, CO 2 , N 2 , depending on the composition of the initial hydrocarbon feedstock). In order to valorize it, this waste gas is for this purpose sent as fuel to the burners of the steam reforming furnace.
  • CO 2 is then compressed to be purified.
  • the PSA waste is recovered, either as uncompressed fuel or by recycling to the upstream process, with compression.
  • the implementation of this solution requires the use of two compressors, one to produce CO 2 , the other to compress the waste before recycling to reforming. The cost of these compressors, decarbonation and PSA unit, makes this solution not economically acceptable.
  • the solution according to the invention consists in using a single compressor to both compress the CO2 to be purified and to compress the other constituents of the waste to be recycled.
  • This economic solution for the recovery of PSA waste is integrated into the process and also has in its various variants the following advantages: - production of CO 2 , in particular of food grade, but which may be CO 2 of less purity, depending on the use or store locally or carry for remote storage or use.
  • production of a purge gas which will provide fuel for reforming, but may also be partially upgraded as:. charge gas for reforming, and / or
  • the subject of the invention is a process for the combined production of hydrogen and carbon dioxide from a mixture of hydrocarbons, comprising at least: a step (a) of generating a gas synthesis product containing at least carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, methane, and water vapor from said hydrocarbon mixture;
  • each of the steps (hn) itself comprises:
  • a step of condensation of all or part of the CO 2 contained in the gas coming from the preceding step, followed by a step of separation of the CO 2 rich condensate resulting from the separation from the gas phase containing the incondensable compounds, and the step (s) (hn) are carried out at temperatures tn between room temperature. and -56 0 C, with, for all n tn less than tn-1,
  • the gaseous phase resulting from the step (hn-1) feeds the step (hn), the gaseous phase resulting from the last step (hn) constituting the purge of the incondensables,
  • the PSA residue contains a quantity of CO2 of about 45% from reforming and reverse conversion (the exact content of CO2 is naturally a function of the composition of the mixture initial hydrocarbons).
  • the process then makes it possible, starting from the residual gas of the PSA, whose pressure is typically less than 2 bar, to have, thanks to the compression of step (f), a gas at a total pressure of between 40 and 80 bar. , corresponding to a CO 2 partial pressure between 15 and 40 bar, compatible with cryogenic purification.
  • the method can implement one to five successive stages (hn) of condensation / separation; preferably, it will implement two or three successive steps (hn).
  • the purge of the incondensables may, before being recycled to the process, or exported to another process, be the subject of further processing.
  • incondensables can be upgraded as fuel for the reforming furnace or during a preheating, but also, see above, as filler gas to generate the synthesis gas, and / or the PSA feed gas, and this in the process of the invention or in an external process. They may for this purpose undergo further processing according to various advantageous embodiments of the invention described below.
  • each condensate can, thanks to appropriate complementary treatments, be used or sequestered on site or nearby in gaseous form; it can be exported for use or sequestered in gaseous or liquid form. It can particularly and particularly advantageously be used in the food industry, through a suitable purification.
  • step (a) is a catalytic or non-catalytic partial oxidation step or an auto-thermal or steam reforming step.
  • all or part of the condensates from steps (hn) are vaporized after expansion, with recovery of cold, to produce CO 2 in gaseous form under a pressure of between 5 and 40 bar.
  • the recovered cold is advantageously used for the cooling of process fluids in addition to the refrigerating apparatus.
  • the CO 2 can then be compressed to be transported by pipeline to a site of use and / or sequestration.
  • the process is particularly advantageous when it is used to optimize the production of hydrogen and jointly produce carbon dioxide of food purity. It then comprises, in addition to the steps described above, at least:
  • a step (i) of removing the light impurities contained in the corresponding condensates for obtaining CO 2 of food grade comprising at least:
  • heavy impurities hydrocarbons and other impurities having a vapor pressure lower than that of CO 2 .
  • the removal of heavy impurities is conventionally carried out by passing the fluid to be purified on an adsorbent bed and / or on a bed of catalysts. During this step of removing light impurities (i), obtained by a so-called cryogenic purification, the condensate is freed from the light impurities it contains, and in particular light impurities entrained during step (hn).
  • This variant of the process is thus able to jointly ensure the production of hydrogen and carbon dioxide of food purity, with recovery of the light components of the PSA waste in the purge of incondensables.
  • all or part of the gas phase from step (i2) is reincorporated in the compression step (f).
  • said reincorporation is performed via an ejector so as to further contribute to the compression of step (f).
  • the principle of the ejector is to use the driving force of a gas at high pressure to increase the pressure of a lower pressure gas.
  • the lower pressure gas will most often be the residual PSA, while the high pressure gas will be the gas phase from step (i2).
  • the PSA waste is at a pressure greater than that of the gaseous phase resulting from step (i2) (after having undergone a first compression for example), in which case it is which will bring the driving force to the system.
  • part of the compression may come from any type of compressor: screw, piston or preferably centrifugal.
  • the last of the steps (hn) comprises at least the following intermediate steps:
  • Another major advantage of the invention lies in the optimized valuation of the purge of incondensables.
  • the purge of incondensables can be used, totally or partially, without further treatment, outside the process, especially as a fuel, or charge in a process external to that of the invention.
  • the purge of incondensables can also be wholly or partly relaxed in the process to produce cold prior to use at low pressure outside or within the process.
  • step (a) When the pressure of the purge of incondensables is sufficient, that is to say when it is greater than that of step (a), it can be reincorporated, in whole or in part, without additional treatment at the level of the step of generating the synthesis gas, for use as a fuel and / or as a feed gas; the hydrogen present then passes through the reformer without transformation.
  • This purge can also be used in addition to the PSA feed gas.
  • the purge of incondensables will preferably undergo additional processing steps to optimize their use.
  • the purge of incondensables is treated in a permeation unit for the production of a purge waste rich in methane and carbon monoxide, available at a pressure greater than the pressure of step (a), and of a permeate enriched in hydrogen and optionally in carbon dioxide at a pressure greater than the operating pressure of the PSA unit of step (e).
  • all or part of said permeate is recycled to the inlet of the PSA purification unit of step (e). It may also be sent, in whole or in part to a PSA unit outside the process, especially if the pressure of the permeate is lower than that of the unit
  • said permeate recycled to the purification unit PSA is separated into two fractions, one of which is used for the regeneration of the dryers of step (g), the fractions are then collected, and all of said recycled permeate is sent to the input of the PSA purification unit of step (e).
  • the purge waste is recycled at the stage
  • (a) in partial substitution of the hydrocarbon mixture, and / or is used as a fuel, either in the combustion chamber of a non-adiabatic reformer, or in a furnace for preheating the charge in the case of a reformer auto-thermal or partial oxidation.
  • the purge waste used as a partial substitution of the hydrocarbon mixture of step (a) partially replaces the reagent (methane), and partially the product (syngas), thereby improving the yield of the reforming reaction:
  • this partial recycling of the waste as the feedstock to be reformed makes it possible to reduce the quantity of waste to be sent to the burners of the combustion chamber.
  • the process may also comprise a step of pre-reforming the hydrocarbon mixture, prior to the step (a) of reforming, it may also include before the reforming step -or pre-reforming- a step desulfurization of the hydrocarbon mixture to be reformed or pre-reformed.
  • the method provides for stabilizing the composition of the PSA waste upstream of the treatment steps thereof so that it has a stabilized CO 2 content. in time, less dependent in particular well-known composition variations related to the normal operation of a PSA unit.
  • the process advantageously comprises a step of incorporation at the level of the compression step ( f) a gaseous phase richer in CO 2 than the residual gas of the PSA, originating from a buffer capacity fed in particular into the condensed phase - then vaporized - resulting from the separation of the last of the steps (hn), and or in the gaseous phase resulting from stage (i2), and / or in gaseous CO 2 resulting from the fatal evaporation of a liquid CO 2 storage (or any other source suitable for this purpose and available on the site).
  • These different gaseous phases are available at pressures of the order of 5 bar or more.
  • the CO 2 content may be stabilized at a low value, corresponding for example to the minimum CO 2 content of the PSA waste.
  • the process then advantageously comprises a step of incorporating, at the level of the compression step, a gas phase that is lower in CO 2 than the residual gas of the PSA, originating from a buffer capacity fed in particular from the permeate sent to the PSA unit.
  • Said permeate is in the form of a gas under a pressure of about 15 to 35 bar, preferably about 25 bar.
  • the process may comprise a step of incorporation in step (f), and depending on the requirements, either of a CO 2 -containing gas phase originating from a buffer capacity supplied with said CO 2 -rich gas phase as described above, or with a low CO 2 gas phase originating from a buffer capacity supplied with said CO 2 poor phase as described above.
  • this relates to a process for the combined production of hydrogen and carbon dioxide from a mixture of hydrocarbons, comprising at least: a step (a) of generating a synthesis gas containing at least carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, methane, and water vapor from said hydrocarbon mixture;
  • step (c) of conversely converting all or part of the cooled synthesis gas from (b) to steam to oxidise most of the carbon monoxide it contains to carbon dioxide, with corresponding production of hydrogen ;
  • the step (s) (hn) are carried out at temperatures t between room temperature and -56 ° C., with the gaseous phase resulting from the step (hn, for any n tn being less than tn-1); -1) feeds step (hn), the gaseous phase resulting from the last step (hn) constituting the purge of incondensables, - a step of using the purge of incondensables.
  • the gas drying step (g 1 ) may also be located at an intermediate stage of the compression steps of step (f).
  • this relates to an installation for the combined production of hydrogen and carbon dioxide from a mixture of hydrocarbons, comprising at least: a module for generating a synthesis gas containing at least carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, methane, and water vapor from a hydrocarbon mixture; a first synthesis gas cooling module with means for recovering the available residual heat; a module for converting the whole or part of the synthesis gas to steam;
  • a second module for cooling the mixture after conversion, with condensation of the vapor, by heat exchange with different boiler water circuits and / or demineralised water;
  • PSA pressure modulation adsorption purification unit
  • a PSA waste drying module compressed by removing the water contained to obtain a dry gas; means for carrying out the successive condensation / separation steps (hn) according to claim 1, comprising for each of the steps (hn), with the exception of the last one:
  • a condensation / separation module supplied with gas from the preceding stage, equipped with means for recovering the CO2 rich condensate and recovering the gas phase containing the incondensable compounds
  • step (hn-1) means for transporting the gaseous phase resulting from step (hn-1) towards the supply of the condensation / separation module of the following step; and, for the last condensation / separation step:
  • condensation / separation module supplied with gas from the preceding stage, equipped with means for recovering the CO 2 -rich condensate and for recovering the gas phase containing the incondensable compounds; means for recycling the gas phase; leaving the condensation / separation module from the last step to the process, or send it outwards.
