Brevet FR2861318A1 — publié le 20050429

L'invention a pour objet un procédé de purification et de refroidissement de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone commercial est souvent un des produits secondaires de procédés industriels de synthèse d'ammoniac, d'oxyde d'éthylène ou d'éthanol. Les brevets américains US 4,952,223 et US 5,185,139 décrivent par exemple, des méthodes d'isolation et de purification du dioxyde de carbone obtenu lors de la synthèse d'ammoniac. Cependant, aucune de ces méthodes n'est entièrement satisfaisante, que ce soit en terme de consommation d'énergie ou en terme de qualité du gaz obtenu. Habituellement on commence, par refroidir le gaz puis par le purifier d'au moins 10 une partie de ses impuretés solubles. Pour refroidir le gaz chaud jusqu'à une température proche de la température ambiante, on utilise généralement de l'eau de refroidissement pour induire un échange de chaleur, soit par contact direct dans une tour soit dans un échangeur de chaleur. Si nécessaire, on complète cette étape par apport de frigories avec un groupe frigorifique. Lorsque l'on souhaite obtenir un gaz de qualité alimentaire ou médicale, on évite cependant le contact direct du gaz avec l'eau de refroidissement industrielle, tant pour ne pas le contaminer avec les impuretés contenues dans cette eau que pour ne pas entraîner dans l'eau les impuretés du gaz. En effet, soit celles-ci s'accumuleraient alors dans la boucle d'eau de refroidissement dans le cas d'un circuit fermé, soit elles seraient évacuées dans la purge dans le cas d'un circuit ouvert. C'est pourquoi ce premier refroidissement se fait dans un échangeur de chaleur, par de l'eau refroidissement avec parfois des variantes, comme l'intégration de ce réfrigérant dans la partie basse de la tour de lavage sous la forme d'un serpentin noyé dans le garnissage. A la sortie de l'échangeur, la température du gaz reste supérieure de quelques de- grés à celle de la température d'entrée de l'eau de refroidissement. Le refroidissement du gaz s'accompagne généralement aussi de la formation d'un condensât pollué par les impuretés provenant du gaz, qui est rejeté dans les égouts, ce qui, suivant les réglementations locales applicables en matière d'eaux usées, peut conduire à l'obligation de prévoir un traitement complémentaire de cet effluent. Ensuite ou en même temps le gaz est lavé dans une tour de lavage alimentée en eau pure ou déminéralisée, ce qui constitue une première étape de purification. Lorsqu'il y a une tour de lavage, avec contact direct entre l'eau pure et le gaz, le refroidissement fait par cette tour reste faible car, ou bien la tour travaille en circuit ouvert et le débit d'eau de lavage est trop faible pour avoir un effet notable en termes d'échange thermique, ou bien la tour travaille en circuit semi-fermé et l'eau de lavage n'est alors en contact direct, ni avec l'eau de refroidissement, ni avec l'air atmosphérique. L'eau de lavage sortant de la tour peut, elle aussi, nécessiter un traitement complémentaire de dépollution en fonction des réglementations applicables sur le site. Devant être capable de proposer du dioxyde de carbone de qualité alimentaire, la demanderesse s'est donc attachée à développer un procédé de purification du dioxyde de carbone qui n'ait pas les inconvénients exposés ci-dessus. C'est pourquoi selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement et d'épuration en continu, d'un gaz comprenant: - une étape (a) de transfert de matière et de chaleur à contre-courant avec un nombre d'unités de transfert NUTa, entre un flux de gaz à refroidir et à purifier (Go) circulant à un débit Do ayant une température égale à To et une température de saturation adiabatique égale à T5, et un flux d'eau de lavage et de refroidissement (L1) circulant à un débit D1 ayant une température T1 inférieure ou égale à T5, pour produire un flux d'eau sortant (L2) circulant à un débit D2 