Brevet FR2884307A1 — publié le 20061013

La présente invention est relative à un procédé et une installation de refroidissement d'eau. II est connu de refroidir de l'eau par échange de chaleur et de matière dans des tours de refroidissement par échange de chaleur avec de l'air ou avec s de l'azote résiduaire sec provenant d'un appareil de séparation d'air. La présente invention vise à utiliser un gaz sec provenant d'un appareil d'adsorption pour refroidir de l'eau. Dans ce document, l'unité cryogénique est une unité où le gaz à séparer est refroidi à une température en dessous de -10 C et subit ensuite au moins io une étape de condensation partielle. L'unité peut par exemple être un liquéfacteur ou un appareil de distillation. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de refroidissement d'eau dans lequel un débit d'eau est refroidi dans une tour d'échange de matière et de chaleur alimentée en cuve par un gaz sec dans lequel on soutire de l'eau refroidie en cuve de la tour caractérisé en ce que le gaz sec est appauvri en un constituant et provient d'une unité d'adsorption de type VPSA, VSA ou PSA qui produit un gaz enrichi en ce constituant. Le terme VPSA correspond à Vacuum Pressure Swing Adsorption (ou adsorption à variation de pression et de vide), le terme VSA à Vacuum Swing 20 Adsorption (ou adsorption à variation de vide), et le terme PSA à Pressure Swing Adsorption (ou adsorption à variation de pression). Selon d'autres caractéristiques facultatives: - l'unité d'adsorption est alimentée par un gaz contenant du CO2 et produit un gaz enrichi en CO2 et un gaz appauvri en CO2 qui est envoyé à la 25 tour de refroidissement; le gaz enrichi en CO2 est séparé par condensation partielle dans une unité cryogénique pour produire un débit riche en CO2, le gaz appauvri en CO2 est détendu dans une turbine de détente en amont de l'unité cryogénique et ensuite sert à transférer des frigories à l'unité cryogénique en amont de la tour de refroidissement; - on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 destiné à la turbine; 2 2884307 - on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant l'unité d'adsorption; - on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la s tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz enrichi en CO2 quittant l'unité d'adsorption ou après compression avant les sécheurs de l'unité cryogénique; - on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un io refroidisseur où il refroidit de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation; -l'unité d'adsorption est une unité de type VSA alimentée par un gaz contenant de l'oxygène et produit un gaz enrichi en oxygène et un gaz appauvri en oxygène qui est envoyé à la tour de refroidissement ou est une unité de type PSA alimentée par un gaz contenant de l'hydrogène et produit un gaz enrichi en hydrogène et un gaz appauvri en hydrogène qui est envoyé à la tour de refroidissement. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de refroidissement d'eau dans lequel un débit d'eau est refroidi dans une tour d'échange de matière et de chaleur alimentée en cuve par un gaz sec dans lequel on soutire de l'eau refroidie en cuve de la tour caractérisé en ce que le gaz sec est appauvri en CO2 et provient d'une unité cryogénique traitant un fluide riche en CO2 contenant plus de 50% mol. CO2 en entrée. Selon d'autres caractéristiques facultatives: - on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 en amont d'une turbine ou de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation; le fluide riche en CO2 provient d'une unité d'adsorption, on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le 3 2884307 gaz alimentant l'unité d'adsorption ou le gaz enrichi en CO2 quittant l'unité d'adsorption ou après compression avant les sécheurs de l'unité cryogénique. