Brevet FR2971044A1 — publié le 20120803

Le dioxyde de carbone possède une valeur commerciale importante pour un certain nombre d'applications, en particulier dans l'agro-alimentaire. Il se transporte et se vend sous forme liquide à haute pression et très grande pureté. La production de dioxyde de carbone liquide à partir des sources classiques (usine d'ammoniac, usine de bioéthanol) est relativement énergivore et coûteuse en équipement et en installation. Il est donc important de trouver des façons de le produire de manière efficace, économique et respectueuse de l'environnement. L'énergie représentant près de la moitié du coût global de production du dioxyde de carbone, il est très important de trouver des cycles énergétiquement efficaces. Cependant il est également très important de réduire les coûts d'investissements en général et en particulier de simplifier les installations tant que possible pour diminuer les coûts d'installation. Un dernier facteur important est l'utilisation des réfrigérants, souvent soumis à des règlementations liées à l'environnement ou à la sécurité. Les volumes d'ammoniac sont souvent contrôlés et limités or ce réfrigérant est très communément utilisé, les minimiser représente un avantage certain. Cette invention propose un cycle répondant à ces trois critères importants pour une unité de séparation d'un gaz contenant du dioxyde de carbone. Un gaz contenant du dioxyde de carbone contient au moins 500/0 mol. de dioxyde de carbone, ou au moins 700/0 mol. de dioxyde de carbone, voire au moins 800/0 mol. de dioxyde de carbone. Le débit liquide riche en dioxyde de carbone contient au moins 700/0 mol. de dioxyde de carbone, voire au moins 900/0 mol. de dioxyde de carbone. Les puretés mentionnées sont des puretés molaires en base sèche. Aujourd'hui la solution classique consiste à comprimer la source jusqu'à une pression légèrement plus élevée que la pression finale du produit, de laver le CO2 et de le passer sur des lits d'adsorbants pour le séparer d'une partie des impuretés. Après cette épuration dite « chaude », le CO2 est refroidit et condensé à l'aide d'un réfrigérant externe à des températures inférieures à -20°C en général. Dans une boite froide, on retrouve donc plusieurs échangeurs où le dioxyde de carbone se refroidit contre un réfrigérant, ce réfrigérant étant de l'ammoniac en général. Les volumes d'ammoniac mis en jeu peuvent être relativement importants et de nombreux équipements doivent être adaptés à l'utilisation d'ammoniac et on note la présence d'une boite froide dans laquelle circulent de l'ammoniac et du CO2. Pour éviter l'utilisation de réfrigérants, ou du moins en diminuer les volumes, on peut comprimer le CO2 à plus haute pression, permettant alors de condenser, au moins partiellement le CO2 à température ambiante, ou proche de l'ambiante contre un réfrigérant (par exemple R134a) ou simplement contre le l'eau de refroidissement. Après détente du liquide le CO2 amènera tout ou partie du froid nécessaire au sous-refroidissement. US-A-2008173584 décrit un cycle de purification cryogénique du CO2 dans lequel le froid est produit par du CO2 liquide détendu dans la boite froide. Le CO2 en entrée est envoyé gazeux pour le rebouillage d'une colonne à distiller pour purifier le CO2 tout en refroidissant le gaz d'alimentation. Cette idée peut s'avérer intéressante s'il s'agit d'une unité de grande taille pour la capture de CO2 mais elle met en jeu un grand nombre d'équipements qui la rendent pénalisante en termes d'énergie. US-A-2008016035 présente un cycle très simple de réfrigération au CO2 ou le CO2 est condensé à haute pression avant d'être détendu pour produire du liquide froid tout en recyclant le gaz produit lors de la détente. Le cycle décrit n'inclut pas de distillation il ne suffit donc pas pour la production de CO2 marchand (très grande pureté requise). WO-A-2009007936 décrit un procédé de production de CO2 liquide dans lequel le gaz riche en dioxyde de carbone est séparé dans un premier séparateur de phase, le liquide produit étant envoyé à la tête d'une colonne de distillation. Le gaz produit dans le séparateur de phases est liquéfié est envoyé dans un deuxième séparateur de phases et le liquide produit est divisé en deux. Une partie du liquide est envoyée à la colonne et le reste sert à la condensation du gaz du premier séparateur de phase en amont du deuxième séparateur de phases. Le dioxyde de carbone liquéfié est soutiré en cuve de la colonne. Le désavantage de ce système est qu'il faut un échangeur pour assurer le rebouillage de la colonne et un autre pour condenser le gaz du premier séparateur de phases. L'invention propose un cycle de liquéfaction d'un gaz riche en CO2 qui s'applique en particulier à la séparation et liquéfaction d'un gaz riche en CO2 à haute pression (au moins 40 bar abs). Dans le cycle, l'intérêt de la haute