WO2024069074A1 - Procédé et système de solidification d'un gaz à la pression atmosphérique - Google Patents

Procédé et système de solidification d'un gaz à la pression atmosphérique Download PDF

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WO2024069074A1
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gas
compressor
phase
expansion
pressure
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PCT/FR2023/051385
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Jaouad AMAICHAN
Pavel BORISEVICH
Benjamin CHARPENTIER
Maroun Nemer
Christelle BOU MALHAM
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Gaztransport Et Technigaz
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Definitions

  • the present invention relates to the field of thermodynamics and more specifically concerns a process for solidifying a gas, such as carbon dioxide or gaseous acetylene.
  • the solidification of such a gas received at atmospheric pressure, uses one or more stages of compression and cooling in order to make the gas liquid, then an expansion stage providing, at atmospheric pressure and at a very low temperature of the order of minus eighty degrees Celsius, a solid phase, and a gas phase.
  • the gas phase is generally recycled at the inlet to limit gas losses, and the cold of this recycled gas phase is sometimes used to improve the conversion factor from the gas phase to the solid phase.
  • This solidification method is suitable for industrial and agri-food applications, but is very energy-intensive, particularly when considering massive-scale applications of the order of a thousand tonnes per hour.
  • the present invention at least partly remedies the drawbacks of the prior art, by providing a process for solidifying a gas, and a corresponding solidification system, which make it possible to solidify a gas using less energy and material resources. than conventional processes.
  • the method and the system according to the invention are applicable to gases whose triple point is above atmospheric pressure and which are in the gaseous state under normal conditions of temperature and pressure (therefore at 0 degrees Celsius and a bar). This gas is therefore either carbon dioxide or acetylene gas.
  • the invention proposes a process for solidifying a gas formed by a molecular substance whose triple point is located above atmospheric pressure, comprising steps of:
  • the compression using a first compressor and at least one second compressor receiving the gas from the first compressor, and the cooling using at least one heat exchanger which implements an exchange of heat between the gas and a refrigerant fluid so as to liquefy the gas,
  • the expansion step comprises :
  • a final expansion sub-step generating a solid phase and a gas phase to the atmospheric pressure, from the liquid phase obtained during said at least one first expansion sub-step.
  • at atmospheric pressure is meant in this application “substantially at atmospheric pressure”, that is to say within one bar, and preferably within 0.1 bar.
  • the gas phase generated at the outlet of the last expansion sub-stage is generally slightly higher than atmospheric pressure.
  • the expansion step is carried out in at least two stages, each first expansion sub-step corresponding to an intermediate expansion of the gas at a pressure greater than the pressure of the triple point.
  • each first expansion sub-stage is thus recycled not at the inlet of the first compressor, inlet at which the gas is at atmospheric pressure, but at the inlet of said at least one second compressor downstream of the first compressor. , the gas at the inlet of said at least second compressor being at the same pressure as the gas produced during the first expansion sub-step.
  • the gas at the inlet of said at least second compressor being at the same pressure as the gas produced during the first expansion sub-step.
  • second compressors not all of them necessarily receive recycled gas from the expansion stage, either because their inlet pressure does not allow it, or because not all of the resulting gas phases are recycled. of the first expansion sub-stages, although these are only of interest if their gas phases are recycled.
  • upstream and “downstream” refer to the direction of flow of the carbon dioxide from its entry into the first compressor to the last expansion sub-stage.
  • the expansion step therefore comprises several first expansion sub-steps and the compression and cooling step uses as many or more second compressors as first expansion sub-steps, each first expansion sub-step producing a liquid phase and a gas phase whose pressure is greater than the pressure of the triple point but lower than the pressure of the gas phase produced in a previous expansion sub-step, the gas phase thus produced being mixed with the gas entering one of the second compressors, the pressure of which is the same as the pressure of the gas phase thus produced.
  • the inlet pressure of a second compressor receiving such a gas phase is slightly lower than that of this gas phase, due to the differences in pressure losses between the different branches of the system from which the carbon dioxide comes.
  • the previous relaxation sub-step is possible since the very first relaxation sub-step is not preceded by such a previous relaxation sub-step.
  • the gas phase at atmospheric pressure obtained during the last expansion sub-step, is preferentially introduced at the inlet of the first compressor.
  • This gas phase is often slightly above atmospheric pressure. This also makes it possible to recycle this gas phase.
  • the heat exchanger used implements a heat exchange between the gas and a refrigerant fluid chosen for example from ammonia, propane, propylene and carbon dioxide. This refrigerant circulates in a closed loop.
  • the compression and cooling step further uses at least one cooler positioned after the first compressor and/or after said at least one second compressor.
  • This cooler uses, for example, a fluid heat carrier such as air or water, coming from a cold source, for example an ambient cold source.
  • a cold source for example an ambient cold source.
  • such a cooler is connected directly to the output of the first compressor and each second compressor.
  • the invention makes it possible to undersize the heat exchanger or to increase the solid/gas conversion rate.
  • the compression and cooling step further uses a heat exchanger arranged between a last of said at least one second compressor and the heat exchanger, said heat exchanger receiving 'on the one hand one or more gas phases resulting from the expansion step, and on the other hand the gas resulting from the last of said at least one second compressor.
  • the heat exchanger receives a cold gas from the expansion stage and a less cold gas just before its liquefaction by the heat exchanger.
  • this less cold gas is cooled by the gas from the expansion stage before entering the heat exchanger, which allows a refrigerant chain linked to the heat exchanger to consume less energy.
  • the compression and cooling step further uses a heat exchanger disposed between said heat exchanger and an expansion valve used in the expansion step, said exchanger of heat receiving on the one hand one or more gaseous phases resulting from the expansion step, and on the other hand the gas in the liquid state resulting from said heat exchanger.
  • this other heat exchanger receives a cold gas from the expansion stage and a less cold liquid just before its expansion by the expansion valve, in particular the expansion valve used during the very first sub-stage of relaxation.
  • This less cold liquid is cooled by the gas from the expansion stage before entering the expansion valve, which allows the refrigerant chain linked to the heat exchanger to consume even less energy or to increase the solid/gas conversion rate.
  • the invention further relates to a system for solidifying a gas formed by a molecular substance whose triple point is located above atmospheric pressure, comprising:
  • a first compressor capable of receiving the gas from the reception means and of supplying the gas at its output at a pressure greater than atmospheric pressure
  • At least one heat exchanger configured to implement a heat exchange between a refrigerating fluid and the gas compressed by said at least one second compressor, and capable of supplying the molecular substance in the liquid state at the output
  • the solidification system being characterized in that the expansion means comprise at least a first expansion valve capable of supplying a liquid phase and a gas phase whose pressure is greater than the pressure of the triple point, and a final expansion valve at the outlet of said at least one first expansion valve, capable of supplying a solid phase and a gaseous phase at atmospheric pressure, from the phase liquid obtained at the outlet of said at least one first expansion valve, and in that the solidification system comprises means for recycling the gas phase whose pressure is greater than the pressure of the triple point, at the inlet of said at least one second compressor.
  • the gas solidification system comprises a phase separator connected at the input to the outlet of said at least one first expansion valve, the phase separator comprising a heavy phase evacuation connected to the last expansion valve and a light phase discharge connected to the inlet of said at least one second compressor.
  • the heavy phase is a liquid phase
  • the light phase is a gas phase.
  • the gas solidification system comprises a phase separator connected at the input to the output of the last valve expansion, the phase separator comprising a heavy phase discharge supplying the solid phase, and a light phase discharge connected to the inlet of the first compressor.
  • the light phase is here also a gas phase.
  • the solidification system according to the invention comprises several first expansion valves and at least as many second compressors, among which each second compressor receiving as input a gas compressed by a compressor preceding the second compressor among the first compressor and the second compressors, and whose pressure is greater than the pressure of the triple point, also receives a gas phase coming from one of the first expansion valves, the pressure of which is the same as the inlet pressure of said second compressor.
  • Said one of the first expansion valves is in fact configured to supply a gas phase whose pressure is substantially the same as the gas phase at the inlet of said second compressor.