  • the installation since the installation is intended to produce carbon dioxide of food purity, it also comprises at least:
  • the installation comprises for the implementation of the last step (hn):
  • a heat exchanger allowing the transfer of heat between the purge of the incondensables and the expanded liquid condensate at a pressure of between 5 and 35 bar by countercurrent passage of the condensation, and recovery of cold by exchange with the expanded condensate and the purge of incondensables,
  • the phase rich in vaporized CO2 at the compressor comprises for the treatment of the purge of incondensables, at least:
  • a permeation unit supplied with the purge of incondensables for the production of a purge waste rich in methane and carbon monoxide and of a permeate enriched in hydrogen, means for recycling at least a portion of the permeate at the entrance of the PSA unit, means for recycling the purge waste at the synthesis gas generation module, as a partial substitution of the hydrocarbon mixture feeding it, and / or as a fuel.
  • Figures 1 and 2 show functional diagrams illustrating preferred embodiments of the invention for the production of hydrogen and, respectively, dietary carbon dioxide or carbon dioxide to be sequestered.
  • Figure 3 schematically shows an installation according to the invention for the liquefaction and purification of CO 2 contained in a PSA waste of a hydrogen production plant to obtain CO 2 food grade.
  • Figure 1 describes the block diagram of an installation for producing food carbon dioxide (and hydrogen) according to the invention.
  • the part of the facility that produces hydrogen is not represented when it is separate from the part of the installation leading to the production of CO 2 .
  • the feedstock fed to the process consists of a mixture of hydrocarbons - here natural gas (NG) - the hydrocarbon stream 1 feeds a desulfurization module 2.
  • NG natural gas
  • the desulfurized feedstock 3 then passes into a pre-reformer 4; the pre-reformed mixture 5, a mixture consisting essentially of methane, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water feed the reforming module 6 which, via step (a) of the process, produces the synthesis gas 7 essentially containing hydrogen, carbon monoxide, dioxide carbon, methane and water vapor.
  • the synthesis gas is cooled by heat exchange, according to step (b) of the process, with boiler water at 8, and then the cooled gas 9 is treated in accordance with step (c) of the process in a reverse conversion module 10, where CO is converted to H 2 and CO 2 .
  • the gas mixture 11 leaving the module 10 is cooled in the module 12, according to step (d) of the process, with condensation of the vapor contained in the mixture by heat exchange with different boiler water circuits and / or 'Demineralized Water.
  • the cooled mixture 13 is then treated in a PSA-type hydrogen purification unit 14, according to step (e) of the process, to obtain a gaseous stream enriched with hydrogen with a purity of at least 98 % and a residual waste gas of PSA- containing carbon dioxide.
  • This waste PSA 15 is available at a pressure of the order of 1 to 3 bar abs, it contains substantially all CO 2 co-produced during the reforming and reverse conversion steps.
  • the average composition of the PSA waste is close to: CO 2 : 45% - CO: 12% - H2: 23% CH 4 : 17% - H 2 O: 1% - N 2 : 2%.
  • the content of CO 2 is between 42 and 48%, the content of H 2 varies between 20 and 26%, the contents of the other constituents remaining roughly constant.
  • the PSA waste 15 is then compressed in the compression module 16, according to step (f) of the process, to obtain a residual of the compressed PSA 17. It is compressed to about 60 bar, which ensures partial pressure of CO 2 of the order of 27 bar.
  • the compressed PSA waste 17 is first freed of its heavy impurities in a module 18, by a succession of regenerable adsorptions for example, thus obtaining a purified compressed waste 19 which is then dried, according to step (g). of the invention, in a module of drying 20 to obtain a waste 21, compressed, free of heavy impurities and dried.
  • the waste 21 is then cooled to be separated by liquefaction in a separation module 22, which makes it possible to obtain a condensate 23 essentially containing liquid CO 2 and a gaseous mixture 24 containing an uncondensed CO 2 fraction, as well as the compounds more so-called incondensable light, according to the steps (hn) of the invention.
  • This separation is in the case of Figure 1 carried out in two stages.
  • the cooling of the waste 21 is carried out by countercurrent circulation of the cold fluids resulting from the cryogenic purification and by heat exchange with an associated external refrigerating unit.
  • the condensate 23 essentially contains CO 2 , however, in order to obtain CO 2 of food grade, the condensate 23 is purified by distillation in order to rid it of light impurities entrained in the liquid phase. For this, the condensate 23 is expanded to 23 bar before supplying the distillation column 25. A liquid phase 26 consisting of CO 2 of food purity is recovered at the bottom of the column, and a gaseous phase 27 at the top of the column. gas phase 27 containing CO 2 in significant proportion, is recycled to the compression module 16. As previously recalled, the separation carried out in the module 22 is carried out in 2 steps.
  • the first separation is obtained for a temperature of about -28 ° C. (function of the partial pressure of CO 2 , itself a function of the total pressure and the proportion of CO 2 in the stream 21).
  • the gaseous mixture resulting from the first separation is cooled in a heat exchanger (not shown) at a temperature of the order of -50 ° C. against the current of the fluids resulting from this temperature of the second separation step.
  • a heat exchanger not shown
  • another condensate and the gaseous mixture 24 are separated at the outlet of the second (and last) separator.
  • the condensate originating from the second separator at a temperature of the order of -50 ° C. is vaporized in the heat exchanger to form a gas stream 28.
  • the gaseous mixture 24 obtained at the end of the separation contains the light impurities of the charge 1; warmed to room temperature in the heat exchangers, it constitutes the purge of incondensables, available under a pressure of 58 bar.
  • the composition of the purge is of the order of: CO 2 : 21% - CO: 18% - H 2: 36% - CH 4 : 24% - N 2 : 1%.
  • the purge of the incondensables 24 is then treated in the permeation module 29 which produces a purge waste 30 enriched in methane and CO available at high pressure (about 56 bar), and a permeate 31 enriched in H 2 at a pressure of 1%. order of about 25 bar.
  • the permeate 31 rich in hydrogen is recycled at the inlet of the hydrogen purification unit 14.
  • a portion 31a of the permeate is previously diverted to the drying unit 20 to ensure the regeneration of the driers, then reincorporated to the fraction not diverted to be recycled to the supply PSA unit 14.
  • the purge waste 30 is recycled to the reforming to be for its part 30a added to the pre-reformed mixture 5 supplying the reformer 6, and for its part 30b used as fuel in the reforming burners.
  • Recycling mixtures 30a and 31 can reduce the amount of waste gas 30b sent as fuel to the reforming, but also better value the constituents that compose them.
  • the permeate 31 enriched in hydrogen is recycled to the inlet of the hydrogen purification unit 14, this makes it possible to increase, for a given initial charge 1, the hydrogen production, and thus the overall recovery rate. H 2 of the installation.
  • the mixture 30a provides the charge to be reformed with a certain amount of already reformed gas.
  • Figure 2 describes the block diagram of an installation for producing carbon dioxide to sequester (and hydrogen) according to the invention.
  • the part of the installation corresponding to the production of hydrogen is not represented as soon as it becomes distinct from the part of the installation corresponding to the production of CO 2 .
  • the installation shown differs from that of FIG. 1 only at the level of the separation of the constituents of the PSA waste.
  • step (g) of the invention in a drying module 20 for obtaining a compressed and dried residual 21.
  • the carbon dioxide does not in this case intended to be used pure, it is therefore useless to purify it.
  • the waste 21 is then cooled to be separated by liquefaction in a separation module 22, which makes it possible to obtain a condensate 23 essentially containing liquid CO2 and a gaseous mixture 24 containing an uncondensed fraction of CO2 and the lighter compounds called incondensable, according to step (h) of the invention.
  • the cooling of the waste 21 is carried out by countercurrent circulation of the cold fluids and by heat exchange with an associated external refrigerating unit.
  • the condensate 23 contains essentially CO 2 , there will be no need to purify it.
  • the separation as shown in Figure 2 is a one-step separation (as evidenced by the absence of fluid 28).
  • the object of the process is to produce CO 2 , in the form of gaseous CO 2 under pressure, to be transported to a pipeline storage site.
  • Two alternatives, not shown, are now described for the treatment of condensate. According to the first alternative, the condensate 23 is expanded to a pressure of about 10 bar, revaporized and superheated in exchange lines to room temperature.
  • the unit can operate with a limited external cooling supply, the CO 2 gas is available under 10 bar at the installation limit.
  • the condensate 23 is vaporized and heated to room temperature under a pressure of about 58 bar.
  • the unit must use a refrigeration unit
  • the CO 2 gas is available at about 58 bar at the installation limit.
  • a variant of the process would be to produce liquid CO 2 also for sequestration.
  • the CO 2 can be transported to the storage site by boat.
  • This variant is suitable for offshore underground storage.
  • FIG. 3 schematically represents the part of a combined production plant of hydrogen and food carbon dioxide which treats the PSA waste for the production of liquid CO 2 of food purity by implementing a variant of the process of the invention as described above.
  • the upstream part of the installation is supplied with natural gas, a PSA unit separates a stream of hydrogen, with a purity greater than 98%, of the PSA waste.
  • This waste contains all CO 2 co-produced by steam reforming and reverse conversion.
  • the part of the installation shown schematically in Figure 3 is that intended to produce liquid CO 2 of food purity.
  • the waste 100 of the PSA is compressed in a multi-stage charge compressor 101 to a pressure of the order of 60 bar.
  • the gas thus compressed is separated from the condensed water in a separator 102, and then dried and freed from its heavy impurities by a succession of adsorptions regenerable at 103.
  • the fluid 104 thus obtained is then in the form of a gas. a pressure of the order of 59 bar, dry, free of these heavy impurities and at a temperature of the order of 30 ° C.
  • the fluid 111 then passes into a first separator 112 where the condensate 113 is separated from the non-condensed phase 114.
  • the condensate 113 is expanded via an expansion valve at a pressure of 23 bar to feed the distillation column 108.
  • the purified liquid CO 2 115 is recovered at the bottom of column 108 to be, after a sub-cooling at 116 to limit its evaporation, stored in a tank 117 of liquid CO2 and then conveyed to the customer.
  • the liquid phase of the separator 118 is rich in CO 2 , it is expanded and constitutes the fluid 120 at a pressure of 12 bar and a temperature of -55 ° C .; revaporized when it is heated to -33 ° C.
