Brevet FR2953914A1 — publié le 20110617

La présente invention s'applique aux procédés et aux appareils de séparation et/ou purification de dioxyde de carbone. Ces procédés peuvent être, par exemple, dédiés soit à de la séquestration, de l'EOR (Enhanced Oil Recovery), ou toute autre application dédiée à la réduction des émissions de dioxyde de carbone. Les unités de séparation et purification de dioxyde de carbone comprennent généralement les étapes suivantes, dans l'ordre : • prétraitement du gaz à traiter consistant à ôter totalement ou partiellement les impuretés (SON, NON, Hg, H2O, ...) io ^ compression du gaz à traiter • séparation et purification du gaz à traiter afin d'en ôter les lourds (NO2, SO2,...), ou les légers (02, N2, Ar, CH4, H2, NO, ...) soit par condensation partielle et/ou par distillation. • vaporisation du CO2 ainsi produit à des différents niveaux de 15 pression afin d'assurer le bilan thermique de l'unité • compression des différentes fractions de CO2 ainsi obtenu par un compresseur de produit afin de l'emmener à sa pression finale. Dans certains cas une pompe peut être utilisée pour monter la pression à des valeurs supérieures à 100 bara, en série avec la compression de produit. 20 Un procédé comprenant ces étapes est décrit dans WO-A-07/126972. La problématique de ce genre de cycle qui doit traiter un fluide impur, et qui utilise pour assurer le bilan thermique de l'unité un corps pur, est la relative inefficacité énergétique lié au diagramme d'échange. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un 25 mélange ayant comme composants principaux du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz, dans lequel le mélange se refroidit dans un échangeur et est envoyé à une colonne de distillation où il se sépare pour former un gaz de tête et un liquide de cuve, le liquide de cuve est pressurisé par au moins une pompe et réchauffé dans l'échangeur et vaporisé soit dans l'échangeur soit en 30 aval de l'échangeur pour former un gaz de production, le gaz de tête est réchauffé dans l'échangeur et détendu dans au moins une turbine et une partie des frigories pour le procédé sont fournies par un circuit frigorifique où circule un réfrigérant mixte afin de refroidir l'échangeur. Eventuellement : - le gaz de tête se détend dans au moins deux turbines connectées en série, étant réchauffé entre les turbines ; - le liquide de cuve après avoir été réchauffé dans l'échangeur est 5 pressurisé par une pompe ; - chacun des au moins deux corps du réfrigérant mixte est choisi dans les groupes suivants : a) des hydrocarbures b) des halogeno-carbonés io c) azote, oxygène, argon ou d) CO2, CO, H2 - la pompe en aval de l'échangeur pressurise le liquide de cuve à une pression égale ou supérieure à la pression critique de ce liquide. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation 15 d'un mélange ayant comme composants principaux du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz, comprenant un échangeur, une colonne de distillation, une conduite pour envoyer le mélange se refroidir dans l'échangeur, une conduite pour envoyé le mélange refroidi à la colonne de distillation, une pompe pour pressuriser le liquide de cuve de la colonne en amont de l'échangeur, une 20 conduite pour envoyer le liquide pressurisé de la pompe à l'échangeur, une conduite pour envoyer un gaz de tête à se réchauffer dans l'échangeur, une conduite pour envoyer le gaz de tête réchauffé dans au moins une turbine et un circuit frigorifique où circule un réfrigérant mixte afin de refroidir l'échangeur. Eventuellement, l'appareil comprend : 25 - au moins deux turbines connectées en série et des moyens pour y envoyer le gaz de tête, les turbines étant reliées à l'échangeur ; - une deuxième pompe et des moyens pour envoyer le liquide de cuve de l'échangeur à la deuxième pompe. L'invention consiste à utiliser un fluide adapté à la nature du gaz à traiter 30 pour obtenir un diagramme d'échange minimisant les inefficacités, d'y associer une succession de turbines de renvoi pour valoriser l'énergie contenu dans les incondensables, et produire ainsi le CO2 sous pression uniquement par pompe (soit en un seul étage jusqu'à la pression finale, soit par succession de pompes dont une pompe froide amenant le CO2 à une pression supérieure à sa pression critique, mais généralement en dessous de 100 bars, et d'une pompe chaude allant jusqu'à sa pression finale. Ainsi, puisque l'on traite un fluide impur, on assure le bilan thermique de l'unité d'au moyen d'un corps impur. Le fluide utilisé ainsi pour assurer le cycle frigorifique est un réfrigérant mixte, qui peut être constitué d'au moins deux corps purs, chacun des corps pouvant peuvent appartenir à famille : • des hydrocarbures • des halogeno-carbonés • des gaz de l'air (azote, oxygène, argon) ou io le CO2, CO, H2. L'avantage de ce type de cycle est une amélioration notable de l'efficacité. Pour un cas