  • the solidification system according to the invention further comprises a heat exchanger arranged between a last of said at least one second compressor and the heat exchanger, the heat exchanger being able to receive on the one hand one or more phases gases coming from said at least one first expansion valve and/or the last expansion valve, and on the other hand the gas coming from the last of said at least one second compressor.
  • the solidification system according to the invention further comprises a heat exchanger disposed between the heat exchanger and said at least one first expansion valve, the heat exchanger being able to receive on the one hand one or several gas phases coming from said at least one first expansion valve and/or the last expansion valve, and on the other hand the gas in the liquid state coming from the heat exchanger.
  • the solidification system according to the invention further comprises at least one cooler positioned after the first compressor and/or said at least one second compressor.
  • the solidification system according to the invention has advantages similar to those of the solidification process according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates steps of a process for solidifying a gas according to the invention
  • FIG. 1 schematically represents a system for solidifying a gas according to the invention, implementing the solidification process of Figure 1, according to a first embodiment of the invention, and
  • FIG. 3 schematically represents a system for solidifying a gas according to the invention, implementing the solidification process of Figure 1, according to a second embodiment of the invention.
  • a process for solidifying a gas according to the invention is implemented in a system for solidifying a gas according to the invention, shown in Figure 2.
  • this process for solidifying a gas according to the invention carbon dioxide is solidified.
  • Solidification process 1 can, however, be transposed to the solidification of gaseous acetylene.
  • the process 1 for solidifying a gas comprises, as shown in Figure 1, a first step 12 of receiving a carbon dioxide gas Cg, referenced in Figure 2, at atmospheric pressure.
  • the Cg gas is received at ambient temperature, for example between 20°C and 30°C (degrees Celsius) in a gas inlet pipe of the solidification system 2.
  • a second step 14 of the solidification process 1 is the compression and cooling of the Cg gas until its complete liquefaction.
  • a first compressor 22 is used into which the Cg gas received during the first step 12 is brought, the first compressor 22 bringing the Cg gas to its outlet at a pressure for example of 6 bars, the first compressor 22 being for example a piston compressor or a centrifugal compressor.
  • the Cg gas compressed by the first compressor 22 is then cooled using a cooler 24 receiving on the one hand a heat transfer liquid H2O, here water from a cold source circulating in an open loop, and on the other hand leaves the Cg gas compressed by the first compressor 22.
  • H2O here water from a cold source circulating in an open loop
  • the second step 14 of compressing and cooling the Cg gas further uses a second compressor 26 into which the previously compressed and cooled Cg gas is brought, this second compressor 26 bringing the Cg gas to a pressure of for example 15 bars, the second compressor 26 being for example a piston compressor or a centrifugal compressor.
  • This second compressor 26 also receives as input a gas from a subsequent expansion stage as will be seen later.
  • a cooler 28 at the outlet of the second compressor 26 cools the Cg gas brought to 15 bars.
  • the cooler 28 uses, for example, the same cold source as the cooler 24.
  • the gas is brought to this pressure of 15 bars using more than two compressors.
  • the first compressor is therefore followed by a cooler, then by several “second” compressors, between which a cooler is connected, the last compressor in this chain also being connected at the outlet to a cooler.
  • This variant makes it possible to recycle the gas from the subsequent expansion stage at different pressures as will be described later.
  • the carbon dioxide Cg is preferably brought to the outlet of the compression chain, in an optimal range of 10 to 20 bars, the 15 bars being mentioned above. for information purposes only, and corresponding to a preferential value because it is substantially optimal from an energy point of view.
  • the pressure range at the outlet of the compression chain can possibly extend over a range of the order of several tens of bars, depending on the refrigerant fluid selected and without changing the nature of the process according to the invention.
  • the first compressor 22 brings the carbon dioxide to a pressure which may be different from 6 bars, for example 5.3 bars, so as to remain above the pressure of the triple point. Indeed, in this first embodiment, a gas phase resulting from a first expansion sub-step is recycled at the inlet of the second compressor 26, this gas phase being above the triple point in terms of pressure, as explained below. far.
  • the heat exchanger 30 is also crossed for this by a gas at a lower temperature, coming from the subsequent expansion stage, as explained below.
  • the carbon dioxide Cg leaving the heat exchanger 30 is at a temperature of, for example, between 0 and 10 degrees Celsius.
  • the carbon dioxide Cg cooled by the heat exchanger 30 passes through a heat exchanger 32, in which a refrigerant fluid FR circulates, for example ammonia, and which liquefies the carbon dioxide Cg by bringing it to -28°C .
  • the refrigerant fluid FR circulates in a closed loop of a refrigeration system 34, separately from the circulation of the carbon dioxide Cg.
  • the FR refrigerant fluid is propane or propylene.
  • several cooling temperatures are used by the refrigeration system 34, using several refrigerant circulation loops each performing a thermodynamic cycle.
  • the carbon dioxide Cg liquefied by the heat exchanger 32 is brought to the inlet of another heat exchanger 36, for example an internal heat exchanger, receiving in parallel a gas at a temperature lower than that of the liquefied carbon dioxide Cg, resulting from the subsequent expansion step, as explained below.
  • the gas carbonic Cg liquefied at the outlet of the other heat exchanger 36 is at a temperature between -31 and -40 degrees Celsius.
  • Heat exchangers 30 and 36 save energy to liquefy carbon dioxide Cg and increase the gas/solid conversion rate.
  • the refrigeration system 34 is dimensioned to ensure this liquefaction alone after cooling of the carbon dioxide Cg carried out by the coolers 24 and 28, before the subsequent expansion step.
  • a single heat exchanger 30 or 36 is used in addition to the heat exchanger 32.
  • the subcooling of the carbon dioxide carried out by the heat exchanger 36 makes it possible to increase the gas/solid conversion rate and therefore to reduce the size of the first and second compressors 24 and 26 as well as their consumption.
  • the carbon dioxide Cg is therefore liquid, at a pressure of approximately 15 bars, greater than 5.2 bars, therefore greater than the pressure of the triple point (5.2 bars, -56.6°C).
  • the next step 16 is the expansion of the gas into the liquid state from step 14 of compression and cooling.
  • This gas expansion step 16 comprises a first expansion sub-step 162 in which this liquid carbon dioxide Cg is sent into a first expansion valve 38, lowering the pressure of this liquid carbon dioxide Cg to a pressure less than 15 bars but greater than 5.2 bars, for example up to 6 or 7 bars so as not to reach the triple point.
  • This first expansion therefore generates at the outlet of the first expansion valve 38, in a phase separator 40, a liquid phase ⁇ pl, representing approximately 92% of the liquid carbon dioxide Cg at the inlet of the first expansion valve 38, and a first gaseous phase tpgl, representing the remaining 8%, these phases being of lower temperature than at the inlet of the first expansion valve 38, but higher than -56.6°C.
  • the first gas phase ⁇ pgl at the outlet of the phase separator 40 is sent to the inlet of the second compressor 26, passing through the heat exchangers 30 and 36.
  • This first gas phase tpgl is substantially at the same pressure as the carbon dioxide Cg coming from the cooler 24 at the outlet of the first compressor 22, and can therefore easily be mixed with this carbon dioxide Cg at the inlet of the second compressor 26.
  • the expansion step 16 comprises for example as many first successive expansion sub-steps as second compressors receiving the carbon dioxide at a pressure greater than the triple point, the last of these first expansion sub-stages bringing the liquid carbon dioxide Cg up to a pressure always greater than 5.2 bars.
  • Each first expansion sub-stage uses a separate expansion valve generating a corresponding first gas phase and a corresponding liquid phase.
  • Each first gas phase resulting from these first expansion sub-steps is then sent to the inlet of one of the second compressors receiving a carbon dioxide gas Cg from a previous compressor with a pressure substantially the same as that of the corresponding gas phase .
  • these first gas phases all pass through the heat exchangers 30 and 36 to cool the carbon dioxide Cg coming from the first compressor 22.
  • step 16 of expanding the gas to the liquid state comprises a final expansion sub-step 164 generating a solid phase tps and a second gas phase ⁇ pg2 at atmospheric pressure, from the liquid phase ⁇ pl obtained during the first expansion sub-step 162.