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de refroidissement d'eau comprenant une tour d'échange de matière et de chaleur, des moyens pour alimenter la tour en cuve par un gaz sec et en tête par de l'eau, des moyens pour soutirer de l'eau refroidie en cuve de la tour caractérisé en ce qu'il comprend une unité d'adsorption de type VPSA, VSA ou PSA qui produit un gaz enrichi en un constituant un gaz sec appauvri en ce constituant et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz sec à la tour. io Selon d'autres aspects facultatifs, l'appareil comprend: - des moyens pour alimenter l'unité d'adsorption par un gaz contenant du CO2 et des moyens pour envoyer un gaz appauvri en CO2 de l'unité d'adsorption à la tour de refroidissement; - une unité cryogénique, des moyens pour envoyer le gaz enrichi en CO2 à l'unité cryogénique pour produire un débit riche en CO2, le gaz appauvri en CO2 est détendu dans une turbine de détente en amont de l'unité cryogénique et ensuite sert à transférer des frigories à l'unité cryogénique en amont de la tour de refroidissement; - des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 destiné à la turbine; - des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant l'unité d'adsorption. - des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz enrichi en CO2 quittant l'unité d'adsorption ou après compression avant les sécheurs d'une unité cryogénique; - des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit de l'air en amont d'un sécheur, l'air 4 2884307 séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation; - l'unité d'adsorption est une unité de type VSA alimentée par un gaz contenant de l'oxygène et produit un gaz enrichi en oxygène et un gaz appauvri en oxygène qui est envoyé à la tour de refroidissement ou est une unité de type PSA alimentée par un gaz contenant de l'hydrogène et produit un gaz enrichi en hydrogène et un gaz appauvri en hydrogène qui est envoyé à la tour de refroidissement. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de io refroidissement d'eau comprenant une tour d'échange de matière et de chaleur alimentée en cuve par un gaz sec et en tête par un débit d'eau à refroidir et produisant de l'eau refroidie en cuve caractérisé en ce que le gaz sec est appauvri en CO2 et provient d'une unité cryogénique traitant un fluide riche en CO2 contenant plus de 50% mol. CO2 en entrée. Selon d'autres aspects de l'invention, il est prévu: - des moyens pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 en amont d'une turbine ou de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation; - des moyens pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant une unité d'adsorption ou le gaz enrichi en CO2 quittant une unité d'adsorption. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. Les 25 Figures 1,2 et 3 sont des dessins schématiques illustrant des exemples de procédés selon l'invention. La Figure 1 montre une unité d'adsorption de type VPSA (ou VSA ou PSA) 3 alimentée par un gaz à traiter 1. Le gaz à traiter contient entre 10 et 60 % de CO2, mélangé avec au moins un autre gaz pouvant être l'azote, le monoxyde de carbone, l'hydrogène, l'oxygène, le méthane, l'argon, la vapeur d'eau. Ce gaz est à une pression entre 1 et 10 bars. L'unité 3 produit un gaz appauvri en CO2 5 et un gaz. enrichi en CO2 7. Le gaz 7 enrichi en CO2 contient entre 50 et 95 % de CO2. Dans la Figure 1, 2884307 l'unité d'adsorption est de type VPSA (ou VSA ou PSA) 3 comprenant entre autres: des adsorbeurs - un système de vannes ainsi qu'éventuellement - des pompes à vide (s'il s'agit d'un VPSA ou VSA) un compresseur du gaz à traiter 1 une capacité de gaz enrichi en CO2 4 - une capacité de gaz appauvri en CO2 io Eventuellement le gaz enrichi en CO2 peut être séparé ultérieurement dans une unité cryogénique 9 ou par un autre type de séparation pour fournir un débit riche en CO215 et un débit pauvre en CO2 13. Le gaz appauvri en CO2 5 sert à refroidir de l'eau, étant envoyé en cuve d'une tour de réfrigération 25 alimentée en tête par de l'eau 23. Cette tour de is réfrigération contient des garnissages de type ondulé-croisé ou vrac (du type anneau par exemple) permettant l'échange de chaleur et de masse, de manière connue. De l'eau plus froide 27 est produite en cuve comme produit. Le gaz appauvri en CO2 humidifié 29 est extrait en haut de la tour 25. Dans l'exemple, l'unité d'adsorption est alimentée par un débit contenant au moins 50% mol. de CO2 pour produire un débit enrichi en CO2. Or d'autres types d'unité d'adsorption peuvent alimenter la tour de refroidissement à condition que le gaz produit soit sec. Par exemple, l'unité 3 peut être remplacée par un VSA produisant de l'oxygène à partir de l'air où le gaz appauvri en oxygène sera le gaz 5 ou un PSA produisant de l'hydrogène où le gaz appauvri en hydrogène sera le gaz 5. Dans la figure 2, l'installation diffère de celle de la Figure 1 en