Brevet FR2952710A1 — publié le 20110520

La présente invention est relative à un appareil et à un procédé de refroidissement et/ou d'épuration d'un gaz par lavage, par exemple à l'eau. Il est connu de refroidir un débit de gaz comprimé en l'envoyant dans une première tour de refroidissement par contact direct avec un liquide (par exemple de l'eau) à une première pression. Le liquide chauffé est ensuite refroidi à une deuxième pression, plus basse que la première pression, dans une deuxième tour de refroidissement, pressurisé et renvoyé à la tour de refroidissement. Ces détentes et pressurisations successives représentent une perte io d'énergie considérable. Toutes les pressions mentionnées sont des pressions absolues. Sur une unité de séparation d'air (ASU) typique, l'air est comprimé à 6 bar et doit être séché (dessiccation et décarbonation), étape rendue nécessaire par les conditions cryogéniques du procédé de séparation aval. 15 Cette opération de séchage se fait grâce à une unité d'adsorption dont la taille dépend fortement de la température d'air en entrée (non seulement le phénomène d'adsorption est favorisé à basse température mais également la quantité d'eau à stopper est plus faible, l'air étant saturé en tous les cas). De façon à réduire significativement la taille de cette unité d'adsorption, on a 20 intérêt à pré-refroidir l'air en amont de l'unité de purification. La meilleure solution consiste à utiliser un échangeur à contact direct, typiquement une tour air-eau, dans laquelle l'air à refroidir est mis en contact contre-courant par du garnissage avec de l'eau ruisselante. L'eau issue de cette colonne est généralement refroidie (partiellement ou totalement) dans une tour eau-azote 25 qui fonctionne de façon similaire, sauf que cette fois, l'azote résiduaire sec provenant de l'ASU se charge en humidité tout en refroidissant l'air. Les écarts de températures air-eau peuvent ainsi être très faibles. Dans un tel système, l'eau fait un cycle : elle est alternativement pompée à 6 bar pour alimenter la tour air-eau, et détendue entre 1 bar et 2 bar 30 pour passer dans la tour eau-azote (voir Figure 1). Le système peut comporter deux étages de refroidissement de l'air : dans ce cas, le premier étage refroidit l'air chaud directement issu d'une étape de compression contre de l'eau d'un circuit ouvert (typiquement refroidie par un système classique de tour atmosphérique). De manière similaire, l'eau doit être amenée à la pression du procédé et détendue après réchauffement. La problématique se pose donc également dans ce cas. Avec de l'air à 6 bar, l'intérêt de récupérer l'énergie de l'eau sous pression est modéré, cependant pour les ASUs sur lesquels l'air est comprimé à 10 ou 20 bar, l'énergie de pompage de l'eau à 10 ou 20 bar grève l'économie liée au système et on utilise généralement d'autres technologies de pré-refroidissement. Un échangeur de pression est un dispositif qui permet de transférer la io pression d'un premier fluide sous pression à un deuxième fluide à pression inférieure, de sorte que le deuxième fluide soit amené à une pression plus élevée voisine de celle du premier en entrée, après passage dans le dispositif. Des exemples d'échangeurs de pression se trouvent dans la classe européenne de l'Office Européen des Brevets F04H 13/00. 15 De préférence, les deux fluides ne sont pas en contact direct, mais il est généralement acceptable qu'il y ait quelques fuites dans le dispositif qui font que chaque fluide est légèrement contaminé par l'autre. Pour un certain type d'échangeur de pression, l'échange d'énergie entre deux fluides incompressibles se fait directement par effet piston, la force 20 résultant de la pression du fluide dont on cherche à récupérer l'énergie étant transférée directement au fluide à comprimer, avec ou sans contact entre les fluides, sans l'intermédiaire d'un arbre en rotation. Une technologie utilisant ce mode d'échange de pression est décrite dans WO-A-09/046429. Cette technologie utilise un contact direct entre les 25 deux fluides dans un barillet tournant pour