  • the solid phase tps and the second gas phase ⁇ pg2 are brought to a temperature of -78°C by this last expansion sub-step.
  • the liquid phase ⁇ pl in the phase separator 40 is sent to the inlet of a second expansion valve 42 lowering the pressure of this liquid phase ⁇ pl to atmospheric pressure.
  • the second expansion valve 42 is connected at its outlet to a second phase separator 44 making it possible to recover the solid phase ⁇ ps, which represents 57% of the carbon dioxide Cg of the liquid phase ⁇ pl at the inlet of this second expansion valve. expansion 42, and the second gas phase ⁇ pg2 which represents 43% remaining.
  • the percentage of carbon dioxide Cg obtained in the solid phase is all the greater as the temperature of the liquid phase ⁇ pl at the inlet of the second expansion valve 42 is low.
  • the second gas phase ⁇ pg2 at the outlet of the phase separator 44 is sent to the inlet of the first compressor 22, passing through the heat exchangers 30 and 36.
  • This second gas phase ⁇ pg2 thus cools the carbon dioxide Cg at the outlet of the heat exchanger 32 and at the outlet of the second compressor 26, as well as the first gas phase ⁇ pgl also cools the carbon dioxide Cg at the outlet of the heat exchanger 32 and at the outlet of the second compressor 26 while also passing through the heat exchangers 30 and 36.
  • a final expansion valve expands the liquid phase obtained during the last first expansion sub-step in a manner to obtain a solid phase and a gas phase in a separator, the gas phase being recycled at the inlet of the first compressor 22.
  • the solidification system 2 according to the invention thus described is optimized in terms of energy expenditure compared to the prior art.
  • an energy saving of 30% is achieved compared to a solidification system not including these characteristics.
  • the process of solidification 1 of a gas according to the invention is implemented in a system of solidification 20 of a gas according to the invention, shown in Figure 3, to solidify carbon dioxide.
  • the solidification system 20 includes numerous elements common to the carbon dioxide solidification system 2, which are therefore referenced in the same way and are not re-detailed.
  • the Cg gas in step 12 of receiving the gas, is received at ambient temperature, for example between 20°C and 30°C (degrees Celsius) in an inlet pipe gas from the solidification system 20.
  • the Cg gas is compressed and cooled until it completely liquefies.
  • three compressors are used for this:
  • a first compressor 52 for example a centrifugal compressor with a low compression ratio, brings the gas Cg received during the first step 12 to a pressure for example of 2.6 bars.
  • the Cg gas compressed by the first compressor 52 is then cooled using a cooler 53 receiving on the one hand a heat transfer liquid H2O, and on the other hand the Cg gas compressed by the first compressor 52.
  • a second compressor 54 for example a centrifugal compressor with a low compression ratio, brings the gas Cg previously compressed and cooled by the first compressor 52 to a pressure for example of 6.6 bars.
  • a cooler 55 at the outlet of the second compressor 54 cools the Cg gas brought to 6.6 bars, with the heat transfer liquid H2O.
  • a third compressor 56 brings the gas Cg previously compressed and cooled by the second compressor 54 to a pressure for example of 14.9 bars.
  • This third compressor 56 also receives as input a gas from the first expansion sub-stage 162 as will be seen later.
  • a cooler 57 at the outlet of the third compressor 56 cools the Cg gas brought to 14.9 bars, thanks to the heat transfer liquid H2O.
  • the third compressor 56 is for example a piston compressor or a centrifugal compressor. It is also considered as another "second compressor" within the meaning of the invention, although we can consider the action of the first compressor 52 and the second compressor 54 as a first compression step, bringing the gas Cg to a pressure sufficiently high to allow the following compressor (downstream) to accommodate the gas phase resulting from the first expansion sub-step 162.
  • the first expansion sub-stage(s) 162 are intermediate expansion stages which are only practicable at a pressure greater than the pressure of the triple point.
  • the triple point is at 5.2 bars, this pressure being 5 times higher than atmospheric pressure, it is more effective to compress carbon dioxide by several successive compressions than by a single one. compression allowing carbon dioxide gas to be compressed directly above 5.2 bars.
  • the pressure will often be lower than that of the triple point, and it will be necessary to wait for a second compression to pass above the triple point in pressure and be able to recycle the gas above this pressure. 'a first sub-stage of relaxation.
  • the second stage 14 of compression and cooling having brought the carbon dioxide Cg to 14.9 bars and having cooled it to a temperature always comprised for example between 20 and 30 degrees, the carbon dioxide is further cooled, in this second stage of compression and cooling l4, passing through the heat exchanger 30, then into the heat exchanger 32, then into the heat exchanger 36, from where it emerges completely liquefied at a temperature between -31 and -40 degrees Celsius, as in the first embodiment of the invention.
  • the carbon dioxide Cg at the outlet of the heat exchanger 30 is at a temperature of, for example, between 0 and 10 degrees Celsius, and at the outlet of the heat exchanger at -28 degrees Celsius.
  • the carbon dioxide Cg is therefore liquid and at a pressure of 14.9 bars.
  • step 16 of expanding the Cg gas into the liquid state resulting from the compression and cooling step 14 the Cg gas in the liquid state undergoes the first expansion sub-step 162 in which this gas liquid carbonic gas Cg is sent into the first expansion valve 38, lowering the pressure of this liquid carbonic gas Cg to a pressure lower than 14.9 bars but greater than 5.2 bars, for example up to 6 or 7 bars so as not to reach the triple point.
  • This first expansion therefore generates at the outlet of the first expansion valve 38, in the phase separator 40, a liquid phase ⁇ pl, representing approximately 92% of the liquid carbon dioxide Cg at the inlet of the first expansion valve 38, and a first gaseous phase tpgl, representing the remaining 8%, these phases being of lower temperature than at the inlet of the first expansion valve 38, but higher than -56.6°C.
  • the first gaseous phase tpgl at the outlet of the phase separator 40 is sent to the inlet of the third compressor 56, passing through the heat exchangers 30 and 36, thus cooling the carbon dioxide circulating from the third compressor 56 towards the first expansion valve 38.
  • This first gas phase ⁇ pgl is substantially at the same pressure as the carbon dioxide Cg coming from the cooler 55 at the outlet of the second compressor 54, and can therefore easily be mixed with this carbon dioxide Cg at the inlet of the third compressor 56.
  • this generates a solid phase tps and a second gas phase ⁇ pg2 at atmospheric pressure, from the liquid phase ⁇ pl obtained during the first expansion sub-step 162.
  • the solid phase tps and the second gas phase ⁇ pg2 are brought to a temperature of -78°C by this last expansion sub-step.
  • the second gas phase ⁇ pg2 at the outlet of the phase separator 44 is recycled at the inlet of the first compressor 52, passing through the heat exchangers 30 and 36, which makes it possible to cool the carbon dioxide Cg circulating from the third compressor 56 towards the first expansion valve 38.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described and numerous adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.

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Abstract

La présente invention concerne un système de solidification (2) d'un gaz (Cg) comportant : - un premier compresseur (22) apte à recevoir le gaz (Cg) à la pression atmosphérique et à le fournir à une pression supérieure en entrée d'un deuxième compresseur, - un échangeur thermique (32) configuré pour refroidir le gaz (Cg) comprimé par le deuxième compresseur (26), et le liquéfier, - des moyens de détente (38, 42) du liquide obtenu, comportant une première valve d'expansion (38) générant une phase liquide (φl) et une phase gazeuse (φg1) de pression supérieure à la pression atmosphérique, et une dernière valve d'expansion (42) en sortie de la première valve d'expansion (38), générant une phase solide (φs) et une phase gazeuse (φg2) à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide (φl), la phase gazeuse (φg1) de pression supérieure à la pression atmosphérique étant recyclée en entrée du deuxième compresseur (26).

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Procédé et système de solidification d’un gaz à la pression atmosphérique
La présente invention se rapporte au domaine de la thermodynamique et concerne plus précisément un procédé de solidification d’un gaz, tel que du gaz carbonique ou de l’acétylène gazeux.