  • the gaseous phase 124 from the separator 118 which contains the light impurities of the feed 100 is warmed to room temperature in the exchange lines 119, 109, 105 and constitutes the uncondensable purge, available at a pressure of about 57 bar.
  • the heat exchangers (exchange lines 119, 109, and 105) as well as the separators 112 and 118 and the connecting lines between them are preferentially placed in a cold box to reduce the loss of frigories. It will also be possible to incorporate in this cold box all or some of the following equipment as well as their associated connecting lines:
  • the purge of the incondensables 124 is treated in the permeation unit 125 which delivers the purge waste 126 for feeding the reforming as a filler, 126a and as a fuel, 126b.
  • the permeate 127 from the permeation unit 125 is essentially recycled to the inlet of the PSA, a fraction 127b being subtracted from the main stream to feed the buffer capacity 128 into a gas phase low in CO 2 .
  • the buffer capacities 128 and 129 deliver, as required, a flow more or less rich in CO2 at the compressor 101 to stabilize the composition of the treated fluid.
  • the advantages of the process according to the invention are thus in particular: to be able to increase the recovery rate of the hydrogen generated by the reforming or the partial oxidation and the conversion.
  • the overall recovery rate of hydrogen which with a PSA unit is traditionally 90% maximum is increased to about 95% or more by the process of the invention (by hydrogen recovery rate, hydrogen product / hydrogen generated).
  • Variants of the process of the invention can be used to treat different types of gaseous flow having a sufficient carbon dioxide content, typically of the order of 15% or more on a dry basis (mention may notably be made of waste gases, fumes), whether high or low pressure, dry or wet.
  • the compression steps up to a partial pressure of CO2 of between 15 and 40 bar), drying and condensation / separation in this case must be adapted to the gas to be treated.

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Abstract

Procédé pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures dans lequel le résiduaire du PSA est traité pour produire un fluide enrichi en dioxyde de carbone, et dans lequel : - le résiduaire du PSA est comprimé jusqu'à une pression telle que la pression partielle du CO<SUB>2</SUB> contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ; - le résiduaire subit une ou plusieurs étapes de condensation/séparation avec production de condensat(s) riche(s) en CO<SUB>2</SUB> et d'une purge des incondensables; - la purge des incondensables est de préférence traitée pour produire un perméat riche en H<SUB>2</SUB> qui est renvoyé vers le PSA, et un résiduaire qui est renvoyé vers la génération du gaz de synthèse. De préférence, le(s) condensat(s) sont purifiés par distillation cryogénique pour produire du CO<SUB>2</SUB> de qualité alimentaire. L'invention se rapporte aussi à une installation pour la mise en oevre du procédé.

Description

Procédé et installation pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone.
La présente invention concerne un procédé de production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'une source d'hydrocarbures. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un gaz de synthèse obtenu à partir d'hydrocarbures et notamment de gaz naturel, de propane, butane, naphta, gaz de pétrole liquéfié, seuls ou en mélange.
A l'heure actuelle, le dioxyde de carbone (ou CO2) utilisé à des fins alimentaires, est généralement issu de sources riches, il s'agit notamment de
CO2 naturel prélevé par forage dans des couches géologiques profondes ou de
CO2 coproduit dans des unités de production d'hydrogène par reformage d'hydrocarbures à la vapeur.
Une source très largement utilisée est l'effluent riche en CO2 (environ 98% en volume sur base sèche), disponible en basse pression, issu de l'unité de décarbonatation intégrée dans la préparation de la charge N2 + 3H2 des unités de synthèse d'ammoniac.
Ce CO2 impur, saturé en eau, est alors comprimé à 35 bar environ, puis purifié par adsorption et/ou destruction catalytique des constituants plus lourds que le CO2, avant d'être partiellement condensé par voie cryogénique et purifié par distillation des constituants plus légers que le CO2, pour être stocké sous forme liquide, et enfin transporté sous forme liquide ou gazeuse.
Typiquement, l'unité de décarbonatation met en œuvre des procédés de lavage, sous une pression comprise entre 15 à 40 bar, à température ambiante ou plus froide, et avec un solvant (de type solution aqueuse d'aminés, de carbonate de potassium, méthanol, ...) régénérable en basse pression et à plus haute température.
Cependant, la délocalisation des unités d'ammoniac vers des pays en voie de développement ou dans des zones où les sources d'hydrocarbures sont bon marché conduit à la disparition de ces sources de CO2 traditionnelles dans certains pays fortement demandeurs d'Europe ou d'Amérique. Simultanément, dans ces derniers pays, l'industrie du raffinage a un besoin croissant en hydrogène (H2) pour la désulfuration des carburants. Ceci conduit à la réalisation de grosses unités d'hydrogène, généré par reformage d'hydrocarbures à la vapeur et purifié notamment par adsorption avec un procédé régénératif par modulation de pression (ou PSA).
Le rendement de récupération en hydrogène des unités de purification
PSA est voisin de 90%, le gaz résiduaire du PSA (ou gaz de purge du PSA) est, typiquement disponible à une pression inférieure à 2 bar, et contient les 10% d'hydrogène résiduel et toutes les impuretés contenues dans le gaz de synthèse (CH4, CO, CO2, N2, en fonction de la composition de la charge d'hydrocarbures initiale). Afin de le valoriser, ce gaz résiduaire est pour cela envoyé en tant que combustible aux brûleurs du four du reformage à la vapeur.
Pour permettre le contrôle desdits brûleurs il est cependant nécessaire d'importer une certaine quantité de combustible correspondant typiquement à 10 à 15% du besoin global en combustible.
Simultanément, les améliorations apportées au procédé de reformage à la vapeur ont diminué le besoin en combustible des brûleurs en même temps qu'elles augmentaient le pouvoir calorifique du gaz résiduaire issu du PSA. On citera notamment la diminution du ratio Vapeur/Carbone ou V/C (steam/carbon ou S/C en langue anglaise) qui à la fois diminue le besoin en combustible du procédé et augmente la quantité de CH4 et de CO produits et donc le pouvoir calorifique du gaz résiduaire du PSA. La nécessité de valoriser le gaz résiduaire du PSA à basse pression, devient ainsi un facteur limitant pour l'optimisation du reformage à la vapeur. Si le reformage à la vapeur est la technique la plus largement utilisée dans le cadre de la production d'hydrogène, on fait cependant aussi appel à d'autres techniques de génération de gaz de synthèse, parmi lesquelles le reformage auto-thermique, l'oxydation partielle catalytique ou non catalytique, cette dernière étant notamment utilisée dans le cadre de l'oxydation de résidus. Ainsi, on observe simultanément : un manque, dans les pays utilisateurs, de sources de dioxyde de carbone conforme à la demande de l'industrie. Ce CO2 doit pouvoir se présenter sous une forme adaptée à l'usage auquel il est destiné, notamment du CO2 purifié pour l'industrie alimentaire. une limitation du rendement des unités de purification d'hydrogène, liée au rendement du PSA, qui conduit par ailleurs à une limitation de l'optimisation de la génération du gaz de synthèse, notamment du reformage.
L'homme du métier sait produire conjointement de l'hydrogène purifié par
PSA, et un flux concentré en dioxyde de carbone en sortie d'unité de décarbonatation (par lavage aux aminés par exemple). Le flux concentré en
CO2 est alors comprimé pour pouvoir être purifié. Le résiduaire du PSA est quant à lui valorisé, soit comme combustible sans compression, soit par recyclage vers le procédé amont, avec une compression. La mise en œuvre de cette solution nécessite de faire appel à deux compresseurs, l'un pour produire le CO2, l'autre pour comprimer le résiduaire avant de le recycler vers le reformage. Le coût de ces compresseurs, de la décarbonatation et de l'unité PSA, rend cette solution non acceptable économiquement.
Il existe donc un besoin pour un procédé économiquement viable de production d'hydrogène, purifié par PSA, et de production de dioxyde de carbone tout en assurant la valorisation des gaz combustibles inclus dans le gaz résiduaire issu du PSA. La solution selon l'invention consiste à utiliser un seul compresseur pour à la fois comprimer le CO2 à purifier et pour comprimer les autres constituants du résiduaire à recycler. Cette solution économique de valorisation du résiduaire du PSA est intégrée au procédé et présente en outre dans ses différentes variantes les avantages suivants : - production de CO2, notamment de qualité alimentaire, mais pouvant être selon les cas du CO2 de pureté moindre, à utiliser ou stocker localement ou à transporter pour stockage ou utilisation éloignés. production d'un gaz de purge, lequel fournira en combustible le reformage, mais pourra aussi être valorisé partiellement comme : . gaz de charge pour le reformage, et/ou
. gaz de charge du PSA. C'est pourquoi, l'invention a pour objet un procédé pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comportant au moins: une étape (a) de génération d'un gaz de synthèse contenant au moins du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau à partir du dit mélange d'hydrocarbures ;
- une étape (b) de refroidissement du gaz de synthèse issu de (a) avec récupération de la chaleur résiduelle disponible ;
- une étape (c) de conversion inverse à la vapeur de tout ou partie du gaz de synthèse refroidi issu de (b) pour oxyder la majeure partie du monoxyde de carbone qu'elle contient en dioxyde de carbone, avec production correspondante d'hydrogène ;
- une étape (d) de refroidissement du mélange issu de l'étape (c), avec condensation de la vapeur, par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée ;
- une étape (e) de purification du mélange refroidi issu de (d) dans une unité d'adsorption par modulation de pression (ou PSA) permettant l'obtention d'un flux enrichi en hydrogène à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire dit « résiduaire du PSA » contenant du dioxyde de carbone, à une pression de l'ordre de 1 à 3 bar abs ainsi que des étapes de traitement dudit résiduaire du PSA pour l'obtention d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone, comportant au moins :
- une étape (f) de compression du résiduaire du PSA jusqu'à une pression supérieure à la pression du reformage et telle que la pression partielle du CO2 contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ ;
- une étape (g) de séchage du résiduaire du PSA comprimé par élimination de l'eau contenue pour l'obtention d'un gaz sec ;
- une étape ou plusieurs étapes (hn) successives de condensation/séparation, telle(s) que • chacune des étapes (hn) comprend elle-même :
- une étape de condensation de tout ou partie du CO2 contenu dans le gaz provenant de l'étape précédente, suivie par - une étape de séparation du condensât riche en CO2 issu de la séparation d'avec la phase gazeuse contenant les composés incondensables, • et, - la ou les étapes (hn) sont mises en œuvre à des températures tn comprises entre la température ambiante et -560C, avec, pour tout n tn inférieure à tn-1 ,
- la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1) alimente l'étape (hn), la phase gazeuse issue de la dernière étape (hn) constituant la purge des incondensables,
- une étape d'utilisation de la purge des incondensables.