transmettre la pression du fluide haute pression au fluide à pomper. Au cours de la rotation et dans une première étape, une cellule du barillet contenant le fluide à comprimer se trouve mise en communication à une extrémité avec l'entrée du fluide haute pression et à l'autre extrémité avec la sortie du fluide à comprimer. Dans cette 30 première étape, le fluide à comprimer est repoussé vers la sortie par le fluide haute pression. Au cours d'une seconde étape, la rotation du barillet met l'extrémité de cette cellule avec une sortie d'évacuation et l'extrémité avec l'entrée du fluide à comprimer de telle façon que le fluide haute pression présent dans la cellule se trouve décomprimé et repoussé vers la sortie par le fluide à comprimer. Le cycle peut recommencer. La complexité de cette technologie réside dans plusieurs problématiques : synchronisation de la rotation avec les admissions et échappements de fluide pour que l'interface entre les deux fluides reste dans le barillet, grande vitesse de rotation et faible temps de contact pour éviter le mélange entre les fluides, étanchéité entre le barillet et les chambres d'admission et d'échappement. Les procédés de lavage par absorption, tels qu'en particulier les procédés de lavage des gaz acides, par exemple du dioxyde de carbone ou io H2S (lavage aux amines, Rectisol ®, Selexol ®...) utilisent généralement deux colonnes : une colonne d'absorption qui permet l'épuration par lavage du gaz à traiter et une colonne de régénération qui permet d'évacuer les gaz absorbés par la solution de lavage. Cette dernière colonne fonctionne à plus basse température et à plus basse pression. 15 Selon un objet de l'invention il est prévu un procédé de refroidissement et/ou d'épuration d'un gaz par lavage dans lequel : i) le gaz est envoyé dans une première unité de refroidissement et/ou d'épuration par contact direct ; ii) un premier liquide sous une première pression est envoyé dans la 20 première unité ; iii) un gaz refroidi et/ou épuré sort de la première unité ; iv) un deuxième liquide sort de la première unité substantiellement à la première pression ; caractérisé en ce que, tout ou partie du premier liquide est envoyé à un 25 échangeur de pression à une pression d'entrée, en sort à plus haute pression que cette pression d'entrée, et subit ensuite au moins une éventuelle étape de traitement additionnelle, en amont de la première unité et en ce qu'après au moins une éventuelle étape de traitement additionnelle en aval de la première unité, tout ou une partie du deuxième liquide est envoyé à l'échangeur de 30 pression à une pression d'entrée et en sort à plus basse pression que cette pression d'entrée. La pression à laquelle le premier liquide rentre dans l'échangeur de pression est de préférence plus basse que la pression à laquelle le deuxième liquide entre dans l'échangeur de pression. La pression à laquelle le premier liquide sort de l'échangeur de pression est de préférence plus élevée que la pression à laquelle le deuxième liquide sort de l'échangeur de pression. La pression à laquelle le premier liquide sort de la première unité est de préférence substantiellement égale à la première pression. Eventuellement une étape de pompage peut être nécessaire pour l'amener à la première pression io et éventuellement pour vaincre la pression hydrostatique. L'étape de traitement peut être une étape de refroidissement, de réchauffage, de pompage (pour compenser les pertes de charge, vaincre la pression hydrostatique, etc). Selon d'autres aspects facultatifs : 15 - tout ou partie du deuxième liquide, sortant de l'échangeur de pression est envoyé dans une unité de traitement fonctionnant à une deuxième pression inférieure à la première pression et dans lequel tout ou partie du premier liquide provient de cette unité de traitement ; - le deuxième liquide sortant de l'échangeur de pression est à la 20 deuxième pression ou est amené à la deuxième pression par pompage ; - le gaz à refroidir est de l'air, la première unité est une première tour de refroidissement et éventuellement d'épuration, le