Actuellement la solidification d’un tel gaz, reçu à la pression atmosphérique, utilise une ou plusieurs étapes de compression et de refroidissement afin de rendre le gaz liquide, puis une étape de détente fournissant, à pression atmosphérique et à température très basse de l’ordre de moins quatre-vingts degrés Celsius, une phase solide, et une phase gazeuse. La phase gazeuse est généralement recyclée en entrée pour limiter les pertes de gaz, et le froid de cette phase gazeuse recyclée est parfois utilisé pour améliorer le facteur de conversion de la phase gaz vers la phase solide.
Cette méthode de solidification est adaptée aux applications industrielles et agroalimentaires, mais est très énergivore notamment pour envisager des applications à échelle massive de l’ordre d’un millier de tonnes par heure.
Or les enjeux climatiques pourraient rendre une telle production souhaitable pour le transport de gaz carbonique, à des fins d’enfouissement sur des sites très éloignés des sites de capture. En effet le gaz carbonique issu des centrales énergétiques thermiques ou des sites industriels notamment doit être capté pour ne pas augmenter la concentration atmosphérique de dioxyde de carbone et donc ne pas augmenter l’effet de serre. Après captage, le gaz carbonique pourra être réutilisé ou séquestré sur des sites adaptés, qui se trouvent bien souvent très éloignés de sites de capture. Un transport par gazoduc serait de ce fait coûteux ou non envisageable. Un transport maritime de gaz carbonique liquéfié nécessite un transport sous pression donc des cales aménagées présentant une épaisseur importante donc très coûteuses et rendant très difficile le transport à très gros volume de gaz carbonique liquéfié sur de longues distances. Il pourrait donc exister un besoin de production à grande échelle de dioxyde de carbone à l’état solide, notamment pour son transport à pression atmosphérique sur des navires de très gros volume, cette production à grande échelle devant être la moins coûteuse possible en termes de ressources matérielles et d’énergie.
La présente invention remédie au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, en fournissant un procédé de solidification d’un gaz, et un système de solidification correspondant, qui permettent de solidifier un gaz en utilisant moins d’énergie et de ressources matérielles que les procédés conventionnels. Le procédé et le système selon l’invention sont applicables aux gaz dont le point triple se trouve au-dessus de la pression atmosphérique et qui sont à l’état gazeux dans les conditions normales de température et de pression (donc à 0 degré Celsius et un bar). Ce gaz est donc soit du gaz carbonique, soit de l’acétylène gazeux.
A cette fin, l’invention propose un procédé de solidification d’un gaz formé par une substance moléculaire dont le point triple est situé au-dessus de la pression atmosphérique, comportant des étapes de :
- réception du gaz à la pression atmosphérique,
- compression et refroidissement du gaz jusqu’à liquéfaction complète du gaz, la compression utilisant un premier compresseur et au moins un deuxième compresseur recevant le gaz issu du premier compresseur, et le refroidissement utilisant au moins un échangeur thermique qui met en oeuvre un échange de chaleur entre le gaz et un fluide réfrigérant de sorte à liquéfier le gaz,
- détente du gaz à l’état liquide issu de l’étape de compression et de refroidissement, et obtention de solide et de gaz en sortie de ladite étape de détente, le procédé de solidification étant caractérisé en ce que l’étape de détente comporte :
- au moins une première sous-étape de détente générant une phase liquide et une phase gazeuse dont la pression est supérieure à la pression du point triple, à partir du gaz à l’état liquide issu de l’étape de compression et de refroidissement, la phase gazeuse ainsi obtenue étant mélangée au gaz en entrée dudit au moins un deuxième compresseur,
- et une dernière sous-étape de détente générant une phase solide et une phase gazeuse à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide obtenue lors de ladite au moins une première sous-étape de détente. Par « à la pression atmosphérique » on entend dans cette demande « sensiblement à la pression atmosphérique », c’est-à-dire à un bar près, et préférentiellement à 0,1 bar près. En effet, la phase gazeuse générée en sortie de la dernière sous-étape de détente est généralement légèrement supérieure à la pression atmosphérique.
Dans l’invention, l’étape de détente se fait au moins en deux temps, chaque première sous-étape de détente correspondant à une détente intermédiaire du gaz à une pression supérieure à la pression du point triple.
Le gaz en sortie de chaque première sous-étape de détente est ainsi recyclé non pas en entrée du premier compresseur, entrée à laquelle le gaz est à la pression atmosphérique, mais à l’entrée dudit au moins un deuxième compresseur en aval du premier compresseur, le gaz à l’entrée dudit au moins deuxième compresseur étant à la même pression que le gaz produit lors de la première sous-étape de détente. Lorsqu’il y a plusieurs deuxièmes compresseurs, tous ne reçoivent pas forcément de gaz recyclé de l’étape de détente, soit parce que leur pression d’entrée ne le permet pas, soit parce qu’on ne recycle pas toutes les phases gazeuses issues des premières sous-étapes de détente, bien que celles-ci n’aient d’intérêt que si leurs phases gazeuses sont recyclées. Dans cette demande, « amont » et « aval » font référence à la direction d’écoulement du gaz carbonique depuis son entrée dans le premier compresseur jusqu’à la dernière sous-étape de détente. De plus, par « même pression », on entend dans cette demande « sensiblement à la même pression », c’est-à-dire à un bar près. En réalité la pression à l’entrée dudit au moins un deuxième compresseur est légèrement inférieure à celle du gaz produit en sortie de la première sous-étape de détente, du fait des pertes de charge. Ce recyclage ne nécessite donc pas, comme dans l’art antérieur, de recomprimer un gaz venant d’être détendu à la pression atmosphérique jusqu’à sa pression de liquéfaction, au moins pour une partie du gaz issu des sous-étapes de détente. Grâce à l’invention, environ 8% du gaz issu des premières étapes de détente est ainsi recyclé dans le procédé de solidification selon l’invention à une pression supérieure à la pression du point triple, ce qui permet d’économiser de l’énergie lors de ce recyclage. De plus ce recyclage d’une partie du gaz détendu en aval du premier compresseur permet de sous-dimensionner celui-ci, ce qui ajoute à l’économie d’énergie et permet une économie de ressources matérielles.
Dans un mode de réalisation de l’invention, l’étape de détente comporte donc plusieurs premières sous-étapes de détente et l’étape de compression et refroidissement utilise autant ou plus de deuxièmes compresseurs que de premières sous-étapes de détente, chaque première sous-étape de détente produisant une phase liquide et une phase gazeuse dont la pression est supérieure à la pression du point triple mais plus faible que la pression de la phase gazeuse produite à une sous-étape de détente précédente, la phase gazeuse ainsi produite étant mélangée au gaz en entrée d’un des deuxièmes compresseurs, dont la pression est la même que la pression de la phase gazeuse ainsi produite. En général la pression en entrée d’un deuxième compresseur recevant une telle phase gazeuse est légèrement inférieure à celle de cette phase gazeuse, du fait des différences de pertes de charge entre les différentes branches du système d’où vient le gaz carbonique. Bien entendu la sous-étape de détente précédente est éventuelle puisque la toute première sous-étape de détente n’est pas précédée d’une telle sous-étape de détente précédente.
De plus la phase gazeuse à la pression atmosphérique, obtenue lors de la dernière sous- étape de détente, est préférentiellement introduite en entrée du premier compresseur. Cette phase gazeuse est souvent légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Cela permet de recycler également cette phase gazeuse.
Lors de l’étape de compression et de refroidissement du gaz, l’échangeur thermique utilisé met en oeuvre un échange de chaleur entre le gaz et un fluide réfrigérant choisi par exemple parmi l’ammoniac, le propane, le propylène et le gaz carbonique. Ce fluide réfrigérant circule en boucle fermée.
Préférentiellement, l’étape de compression et de refroidissement utilise en outre au moins un refroidisseur positionné après le premier compresseur et/ou après ledit au moins un deuxième compresseur. Ce refroidisseur utilise par exemple un fluide caloporteur tel que de l’air ou de l’eau, venant d’une source froide, par exemple une source froide ambiante. Préférentiellement un tel refroidisseur est connecté directement en sortie du premier compresseur et de chaque deuxième compresseur.