ce que le débit appauvri en CO2 5 est détendu dans une turbine 15. Cette turbine 15 amène au moins une partie de sa puissance frigorifique à l'unité cryogénique 9 en envoyant le débit détendu à un échangeur de l'unité (non-illustré). Le gaz détendu 5 est envoyé à la tour de réfrigération et sert à refroidir de l'eau 23 alimentant la tête de la tour 29. Au moins une partie de l'eau ainsi refroidie peut par exemple être utilisée pour refroidir le gaz à détendre 5 en amont de la turbine 15. Dans la figure le 6 2884307 débit 27 soutiré en cuve de la tour 25 est pompé dans une pompe 31 et envoyé au refroidisseur 17. La Figure 3 montre une unité d'adsorption de type VPSA (ou VSA ou PSA) 3 alimentée par un gaz à traiter 1. Le gaz à traiter contient entre 10 et 60 % de CO2, mélangé avec au moins un autre gaz pouvant être l'azote, le monoxyde de carbone, l'hydrogène, l'oxygène, le méthane, l'argon, la vapeur d'eau. Ce gaz est à une pression entre 1 et 10 bara. L'unité 3 produit un gaz appauvri en CO2 5 et un gaz enrichi en CO2 7. Le gaz 7 enrichi en CO2 contient entre 50 et 95 % de CO2. Dans la Figure 1, io l'unité d'adsorption est de type VPSA (ou VSA ou PSA) 3 comprenant entre autres: - des adsorbeurs un système de vannes - des pompes à vide (s'il s'agit d'un PSA) ainsi qu'éventuellement des pompes à vide (s'il s'agit d'un VPSA ou VSA) un compresseur du gaz à traiter 1 une capacité de gaz enrichi en CO2 4 une capacité de gaz appauvri en CO2 Le gaz enrichi en CO2 est séparé ultérieurement dans une unité cryogénique 9 opérant par au moins une étape de condensation partielle pour fournir un débit riche en CO2 15 et un débit pauvre en CO2 13. Le gaz pauvre en CO2 13 sert à refroidir de l'eau, étant envoyé en cuve d'une tour de réfrigération 25 alimentée en tête par de l'eau 23. Cette tour de réfrigération contient des garnissages de type ondulé-croisé ou vrac (du type anneau par exemple) permettant l'échange de chaleur et de masse, de manière connue. De l'eau plus froide 27 est produite en cuve comme produit. Le gaz appauvri en CO2 humidifié 29 est extrait en haut de la tour 25. Evidemment les figures 1 et 3 peuvent être combinées en envoyant tout ou une partie des débits 5 et 13 à la tour de réfrigération. REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement d'eau dans lequel un débit d'eau est refroidi dans une tour d'échange de matière et de chaleur alimentée en cuve par un gaz sec dans lequel on soutire de l'eau refroidie en cuve de la tour caractérisé en ce que le gaz sec est appauvri en un constituant et provient d'une unité d'adsorption de type VPSA, VSA ou PSA qui produit un gaz enrichi en ce constituant. ro 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'unité d'adsorption est alimentée par un gaz contenant du CO2 et produit un gaz enrichi en CO2 et un gaz appauvri en CO2 qui est envoyé à la tour de refroidissement. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le gaz enrichi en CO2 est séparé par condensation partielle dans une unité cryogénique pour produire un débit riche en CO2, et éventuellement le gaz appauvri en CO2 est détendu dans une turbine de détente en amont de l'unité cryogénique et ensuite sert à transférer des frigories à l'unité cryogénique en amont de la tour de refroidissement. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 destiné à la turbine. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4 dans lequel on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant l'unité d'adsorption. 6. Procédé selon la revendication 3, 4 ou 5 dans lequel on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz enrichi en CO2 quittant l'unité d'adsorption ou après compression avant les sécheurs de l'unité cryogénique. 7. Procédé selon la revendication 3, 4, 5 ou 6 dans lequel on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation. io 8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7 dans lequel au moins une partie du gaz enrichi en CO2 est séparé ensuite dans une unité cryogénique produisant un débit riche en CO2 et un débit pauvre en CO2 et au moins une partie du débit pauvre en CO2 est envoyé à une (la) tour de refroidissement d'eau. 9. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'unité d'adsorption est une unité de type VSA alimentée par un gaz contenant de l'oxygène et produit un gaz enrichi en oxygène et un gaz appauvri en oxygène qui est envoyé à la tour de refroidissement ou est une unité de type PSA alimentée par un gaz contenant de l'hydrogène et produit un gaz enrichi en hydrogène et un gaz appauvri en hydrogène qui est envoyé à la tour de refroidissement. 