premier et deuxième liquide est de l'eau ; - l'unité de traitement est une deuxième tour de refroidissement par 25 contact direct alimentée en bas par de l'azote froid ; - dans un procédé de refroidissement d'air selon la revendication, le gaz refroidi dans la première tour est envoyé à une installation de séparation d'air par distillation cryogénique, et, le cas échéant, de l'azote provenant de l'installation est envoyé à la deuxième tour ; 30 - le gaz à épurer contient du méthane ainsi que du H2S et/ou du dioxyde de carbone, la première unité est une tour d'épuration en H2S, le premier et deuxième liquide a pour constituant principal au moins un amine, l'unité de traitement est une unité de régénération, le deuxième liquide étant plus chargé en impuretés (H2S et/ou dioxyde de carbone) que le premier liquide ; - le gaz à refroidir et/ou à épurer est à au moins 10 bars abs. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de refroidissement et/ou d'épuration d'un gaz par lavage comprenant une première unité de refroidissement et/ou de lavage, des moyens pour envoyer le gaz à la première unité, des moyens pour sortir le gaz épuré et/ou refroidi de la première unité et des moyens pour envoyer un premier liquide à la première unité caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de pression, des moyens io pour envoyer le premier liquide depuis l'échangeur de pression à la première unité et des moyens pour envoyer un deuxième liquide de la première unité à l'échangeur de pression. Eventuellement l'appareil comprend : - une unité de traitement, des moyens pour envoyer tout ou partie du 15 deuxième liquide de l'échangeur de pression à l'unité de traitement et des moyens pour envoyer tout ou partie du premier liquide de l'unité de traitement à l'échangeur de pression ; - l'échangeur de pression est du type qui fonctionne par effet de piston pour récupérer la pression du deuxième liquide et transférer l'énergie au 20 premier liquide, avec ou sans contact entre les premier et deuxième liquides, sans l'intermédiaire d'un arbre en rotation ; - l'unité de traitement est une tour de régénération ; - l'unité de traitement une deuxième tour de refroidissement. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de 25 séparation d'air comprenant un appareil de refroidissement d'air tel que décrit ci-dessus, une installation de séparation par distillation cryogénique, des moyens pour envoyer à l'installation l'air refroidi par l'appareil de refroidissement, et dans le cas où l'unité de traitement est constituée par une deuxième tour de refroidissement, des moyens pour envoyer un gaz froid de 30 l'installation à la deuxième tour de refroidissement. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui montrent trois procédés selon l'invention. Dans la Figure 1, le procédé est un procédé de refroidissement d'un gaz, par exemple de l'air destiné à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Un débit de gaz comprimé 3 provenant d'un compresseur (non-illustré) et se trouve à une pression d'au moins 6 bars abs, de préférence d'au moins 10 bars abs voire d'au moins 20 bars abs. Le gaz se trouve à une pression élevée et est envoyé en cuve d'une première tour 1 de lavage par contact direct pour épuration et/ou refroidissement. Cette tour est alimentée en haut par un premier liquide 19 qui peut être de l'eau. Le gaz refroidi 5 sort en haut de la tour et est dans le cas de io l'air peut être envoyé à une unité d'épuration pour le sécher et l'épurer en dioxyde de carbone, être refroidi et puis envoyé à un appareil de séparation d'air produisant de l'azote gazeux et éventuellement d'autres produits. Un deuxième liquide 7 (éventuellement de l'eau) réchauffé est soutiré en cuve de la tour. Ce deuxième liquide 7 peut éventuellement comprendre des impuretés 15 contenues dans l'air 3. Le deuxième liquide 7 est envoyé à un échangeur de pression 11 à une première pression substantiellement égale à la pression d'opération de la tour 1. En amont de l'échangeur de pression, il peut subir au moins un traitement dans un dispositif