Sans étape de décarbonatation, mais avec étape de conversion inverse, le résidu du PSA contient une quantité de CO2 de l'ordre de 45% provenant du reformage et de la conversion inverse (la teneur exacte en CO2 étant naturellement fonction de la composition du mélange d'hydrocarbures initial). Le procédé permet alors, partant du gaz résiduaire du PSA, dont la pression est typiquement inférieure à 2 bar, de disposer grâce à la compression de l'étape (f), d'un gaz à une pression totale comprise entre 40 et 80 bar, correspondant à une pression partielle en CO2 comprise entre 15 et 40 bar, compatible avec la purification cryogénique. Ces pressions permettront d'utiliser les fluides dans la suite du procédé sans être obligé de recourir à des compressions supplémentaires.
Compte tenu de la teneur moyenne en CO2 du gaz alimentant la première étape de condensation/séparation, celle-ci peut être réalisée à une température comprise entre -1O0C et la température ambiante. La phase gazeuse issue de la séparation étant appauvrie en CO2, la séparation suivante nécessite une température plus basse ; ainsi, les séparations successives sont réalisées à des températures décroissantes pouvant aller jusqu'à une température de l'ordre de -560C c'est-à-dire proche de la température du point triple du CO2. Le procédé peut mettre en œuvre de une à cinq étapes (hn) de condensation/séparation successives ; de préférence, il mettra en œuvre deux ou trois étapes (hn) successives. La purge des incondensables pourra, avant d'être recyclée vers le procédé, ou exportée vers un autre procédé, faire l'objet de traitements complémentaires. Obtenue à l'issue des étapes (hn), elle se présente sous forme d'un gaz qui contient essentiellement de l'hydrogène, du méthane, du monoxyde de carbone, une fraction du dioxyde de carbone provenant du résiduaire PSA, non récupéré dans les condensats, ainsi que de l'azote. Ces incondensables pourront être valorisés en tant que combustible pour le four de reformage ou lors d'une préchauffe, mais aussi, voir plus haut, comme gaz de charge pour générer le gaz de synthèse, et/ou le gaz de charge du PSA, et ceci dans le procédé de l'invention ou dans un procédé extérieur. Ils pourront pour cela subir un traitement complémentaire selon différents modes de réalisation avantageux de l'invention décrits plus loin.
Riche en CO2, chaque condensât pourra, grâce à des traitements complémentaires appropriés, être utilisé ou séquestré sur site ou à proximité sous forme gazeuse ; il pourra être exporté pour être utilisé ou séquestré sous forme gazeuse ou liquide. Il pourra notamment et de façon particulièrement avantageuse être utilisé dans l'industrie alimentaire, grâce à une purification adaptée.
De préférence, l'étape (a) est une étape d'oxydation partielle catalytique ou non catalytique ou une étape de reformage auto-thermique ou à la vapeur.
En l'absence d'utilisation sur site ou à proximité du CO2 produit, et selon un premier mode de réalisation particulier, tout ou partie des condensats issus des étapes (hn) sont vaporisés après détente, avec récupération de froid, pour produire du CO2 sous forme gazeuse sous une pression comprise entre 5 et 40 bar. Le froid récupéré est avantageusement utilisé pour le refroidissement de fluides du procédé en complément des appareils réfrigérants. Le CO2 pourra ensuite être comprimé pour être transporté par gazoduc sur un site d'utilisation et/ou de séquestration.
Selon un autre mode de réalisation, mais toujours en l'absence d'utilisation sur site ou à proximité du CO2 produit, tout ou partie des condensats issus des étapes (hn) sont produits sous forme liquide pour être transportés sous cette forme sur un site d'utilisation et/ou de séquestration. Lorsque l'homme du métier n'a pas besoin de produire du dioxyde de carbone pur, II prévoit ainsi d'éliminer l'eau contenue, puis récupère une partie plus ou moins importante du CO2 par séparations successives, mais aussi les impuretés lourdes en C2+ (c'est-à-dire les molécules organiques contenant 2 carbones ou plus) et une partie du méthane contenue dans le résiduaire du PSA.
Cependant, le procédé est tout particulièrement avantageux lorsqu'il est mis en œuvre pour optimiser la production d'hydrogène et produire conjointement du dioxyde de carbone de pureté alimentaire. II comprend alors, outre les étapes décrites précédemment, au moins:
- une étape d'élimination d'impuretés lourdes préalable à la première étape (hn), ainsi que :
- pour au moins une partie des étapes (hn), une étape (i) d'élimination des impuretés légères contenues dans les condensats correspondants pour l'obtention de CO2 de qualité alimentaire, cette étape comprenant au moins :
• une étape (M) de détente du condensât jusqu'à une pression de l'ordre de 5 à 40 bar, de préférence de 10 à 30 bar, et
• une étape (i2) de distillation du condensât détendu pour l'obtention d'une phase liquide constituée de CO2 purifié de qualité alimentaire, et d'une phase gazeuse contenant lesdites impuretés légères.
Par impuretés lourdes, on entend les hydrocarbures et autres impuretés ayant une tension de vapeur inférieure à celle du CO2. L'élimination des impuretés lourdes est classiquement réalisée par passage du fluide à purifier sur lit d'adsorbants et/ou sur lit de catalyseurs. Lors de cette étape d'élimination des impuretés légères (i), obtenues par une purification dite cryogénique, le condensât est débarrassé des impuretés légères qu'il contient, et notamment des impuretés légères entraînées lors de l'étape (hn).
Cette variante du procédé est ainsi apte à assurer conjointement une production d'hydrogène et de dioxyde de carbone de pureté alimentaire, avec récupération des constituants légers du résiduaire du PSA dans la purge des incondensables. De préférence, tout ou partie de la phase gazeuse issue de l'étape (i2) est réincorporée au niveau de l'étape de compression (f).
De façon avantageuse, ladite réincorporation est réalisée via un éjecteur de sorte à contribuer en outre à la compression de l'étape (f). En effet, le principe de l'éjecteur est d'utiliser la force motrice d'un gaz à pression élevée pour augmenter la pression d'un gaz de pression plus faible. Dans le cadre de la présente invention, le gaz de plus faible pression sera le plus souvent le résiduaire du PSA, tandis que le gaz à pression élevée sera la phase gazeuse issue de l'étape (i2). On peut cependant concevoir aussi le cas où le résiduaire du PSA soit à une pression supérieure à celle de la phase gazeuse issue de l'étape (i2) (après avoir subi une première compression par exemple), dans ce cas, c'est lui qui apportera la force motrice au système. On pourra aussi utiliser un autre gaz du procédé présentant une pression suffisante.
Avec ou sans la contribution d'un éjecteur, une partie de la compression pourra provenir de tout type de compresseur : à vis, à piston ou de préférence centrifuge.
De préférence, la dernière des étapes (hn) comprend au moins les étapes intermédiaires suivantes :
- une étape de condensation à une température inférieure à - 4O0C de tout ou partie du CO2 contenu dans la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1),
- une étape de séparation du condensât riche en CO2 obtenu d'avec la phase gazeuse qui contient les composés incondensables et constitue la purge des incondensables,
- une étape de réchauffage de la purge des incondensables et du condensât liquide détendu à une pression comprise entre 5 et 35 bar à contre-courant de la condensation, et récupération de froid pour refroidir les fluides du procédé.
- une étape de réincorporation au niveau de l'étape de compression (f), de la phase riche en CO2 vaporisée. Un autre intérêt majeur de l'invention réside dans la valorisation optimisée de la purge des incondensables. La purge des incondensables peut être utilisée, totalement ou en partie, sans traitement complémentaire, à l'extérieur du procédé, notamment en tant que combustible, ou charge dans un procédé extérieur à celui de l'invention..
La purge des incondensables peut aussi être, totalement ou en partie, détendue dans le procédé pour produire du froid préalablement à une utilisation à basse pression à l'extérieur ou au sein du procédé.
Tout ou partie de la purge des incondensables peut être réincorporée sans traitement complémentaire dans le procédé.
Elle sera avantageusement réincorporée au niveau de l'étape de génération de gaz de synthèse pour être utilisée comme combustible.
Lorsque la pression de la purge des incondensables est suffisante, c'est- à-dire lorsqu'elle est supérieure à celle de l'étape (a), elle peut-être réincorporée, en totalité ou en partie, sans traitement complémentaire au niveau de l'étape de génération du gaz de synthèse, pour être utilisée comme combustible et/ou comme gaz de charge; l'hydrogène présent traverse alors le reformeur sans transformation.
On pourra aussi utiliser cette purge en complément du gaz de charge du PSA.
De manière générale cependant, la purge des incondensables subira de préférence des étapes de traitement complémentaires destinées à en optimiser l'utilisation. En particulier, la purge des incondensables est traitée dans une unité de perméation pour la production d'un résiduaire de purge riche en méthane et monoxyde de carbone, disponible à une pression supérieure à la pression de l'étape (a), et d'un perméat enrichi en hydrogène et éventuellement en dioxyde de carbone, à une pression supérieure à la pression de fonctionnement de l'unité PSA de l'étape (e).
Selon un mode de réalisation particulier, tout ou partie dudit perméat est recyclé à l'entrée de l'unité de purification PSA de l'étape (e). Il pourra également être envoyé, en totalité ou en partie vers une unité PSA extérieure au procédé, notamment si la pression du perméat est inférieure à celle del'unité
PSA de l'étape (e). De manière avantageuse, ledit perméat recyclé vers l'unité de purification PSA est séparé en deux fractions dont l'une est utilisée pour la régénération des sécheurs de l'étape (g), les fractions sont ensuite rassemblées, et la totalité dudit perméat recyclé est envoyée à l'entrée de l'unité de purification PSA de l'étape (e).
Le recyclage du perméat à l'entrée de l'unité PSA permet d'améliorer le taux global de récupération d'hydrogène. Ainsi, ce taux de récupération H2 qui est au maximum de l'ordre de 90% dans le cas d'un fonctionnement d'unité PSA classique peut dans le cadre de l'invention passer à 95%, voire plus. De plus, recycler cette fraction riche en hydrogène récupérée dans le résiduaire de l'unité PSA, vers l'entrée de celle-ci diminue d'autant la quantité de gaz résiduaire à recycler ailleurs dans le procédé ou à éliminer.