En utilisant des refroidisseurs, en plus de l’échangeur thermique, l’invention permet de sous-dimensionner l’échangeur thermique ou d’augmenter le taux de conversion solide/gaz.
Selon une caractéristique avantageuse du procédé de solidification selon l’invention, l’étape de compression et de refroidissement utilise en outre un échangeur de chaleur disposé entre un dernier dudit au moins un deuxième compresseur et l’échangeur thermique, ledit échangeur de chaleur recevant d’une part une ou plusieurs phases gazeuses issues de l’étape de détente, et d’autre part le gaz issu du dernier dudit au moins un deuxième compresseur. Autrement dit l’échangeur de chaleur reçoit un gaz froid issu de l’étape de détente et un gaz moins froid juste avant sa liquéfaction par l’échangeur thermique. Ainsi ce gaz moins froid est refroidi par le gaz issu de l’étape de détente avant d’entrer dans l’échangeur thermique, ce qui permet à une chaîne réfrigérante liée à l’échangeur thermique d’être moins énergivore.
Selon une autre caractéristique avantageuse du procédé de solidification selon l’invention, l’étape de compression et de refroidissement utilise en outre un échangeur de chaleur disposé entre ledit échangeur thermique et une valve d’expansion utilisée dans l’étape de détente, ledit échangeur de chaleur recevant d’une part une ou plusieurs phases gazeuses issues de l’étape de détente, et d’autre part le gaz à l’état liquide issu dudit échangeur thermique. Autrement dit cet autre échangeur de chaleur reçoit un gaz froid issu de l’étape de détente et un liquide moins froid juste avant sa détente par la valve d’expansion, notamment la valve d’expansion utilisée lors de la toute première sous-étape de détente. Ainsi ce liquide moins froid est refroidi par le gaz issu de l’étape de détente avant d’entrer dans la valve d’expansion, ce qui permet à la chaîne réfrigérante liée à l’échangeur thermique d’être encore moins énergivore ou d’augmenter le taux de conversion solide/gaz. L’invention concerne en outre un système de solidification d’un gaz formé par une substance moléculaire dont le point triple est situé au-dessus de la pression atmosphérique, comportant :
- des moyens de réception du gaz à la pression atmosphérique,
- un premier compresseur apte à recevoir le gaz issu des moyens de réception et à fournir en sortie le gaz à une pression supérieure à la pression atmosphérique,
- au moins un deuxième compresseur en sortie du premier compresseur, apte à recevoir le gaz à une pression supérieure à la pression atmosphérique et à le comprimer,
- au moins un échangeur thermique configuré pour mettre en oeuvre un échange thermique entre un fluide réfrigérant et le gaz comprimé par ledit au moins un deuxième compresseur, et apte à fournir en sortie la substance moléculaire à l’état liquide,
- des moyens de détente du liquide obtenu en sortie de l’échangeur thermique, le système de solidification étant caractérisé en ce que les moyens de détente comportent au moins une première valve d’expansion apte à fournir une phase liquide et une phase gazeuse dont la pression est supérieure à la pression du point triple, et une dernière valve d’expansion en sortie de ladite au moins une première valve d’expansion, apte à fournir une phase solide et une phase gazeuse à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide obtenue en sortie de ladite au moins une première valve d’expansion, et en ce que le système de solidification comporte des moyens de recyclage de la phase gazeuse dont la pression est supérieure à la pression du point triple, en entrée dudit au moins un deuxième compresseur.
Préférentiellement, le système de solidification d’un gaz selon l’invention comporte un séparateur de phases connecté en entrée à la sortie de ladite au moins une première valve d’expansion, le séparateur de phases comportant une évacuation de phase lourde connectée à la dernière valve d’expansion et une évacuation de phase légère connectée à l’entrée dudit au moins un deuxième compresseur. La phase lourde est une phase liquide, la phase légère est une phase gazeuse.
Préférentiellement encore, le système de solidification d’un gaz selon l’invention comporte un séparateur de phases connecté en entrée à la sortie de la dernière valve d’expansion, le séparateur de phases comportant une évacuation de phase lourde fournissant la phase solide, et une évacuation de phase légère connectée à l’entrée du premier compresseur. La phase légère est ici aussi une phase gazeuse.
Dans un mode de réalisation, le système de solidification selon l’invention comporte plusieurs premières valves d’expansion et au moins autant de deuxièmes compresseurs, parmi lesquels chaque deuxième compresseur recevant en entrée un gaz compressé par un compresseur précédant le deuxième compresseur parmi le premier compresseur et les deuxièmes compresseurs, et dont la pression est supérieure à la pression du point triple, reçoit également une phase gazeuse issue d’une des premières valves d’expansion, dont la pression est la même que la pression en entrée dudit deuxième compresseur. Ladite une des premières valves d’expansion est en effet configurée pour fournir une phase gazeuse dont la pression est sensiblement la même que la phase gazeuse en entrée dudit deuxième compresseur.
Avantageusement, le système de solidification selon l’invention comporte en outre un échangeur de chaleur disposé entre un dernier dudit au moins un deuxième compresseur et l’échangeur thermique, l’échangeur de chaleur étant apte à recevoir d’une part une ou plusieurs phases gazeuses issues de ladite au moins une première valve d’expansion et/ ou de la dernière valve d’expansion, et d’autre part le gaz issu du dernier dudit au moins un deuxième compresseur.
Avantageusement encore, le système de solidification selon l’invention comporte en outre un échangeur de chaleur disposé entre l’échangeur thermique et ladite au moins une première valve d’expansion, l’échangeur de chaleur étant apte à recevoir d’une part une ou plusieurs phases gazeuses issues de ladite au moins une première valve d’expansion et/ou de la dernière valve d’expansion, et d’autre part le gaz à l’état liquide issu de l’échangeur thermique.
Préférentiellement, le système de solidification selon l’invention comporte en outre au moins un refroidisseur positionné après le premier compresseur et/ou ledit au moins un deuxième compresseur. Le système de solidification selon l’invention présente des avantages analogues à ceux du procédé de solidification selon l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :
[fig 1] illustre des étapes d’un procédé de solidification d’un gaz selon l’invention,
[fig 2] représente schématiquement un système de solidification d’un gaz selon l’invention, mettant en oeuvre le procédé de solidification de la figure 1, selon un premier mode de réalisation de l’invention, et
[fig 3] représente schématiquement un système de solidification d’un gaz selon l’invention, mettant en oeuvre le procédé de solidification de la figure 1, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, un procédé de solidification 1 d’un gaz selon l’invention, représenté figure 1, est mis en oeuvre dans un système de solidification 2 d’un gaz selon l’invention, représenté figure 2. Dans ce procédé de solidification 1 d’un gaz selon l’invention, on solidifie du gaz carbonique. Le procédé de solidification 1 est cependant transposable à la solidification d’acétylène gazeux.
Le procédé de solidification 1 d’un gaz selon l’invention comporte, comme représenté figure 1, une première étape de réception 12 d’un gaz carbonique Cg, référencé à la figure 2, à la pression atmosphérique. Dans ce mode de réalisation de l’invention, le gaz Cg est reçu à température ambiante, par exemple entre 20°C et 30°C (degrés Celsius) dans une conduite d’arrivée de gaz du système de solidification 2.
Une deuxième étape 14 du procédé de solidification 1 est la compression et le refroidissement du gaz Cg jusqu’à sa liquéfaction complète. Dans cette deuxième étape 14 de compression et de refroidissement, on utilise un premier compresseur 22 dans lequel est amené le gaz Cg reçu lors de la première étape 12, le premier compresseur 22 amenant à sa sortie le gaz Cg à une pression par exemple de 6 bars, le premier compresseur 22 étant par exemple un compresseur à piston ou un compresseur centrifuge. Le gaz Cg comprimé par le premier compresseur 22 est ensuite refroidi à l’aide d’un refroidisseur 24 recevant d’une part un liquide caloporteur H2O, ici de l’eau d’une source froide circulant en boucle ouverte, et d’autre part le gaz Cg comprimé par le premier compresseur 22.