B, par exemple pompage, refroidissement, etc. Un débit 20 partiel 7A du liquide peut être envoyé à un autre usage. Dans l'échangeur de pression, la pression du deuxième liquide 7 est réduite à une troisième pression inférieure à la première pression et égale ou supérieure à une deuxième pression. Le deuxième liquide dépressurisé 9 en aval de l'échangeur de pression 11 est ensuite sorti de l'appareil d'épuration et/ou de 25 refroidissement. Un troisième liquide constitué éventuellement par de l'eau 17 est envoyé à l'échangeur de pression 11 où sa pression remonte à une quatrième pression, supérieure à la deuxième pression et égale ou inférieure à la première pression. L'usage d'une pompe ou autre traitement dans le dispositif 30 A peut être nécessaire par exemple dans le cas du pompage pour remonter le troisième liquide à la première pression. Ainsi pressurisé, le troisième liquide constitue le premier liquide 19 envoyé en tête de la tour 1. Eventuellement un débit 19A peut être rajouté au débit 19 en amont de la tour 1. Dans la Figure 2, le procédé est un procédé de refroidissement d'air destiné à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique. Un débit d'air comprimé 3 provenant d'un compresseur (non-illustré) et se trouve à une pression d'au moins 6 bars abs, de préférence d'au moins 10 bars abs voire d'au moins 20 bars abs. L'air se trouve à une pression élevée et est envoyé en cuve d'une première tour 1 de lavage à l'eau par contact direct. Cette tour est alimentée en haut par un premier liquide 19 qui est de l'eau. L'air refroidi 5 sort en haut de la tour et est envoyé à une unité d'épuration pour le sécher et l'épurer en dioxyde io de carbone, est refroidi et puis envoyé à un appareil de séparation d'air produisant de l'azote gazeux et éventuellement d'autres produits. De l'eau réchauffée constituant un deuxième liquide 7 est soutirée en cuve de la tour. Ce deuxième liquide 7 peut éventuellement comprendre des impuretés contenues dans l'air 3. 15 Le deuxième liquide 7 est envoyé à un échangeur de pression 11 à une première pression substantiellement égale à la pression d'opération de la tour 1. Dans l'échangeur de pression, la pression du deuxième liquide 7 est réduite à une troisième pression inférieure à la première pression et égale ou supérieure à une deuxième pression. Le deuxième liquide dépressurisé 9 en 20 aval de l'échangeur de pression 11 est ensuite envoyé en tête d'une deuxième tour de contact direct 2 éventuellement après être détendu à la deuxième pression dans une vanne 63, le cas échéant. La deuxième tour 2 opère substantiellement à la deuxième pression. Alimentée en bas par un débit d'azote gazeux 13 à basse température provenant de l'appareil de séparation 25 d'air à travers une vanne 15, la tour 2 sert à refroidir le premier liquide 9. Un troisième liquide constitué par de l'eau refroidie 17 est soutiré en cuve de la deuxième tour 2 à la deuxième pression, qui est proche de la pression atmosphérique. Il est envoyé à l'échangeur de pression 11 où sa pression remonte à une quatrième pression, supérieure à la deuxième pression 30 et égale ou inférieure à la première pression. L'usage d'une pompe P1 peut être nécessaire pour remonter le troisième liquide à la première pression. Ainsi pressurisé, le troisième liquide constitue le premier liquide 19 envoyé en tête de la tour 1. Dans la Figure 3 est représenté un procédé de lavage aux amines pour traiter un gaz contenant du H2S. Le gaz 1 est du gaz naturel contenant du H2S et/ou du dioxyde de carbone est envoyé à une tour d'épuration 1 en dessous du plateau le plus bas. Le gaz 1 est épuré en H2S et/ou en dioxyde de carbone par contact direct avec un débit d'amines 19 sous forme liquide pour produire un gaz appauvri en H2S 5 en tête de la tour 1. La température dans cette tour 1 est entre 35 et 50°C et la pression est entre 5 et 205 bars absolus. Un liquide 7 chargé en impuretés (H2S et/ou en dioxyde de carbone) est io soutiré de la cuve et se trouve à la pression de la tour, donc entre 5 et 205 bars, cette pression étant la première