De préférence, le résiduaire de purge est recyclé au niveau de l'étape
(a), en substitution partielle du mélange d'hydrocarbures, et/ou est utilisé comme combustible, soit dans la chambre de combustion d'un reformeur non adiabatique, soit dans un four de préchauffage de la charge dans le cas d'un reformeur auto-thermique ou d'une oxydation partielle.
Contenant essentiellement du méthane et du monoxyde de carbone, le résiduaire de purge utilisé en substitution partielle du mélange d'hydrocarbures de l'étape (a) se substitue partiellement au réactif (méthane), et partiellement au produit (syngas), améliorant ainsi le rendement de la réaction de reformage :
CH4 + H2O --> CO + 3H2
Par ailleurs, dans le cas d'un reformage non adiabatique, ce recyclage partiel du résiduaire comme charge à reformer permet de réduire la quantité de résiduaire à envoyer aux brûleurs de la chambre de combustion.
Le procédé pourra comporter en outre une étape de pré-reformage du mélange d'hydrocarbures, préalable à l'étape (a) de reformage, il pourra aussi comporter préalablement à l'étape de reformage -ou de pré-reformage-, une étape de désulfuration du mélange d'hydrocarbures à reformer ou pré-reformer. Selon une variante particulièrement avantageuse, le procédé prévoit de stabiliser la composition du résiduaire du PSA en amont des étapes de traitement de celui-ci de telle sorte qu'il présente une teneur en CO2 stabilisée dans le temps, moins dépendante notamment des variations de composition bien connues liées au fonctionnement normal d'une unité PSA.
C'est ainsi que pour stabiliser à une valeur haute la composition du résiduaire du PSA- correspondant par exemple à la teneur maximale en CO2 dudit résiduaire du PSA- le procédé comprend avantageusement une étape d'incorporation au niveau de l'étape de compression (f) d'une phase gazeuse plus riche en CO2 que le gaz résiduaire du PSA, provenant d'une capacité tampon alimentée en particulier en la phase condensée -puis vaporisée- issue de la séparation de la dernière des étapes (hn), et/ou en la phase gazeuse provenant de l'étape (i2), et/ ou en CO2 gazeux provenant de l'évaporation fatale d'un stockage de CO2 liquide (ou de toute autre source adaptée à cet usage et disponible sur le site). Ces différentes phases gazeuses sont disponibles à des pressions de l'ordre de 5 bar ou plus.
De la même manière, la teneur en CO2 pourra être stabilisée à une valeur basse, correspondant par exemple à la teneur minimale en CO2 du résiduaire du PSA. Le procédé comprend alors avantageusement une étape d'incorporation au niveau de l'étape de compression d'une phase gazeuse plus pauvre en CO2 que le gaz résiduaire du PSA, provenant d'une capacité tampon alimentée en particulier à partir du perméat envoyé à l'unité PSA. Ledit perméat se présente sous la forme d'un gaz sous une pression de l'ordre de 15 à 35 bar, préférentiellement à 25 bar environ.
Afin de stabiliser la composition du résiduaire de PSA à une valeur moyenne, le procédé pourra comprendre une étape d'incorporation au niveau de l'étape (f), et selon les besoins, soit d'une phase gazeuse riche en CO2 provenant d'une capacité tampon alimentée en ladite phase gazeuse riche en CO2 comme décrit ci-dessus, soit d'une phase gazeuse pauvre en CO2 provenant d'une capacité tampon alimentée en ladite phase pauvre en CO2 comme décrit ci-dessus.
Ces capacités tampon, alimentées en fluides gazeux à des pressions supérieures à la pression d'entrée du gaz résiduaire du PSA dans l'étape de compression (f) permettent de stabiliser la composition de la charge au niveau de ladite étape par réinjections appropriées à l'un des inter-étages du compresseur de charge.
Selon une variante de l'invention, celle-ci concerne un procédé pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comportant au moins: une étape (a) de génération d'un gaz de synthèse contenant au moins du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau, à partir du dit mélange d'hydrocarbures;
- une étape (b) de refroidissement du gaz de synthèse issu de (a) avec récupération de la chaleur résiduelle disponible ;
- une étape (c) de conversion inverse à la vapeur de tout ou partie du gaz de synthèse refroidi issu de (b) pour oxyder la majeure partie du monoxyde de carbone qu'elle contient en dioxyde de carbone, avec production correspondante d'hydrogène ; - une étape (d) de refroidissement du mélange issu de l'étape (c), avec condensation de la vapeur, par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée ;
- une étape (g' ) de séchage du mélange refroidi issu de (d) par élimination de l'eau contenue pour l'obtention d'un mélange gazeux sec ; - une étape (e') de purification du mélange sec issu de (g') dans une unité d'adsorption par modulation de pression (ou PSA) permettant l'obtention d'un flux enrichi en hydrogène à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire dit « résiduaire sec du PSA » contenant du dioxyde de carbone, à une pression de l'ordre de 1 à 3 bar abs; ainsi que des étapes de traitement dudit résiduaire sec du PSA pour l'obtention d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone, comportant au moins :
- une étape (f ) de compression du résiduaire sec du PSA jusqu'à une pression supérieure à la pression du reformage et telle que la pression partielle du CO2 contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ ; - une étape ou plusieurs étapes (hn) successives de condensation/séparation, telle(s) que • chacune des étapes (hn) comprend elle-même : - une étape de condensation de tout ou partie du CO2 contenu dans le gaz provenant de l'étape précédente, suivie par
- une étape de séparation du condensât riche en CO2 issu de la séparation d'avec la phase gazeuse contenant les composés incondensables,
• et,
- la ou les étapes (hn) sont mises en œuvre à des températures tn comprises entre la température ambiante et -560C, avec, pour tout n tn inférieure à tn-1 , - la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1) alimente l'étape (hn), la phase gazeuse issue de la dernière étape (hn) constituant la purge des incondensables, - une étape d'utilisation de la purge des incondensables.
L'étape de séchage du gaz (g1) pourra également être située à un inter- étage des étapes de compression de l'étape (f ).
Il est clair que les modes de réalisation préférentiels décrits précédemment dans le cas où on élimine l'eau du résiduaire du PSA, après l'étape de compression, s'appliquent de la même manière, ou de manière équivalente évidente pour l'homme du métier, à ces variantes de procédé. La description de ces modes préférentiels ne sera donc pas reprise ici afin de ne pas alourdir la description. Ces modes préférentiels, appliqués à cette seconde variante doivent cependant être considérés comme faisant partie intégrante de l 'invention.
Selon un deuxième aspect de l'invention, celle-ci se rapporte à une installation pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comprenant au moins : un module de génération d'un gaz de synthèse contenant au moins du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau, à partir d'un mélange d'hydrocarbures; - un premier module de refroidissement du gaz de synthèse avec des moyens pour la récupération de la chaleur résiduelle disponible ; - un module de conversion inverse à la vapeur de tout ou partie du gaz de synthèse ;
- un second module de refroidissement du mélange après conversion, avec condensation de la vapeur, par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée ;
- une unité de purification par adsorption par modulation de pression (ou PSA) du mélange refroidi quittant le second module de refroidissement pour la production d'hydrogène purifié à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire dit « résiduaire du PSA » contenant du dioxyde de carbone ; - un module de compression apte à comprimer le résiduaire du PSA jusqu'à une pression supérieure à la pression du reformage et telle que la pression partielle du CO2 contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ ;
- un module de séchage du résiduaire du PSA comprimé par élimination de l'eau contenue pour l'obtention d'un gaz sec ; - des moyens pour la mise en œuvre des étapes (hn) successives de condensation/séparation selon la revendication 1 , comprenant • pour chacune des étapes (hn), à l'exception de la dernière :
- un module de condensation/séparation alimenté en gaz provenant de l'étape précédente, équipé de moyens pour la récupération du condensât riche en CO2 et la récupération de la phase gazeuse contenant les composés incondensables,
- des moyens pour transporter la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1) vers l'alimentation du module de condensation/séparation de l'étape suivante, • et, pour la dernière étape de condensation/séparation :
- un module de condensation/séparation alimenté en gaz provenant de l'étape précédente, équipé de moyens pour la récupération du condensât riche en CO2 et pour la récupération de la phase gazeuse contenant les composés incondensables, - des moyens pour recycler la phase gazeuse sortant du module de condensation/séparation de la dernière étape vers le procédé, ou l'envoyer vers l'extérieur. En particulier, l'installation étant destinée à produire du dioxyde de carbone de pureté alimentaire, elle comprend en outre au moins :
- un module d'élimination des impuretés lourdes situé en amont du premier module de condensation ainsi que, - pour au moins une partie des étapes (hn) :
• un moyen de détente du condensât, et
• des moyens de distillation du condensât détendu pour l'obtention en fond de colonne de distillation d'une phase liquide constituée de CO2 purifié de qualité alimentaire, et en tête de colonne d'une phase gazeuse contenant les impuretés légères.
Selon un mode de réalisation particulier, l'installation comprend pour la mise en œuvre de la dernière étape (hn) :
- des moyens pour condenser à une température inférieure à - 4O0C tout ou partie du CO2 contenu dans la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1), - des moyens de séparation du condensât riche en CO2 obtenu d'avec la phase gazeuse qui contient les composés incondensables et constitue la purge des incondensables,
- un échangeur de chaleur permettant le transfert de chaleur entre la purge des incondensables et le condensât liquide détendu à une pression comprise entre 5 et 35 bar par passage à contre-courant de la condensation, et récupération de froid par échange avec le condensât détendu et la purge des incondensables,
- des moyens de recyclage, de la phase riche en CO2 vaporisée, au niveau du compresseur. Selon un mode de réalisation préféré, elle comprend pour le traitement de la purge des incondensables, au moins :
- une unité de perméation alimentée en la purge des incondensables pour la production d'un résiduaire de purge riche en méthane et monoxyde de carbone et d'un perméat enrichi en hydrogène, - des moyens pour le recyclage d'au moins une partie du perméat à l'entrée de l'unité PSA, - des moyens pour le recyclage du résiduaire de purge au niveau du module de génération du gaz de synthèse, en substitution partielle du mélange d'hydrocarbures l'alimentant, et/ou comme combustible.
L'invention va maintenant être décrite en se référant aux dessins et exemples ci-après.
Les dessins illustrent des modes de réalisation particuliers du procédé de l'invention.