La deuxième étape 14 de compression et de refroidissement du gaz Cg utilise en outre un deuxième compresseur 26 dans lequel est amené le gaz Cg précédemment comprimé et refroidi, ce deuxième compresseur 26 amenant le gaz Cg à une pression de par exemple 15 bars, le deuxième compresseur 26 étant par exemple un compresseur à piston ou un compresseur centrifuge. Ce deuxième compresseur 26 reçoit également en entrée un gaz issu d’une étape ultérieure de détente comme on le verra plus loin. Un refroidisseur 28 en sortie du deuxième compresseur 26 refroidit le gaz Cg amené à 15 bars. Le refroidisseur 28 utilise pour cela par exemple la même source froide que le refroidisseur 24.
En variante, le gaz est amené à cette pression de 15 bars en utilisant plus de deux compresseurs. Dans la chaîne de compression de cette variante, le premier compresseur est donc suivi d’un refroidisseur, puis de plusieurs « deuxièmes » compresseurs, entre lesquels est connecté un refroidisseur, le dernier compresseur de cette chaîne étant également connecté en sortie à un refroidisseur. Cette variante permet de recycler le gaz issu de l’étape de détente ultérieure à différentes pressions comme cela sera décrit plus loin.
Dans cette variante de réalisation comme dans le mode principal de réalisation de l’invention, on amène de préférence le gaz carbonique Cg en sortie de la chaîne de compression, dans une fourchette optimale de 10 à 20 bars, les 15 bars étant mentionnés plus haut à titre indicatif seulement, et correspondant à une valeur préférentielle car sensiblement optimale d’un point de vue énergétique. La fourchette de pression en sortie de la chaîne de compression peut s’étendre éventuellement sur une plage de l’ordre de plusieurs dizaines de bars, suivant le fluide réfrigérant sélectionné et sans changer la nature du procédé selon l’invention. De même le premier compresseur 22 amène le gaz carbonique à une pression pouvant être différente de 6 bars, par exemple à 5,3 bars, de manière à rester au-dessus de la pression du point triple. En effet dans ce premier mode de réalisation on recycle une phase gazeuse issue d’une première sous-étape de détente en entrée du deuxième compresseur 26, cette phase gazeuse étant au-dessus du point triple en termes de pression, comme cela est expliqué plus loin.
Dans cette deuxième étape 14 de compression et de refroidissement, le gaz carbonique Cg amené à 15 bars et refroidi à une température comprise par exemple entre 20 et 30 degrés Celsius, après son passage dans le deuxième refroidisseur 28 (ou en sortie du refroidisseur suivant le dernier deuxième compresseur dans la variante de réalisation), est encore refroidi en passant dans un échangeur de chaleur 30, ici un échangeur de chaleur interne. L’échangeur de chaleur 30 est également traversé pour cela par un gaz à une température inférieure, issu de l’étape de détente ultérieure, comme expliqué plus loin. Le gaz carbonique Cg en sortie de l’échangeur de chaleur 30 est à une température comprise par exemple entre 0 et 10 degrés Celsius.
Puis le gaz carbonique Cg refroidi par l’échangeur de chaleur 30 traverse un échangeur thermique 32, dans lequel circule un fluide réfrigérant FR, par exemple de l’ammoniac, et qui liquéfie le gaz carbonique Cg en l’amenant à -28°C. Le fluide réfrigérant FR circule dans une boucle fermée d’un système de réfrigération 34, de manière séparée par rapport à la circulation du gaz carbonique Cg. En variante le fluide réfrigérant FR est du propane ou du propylène. En variante plusieurs températures de refroidissement sont utilisées par le système de réfrigération 34, en utilisant plusieurs boucles de circulation de fluide réfrigérant réalisant chacune un cycle thermodynamique.
Enfin, dans cette deuxième étape 14 de compression et de refroidissement, le gaz carbonique Cg liquéfié par l’échangeur thermique 32 est amené en entrée d’un autre échangeur de chaleur 36, par exemple un échangeur de chaleur interne, recevant parallèlement un gaz à une température inférieure de celle du gaz carbonique Cg liquéfié, issu de l’étape de détente ultérieure, comme expliqué plus loin. Le gaz carbonique Cg liquéfié en sortie de l’autre échangeur de chaleur 36 est à une température comprise entre -31 et -40 degrés Celsius.
Les échangeurs de chaleur 30 et 36 permettent d’économiser de l’énergie pour liquéfier le gaz carbonique Cg et d’augmenter le taux de conversion gaz/solide. En variante, seul l’échangeur thermique 32 est utilisé, et dans ce cas le système de réfrigération 34 est dimensionné pour assurer seul cette liquéfaction après un refroidissement du gaz carbonique Cg réalisé par les refroidisseurs 24 et 28, avant l’étape ultérieure de détente. Dans une autre variante, un seul échangeur de chaleur 30 ou 36 est utilisé en complément de l’échangeur thermique 32.
Le sous-refroidissement du gaz carbonique effectué par l’échangeur de chaleur 36 permet d’augmenter le taux de conversion gaz/solide et donc de diminuer la taille des premier et deuxième compresseurs 24 et 26 ainsi que leur consommation.
A la fin de cette deuxième étape 14 de compression et de refroidissement, le gaz carbonique Cg est donc liquide, à une pression d’environ 15 bars, supérieure à 5,2 bars, donc supérieure à la pression du point triple (5,2 bars, -56,6°C).
L’étape suivante 16 est la détente du gaz à l’état liquide issu de l’étape 14 de compression et de refroidissement. Cette étape 16 de détente du gaz comporte une première sous- étape de détente 162 dans lequel ce gaz carbonique Cg liquide est envoyé dans une première valve d’expansion 38, abaissant la pression de ce gaz carbonique Cg liquide jusqu’à une pression inférieure à 15 bars mais supérieure à 5,2 bars, par exemple jusqu’à 6 ou 7 bars de manière à ne pas atteindre le point triple. Cette première détente génère donc en sortie de la première valve d’expansion 38, dans un séparateur de phases 40, une phase liquide <pl, représentant environ 92 % du gaz carbonique Cg liquide en entrée de la première valve d’expansion 38, et une première phase gazeuse tpgl, représentant les 8% restants, ces phases étant de température plus basse qu’en entrée de la première valve d’expansion 38, mais supérieure à -56,6°C.
La première phase gazeuse <pgl en sortie du séparateur de phases 40 est envoyée à l’entrée du deuxième compresseur 26, en passant par les échangeurs de chaleur 30 et 36. Cette première phase gazeuse tpgl est sensiblement à la même pression que le gaz carbonique Cg issu du refroidisseur 24 en sortie du premier compresseur 22, et peut donc facilement être mélangée avec ce gaz carbonique Cg en entrée du deuxième compresseur 26.
Dans la variante de réalisation de l’invention utilisant plusieurs deuxièmes compresseurs, l’étape de détente 16 comporte par exemple autant de premières sous-étapes de détente successives que de deuxièmes compresseurs recevant le gaz carbonique à une pression supérieure au point triple, la dernière de ces premières sous-étapes de détente amenant le gaz carbonique Cg liquide jusqu’à une pression toujours supérieure à 5,2 bars. Chaque première sous-étape de détente utilise une valve d’expansion distincte générant une première phase gazeuse correspondante et une phase liquide correspondante. Chaque première phase gazeuse issue de ces premières sous-étapes de détente est alors envoyée à l’entrée d’un des deuxièmes compresseurs recevant un gaz carbonique Cg issu d’un compresseur précédent avec une pression sensiblement la même que celle de la phase gazeuse correspondante. De préférence ces premières phases gazeuses passent toutes par les échangeurs de chaleur 30 et 36 pour refroidir le gaz carbonique Cg en provenance du premier compresseur 22.
Revenant au mode de réalisation principal de l’invention, l’étape 16 de détente du gaz à l’état liquide comporte une dernière sous-étape de détente 164 générant une phase solide tps et une deuxième phase gazeuse <pg2 à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide <pl obtenue lors de la première sous-étape de détente 162. La phase solide tps et la deuxième phase gazeuse <pg2 sont amenées à une température de -78°C par cette dernière sous-étape de détente.