contenant les impuretés provenant du flux de gaz initial (Go) et ayant une température T2 supérieure ou égale à T 1 et inférieure ou égale à T5, d'un flux de gaz refroidi et purifié (G1) circulant à un débit D3 et une température égale à T3 inférieure à T5 et supérieure ou égale à T1; - une étape (b) de transfert de matière et de chaleur à contre-courant avec un nombre d'unités de transfert NUTb, entre ledit flux d'eau sortant (L2) issu de l'étape (a), et un flux d'air (Ao) circulant à un débit D4 et une température égale à T4, et une température de saturation adiabatique égale à T6 et inférieure à T2, pour produire un flux d'eau purifiée et refroidie (L'1) circulant à un débit D'1 ayant une température T'1 apte à constituer la plus grande partie dudit flux d'eau de lavage et de refroidissement (L1) mis en oeuvre à l'étape (a). Par eau de lavage et de refroidissement, on désigne une eau de qualité suffisante pour ne pas contaminer le gaz à purifier et le rendre impropre à une utilisation dans l'industrie alimentaire. Selon un aspect particulier de la présente invention, l'eau de lavage et de refroidissement est une eau naturelle soutirée d'une nappe phréatique par un puits de forage ou directement d'une source ou encore une eau déminéralisée. Si ce gaz n'est pas ensuite purifié par un procédé apte à détruire les bactéries, comme par exemple une forte élévation de température lors d'une oxydation catalytique, il pourra être nécessaire de traiter l'eau de lavage et de refroidissement alimentant la tour gaz-eau pour éliminer les éventuelles bactéries, par exemple exposition à des rayonnements ultraviolets. Ces bactéries peuvent provenir tant de l'air atmosphérique à l'étape (b), que de l'eau d'appoint du circuit d'eau de lavage et de refroidissement. Dans le procédé tel que défini ci-dessus, il se produit lors de l'étape (a), un transfert de chaleur du flux de gaz (Go) vers le flux d'eau (L,), qui induit une baisse de sa température de To à T3 ainsi qu'un transfert des impuretés du flux de gaz (Go) vers le flux d'eau (L,) induisant une légère variation de son débit de part l'entraînement dans de ses impuretés et notamment des impuretés gazeuses telles que l'ammoniac. Il peut y avoir aus- si soit condensation de vapeur d'eau soit vaporisation d'eau, selon l'humidité relative et la température du gaz. Selon un premier aspect particulier du procédé tel que défini ci-dessus, la différence (T5 - T,) est supérieure ou égale à 10 C; elle est plus particulièrement supérieure ou égale à 40 C. Selon un autre aspect particulier du procédé tel que défini précédemment, T, est inférieure ou égale à 35 C. Selon un autre aspect particulier du procédé tel que défini précédemment, To est supérieure ou égale à 45 C. Les nombres d'unité de transfert NUTa et NUTb doivent être suffisants pour per- mettre à la fois un transfert de chaleur efficace et l'entraînement des impuretés du gaz vers l'eau de lavage et de refroidissement et de ladite eau de lavage vers le courant d'air. Dans le procédé tel que défini ci-dessus, NUTa est généralement compris entre 2 et 10, plus particulièrement entre 3 et 8 et NUTb est généralement compris entre 0,5 et 3, plus particulièrement entre 0,7 et 1, 5. Le rapport entre le débit de gaz Do et le débit d'eau de lavage et de refroidissement D, dépend notamment de la solubilité du gaz dans l'eau du taux d'impuretés qu'il contient, des nombres d'unité de transfert et de l'abaissement de température du gaz. Selon un autre aspect particulier du procédé tel que défini ci-dessus, le rapport 5 massique Do/Dl est supérieur ou égal à 0,02 et inférieur ou égal à 1; il est plus particuliè- rement supérieur ou égal à 0,05 et inférieur ou égal à 0,2. Lors de l'étape (b) dudit procédé tel que défini ci-dessus, la plupart des impuretés contenues dans le flux d'eau (L2) sont transférées dans le flux d'air (Ao), ainsi que, selon l'emploi éventuel d'un groupe frigorifique sur l'eau