Il doit être entendu que l'invention ne se limite pas à ces modes de réalisation. L'homme du métier pourra notamment envisager ;
- la combinaison des techniques de traitement et recyclage illustrés dans ces modes de réalisation,
- d'autres techniques de production de gaz de synthèse, tels ceux cités précédemment, - d'autres utilisations de la purge telles celles citées précédemment.
Les Figures 1 et 2 représentent des diagrammes fonctionnels illustrant des modes de réalisation préférés de l'invention pour la production d'hydrogène et, respectivement, de dioxyde de carbone alimentaire ou de dioxyde de carbone à séquestrer. La Figure 3 représente schématiquement une installation selon l'invention pour la liquéfaction et la purification du CO2 contenu dans un résiduaire de PSA d'une installation de production d'hydrogène afin d'obtenir du CO2 de qualité alimentaire.
La Figure 1 décrit le schéma fonctionnel d'une installation de production de dioxyde de carbone alimentaire (et d'hydrogène) selon l'invention. La partie de l'installation assurant la production d'hydrogène n'est pas représentée quand elle est distincte de la partie de l'installation conduisant à la production de CO2. La charge alimentant le procédé est constituée par un mélange d'hydrocarbures - ici du gaz naturel (GN) - le flux 1 d'hydrocarbures alimente un module de désulfuration 2 .
La charge désulfurée 3 passe alors dans un pré-reformeur 4 ; le mélange pré-reformé 5, mélange essentiellement constitué de méthane, d'hydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et d'eau alimente le module de reformage 6 qui, via l'étape (a) du procédé, produit le gaz de synthèse 7 contenant essentiellement de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane et de la vapeur d'eau. Le gaz de synthèse est refroidi par échange de chaleur, selon l'étape (b) du procédé, avec de l'eau de chaudière en 8, puis le gaz refroidi 9 est traité conformément à l'étape (c) du procédé dans un module 10 de conversion inverse, où le CO est converti en H2 et en CO2. Le mélange gazeux 11 sortant du module 10 est refroidi dans le module 12, selon l'étape (d) du procédé, avec condensation de la vapeur contenue dans le mélange par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée.
Le mélange refroidi 13 est alors traité dans une unité de purification d'hydrogène 14 de type PSA, selon l'étape (e) du procédé, pour l'obtention d'un flux gazeux enrichi en hydrogène à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire 15 -dit résiduaire du PSA- contenant le dioxyde de carbone. Ce résiduaire du PSA 15 est disponible à une pression de l'ordre de 1 à 3 bar abs, il contient sensiblement tout le CO2 coproduit lors des étapes de reformage et de conversion inverse. Typiquement, dans le cas de la Figure 1 où le mélange d'hydrocarbures 1 alimentant le procédé est du gaz naturel, la composition moyenne du résiduaire du PSA est proche de : CO2 : 45% - CO : 12% - H2 : 23% - CH4 : 17% - H2O : 1% - N2 : 2%. En tenant compte des variations de composition liées au cycle de l'unité PSA, la teneur en CO2 est comprise entre 42 et 48%, la teneur en H2 varie quant à elle entre 20 et 26% , les teneurs des autres constituants restant à peu près constantes. Le résiduaire du PSA 15 est ensuite comprimé dans le module de compression 16, selon l'étape (f) du procédé, pour l'obtention d'un résiduaire du PSA comprimé 17. Il est comprimé à 60 bar environ, ce qui assure une pression partielle de CO2 de l'ordre de 27 bar.
Le résiduaire de PSA comprimé 17 est d'abord débarrassé de ses impuretés lourdes dans un module 18, par une succession d'adsorptions régénérables par exemple, on obtient ainsi un résiduaire comprimé purifié 19 qui est ensuite séché, selon l'étape (g) de l'invention, dans un module de séchage 20 pour l'obtention d'un résiduaire 21 , comprimé, débarrassé des impuretés lourdes et séché.
Le résiduaire 21 est ensuite refroidi pour être séparé par liquéfaction dans un module de séparation 22, qui permet d'obtenir un condensât 23 contenant essentiellement du CO2 liquide et un mélange gazeux 24 contenant une fraction de CO2 non condensée ainsi que les composés plus légers dits incondensables, selon les étapes (hn) de l'invention. Cette séparation est dans le cas de la Figure 1 réalisée en deux étapes.
Le refroidissement du résiduaire 21 est réalisé par circulation à contre- courant des fluides froids issus de la purification cryogénique et par échange de chaleur avec un groupe frigorifique extérieur associé. Le condensât 23 contient essentiellement du CO2, cependant afin d'obtenir du CO2 de qualité alimentaire, le condensât 23 est purifié par distillation dans le but de le débarrasser des impuretés légères entraînées dans la phase liquide. Pour cela, le condensât 23 est détendu à 23 bar avant d'alimenter la colonne de distillation 25. On récupère en bas de colonne une phase liquide 26 constituée de CO2 de pureté alimentaire, et en tête de colonne une phase gazeuse 27. Cette phase gazeuse 27 contenant du CO2 en proportion importante, est recyclée vers le module de compression 16. Ainsi qu'il a été rappelé précédemment, la séparation réalisée dans le module 22 s'effectue en 2 étapes. La première séparation est obtenue pour une température de -280C environ (fonction de la pression partielle de CO2, elle- même fonction de la pression totale et de la proportion de CO2 dans le flux 21). Le mélange gazeux issu de la première séparation est refroidi dans un échangeur de chaleur non représenté, à une température de l'ordre de -5O0C à contre-courant des fluides issus à cette température de la deuxième étape de séparation. On sépare ainsi en sortie du second (et dernier) séparateur un autre condensât et le mélange gazeux 24. Le condensât issu du second séparateur à une température de l'ordre de - 5O0C est vaporisé dans l'échangeur de chaleur pour former un courant gazeux 28. Il est alors incorporé au flux gazeux 27 pour être recyclé vers le module de compression 16. Le mélange gazeux 24 obtenu à l'issue de la séparation contient les impuretés légères de la charge 1 ; réchauffé à température ambiante dans les échangeurs de chaleur, il constitue la purge des incondensables, disponible sous une pression de 58 bar. La composition de la purge est de l'ordre de : CO2 : 21 % - CO : 18% - H2 : 36% - CH4 : 24% - N2 : 1 %.
La purge des incondensables 24 est alors traitée dans le module de perméation 29 qui produit un résiduaire de purge 30 enrichi en méthane et en CO disponible à haute pression (56 bar environ), et un perméat 31 enrichi en H2 à une pression de l'ordre de 25 bar environ. Le perméat 31 riche en hydrogène est recyclé à l'entrée de l'unité de purification d'hydrogène 14. Une partie 31a du perméat est préalablement détournée vers l'unité de séchage 20 pour assurer la régénération des sécheurs, puis réincorporée à la fraction non détournée pour être recyclée vers l'alimentation de l'unité PSA 14. Le résiduaire de purge 30 est quant à lui recyclé vers le reformage pour être pour sa partie 30a ajouté au mélange préreformé 5 alimentant le reformeur 6, et pour sa partie 30b utilisé comme combustible dans les brûleurs du reformage.
Les recyclages des mélanges 30a et 31 permettent de diminuer la quantité de gaz résiduaire 30b envoyée comme combustible vers le reformage, mais aussi de mieux valoriser les constituants qui les composent. Ainsi, le perméat 31 enrichi en hydrogène est recyclé vers l'entrée de l'unité de purification d'hydrogène 14, ceci permet d'augmenter, pour une charge initiale 1 donnée, la production en hydrogène, et donc le taux de récupération global H2 de l'installation. Le mélange 30a apporte à la charge à reformer 5 une certaine quantité de gaz déjà reformée.
La Figure 2 décrit le schéma fonctionnel d'une installation de production de dioxyde de carbone à séquestrer (et d'hydrogène) selon l'invention. La partie de l'installation correspondant à la production d'hydrogène n'est pas représentée dès lors qu'elle devient distincte de la partie de l'installation correspondant à la production de CO2. L'installation représentée ne diffère de celle de la Figure 1 qu'au niveau de la séparation des constituants du résiduaire du PSA.
Les étapes conduisant à l'obtention du résiduaire du PSA comprimé 17 sont identiques à celles de la Figure 1. Puis, le résiduaire de PSA comprimé 17 est ensuite séché, selon l'étape
(g) de l'invention dans un module de séchage 20 pour l'obtention d'un résiduaire comprimé et séché 21. Compte tenu du fait que le dioxyde de carbone n'a pas dans ce cas vocation à être utilisé pur, il est donc inutile de le purifier. Comme dans le cas de l'obtention de CO2 alimentaire, le résiduaire 21 est ensuite refroidi pour être séparé par liquéfaction dans un module de séparation 22, qui permet d'obtenir un condensât 23 contenant essentiellement du CO2 liquide et un mélange gazeux 24 contenant une fraction de CO2 non condensée ainsi que les composés plus légers dits incondensables, selon l'étape (h) de l'invention.
Le refroidissement du résiduaire 21 est réalisé par circulation à contre- courant des fluides froids et par échange de chaleur avec un groupe frigorifique extérieur associé. Le condensât 23 contient essentiellement du CO2, il n'y aura pas lieu de le purifier. La séparation telle que présentée dans la Figure 2 est une séparation en une étape (comme en témoigne l'absence de fluide 28). Le procédé a pour objet de produire du CO2, sous forme de CO2 gazeux sous pression, destiné à être transporté sur un site de stockage par canalisations. Deux alternatives, non représentées sont maintenant décrites pour le traitement du condensât. Selon la première alternative, le condensât 23 est détendu à une pression de 10 bar environ, revaporisé et surchauffé dans des lignes d'échange jusqu'à la température ambiante. Grâce au froid apporté par cette vaporisation au procédé, l'unité peut fonctionner avec un apport frigorifique extérieur limité, le CO2 gazeux est disponible sous 10 bar environ en limite d'installation. Selon une deuxième alternative, le condensât 23 est vaporisé, et réchauffé jusqu'à la température ambiante sous une pression de 58 bar environ. Pour tenir en froid, l'unité doit faire appel à un groupe frigorifique important, le CO2 gazeux est disponible sous 58 bar environ en limite d'installation.
Une variante du procédé consisterait à produire du CO2 liquide destiné lui aussi à la séquestration. Dans ce cas, le CO2 peut être transporté vers le site de stockage par bateau. Cette variante est appropriée pour le stockage souterrain offshore.
Le traitement de la purge des incondensables 24 est identique à ce qu'il est dans le cas de la production de CO2 alimentaire décrit dans la Figure 1.