étudié, un appareil de séparation et purification de dioxyde de carbone dont le bilan frigorifique était assuré par un fluide pur 'en 15 l'occurrence du CO2) avait une énergie spécifique de 183 kW/t de CO2 produit. L'invention a une énergie spécifique de 150 kW/t de CO2 produit, soit 18 0/0 d'amélioration. Les diagrammes d'échange ci-dessous illustrent la différence en les deux solutions, la figure 2 illustrant l'échange de chaleur dans l'échangeur pour 20 l'invention et la figure 3 illustrant l'échange de chaleur dans l'échangeur pour l'art antérieur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure 1 qui illustre un appareil de séparation selon l'invention. Un débit 10 contenant principalement du dioxyde de carbone, de l'azote 25 et de l'oxygène est comprimé dans un compresseur 1 et refroidi dans un échangeur de chaleur 3. Le débit refroidi est envoyé en cuve d'une colonne de distillation 4. Ici le débit se sépare pour former un gaz de tête enrichi en oxygène et azote et un débit de cuve enrichi en dioxyde de carbone. Le débit de cuve est pressurisé par une pompe 5 à la pression de production et le 30 liquide se vaporise dans l'échangeur 3 pour former un produit gazeux riche en dioxyde de carbone 13. Alternativement la pompe 5 peut être une première pompe qui amène le liquide à une pression supérieure ou égale à sa pression critique mais en dessous de 100 bars, une deuxième pompe 5A étant prévue pour amener le liquide à sa pression élevée d'usage. Le gaz de tête se réchauffe également dans l'échangeur 3 pour former un débit réchauffé 11 qui se détend dans une turbine 7 qui entraîne un générateur. Le gaz détendu est réchauffé dans l'échangeur 3 pour former un débit détendu réchauffé 12. Le débit 12 est détendu dans une turbine 6 entraînant un générateur jusqu'à la pression atmosphérique. Les frigories pour le procédé sont produites par cette double détente dans les turbines 6,7 mais aussi par un circuit frigorifique dans lequel se détend lo un mélange d'au moins deux corps purs constituant un réfrigérant mixte. Le réfrigérant mixte 15 est comprimé dans un compresseur 2, partiellement refroidi dans la partie plus chaude de l'échangeur 3 pour le liquéfier, détendu dans une vanne 8, envoyé au bout froid de l'échangeur 3, réchauffé jusqu'au bout chaud et renvoyé au compresseur 2. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'un mélange ayant comme composants principaux du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz, dans lequel le mélange se refroidit dans un échangeur (3) et est envoyé à une colonne de distillation (4) où il se sépare pour former un gaz de tête et un liquide de cuve, le liquide de cuve est pressurisé par au moins une pompe (5) et réchauffé dans l'échangeur et vaporisé soit dans l'échangeur soit en aval de l'échangeur pour former un gaz de production, le gaz de tête est réchauffé dans l'échangeur et io détendu dans au moins une turbine (6,7) et une partie des frigories pour le procédé sont fournies par un circuit frigorifique où circule un réfrigérant mixte afin de refroidir l'échangeur. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz de tête se 15 détend dans au moins deux turbines (6,7) connectées en série, étant réchauffé entre les turbines. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le liquide de cuve après avoir été réchauffé dans l'échangeur est pressurisé par une pompe (5A). 20 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel chacun des au moins deux corps du réfrigérant mixte est choisi dans les groupes suivants : a) des hydrocarbures b) des halogeno-carbonés 25 c) azote, oxygène, argon ou d) CO2, CO, H2 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la pompe en aval de l'échangeur pressurise le liquide de cuve à une pression 30 égale ou supérieure à la pression critique de ce liquide. 6. Appareil de séparation d'un mélange ayant comme composants principaux du dioxyde de carbone et au moins un autre gaz, comprenant un échangeur (3), une colonne de distillation (4), une conduite pour envoyer lemélange se refroidir dans l' échangeur, une conduite pour envoyé le mélange refroidi à la colonne de distillation, une pompe pour pressuriser le liquide de cuve de la colonne en amont de l'échangeur, une conduite pour envoyer le liquide pressurisé de la pompe à l'échangeur, une conduite pour envoyer un gaz de tête à se réchauffer dans l'échangeur, une conduite pour envoyer le gaz de tête réchauffé dans au moins une turbine (6,7) et un circuit frigorifique où circule un réfrigérant mixte afin de refroidir l'échangeur. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant au moins deux io turbines (6,7) connectées en série, des moyens pour y envoyer le gaz de tête, les turbines étant reliées à l'échangeur. 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7 comprenant une deuxième pompe (5A) et des moyens pour envoyer le liquide de cuve de l'échangeur à la 15 deuxième pompe.