Pour cela, la phase liquide <pl dans le séparateur de phases 40 est envoyée en entrée d’une deuxième valve d’expansion 42 abaissant la pression de cette phase liquide <pl jusqu’à la pression atmosphérique. La deuxième valve d’expansion 42 est connectée à sa sortie à un deuxième séparateur de phases 44 permettant de récupérer la phase solide <ps, qui représente 57% du gaz carbonique Cg de la phase liquide <pl en entrée de cette deuxième valve d’expansion 42, et la deuxième phase gazeuse <pg2 qui en représente les 43% restants. Le pourcentage de gaz carbonique Cg obtenu en phase solide est d’autant plus important que la température de la phase liquide <pl en entrée de la deuxième valve d’expansion 42 est basse.
La deuxième phase gazeuse <pg2 en sortie du séparateur de phases 44 est envoyée à l’entrée du premier compresseur 22, en passant par les échangeurs de chaleur 30 et 36. Cette deuxième phase gazeuse <pg2 refroidit ainsi le gaz carbonique Cg en sortie de l’échangeur thermique 32 et en sortie du deuxième compresseur 26, ainsi que la première phase gazeuse <pgl refroidit également le gaz carbonique Cg en sortie de l’échangeur thermique 32 et en sortie du deuxième compresseur 26 en passant également dans les échangeurs de chaleur 30 et 36.
De manière similaire, dans la variante de réalisation de l’invention utilisant plusieurs deuxièmes compresseurs, après la dernière sous-étape de détente, une dernière valve d’expansion détend la phase liquide obtenue lors de la dernière première sous-étape de détente de manière à obtenir une phase solide et une phase gazeuse dans un séparateur, la phase gazeuse étant recyclée en entrée du premier compresseur 22.
Le système de solidification 2 selon l’invention ainsi décrit est optimisé en termes de dépenses énergétiques par rapport à l’art antérieur. Notamment grâce à l’étape de détente 16 en deux sous-étapes de détente et grâce aux échangeurs de chaleur 30 et 36, une économie d’énergie de 30% est réalisée par rapport à un système de solidification ne comprenant pas ces caractéristiques.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, le procédé de solidification 1 d’un gaz selon l’invention est mis en oeuvre dans un système de solidification 20 d’un gaz selon l’invention, représenté figure 3, pour solidifier du gaz carbonique. Le système de solidification 20 comporte de nombreux éléments communs au système de solidification 2 de gaz carbonique, qui sont donc référencés de la même façon et ne sont pas redétaillés.
Dans ce deuxième mode de réalisation de l’invention, à l’étape 12 de réception du gaz, le gaz Cg est reçu à température ambiante, par exemple entre 20°C et 30°C (degrés Celsius) dans une conduite d’arrivée de gaz du système de solidification 20. Lors de la deuxième étape 14 du procédé de solidification 1, le gaz Cg est comprimé et refroidi jusqu’à sa liquéfaction complète. Dans ce deuxième mode de réalisation, on utilise pour cela trois compresseurs :
- Un premier compresseur 52, par exemple un compresseur centrifuge à faible taux de compression, amène le gaz Cg reçu lors de la première étape 12 à une pression par exemple de 2,6 bars. Le gaz Cg comprimé par le premier compresseur 52 est ensuite refroidi à l’aide d’un refroidisseur 53 recevant d’une part un liquide caloporteur H2O, et d’autre part le gaz Cg comprimé par le premier compresseur 52.
- Un deuxième compresseur 54, par exemple un compresseur centrifuge à faible taux de compression, amène le gaz Cg précédemment comprimé et refroidi par le premier compresseur 52 à une pression par exemple de 6,6 bars. Un refroidisseur 55 en sortie du deuxième compresseur 54 refroidit le gaz Cg amené à 6,6 bars, avec le liquide caloporteur H2O.
- Un troisième compresseur 56 amène le gaz Cg précédemment comprimé et refroidi par le deuxième compresseur 54 à une pression par exemple de 14, 9 bars. Ce troisième compresseur 56 reçoit également en entrée un gaz issu de la première sous-étape de détente 162 comme on le verra plus loin. Un refroidisseur 57 en sortie du troisième compresseur 56 refroidit le gaz Cg amené à 14,9 bars, grâce au liquide caloporteur H2O. Le troisième compresseur 56 est par exemple un compresseur à piston ou un compresseur centrifuge. Il est aussi considéré comme un autre « deuxième compresseur » au sens de l’invention, bien qu’on puisse considérer l’action du premier compresseur 52 et du deuxième compresseur 54 comme une première étape de compression, amenant le gaz Cg à une pression suffisamment élevée pour permettre au compresseur suivant (en aval) d’accueillir la phase gazeuse issue de la première sous-étape de détente 162.
Ceci s’explique du fait que la ou les premières sous-étapes de détente 162 sont des étapes de détente intermédiaires qui ne sont praticables qu’à une pression supérieure à la pression du point triple. Comme pour le gaz carbonique, le point triple est à 5,2 bars, cette pression étant 5 fois supérieure à la pression atmosphérique, il est plus efficace de comprimer le gaz carbonique par plusieurs compressions successives que par une seule compression permettant de comprimer le gaz carbonique directement au-dessus de 5,2 bars.
Ainsi, à la sortie du premier compresseur 52, la pression sera souvent inférieure à celle du point triple, et il faudra attendre une deuxième compression pour passer au-dessus du point triple en pression et pouvoir recycler au-dessus de cette pression le gaz d’une première sous-étape de détente.
La deuxième étape 14 de compression et de refroidissement ayant amené le gaz carbonique Cg à 14,9 bars et l’ayant refroidi à une température toujours comprise par exemple entre 20 et 30 degrés, le gaz carbonique est encore refroidi, dans cette deuxième étape de compression et de refroidissementl4, en passant dans l’échangeur de chaleur 30, puis dans l’échangeur thermique 32, puis dans l’échangeur de chaleur 36, d’où il ressort complètement liquéfié à une température comprise entre -31 et -40 degrés Celsius, comme dans le premier mode de réalisation de l’invention. Le gaz carbonique Cg en sortie de l’échangeur de chaleur 30 est à une température comprise par exemple entre 0 et 10 degrés Celsius, et en sortie de l’échangeur thermique à -28 degrés Celsius.
A la fin de cette deuxième étape 14 de compression et de refroidissement, le gaz carbonique Cg est donc liquide et à une pression de 14,9 bars.
Lors de l’étape suivante 16 de détente du gaz Cg à l’état liquide issu de l’étape 14 de compression et de refroidissement, le gaz Cg à l’état liquide subit la première sous-étape de détente 162 dans lequel ce gaz carbonique Cg liquide est envoyé dans la première valve d’expansion 38, abaissant la pression de ce gaz carbonique Cg liquide jusqu’à une pression inférieure à 14,9 bars mais supérieure à 5,2 bars, par exemple jusqu’à 6 ou 7 bars de manière à ne pas atteindre le point triple. Cette première détente génère donc en sortie de la première valve d’expansion 38, dans le séparateur de phases 40, une phase liquide <pl, représentant environ 92 % du gaz carbonique Cg liquide en entrée de la première valve d’expansion 38, et une première phase gazeuse tpgl, représentant les 8% restants, ces phases étant de température plus basse qu’en entrée de la première valve d’expansion 38, mais supérieure à -56,6°C. La première phase gazeuse tpgl en sortie du séparateur de phases 40 est envoyée à l’entrée du troisième compresseur 56, en passant par les échangeurs de chaleur 30 et 36, refroidissant ainsi le gaz carbonique circulant du troisième compresseur 56 vers la première valve de détente 38. Cette première phase gazeuse <pgl est sensiblement à la même pression que le gaz carbonique Cg issu du refroidisseur 55 en sortie du deuxième compresseur 54, et peut donc facilement être mélangée avec ce gaz carbonique Cg en entrée du troisième compresseur 56.
Enfin lors de la dernière sous-étape de détente 164, celle-ci génère une phase solide tps et une deuxième phase gazeuse <pg2 à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide <pl obtenue lors de la première sous-étape de détente 162. La phase solide tps et la deuxième phase gazeuse <pg2 sont amenées à une température de -78°C par cette dernière sous-étape de détente.