La Figure 3 représente schématiquement la partie d'une installation de production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone alimentaire qui traite le résiduaire du PSA pour la production de CO2 liquide de pureté alimentaire par mise en œuvre d'une variante du procédé de l'invention tel que décrit ci-dessus.
La partie amont de l'installation, non représentée est alimentée en gaz naturel, une unité PSA sépare un flux d'hydrogène, à une pureté supérieure à 98%, du résiduaire de PSA. Ce résiduaire contient l'ensemble du CO2 coproduit par le reformage à la vapeur et la conversion inverse.
La partie de l'installation schématisée sur la Figure 3 est celle destinée à produire du CO2 liquide de pureté alimentaire. Pour cela, le résiduaire 100 du PSA est comprimé dans un compresseur de charge 101 multi-étages jusqu'à une pression de l'ordre de 60 bar. Le gaz ainsi comprimé est séparé de l'eau condensée dans un séparateur 102, puis séché et débarrassé de ses impuretés lourdes par une succession d'adsorptions régénérables en 103. Le fluide 104 ainsi obtenu se présente alors sous la forme d'un gaz à une pression de l'ordre de 59 bar, sec, débarrassé de ces impuretés lourdes et à une température de l'ordre de 3O0C. Il est alors refroidi à contre-courant de fluides issus à cette température de la purification cryogénique dans l'échangeur 105 et par échange de chaleur avec un cycle frigorifique extérieur associé 106 jusqu'à une température de l'ordre de O0C environ. Puis, il est refroidi en cédant de la chaleur lors de sa liquéfaction partielle dans le rebouilleur 107 de la colonne 108 de distillation du CO2. Il est ensuite refroidi à contre-courant de fluides issus à cette température de la purification cryogénique dans l'échangeur 109 et par échange de chaleur avec un cycle frigorifique extérieur associé 110 jusqu'à une température de l'ordre de -290C. On dispose alors d'un fluide 111 à - 290C et 58 bar environ. A cette température, l'essentiel du CO2 est liquéfié. Le fluide 111 passe alors dans un premier séparateur 112 où le condensât 113 est séparé de la phase non condensée 114. Le condensât 113 est détendu via une vanne de détente à une pression de 23 bar pour alimenter la colonne de distillation 108.
Le CO2 purifié liquide 115 est récupéré en bas de colonne 108 pour être, après un sous refroidissement en 116 destiné à limiter son évaporation, stocké dans un réservoir 117 de CO2 liquide puis acheminé vers le client.
La phase non condensée 114, issue du séparateur 112 à une température de l'ordre de -290C, est refroidie à nouveau, jusqu'à -510C, à contre-courant des fluides issus à cette température du deuxième séparateur 118, ces échanges de chaleur contribuant à la ligne d'échange 119. La phase liquide du séparateur 118 est riche en CO2, elle est détendue et constitue le fluide 120 à une pression de 12 bar et une température de -550C ; revaporisée lors de son réchauffement à -330C par passage dans la ligne d'échange 119, elle est mélangée avec la phase gazeuse 121 provenant de la tête de la colonne à distiller 108 à une pression de l'ordre de 23 bar et une température de l'ordre de -3O0C, ainsi qu'avec le gaz d'évaporation 122 (dit gaz de « flash ») pour constituer un flux gazeux 123. Réchauffé à la température ambiante par passages successifs dans les lignes d'échange 109, puis 105, ce flux gazeux riche en CO2 est alors essentiellement recyclé à l'entrée de l'unité de liquéfaction, plus précisément à un étage intermédiaire du compresseur de charge 101 ; une fraction 123b étant soustraite du flux principal pour alimenter la capacité tampon 129 en une phase gazeuse riche en CO2.
La phase gazeuse 124 issue du séparateur 118 qui contient les impuretés légères de la charge 100 est réchauffée à température ambiante dans les lignes d'échange 119, 109, 105 et constitue la purge des incondensables, disponible sous une pression de 57 bar environ.
Les échangeurs de chaleur (lignes d'échange 119, 109, et 105) ainsi que les séparateurs 112 et 118 et les lignes de liaison entre eux sont préférentiellement placés dans une boîte froide afin de réduire les pertes de frigories. On pourra également incorporer dans cette boîte froide tout ou partie des équipements suivants ainsi que leurs lignes de liaison associées :
- le(s) cycle(s) frigorifique(s) 106, 110; - le rebouilleur 107;
- la colonne à distiller 108;
- le sous refroidisseur 116;
- le réservoir 117.
La purge des incondensables 124 est traitée dans l'unité de perméation 125 qui délivre le résiduaire de purge 126 destiné à alimenter le reformage en tant que charge, 126a et en tant que carburant, 126b. Le perméat 127 issu de l'unité de perméation 125 est essentiellement recyclé vers l'entrée du PSA, une fraction 127b étant soustraite du flux principal pour alimenter la capacité tampon 128 en une phase gazeuse pauvre en CO2. Les capacités tampon 128 et 129 délivrent, en fonction des besoins, un flux plus ou moins riche en CO2 au niveau du compresseur 101 afin de stabiliser la composition du fluide traité. Au besoin, on peut soustraire via 130 une partie du flux 113 avant détente, le détendre à la pression du flux 123, le froid ainsi généré apportant du froid supplémentaire à la ligne d'échange 119. Le tableau ci-dessous présente les compositions, pressions et températures de différents fluides référencés dans la Figure 3 pour un exemple de mise en œuvre de l'invention selon la Figure 3.
Tableau
Figure imgf000025_0001
Les avantages du procédé selon l'invention sont ainsi notamment de : Pouvoir augmenter le taux de récupération de l'hydrogène généré par le reformage ou l'oxydation partielle et la conversion. Ainsi, le taux de récupération global de l'hydrogène qui avec une unité PSA est traditionnellement de 90% maximum, est porté à environ 95%, voire plus, par le procédé de l'invention (par taux de récupération de l'hydrogène, on entend hydrogène produit/ hydrogène généré). - Pouvoir récupérer jusqu'à environ 80% du CO2 coproduit dans l'unité de production H2 sans avoir à investir dans une unité de lavage dédiée à cet effet avec une consommation de vapeur importante.
- Pouvoir recycler sous forme de charge tout ou partie de la purge et réduire la quantité de gaz combustible à renvoyer vers l'étape de génération de gaz de synthèse, permettant ainsi d'utiliser des techniques de reformage plus performantes et moins consommatrices de combustible.
Parmi les avantages de l'invention, on notera aussi qu'une seule étape de compression qui porte le résiduaire du PSA d'une pression de l'ordre de 1 ,3 bar à une pression totale de l'ordre de 40 à 80 bar suffit pour l'ensemble du procédé de purification/séparation cryogénique. On comprime en effet ainsi le résiduaire du PSA à une pression, au moins égale à celle de l'étape (a), et telle que la pression partielle en CO2 soit supérieure à 15 bar. En conséquence, cette pression permet, et le recyclage vers la génération du gaz de synthèse, et la séparation cryogénique du dioxyde de carbone.
Des variantes du procédé de l'invention peuvent être utilisées pour traiter différents types de flux gazeux présentant une teneur en dioxyde de carbone suffisante, typiquement de l'ordre de 15 % ou plus sur base sèche (on peut notamment citer des gaz résiduaires, des fumées), qu'ils soient à haute ou basse pression, secs ou humides. Les étapes de compression (jusqu'à une pression partielle de CO2 comprise entre 15 et 40 bar), de séchage et de condensation/séparation devant dans ce cas être adaptées au gaz à traiter.

Claims

Revendications
1. Procédé pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comportant au moins: - une étape (a) de génération d'un gaz de synthèse contenant au moins du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau à partir du dit mélange d'hydrocarbures ;
- une étape (b) de refroidissement du gaz de synthèse issu de (a) avec récupération de la chaleur résiduelle disponible ; - une étape (c) de conversion inverse à la vapeur de tout ou partie du gaz de synthèse refroidi issu de (b) pour oxyder la majeure partie du monoxyde de carbone qu'elle contient en dioxyde de carbone, avec production correspondante d'hydrogène ;
- une étape (d) de refroidissement du mélange issu de l'étape (c), avec condensation de la vapeur, par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée ;
- une étape (e) de purification du mélange refroidi issu de (d) dans une unité d'adsorption par modulation de pression (ou PSA) permettant l'obtention d'un flux enrichi en hydrogène à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire dit « résiduaire du PSA » contenant du dioxyde de carbone, à une pression de l'ordre de 1 à 3 bar abs ainsi que des étapes de traitement dudit résiduaire du PSA pour l'obtention d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone, comportant au moins :
- une étape (f) de compression du résiduaire du PSA jusqu'à une pression supérieure à la pression du reformage et telle que la pression partielle du
CO2 contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ ;
- une étape (g) de séchage du résiduaire du PSA comprimé par élimination de l'eau contenue pour l'obtention d'un gaz sec ;
- une étape ou plusieurs étapes (hn) successives de condensation/séparation, telle(s) que
• chacune des étapes (hn) comprend elle-même : - une étape de condensation de tout ou partie du CO2 contenu dans le gaz provenant de l'étape précédente, suivie par
- une étape de séparation du condensât riche en CO2 issu de la séparation d'avec la phase gazeuse contenant les composés incondensables,
• et,
- la ou les étapes (hn) sont mises en œuvre à des températures tn comprises entre la température ambiante et -560C, avec, pour tout n tn inférieure à tn-1 , - la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1) alimente l'étape (hn), la phase gazeuse issue de la dernière étape (hn) constituant la purge des incondensables, - une étape d'utilisation de la purge des incondensables.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape (a) est une étape d'oxydation partielle catalytique ou non catalytique ou une étape de reformage à la vapeur ou autothermique.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que tout ou partie des condensas issus des étapes (hn) sont vaporisés après détente, avec récupération de froid, pour produire du CO2 sous forme gazeuse sous une pression comprise entre 5 et 40 bar.
4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le CO2 produit est ensuite comprimé pour être transporté par gazoduc sur un site d'utilisation et/ou de séquestration.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que tout ou partie des condensas issus des étapes (hn) sont produits sous forme liquide pour être transportés sous cette forme sur un site d'utilisation et/ou de séquestration.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 pour l'obtention de dioxyde de carbone de pureté alimentaire, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins :
- une étape d'élimination d'impuretés lourdes préalable à la première étape (hn) ainsi que :
- pour au moins une partie des étapes (hn), une étape (i) d'élimination des impuretés légères contenues dans les condensas correspondants pour l'obtention de CO2 de qualité alimentaire, cette étape comprenant au moins :
• une étape (M) de détente du condensa jusqu'à une pression de l'ordre de 5 à 40 bar, de préférence de 10 à 30 bar, et
• une étape (i2) de distillation du condensa détendu pour l'obtention d'une phase liquide constituée de CO2 purifié de qualité alimentaire, et d'une phase gazeuse contenant lesdites impuretés légères.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que tout ou partie de la phase gazeuse issue de l'étape (i2) est réincorporée au niveau de l'étape de compression (f).