10. Procédé de refroidissement d'eau dans lequel un débit d'eau est refroidi dans une tour d'échange de matière et de chaleur alimentée en cuve par un gaz sec dans lequel on soutire de l'eau refroidie en cuve de la tour caractérisé en ce que le gaz sec est appauvri en CO2 et provient d'une unité cryogénique traitant un fluide riche en CO2 contenant plus de 50% mol. CO2 en entrée. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 en amont d'une turbine ou de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation. 12. Procédé selon la revendication 10 dans lequel le fluide riche en CO2 provient d'une unité d'adsorption, on soutire un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et on envoie au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant l'unité d'adsorption ou le gaz enrichi en CO2 quittant l'unité d'adsorption ou après compression avant les sécheurs de l'unité cryogénique. i0 13. Appareil de refroidissement d'eau comprenant une tour d'échange de matière et de chaleur, des moyens pour alimenter la tour en cuve par un gaz sec et en tête par de l'eau, des moyens pour soutirer de l'eau refroidie en cuve de la tour caractérisé en ce qu'il comprend une unité d'adsorption de type VPSA, VSA ou PSA qui produit un gaz enrichi en un constituant un gaz sec appauvri en ce constituant et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz sec à la tour. 14. Appareil selon la revendication 13 comprenant des moyens pour alimenter l'unité d'adsorption par un gaz contenant du CO2 et des moyens pour envoyer un gaz appauvri en CO2 de l'unité d'adsorption à la tour de refroidissement. 15. Appareil selon la revendication 14 comprenant une unité cryogénique, des moyens pour envoyer le gaz enrichi en CO2 à l'unité cryogénique pour produire un débit riche en CO2, le gaz appauvri en CO2 est détendu dans une turbine de détente en amont de l'unité cryogénique et ensuite sert à transférer des frigories à l'unité cryogénique en amont de la tour de refroidissement. 16. Appareil selon la revendication 13, 14 ou 15 comprenant des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 destiné à la turbine. 17. Appareil selon la revendication 13, 14, 15 ou 16 comprenant des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant l'unité d'adsorption. 18. Appareil selon l'une des revendications 13 à 17 comprenant des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un io refroidisseur où il refroidit le gaz enrichi en CO2 quittant l'unité d'adsorption ou après compression avant les sécheurs d'une unité cryogénique. 19. Appareil selon l'une des revendications 13 à 18 comprenant des moyens pour soutirer un gaz contenant du CO2 et de la vapeur d'eau en tête de la tour et pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation. 20. Appareil selon la revendication 13 dans laquelle l'unité d'adsorption est une unité de type VSA alimentée par un gaz contenant de l'oxygène et produit un gaz enrichi en oxygène et un gaz appauvri en oxygène qui est envoyé à la tour de refroidissement ou est une unité de type PSA alimentée par un gaz contenant de l'hydrogène et produit un gaz enrichi en hydrogène et un gaz appauvri en hydrogène qui est envoyé à la tour de refroidissement. 21. Appareil de refroidissement d'eau comprenant une tour d'échange de matière et de chaleur alimentée en cuve par un gaz sec et en tête par un débit d'eau à refroidir et produisant de l'eau refroidie en cuve caractérisé en ce que le gaz sec est appauvri en CO2 et provient d'une unité cryogénique traitant un fluide riche en CO2 contenant plus de 50% mol. CO2 en entrée. 22. Appareil selon la revendication 21 comprenant des moyens pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz appauvri en CO2 en amont d'une turbine ou de l'air en amont d'un sécheur, l'air séché étant destiné à un compresseur pour fournir de l'air comprimé, éventuellement à un appareil de distillation. 23. Appareil selon la revendication 21 ou 22 comprenant des moyens pour envoyer au moins une partie de l'eau refroidie dans la tour à un refroidisseur où il refroidit le gaz alimentant une unité d'adsorption ou le gaz enrichi en CO2 quittant une unité d'adsorption. io