de lavage et de refroidissement, tout ou partie de la quantité de chaleur récupérée lors de l'échange transfert à contre- courant opéré à l'étape (a). Selon un premier aspect particulier du procédé tel que défini ci-dessus, l'étape (a) est précédée d'une étape (ao) de refroidissement du gaz d'une température T'o à la température To. Une telle étape (ao) est par exemple réalisée par apport de frigories au flux de gaz (Go). Selon une première variante de procédé tel que défini précédemment, on introduit lors de l'étape (a), un flux (L",) d'eau d'appoint circulant à un débit D", = D - D', et l'on purge le flux (L',), d'un flux (L"2) circulant à un débit D"2. Selon cette variante, la purge d'une fraction du flux d'eau issu de l'étape (b) a pour objectif de maintenir la concentration en sels de l'eau à un taux acceptable en la remplaçant par un flux (L",) d'eau plus faiblement minéralisée, tout en compensant la différence, positive ou négative, entre l'eau condensée ou vaporisée dans l'étape (a) et l'eau vaporisée dans l'étape (b). Selon un aspect particulier de la variante du procédé tel que définie cidessus, D 1 =D 2 Selon une autre variante du procédé tel que défini précédemment l'étape (b) est suivie d'une étape (b,) de refroidissement du flux d'eau (L'1) ou du flux d'eau (L', - L" 2) pour l'amener à la température T,. Selon un autre aspect particulier de la variante du procédé tel que définie ci-dessus, le débit massique D" l est inférieur à = D 1 / 2; il est de préférence inférieur ou égal à D 1 / 4 et plus particulièrement inférieur ou égal à D1 / 10. Selon une autre variante du procédé tel que défini précédemment, celle-ci comprend un étape (c) de liquéfaction et/ ou de compression du flux de gaz (G1) issu de l'étape (a). Selon un autre aspect particulier de la présente invention, le gaz à purifier est choisi parmi l'azote, l'oxygène ou le gaz carbonique. Le procédé est plus particulièrement adapté à la purification et refroidissement du dioxyde carbone. Le procédé tel que défini précédemment, est particulièrement adaptée à la produc- tion de dioxyde de carbone de qualité conforme aux exigences de l'industrie alimentaire et plus particulièrement de l'industrie des boissons gazeuses. L'invention a aussi pour objet une installation de purification et de refroidissement d'un gaz ou d'un mélange de gaz par contact direct avec une eau dite de lavage et de refroidissement (I), caractérisé en ce qu'elle comprend: (a) - une tour gaz/eau (A), permettant le contact direct du gaz à laver et à refroidir avec une eau de lavage et de refroidissement, munie: (i) d'au moins une entrée (A1) du gaz à refroidir et à purifier en sa partie inférieure, (ii) au moins une sortie (A2) d'eau usée en sa partie inférieure; (iii) d'au moins une entrée (A3) d'eau dite de lavage et de refroidissement, en sa partie supérieure et (iv) d'au moins une sortie (A5) du gaz traité en sa partie supérieure; (b) une tour atmosphérique (A'), permettant le refroidissement et la purification de l'eau usée sortant de la tour gaz/eau par échange thermique et massique avec l'atmos-25 phère, munie: (i) d'au moins une sortie (A'3) d'eau dite de lavage et de refroidissement en sa partie inférieure; (ii) d'au un moyen (P3) apte à accélérer le courant ascendant d'air dans la tour A', placé en amont ou en aval; (c) au moins une ligne de circulation (C1) d'eau apte à permettre le transfert de l'eau de la sortie (A'3) vers l'entrée (A3) ; 2861318 6 (d) au moins une ligne de circulation d'eau (C'1) apte à dériver une partie du flux circulant dans (C1) vers une purge; (e) au moins une ligne de circulation (C2) d'eau apte à permettre le transfert de l'eau de la sortie (A2) vers la bouche de la tour A' ; (f) au moins un moyen de refoulement P1 ou P2 apte à faire circuler les flux d'eau respectivement dans les lignes (C1) et (C2), en fonction de la pression du gaz et des différences de hauteur entre les cuves des deux tours