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que ladite réincorporation est réalisée via un éjecteur de sorte à contribuer en outre à la compression de l'étape (f) .
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la dernière des étapes (hn) comprend au moins les étapes intermédiaires suivantes :
- une étape de condensation à une température inférieure à - 4O0C de tout ou partie du CO2 contenu dans la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1),
- une étape de séparation du condensât riche en CO2 obtenu d'avec la phase gazeuse qui contient les composés incondensables et constitue la purge des incondensables,
- une étape de réchauffage de la purge des incondensables et du condensât liquide détendu à une pression comprise entre 5 et 35 bar à contre-courant de la condensation, et récupération de froid pour refroidir les fluides du procédé, - une étape de réincorporation au niveau de l'étape de compression (f), de la phase riche en CO2 vaporisée.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que tout ou partie de la purge des incondensables est utilisée, sans traitement complémentaire, à l'extérieur du procédé.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que tout ou partie de la purge est détendue pour produire du froid préalablement à une utilisation à l'extérieur du procédé.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que tout ou partie de la purge des incondensables est réincorporée sans traitement complémentaire dans le procédé.
13. Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que tout ou partie de la purge des incondensables est réincorporée au niveau de l'étape de génération de gaz de synthèse pour être utilisée comme combustible.
14. Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13 caractérisé en ce que la purge des incondensables étant à une pression suffisante, elle est réincorporée, en totalité ou en partie, sans traitement complémentaire au niveau de l'étape de génération du gaz de synthèse, pour être utilisée comme combustible et/ou comme gaz de charge.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la purge des incondensables est traitée dans une unité de perméation pour la production d'un résiduaire de purge riche en méthane et monoxyde de carbone, disponible à une pression supérieure à la pression de l'étape (a), et d'un perméat enrichi en hydrogène, et éventuellement en dioxyde de carbone à une pression supérieure à la pression de fonctionnement de l'unité PSA de l'étape (e).
16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que tout ou partie dudit perméat est recyclé à l'entrée de l'unité de purification PSA de l'étape (e).
17. Procédé selon la revendication 16 caractérisé en ce que le perméat recyclé vers l'unité de purification PSA est séparé en deux fractions, et en ce que l'une des fractions est utilisée pour la régénération des sécheurs de l 'étape (g) puis les fractions sont rassemblées, et la totalité dudit perméat recyclé est envoyée à l'entrée de l'unité de purification PSA de l'étape (e).
18. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17 caractérisé en ce que le résiduaire de purge est recyclé au niveau de l'étape (a), en substitution partielle du mélange d'hydrocarbures, et/ou est utilisé comme combustible, soit dans la chambre de combustion d'un reformeur non adiabatique, soit dans un four de préchauffage de la charge dans le cas d'un reformage auto-thermique ou d'une oxydation partielle.
19. Procédé selon l'une des revendications 1 à 18 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'incorporation au niveau de l'étape (f) d'une phase gazeuse plus riche en CO2 que le gaz résiduaire du PSA, provenant d'une capacité tampon alimentée en totalité ou en partie en la phase condensée -puis vaporisée- issue de la séparation de la dernière des étapes (hn), et/ou par exemple en la phase gazeuse provenant de l'étape (i2), et/ou en CO2 gazeux provenant de l'évaporation fatale d'un stockage de CO2 liquide.
20. Procédé selon l'une des revendications 15 à 18 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'incorporation au niveau de l'étape (f) d'une phase gazeuse plus pauvre en CO2 que le gaz résiduaire du PSA, provenant d'une capacité tampon alimentée pour tout ou partie à partir du perméat envoyé à l'unité PSA .
21. Procédé selon les revendications 19 et 20 caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'incorporation au niveau de l'étape (f), selon les besoins, soit d'une phase gazeuse provenant d'une capacité tampon selon la revendication 19, soit d'une phase gazeuse provenant d'une capacité tampon selon la revendication 20.
22. Procédé pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comportant au moins: une étape (a) de génération d'un gaz de synthèse contenant au moins du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau, à partir du dit mélange d'hydrocarbures;
- une étape (b) de refroidissement du gaz de synthèse issu de (a) avec récupération de la chaleur résiduelle disponible ;
- une étape (c) de conversion inverse à la vapeur de tout ou partie du gaz de synthèse refroidi issu de (b) pour oxyder la majeure partie du monoxyde de carbone qu'elle contient en dioxyde de carbone, avec production correspondante d'hydrogène ;
- une étape (d) de refroidissement du mélange issu de l'étape (c), avec condensation de la vapeur, par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée ; - une étape (g' ) de séchage du mélange refroidi issu de (d) par élimination de l'eau contenue pour l'obtention d'un mélange gazeux sec ;
- une étape (e') de purification du mélange sec issu de (g') dans une unité d'adsorption par modulation de pression (ou PSA) permettant l'obtention d'un flux enrichi en hydrogène à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire dit « résiduaire sec du PSA » contenant du dioxyde de carbone, à une pression de l'ordre de 1 à 3 bar abs; ainsi que des étapes de traitement dudit résiduaire sec du PSA pour l'obtention d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone, comportant au moins :
- une étape (f ) de compression du résiduaire sec du PSA jusqu'à une pression supérieure à la pression du reformage et telle que la pression partielle du CO2 contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ ;
- une étape ou plusieurs étapes (hn) successives de condensation/séparation, telle(s) que
• chacune des étapes (hn) comprend elle-même :
- une étape de condensation de tout ou partie du CO2 contenu dans le gaz provenant de l'étape précédente, suivie par
- une étape de séparation du condensât riche en CO2 issu de la séparation d'avec la phase gazeuse contenant les composés incondensables,
• et, - la ou les étapes (hn) sont mises en œuvre à des températures tn comprises entre la température ambiante et -560C, avec, pour tout n tn inférieure à tn-1 ,
- la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1) alimente l'étape (hn), la phase gazeuse issue de la dernière étape (hn) constituant la purge des incondensables,
- une étape d'utilisation de la purge des incondensables.
23. Installation pour la production combinée d'hydrogène et de dioxyde de carbone à partir d'un mélange d'hydrocarbures, comprenant au moins : - un module de génération d'un gaz de synthèse contenant au moins du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, et de la vapeur d'eau ;
- un premier module de refroidissement du gaz de synthèse avec des moyens pour la récupération de la chaleur résiduelle disponible ; - un module de conversion inverse à la vapeur de tout ou partie du gaz de synthèse ; - une second module de refroidissement du mélange après conversion, avec condensation de la vapeur, par échange de chaleur avec différents circuits d'eau de chaudière et/ou d'eau déminéralisée ;
- une unité de purification par adsorption par modulation de pression (ou PSA) du mélange refroidi quittant le second module de refroidissement pour la production d'hydrogène purifié à une pureté au moins égale à 98% et d'un gaz résiduaire dit « résiduaire du PSA » contenant du dioxyde de carbone ;
- un module de compression apte à comprimer le résiduaire du PSA jusqu'à une pression supérieure à la pression du reformage et telle que la pression partielle du CO2 contenu soit comprise entre 15 et 40 bar environ ;
- un module de séchage du résiduaire du PSA comprimé par élimination de l'eau contenue pour l'obtention d'un gaz sec ;
- des moyens pour la mise en œuvre des étapes (hn) successives de condensation/séparation selon la revendication 1 , comprenant • pour chacune des étapes (hn), à l'exception de la dernière :
- un module de condensation/séparation alimenté en gaz provenant de l'étape précédente, équipé de moyens pour la récupération du condensa riche en CO2 et la récupération de la phase gazeuse contenant les composés incondensables, - des moyens pour transporter la phase gazeuse issue de l'étape
(hn-1) vers l'alimentation du module de condensation/séparation de l'étape suivante, • et, pour la dernière étape de condensation/séparation
- un module de condensation/séparation alimenté en gaz provenant de l'étape précédente, équipé de moyens pour la récupération du condensa riche en CO2 et pour la récupération de la phase gazeuse contenant les composés incondensables,
- des moyens pour recycler la phase gazeuse sortant du module de condensation/séparation de la dernière étape vers le procédé, ou l'envoyer vers l'extérieur.
24. Installation selon la revendication 23 pour l'obtention de dioxyde de carbone de pureté alimentaire, caractérisé en ce qu'elle comprend en outre au moins :
- un module d'élimination des impuretés lourdes situé en amont du premier module de condensation ainsi que :
- pour au moins une partie des étapes (hn) :
• un moyen de détente du condensât, et
• des moyens de distillation du condensât détendu pour l'obtention en fond de colonne de distillation d'une phase liquide constituée de CO2 purifié de qualité alimentaire, et en tête de colonne d'une phase gazeuse contenant les impuretés légères.
25. Installation selon l'une des revendications 23 ou 24, caractérisée en ce qu'elle comprend pour la mise en œuvre de la dernière étape (hn) : - des moyens pour condenser à une température inférieure à - 4O0C tout ou partie du CO2 contenu dans la phase gazeuse issue de l'étape (hn-1),
- des moyens de séparation du condensât riche en CO2 obtenu d'avec la phase gazeuse qui contient les composés incondensables et constitue la purge des incondensables, - un échangeur de chaleur permettant le transfert de chaleur entre la purge des incondensables et le condensât liquide détendu à une pression comprise entre 5 et 35 bar par passage à contre-courant de la condensation, et récupération de froid par échange avec le condensât détendu et la purge des incondensables, - des moyens de recyclage de la phase riche en CO2 vaporisée au niveau du compresseur.
26. Installation selon l'une des revendications 23 à 25 comprenant en outre pour le traitement de la purge des incondensables, au moins : - une unité de perméation alimentée en la purge des incondensables pour la production d'un résiduaire de purge riche en méthane et monoxyde de carbone et d'un perméat enrichi en hydrogène, - des moyens pour le recyclage d'au moins une partie du perméat à l'entrée de l'unité PSA,
- des moyens pour le recyclage du résiduaire de purge au niveau du module de génération du gaz de synthèse en substitution partielle du mélange d'hydrocarbures, et/ou comme combustible.
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