pression. Le débit est réglé par une vanne 51. Le liquide 7 à la première pression est envoyé à un échangeur de pression 11 d'où il sort à une pression réduite par rapport à la première pression, cette pression réduite étant la troisième pression. La troisième 15 pression peut être supérieure ou égale à la deuxième pression qui est la pression d'opération d'une tour de régénération d'amines 2. Le liquide 9 provenant de l'échangeur de pression à la troisième pression est éventuellement détendu dans une vanne 63 jusqu'à la deuxième pression. La tour de régénération 2 comprend un condenseur de tête 41 20 alimentant un séparateur de phases 43. Le gaz de tête 23 de la tour 2 se condense dans le condenseur 41 et le gaz formé 47 contenant le H2S et/ou le CO2 est produit. Le liquide condensé 45 est pressurisé dans une pompe P3 pour être renvoyé en tête de la tour 2 comme reflux 49. En cuve de la tour de régénération 2 il y a un rebouilleur 33 chauffé par 25 de la vapeur d'eau 31 qui en sort condensé comme débit 35. Le liquide 37 de cuve de la tour se chauffe dans le rebouilleur 33 pour former de la vapeur 39 qui est renvoyée à la tour 2. Le liquide non-vaporisé 17 constitue le troisième liquide et est envoyé à l'échangeur de pression 11 à la deuxième pression, entre 1,4 et 1,7 bars abs en cuve de la deuxième tour 2. Le troisième liquide 17 30 est pressurisé dans l'échangeur de pression jusqu'à une quatrième pression, supérieure à la deuxième pression mais inférieure ou égale à la première pression. Pour amener le liquide pressurisé 19 jusqu'à la première pression, une pompe P1 peut être utilisée. Ainsi le liquide pressurisé 19 peut servir de premier liquide de lavage dans la première tour 1. Le liquide peut être refroidi par un refroidisseur en aval de la pompe P1. Dans les cas des deux figures, il peut y avoir une légère contamination du premier liquide par le deuxième liquide et vice versa, de sorte que la composition du liquide 7 ne soit pas exactement la même que celle du liquide 9 et la composition du liquide 17 ne soit pas exactement la même que celle du liquide 19. En conséquence, si on peut récupérer de manière efficace l'énergie de la solution de lavage haute pression sortant de la colonne d'absorption pour io pomper la solution provenant de la colonne de régénération, l'économie du procédé s'en trouvera améliorée. Les échangeurs de pression entre deux fluides incompressibles dont il est question dans ce document sont ceux pour lesquels l'échange d'énergie entre les deux fluides incompressibles se fait directement par effet piston, la 15 force résultant de la pression du fluide dont on cherche à récupérer l'énergie étant transférée directement au fluide à comprimer, avec ou sans contact entre les fluides, sans l'intermédiaire d'un arbre en rotation. Plusieurs variantes sont possibles : • présence de membranes ou pistons coulissants séparant les fluides 20 • capacités fixes alimentées alternativement par les fluides, par exemple à l'aide de vannes rotatives Les échangeurs de pression entre deux fluides incompressibles dont il est question dans ce document peuvent donc être du type à barillet rotatif ainsi que décrit dans la demande de brevet mentionnée ci-dessus ou d'un type 25 différent répondant au principe général mentionné ci-dessus. L'invention permet, entre autres, d'améliorer l'économie des procédés suivants (en particulier) : - Appliquée au refroidissement d'air sous pression : o ASUs à procédé booster froid ou chaud, dont l'air est comprimé 30 à 18 bar environ o ASUs haute pression - Appliquée aux procédés de lavage par absorption : o Lavage aux amines en amont d'une séparation cryogénique H2/CO o RECTISOL REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement et/ou d'épuration d'un gaz par lavage dans lequel : s i) le gaz est envoyé dans une première unité de refroidissement et/ou d'épuration par contact direct (1) ; ii) un premier liquide (17,19) sous une première pression est envoyé dans la première unité ; iii) un gaz refroidi et/ou épuré sort de la premiere unité ; io iv) un deuxième liquide (7,9) sort de la première unité substantiellement à la première pression ; caractérisé en ce que, tout ou partie du premier liquide (17,19) est envoyé à un échangeur de pression (11) à une pression d'entrée, en sort à plus haute pression que la pression d'entrée, et subit ensuite au moins une is éventuelle étape de traitement additionnelle, en amont de la première unité et en ce que tout ou une partie du deuxième liquide est envoyé à l'échangeur de pression à une pression d'entrée et en sort à plus basse pression que cette pression d'entrée. 