et (g) - au moins une entrée (A4) d'eau dite d'appoint. Les dimensions des tours de lavage et de refroidissement dépendent essentielle- ment de la charge thermique, caractérisée par le volume de gaz à traiter et la différence de température souhaitée sur le gaz, du nombre d'unités de transfert et des caractéristiques des plateaux ou des garnissages (ordonnés ou désordonnés) utilisés. A titre d'exemple non limitatif lorsque l'on souhaite traiter un débit 14000 kg par heure de dioxyde de carbone exprimé en gaz sec, saturé en eau, vers 80 C à une pression voisine de la pression atmosphérique, dans une colonne A utilisant du garnissage désordonné en 5,08 cm (2 pouces) ou 7,62 cm (3 pouces), la colonne A a une hauteur de garnissage comprise entre 3 m et 8 m et un diamètre compris entre 1,5 m et 3 m. Selon un autre mode particulier de l'installation telle que définie précédemment, elle comprend en outre: (h) au moins une ligne de circulation C3 de gaz apte à permettre le transfert du gaz de la sortie (A5) vers la suite de l'installation, le lieu d'utilisation et/ou de conditionnement dudit gaz sous forme gazeuse, liquide ou solide. La figure 1 est une représentation schématique d'une telle installation apte à la mise en oeuvre du procédé et de ses variantes tels que définis précédemment. Selon un autre aspect particulier la tour (A) et/ou la tour (A') contient une ou plu-sieurs sections de plateaux et/ou garnissages permettant d'augmenter le nombre d'unités de transfert. Selon un autre aspect particulier, l'installation I comprend au moins un moyen de refroidissement apte à refroidir le flux d'eau circulant dans la ligne (Cl). Selon un autre aspect particulier, l'installation I comprend au moins un moyen (M) inséré dans la ligne (C1) apte à soumettre le flux (L'l) à une exposition à un rayonnement ultra-violet. Selon un dernier aspect particulier, l'installation telle que définie précédemment, est située sur le site d'utilisation et/ou de conditionnement du gaz sous forme gazeuse, liquide ou solide. Les avantages principaux de l'installation telles que définie ci-dessus sont les sui-vants: - Grâce au contact direct entre l'eau de refroidissement et le gaz à refroidir et à pu- rifler, on obtient une température du gaz au niveau de la sortie (T5) plus faible, que celle obtenue dans une installation de l'état de la technique comportant une tour de simple lavage avec un circuit de refroidissement en amont fermé ou semi-fermé. - La consommation en eau est plus faible que celles des installations de l'état de la technique, en particulier grâce à la récupération de l'eau condensée. 8 Revendications 1. Procédé de refroidissement et d'épuration en continu, d'un gaz comprenant: - une étape (a) de transfert de matière et de chaleur à contre-courant avec un nombre d'unités de transfert NUTa, entre un flux de gaz à refroidir et à purifier (Go) circulant à un débit Do ayant une température égale à To, et une température de saturation adiabatique égale à T5, et un flux d'eau de lavage et de refroidissement (LI) circulant à un débit D1 ayant une température T1 inférieure ou égale à T5, pour produire un flux d'eau sortant (L2) circulant à un débit D2 contenant les impuretés provenant du flux de gaz initial (Go) et ayant une température T2 supérieure ou égale à TI et inférieure ou égale à T5, d'un flux de gaz refroidi et purifié (G1) circulant à un débit D3 et une température égale à T3 inférieure à T5 et supérieure ou égale à TI; - une étape (b) de transfert de matière et de chaleur à contre-courant avec un nombre d'unités de transfert NUTb, entre ledit flux d'eau sortant (L2) issu de l'étape (a) et un flux d'air (Ao) circulant à un débit D4, une température égale à T4 et une température de saturation adiabatique égale à T6 et inférieure à T2, pour produire un flux d'eau purifiée et refroidie (L'1) circulant à un débit D'1 ayant une température T'1 apte à constituer la plus grande partie dudit flux d'eau de lavage et de refroidissement (LI) mis en oeuvre à l'étape (a). Par eau de lavage et de refroidissement, on désigne une eau de qualité suffisante pour ne pas contaminer le gaz à purifier et le rendre impropre à une utilisation dans l'industrie alimentaire. 