pression est qu'une partie du froid est produite par le CO2 (le bout froid). La condensation principale se fera à l'ambiante ou proche de l'ambiante (typiquement 7°C) contre un réfrigérant type R134a par exemple. Ainsi le refroidissement en amont d'un premier séparateur de phases est effectué par le réfrigérant alors que le refroidissement en amont d'un deuxième séparateur de phases est effectué par le dioxyde de carbone lui-même. Le réfrigérant envoyé au premier échangeur est un fluide, autre que l'ammoniac, qui n'est pas envoyé à ou produit par la séparation. La présente invention concerne plus particulièrement un arrangement particulièrement avantageux permettant de limiter le nombre d'échangeurs dans la boite froide, tout en optimisant la consommation énergétique globale du liquéfacteur. Dans cet arrangement, après la première phase de condensation proche de l'ambiante, le gaz est séparé du liquide dans un premier séparateur de phases et introduit dans un échangeur servant de rebouilleur condenseur où le CO2 est encore partiellement condensé, opérant ainsi le rebouillage d'un courant de CO2 dans une colonne à distiller. Le liquide obtenu avant et après cet échangeur est envoyé dans la boite froide vers la colonne à distiller. Ce procédé présente l'avantage de combiner les habituels condenseurs et rebouilleurs présents dans une boite froide de liquéfacteur CO2. La boite froide est ainsi réduite, limitant son volume et son prix (coût d'équipement et d'installation réduits). La solution permet également d'avoir une solution dans laquelle on n'utilise pas de réfrigérant dans la boite froide, tout le refroidissement étant assuré par du CO2 recyclé à l'étape de compression. Ceci est possible à énergie équivalente, ou très proche, d'un cycle classique de liquéfaction avec de l'ammoniac. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un gaz contenant du dioxyde de carbone pour produire un débit liquide riche en dioxyde de carbone dans lequel le gaz est refroidi et partiellement condensé dans un premier échangeur de chaleur, le gaz partiellement condensé est envoyé à un premier séparateur de phases, un liquide du premier séparateur de phases est envoyé à une partie supérieure d'une colonne de distillation, un gaz provenant du premier séparateur de phases est refroidi dans un deuxième échangeur de chaleur et partiellement condensé et envoyé à un deuxième séparateur de phases, le liquide du deuxième séparateur de phases est envoyé à la partie supérieure de la colonne de distillation, un gaz appauvri en dioxyde de carbone est soutiré de la tête de la colonne de distillation et un liquide riche en dioxyde de carbone est soutiré en cuve de la colonne de distillation caractérisé en ce qu'une première partie du liquide riche en dioxyde de carbone constitue le produit liquide du procédé et une deuxième partie du liquide riche en dioxyde de carbone est envoyé au deuxième échangeur où elle se vaporise au moins partiellement avant d'être renvoyée à une partie inférieure de la colonne. Selon d'autres caractéristiques facultatives : - le liquide du premier séparateur de phases et/ou le liquide du deuxième séparateur de phases est détendu dans au moins une vanne en amont de la colonne. - le gaz refroidi dans le premier échangeur est à au moins 40 bars abs. - le gaz refroidi dans le premier échangeur est à au moins 70 bars abs. - le premier échangeur est refroidi au moyen d'un réfrigérant et le gaz partiellement condensé qui y a été refroidi et partiellement condensé est à une température au-dessus de 0°C. - le deuxième échangeur est refroidi, de préférence uniquement, par la deuxième partie de liquide et le gaz qui y a été refroidi et partiellement condensé est à une température en dessous de 0°C. - le gaz du deuxième séparateur de phase est, après récupération éventuelle d'énergie et de chaleur et régénération éventuelle d'adsorbants, 25 envoyé à l'atmosphère. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un gaz contenant du dioxyde de carbone pour produire un liquide riche en dioxyde de carbone comprenant un premier échangeur de chaleur, un premier séparateur de phases, un deuxième échangeur de chaleur, un deuxième 30 séparateur de phases, une colonne de distillation, une conduite pour envoyer le gaz contenant du dioxyde de carbone au premier échangeur de chaleur pour s'y refroidir et s'y condenser partiellement, une conduite pour envoyer le débit partiellement condensé au premier séparateur de phases, une conduite pour envoyer le liquide du premier séparateur de phases à une partie supérieure de la colonne, une conduite pour envoyer le gaz du premier séparateur de phase au deuxième échangeur, une conduite pour envoyer le gaz partiellement condensé dans le deuxième échangeur au deuxième séparateur de phases, une conduite pour envoyer le liquide du deuxième séparateur de phases à la partie