20 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout ou partie du deuxième liquide, sortant de l'échangeur de pression est envoyé dans une unité de traitement (2) fonctionnant à une deuxième pression inférieure à la première pression et dans lequel tout ou partie du premier liquide provient de cette unité de traitement. 25 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz à refroidir est de l'air, la première unité (1) est une première tour de refroidissement et éventuellement d'épuration, le premier et deuxième liquide est de l'eau. 30 4. Procédé selon les revendication 2 et 3 dans lequel l'unité de traitement est une deuxième tour de refroidissement par contact direct (2) alimentée en bas par de l'azote froid. 5. Procédé de séparation d'air comprenant un procédé de refroidissement d'air selon la revendication 3 ou 4 et dans lequel le gaz refroidi dans la première tour est envoyé à une installation de séparation d'air par distillation cryogénique, et, le cas échéant, de l'azote provenant de l'installation est envoyé à la deuxième tour. 6. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le gaz à épurer contient du méthane ainsi que du H2S et/ou du dioxyde de carbone, la première io unité est une tour d'épuration en H2S, le premier et deuxième liquide a pour constituant principal au moins un amine, l'unité de traitement est une unité de régénération, le deuxième liquide étant plus chargé en impuretés (H2S et/ou dioxyde de carbone) que le premier liquide. 15 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le gaz à refroidir et/ou à épurer est à au moins 10 bars abs. 8. Appareil de refroidissement et/ou d'épuration d'un gaz par lavage comprenant une première unité de refroidissement et/ou d'épuration par lavage 20 (1), des moyens (3) pour envoyer le gaz à la première unité, des moyens (5) pour sortir le gaz épuré et/ou refroidi de la première unité, des moyens pour envoyer un premier liquide (17,19) à la première unité caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de pression (11), des moyens pour envoyer le premier liquide (17,19) depuis l'échangeur de pression à la première unité et des 25 moyens pour envoyer un deuxième liquide (7,9) de la première unité à l'échangeur de pression. 9. Appareil selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comprend une unité de traitement (2), des moyens pour envoyer tout ou partie du 30 deuxième liquide (7,9) de l'échangeur de pression à l'unité de traitement et des moyens pour envoyer tout ou partie du premier liquide (17,19) de l'unité de traitement à l'échangeur de pression. 10. Appareil selon la revendication 8 ou 9 dans lequel l'échangeur de pression (11) est du type qui fonctionne par effet de piston pour récupérer la pression du deuxième liquide et transférer l'énergie au premier liquide, avec ou sans contact entre les premier et deuxième liquides, sans l'intermédiaire d'un arbre en rotation. 11. Appareil selon la revendication 9 ou 10 dans lequel l'unité de traitement (2) est une tour de régénération. io 12. Appareil selon la revendication 9 ou 10 dans lequel l'unité de traitement (2) est une deuxième tour de refroidissement. 13. Appareil de séparation d'air comprenant un appareil de refroidissement d'air selon la revendication 9 ou 10 et 12, une installation de 15 séparation par distillation cryogénique, des moyens pour envoyer à l'installation l'air refroidi par l'appareil de refroidissement, et des moyens pour envoyer un gaz froid de l'installation à la deuxième tour de refroidissement.