2. Procédé tel que défini à la revendication 1, dans lequel la différence (T5 - TI) est supérieure ou égale à 10 C et plus particulièrement supérieure ou égale à 40 C. 3. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le rapport massique Do / D I est supérieur ou égal à 0,02 et inférieur ou égal à 1. 4. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape (a) est précédée d'une étape (ao) de refroidissement du gaz d'une température T'o à la température To. 5. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on introduit lors de l'étape (a), un flux (L"1) d'eau d'appoint circulant à un débit D", = D 1 - D', et l'on purge le flux (L'1), d'un flux (L"2) circulant à un débit D"2. 6. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape (b) est suivie d'une étape (b1) de refroidissement du flux d'eau (L'1) ou du flux d'eau (L'1 - L" 2), pour l'amener à la température T1. 7. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un étape (c) de liquéfaction et/ou de compression du flux de gaz (G1) issu de l'étape (a). 8. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 7 dans lequel le gaz à puri- fier et à refroidir est le dioxyde de carbone. 9. Installation de purification et de refroidissement d'un gaz ou d'un mélange de gaz par contact direct avec une eau dite de lavage et de refroidissement (I), caractérisée en ce qu'elle comprend: (a) - une tour gaz/eau (A), permettant le contact direct du gaz à laver et à refroidir avec une eau de lavage et de refroidissement, comportant: (i) au moins une entrée (A1) du gaz à refroidir et à purifier en sa partie infé-rieure; (ii) au moins une sortie (A2) d'eau usée en sa partie inférieure; (iii) au moins une entrée (A3) d'eau dite de lavage et de refroidissement, en sa partie supérieure et (iv) au moins une sortie (A5) du gaz traité en sa partie supérieure; (b) une tour atmosphérique (A'), permettant le refroidissement et la purification de l'eau usée sortant de la tour gaz/eau par échange thermique et massique avec l'atmos-25 phère, comportant: (i) au moins une sortie (A'3) d'eau dite de lavage et de refroidissement en sa partie inférieure et, (ii) au un moyen (P3) apte à accélérer le courant ascendant d'air dans la tour A'; (c) au moins une ligne de circulation (C1) d'eau apte à permettre le transfert de l'eau de la sortie (A'3) vers l'entrée (A3) et 2861318 10 (d) au moins une ligne de circulation d'eau (C'1) apte à dériver une partie du flux circulant dans (C1) vers une purge; (e) au moins une ligne de circulation (C2) d'eau apte à permettre le transfert de l'eau de la sortie (A2) vers la bouche de la tour A' ; (f) au moins un moyen de refoulement Pl ou P2 apte à faire circuler les flux d'eau respectivement dans les lignes (C1) et (C2), en fonction de la pression du gaz et des différences de hauteur entre les cuves des deux tours et (g) - au moins une entrée (A4) d'eau dite d'appoint. 10. Installation telle que définie à la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle 10 comprend en outre (h) au moins une ligne de circulation C3 de gaz apte à permettre le transfert du gaz de la sortie (A5) vers la suite de l'installation, le lieu d'utilisation et/ou de conditionnement dudit gaz sous forme gazeuse, liquide ou solide. 11. Installation telle que définie à l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en 15 ce qu'elle comprend en outre au moins un moyen de refroidissement apte à refroidir le flux d'eau circulant dans la ligne (C1). 12. Installation telle que définie à l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un moyen (M) inséré dans la ligne (C1) apte à soumettre le flux (L'1) à une exposition à un rayonnement ultraviolet.