supérieure de la colonne, une conduite pour soutirer un gaz de tête de la colonne, une conduite pour soutirer un liquide riche en dioxyde de carbone en tant que produit caractérisé en ce qu'il comprend une conduite pour envoyer du liquide riche en dioxyde de carbone au deuxième échangeur et une conduite pour amener un fluide produit en vaporisant au moins partiellement du liquide riche en dioxyde de carbone du deuxième échangeur vers une partie inférieure de la colonne. Eventuellement : - le deuxième échangeur constitue le seul rebouilleur de la colonne. - le deuxième échangeur se trouve en cuve de la colonne - le premier et/ou le deuxième échangeur est un échangeur de chaleur indirect à plaques et à ailettes - le premier et/ou le deuxième séparateur de phases est un séparateur de phases capable d'effectuer une séparation équivalente à un seul plateau théorique - la conduite pour soutirer un gaz de tête est reliée à l'entrée du premier 20 échangeur, éventuellement à travers des moyens de compression. - l'appareil comprend un compresseur du gaz contenant du dioxyde de carbone relié par une conduite au premier échangeur. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la Figure qui montre un procédé selon l'invention. 25 La Figure 1 illustré un procédé utilisant un compresseur 5, un premier échangeur de chaleur indirect 7, un premier séparateur de phases 9, un deuxième échangeur de chaleur 13, un deuxième séparateur de phases 17 et une colonne de distillation 31 contenant des plateaux ou des garnissages structurés. On notera la présence de seulement deux échangeurs de chaleur. La colonne, le deuxième 30 échangeur de chaleur, le deuxième séparateur de phases et des vannes 23, 27 peuvent être à l'intérieur d'une boite froide 43. Toutefois la présence de la boite froide n'est pas essentielle. Le gaz 1 contient au moins 500/0 de dioxyde de carbone, voire au moins 700/0 de dioxyde de carbone. Le reste du gaz peut être composé d'azote, d'oxygène, d'argon ou d'autres impuretés légères. Typiquement le gaz 1 peut provenir d'un appareil d'oxycombustion. Le gaz 1 est à 20 bars bas et est comprimé à 45 bars abs dans un compresseur 5. Si le gaz est disponible à plus haute pression, le compresseur 5 ne sera pas nécessaire. Le gaz sous pression est éventuellement soumis à plusieurs étapes de purification incluant par exemple un séchage par adsorption. Cette purification éventuelle peut également avoir lieu pour totalité ou en partie aux inter-étages de compression. Le gaz comprimé dans le compresseur 5 est refroidi dans l'échangeur de chaleur 7 jusqu'à une température de 7°C et donc se trouve partiellement condensé. De préférence le gaz est condensé à environ 900/0. Le refroidissement s'effectue par échange de chaleur indirect avec un réfrigérant 29 de type R134a. Le gaz partiellement condensé est envoyé au premier séparateur de phases 9 où il est séparé en un gaz 11 et un liquide 25. Le liquide 25 est envoyé à la boite froide puis détendu jusqu'à 20 bars abs dans une vanne 27 avant d'être envoyé en tête de la colonne 31. Le gaz 11 rentre dans la boite froide 43 et est envoyé au deuxième échangeur 13 où il est refroidi jusqu'à -10°C, s'y trouvant partiellement condensé de nouveau en tant que débit 15. Le débit 15 est envoyé au deuxième séparateur de phases 17. Le gaz 19 du deuxième séparateur de phases est, après récupération éventuelle d'énergie et de chaleur et régénération éventuelle d'adsorbants, envoyé à l'atmosphère. Le liquide 21 provenant du deuxième séparateur de phases 17 est détendu dans une vanne 23 jusqu'à une pression de 20 bars abs dans la conduite et est envoyé en tête de la colonne 31. Ainsi la boite froide 43, si elle existe, ne contient que la colonne 31, l'échangeur 13, le séparateur de phases 17 et les vannes 23, 27 en plus de conduites d'amenée de fluides et peut être particulièrement compacte. Un gaz de tête 33 dépourvu en dioxyde de carbone et enrichi en composant léger est soutiré de la colonne 31 et envoyé par une conduite en amont du compresseur 5. Le liquide de cuve 35 de la colonne 31 est divisé en deux ; une partie 39 constitue le produit du procédé riche en dioxyde de carbone, contenant au moins 700/0 mol. de dioxyde de carbone, voire au moins 900/0 mol. de dioxyde de carbone. Cette partie 39 sort de la boite froide 43 sous forme liquide. Le reste 37 est envoyé à une température de -19°C au deuxième échangeur 13 qui ne reçoit que les deux fluides 11 et 37. Là le liquide 37 se vaporise au moins partiellement et est envoyé en cuve de la colonne 31. Ainsi le deuxième échangeur 13 constitue le rebouilleur de cuve de la colonne 31. Le procédé pourrait également être avantageux à une pression plus élevée (typiquement supérieur ou égale à 70 bar abs) et où la condensation principale dans le premier échangeur 7 serait effectuée contre un réfrigérant 29 constitué, par exemple, par de l'eau de refroidissement. Sinon le premier échangeur 7 peut être un aéroréfrigérant, permettant de transférer de l'énergie thermique du gaz contenant du dioxyde de carbone vers l'air extérieur. L'aéroréfrigérant est composé d'une surface d'échange et d'un moyen de ventilation, le gaz à refroidir passant dans des tubes et l'air extérieur passant autour des tubes qui sont munis d'ailettes pour augmenter le coefficient d'échange thermique. Par exemple, la surface d'échange peut être composée de tubes en cuivre et d'ailettes en aluminium, avec des groupes moteurs-ventilateurs pour assurer la circulation de l'air et l'évacuation de la chaleur. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'un gaz contenant du dioxyde de carbone pour produire un débit liquide riche en dioxyde de carbone dans lequel le gaz est refroidi et partiellement condensé dans un premier échangeur de chaleur (7), le gaz partiellement condensé est envoyé à un premier séparateur de phases (9), un liquide du premier séparateur de phases est envoyé à une partie supérieure d'une colonne de distillation (31), un gaz provenant du premier séparateur de phases est refroidi dans un deuxième échangeur de chaleur (13) et partiellement condensé et envoyé à un deuxième séparateur de phases (17), le liquide du deuxième séparateur de phases est envoyé à la partie supérieure de la colonne de distillation, un gaz appauvri en dioxyde de carbone est soutiré de la tête de la colonne de distillation et un liquide riche en dioxyde de carbone est soutiré en cuve de la colonne de distillation caractérisé en ce qu'une première partie (39) du liquide riche en dioxyde de carbone constitue le produit liquide du procédé et une deuxième partie (37) du liquide riche en dioxyde de carbone est envoyé au deuxième échangeur où elle se vaporise au moins partiellement avant d'être renvoyée à une partie inférieure de la colonne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le liquide du premier séparateur de phases (9) et/ou le liquide du deuxième séparateur de phases (17) est détendu dans au moins une vanne en amont de la colonne (31). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz refroidi dans le premier échangeur (7) est à au moins 40 bars abs. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur (7) est refroidi au moyen d'un réfrigérant (29) et le gaz partiellement condensé qui y a été refroidi et partiellement condensé est à une température au-dessus de 0°C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le deuxième échangeur (13) est refroidi, de préférence uniquement, par la deuxième partie de liquide et le gaz qui y a été refroidi et partiellement condensé est à une température en dessous de 0°C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz du deuxième séparateur de phase (17) est, après récupération éventuelle d'énergie et de chaleur et régénération éventuelle d'adsorbants, envoyé à l'atmosphère. 7. Appareil de séparation d'un gaz contenant du dioxyde de carbone pour produire un liquide riche en dioxyde de carbone comprenant un premier échangeur de chaleur (7), un premier séparateur de phases (9), un deuxième échangeur de chaleur (13), un deuxième séparateur de phases (17), une colonne de distillation (31), une conduite pour envoyer le gaz contenant du dioxyde de carbone au premier échangeur de chaleur pour s'y refroidir et s'y condenser partiellement, une conduite pour envoyer le débit partiellement condensé au premier séparateur de phases, une conduite pour envoyer le liquide du premier séparateur de phases à une partie supérieure de la colonne, une conduite pour envoyer le gaz du premier séparateur de phase au deuxième échangeur, une conduite pour envoyer le gaz partiellement condensé dans le deuxième échangeur au deuxième séparateur de phases, une conduite pour envoyer le liquide du deuxième séparateur de phases à la partie supérieure de la colonne, une conduite pour soutirer un gaz de tête de la colonne, une conduite pour soutirer un liquide riche en dioxyde de carbone en tant que produit caractérisé en ce qu'il comprend une conduite pour envoyer du liquide riche en dioxyde de carbone au deuxième échangeur et une conduite pour amener un fluide produit en vaporisant au moins partiellement du liquide riche en dioxyde de carbone du deuxième échangeur vers une partie inférieure de la colonne. 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel le deuxième échangeur (13) constitue le seul rebouilleur de la colonne. 9. Appareil selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel la conduite pour soutirer un gaz de tête est reliée à l'entrée du premier échangeur (7), éventuellement à travers des moyens de compression (5). 10. Appareil selon l'une des revendications 7, 8 ou 9 comprenant un compresseur du gaz (5) contenant du dioxyde de carbone relié par une conduite au premier échangeur (7).