La deuxième phase gazeuse <pg2 en sortie du séparateur de phases 44 est recyclée à l’entrée du premier compresseur 52, en passant par les échangeurs de chaleur 30 et 36, ce qui permet de refroidir le gaz carbonique Cg circulant du troisième compresseur 56 vers la première valve de détente 38. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) formé par une substance moléculaire dont le point triple est situé au-dessus de la pression atmosphérique, comportant des étapes de :
- réception (12) du gaz (Cg) à la pression atmosphérique,
- compression et refroidissement (14) du gaz (Cg) jusqu’à liquéfaction complète du gaz (Cg), la compression utilisant un premier compresseur (22, 52) et au moins un deuxième compresseur (26, 54, 56) recevant le gaz (Cg) issu du premier compresseur (22, 52), et le refroidissement utilisant au moins un échangeur thermique (32) qui met en oeuvre un échange de chaleur entre le gaz (Cg) et un fluide réfrigérant (FR) de sorte à liquéfier le gaz (Cg),
- détente (16) du gaz (Cg) à l’état liquide issu de l’étape de compression et de refroidissement (14), et obtention de solide et de gaz (Cg) en sortie de ladite étape de détente (16), le procédé de solidification (1) étant caractérisé en ce que l’étape de détente (16) comporte :
- au moins une première sous-étape de détente (162) générant une phase liquide (<pl) et une phase gazeuse (<pgl) dont la pression est supérieure à la pression du point triple , à partir du gaz (Cg) à l’état liquide issu de l’étape de compression et de refroidissement (14), la phase gazeuse (<pgl ) ainsi obtenue étant mélangée au gaz (Cg) en entrée dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56),
- et une dernière sous-étape de détente (164) générant une phase solide (<ps) et une phase gazeuse (<pg2) à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide (<pl) obtenue lors de ladite au moins une première sous-étape de détente (162).
2- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) selon la revendication 1, dans lequel le gaz (Cg) est du gaz carbonique ou de l’acétylène.
3- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le fluide réfrigérant (FR) est choisi parmi l’ammoniac, le propane, le propylène et le gaz carbonique. 4- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de détente (16) comporte plusieurs premières sous-étapes de détente (162) et l’étape de compression et refroidissement (14) utilise autant ou plus de deuxièmes compresseurs (26, 54, 56) que de premières sous-étapes de détente (162), chaque première sous-étape de détente (162) produisant une phase liquide (<pl) et une phase gazeuse (tpgl) dont la pression est supérieure à la pression du point triple mais plus faible que la pression de la phase gazeuse produite à une sous-étape de détente précédente, la phase gazeuse (tpgl) ainsi produite étant mélangée au gaz (Cg) en entrée d’un des deuxièmes compresseurs (26, 56), dont la pression est la même que celle de la phase gazeuse (tpgl) ainsi produite.
5- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la phase gazeuse (<pg2) à la pression atmosphérique, obtenue lors de la dernière sous-étape de détente (164), est introduite en entrée du premier compresseur (22, 52).
6- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape de compression et de refroidissement (14) utilise en outre un échangeur de chaleur (30) disposé entre un dernier dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56) et l’échangeur thermique (32), ledit échangeur de chaleur (30) recevant d’une part une ou plusieurs phases gazeuses (<pgl,<pg2) issues de l’étape de détente (16), et d’autre part le gaz (Cg) issu du dernier dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56).
7- Procédé de solidification (1) d’un gaz (Cg) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape de compression et de refroidissement (14) utilise en outre un échangeur de chaleur (36) disposé entre ledit échangeur thermique (32) et une valve d’expansion (38) utilisée dans l’étape de détente (16), ledit échangeur de chaleur (36) recevant d’une part une ou plusieurs phases gazeuses (<pgl,<pg2) issues de l’étape de détente (16), et d’autre part le gaz (Cg) à l’état liquide issu dudit échangeur thermique (32). 8- Système de solidification (2, 20) d’un gaz (Cg) formé par une substance moléculaire dont le point triple est situé au-dessus de la pression atmosphérique, comportant :
- des moyens de réception du gaz (Cg) à la pression atmosphérique,
- un premier compresseur (22, 52) apte à recevoir le gaz (Cg) issu des moyens de réception et à fournir en sortie le gaz (Cg) à une pression supérieure à la pression atmosphérique,
- au moins un deuxième compresseur (26, 54, 56) en sortie du premier compresseur (22, 52), apte à recevoir le gaz (Cg) à une pression supérieure à la pression atmosphérique et à le comprimer,
- au moins un échangeur thermique (32) configuré pour mettre en oeuvre un échange thermique entre un fluide réfrigérant et le gaz (Cg) comprimé par ledit au moins un deuxième compresseur (26, 54, 56), et apte à fournir en sortie la substance moléculaire à l’état liquide,
- des moyens de détente (38, 42) du liquide obtenu en sortie de l’échangeur thermique (32), le système de solidification (2, 20) étant caractérisé en ce que les moyens de détente (38, 42) comportent au moins une première valve d’expansion (38) apte à fournir une phase liquide (<pl) et une phase gazeuse (tpgl) dont la pression est supérieure à la pression du point triple, et une dernière valve d’expansion (42) en sortie de ladite au moins une première valve d’expansion (38), apte à fournir une phase solide (<ps) et une phase gazeuse (<pg2) à la pression atmosphérique, à partir de la phase liquide (<pl) obtenue en sortie de ladite au moins une première valve d’expansion (38), et en ce que le système de solidification (2, 20) comporte des moyens de recyclage de la phase gazeuse (tpgl) dont la pression est supérieure à la pression du point triple, en entrée dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56).
9- Système de solidification (2, 20) d’un gaz (Cg) selon la revendication 8, comportant un séparateur de phases (40) connecté en entrée à la sortie de ladite au moins une première valve d’expansion (38), le séparateur de phases (40) comportant une évacuation de phase lourde connectée à la dernière valve d’expansion (42) et une évacuation de phase légère connectée à l’entrée dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56).
10- Système de solidification (2, 20) d’un gaz (Cg) selon la revendication 8 ou 9, comportant un séparateur de phases (44) connecté en entrée à la sortie de la dernière valve d’expansion (42), le séparateur de phases (44) comportant une évacuation de phase lourde fournissant la phase solide (tps), et une évacuation de phase légère connectée à l’entrée du premier compresseur (22, 52).
11- Système de solidification (2, 20) selon l’une quelconque des revendications 8 à
10, comportant plusieurs premières valves d’expansion (40) et au moins autant de deuxièmes compresseurs (26, 54, 56), parmi lesquels chaque deuxième compresseur (26, 56) recevant en entrée un gaz compressé par un compresseur précédant le deuxième compresseur (26, 56) parmi le premier compresseur (22, 52) et les deuxièmes compresseurs (26, 54, 56), et dont la pression est supérieure à la pression du point triple, reçoit également une phase gazeuse (tpgl) issue d’une des premières valves d’expansion (40), dont la pression est la même que la pression en entrée dudit deuxième compresseur (26,56).
12- Système de solidification (2, 20) selon l’une quelconque des revendications 8 à
11, comportant en outre un échangeur de chaleur (30) disposé entre un dernier dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56) et l’échangeur thermique (32), l’échangeur de chaleur (30) étant apte à recevoir d’une part une ou plusieurs phases gazeuses (<pgl,<pg2) issues de ladite au moins une première valve d’expansion (38) et/ou de la dernière valve d’expansion (42), et d’autre part le gaz (Cg) issu du dernier dudit au moins un deuxième compresseur (26, 56).
13- Système de solidification (2, 20) selon l’une quelconque des revendications 8 à
12, comportant en outre un échangeur de chaleur (36) disposé entre l’échangeur thermique (32) et ladite au moins une première valve d’expansion (38), l’échangeur de chaleur (36) étant apte à recevoir d’une part une ou plusieurs phases gazeuses (<pgl,<pg2) issues de ladite au moins une première valve d’expansion (38) et/ou de la dernière valve d’expansion (42), et d’autre part le gaz à l’état liquide issu de l’échangeur thermique (32).
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