Brevet FR2982168A1 — publié le 20130510

La présente invention concerne un procédé et appareil de séparation d'un gaz riche en dioxyde de carbone par distillation. Il est connu de séparer un mélange contenant du dioxyde de carbone comme un des composants principaux par distillation. Un gaz riche en dioxyde de carbone peut comprendre au moins 50% de dioxyde de carbone, voire au moins 70% de dioxyde de carbone, et même au moins 90% de dioxyde de carbone. Tous les pourcentages dans ce document concernant des puretés sont des pourcentages volumiques à base sèche. Le restant du gaz peut comprendre au moins un des gaz suivants : de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane. Le mélange peut provenir d'un procédé d'oxycombustion dans lequel un mélange d'oxygène et de carburant brûle dans une chaudière pour produire un gaz résiduaire, dont le gaz à séparer de l'invention constitue au moins une partie, produite après épuration. Quand il est demandé de produire du CO2 à haute pureté (>90%v, de préférence >95%v et plus spécifiquement >99%v), une colonne de distillation du CO2 s'avère nécessaire. Le CO2 liquide (ou diphasique) partiellement purifié par séchage, condensation partielle est distillé contre du CO2 gazeux pur. Ce CO2 pur introduit en cuve de colonne pour assurer la purification du liquide peut provenir du compresseur de CO2 purifié de l'unité. Dans ce cas, il est nécessaire de disposer du CO2 à plus haute pression ou à la même pression que celle de la colonne (la pression de la colonne étant entre 6 et 70 bars, plus particulièrement entre 10 et 16 bars). Toutes les pressions mentionnées dans ce document sont des pressions absolues. La plupart des procédés de ce genre utilisant de la distillation pour purifier le mélange utilisent une colonne de distillation dont la cuve est chauffée par le mélange à distiller. Dans le cas de US-A-3498067, DE-A-3639779 et JP-A-56077673 le mélange est envoyé dans la colonne et pour les documents FR-A-2934170, EP-A-1953486, US20020059807, US-A-3130026, WO-A-2006054008, WO-A-2007126972, EP-A-0965564, EP-A-0994318, le liquide de cuve se vaporise contre le mélange dans un échangeur dédié, séparé d'un autre échangeur plus grand qui sert à refroidir le mélange. EP 1953486 et EP 2002190 divulguent le concept du rebouillage de la colonne de distillation par l'utilisation d'une partie de la chaleur apportée par le gaz d'alimentation. FR-A-2934170 décrit l'usage du gaz produit, enrichi en dioxyde de carbone, pour rebouillir la colonne. La présente invention consiste à prélever le CO2 nécessaire pour le rebouillage de la colonne sur la production de 002, en aval de la boite froide. La vapeur directement injectée dans la cuve de la colonne de distillation sera ainsi issue de la compression finale ou du cycle CO2 ou de tout autre compresseur de CO2 purifié. Différents procédés sont alors envisageables. On peut prélever le CO2 gazeux avant qu'il n'atteigne sa pression finale, c'est-à-dire en inter-étage de compresseur, par exemple dans le cas d'un compresseur multi étagé. On peut renvoyer ce CO2 directement dans la colonne. Plus la pression à laquelle le CO2 est comprimé est élevée, plus la détente permettra de refroidir le gaz utile au rebouillage de la colonne. Il est donc possible de choisir la pression du CO2 à la sortie du compresseur permettant de disposer du CO2 à la plus haute pression, ce qui permet de bénéficier de la plus grande détente. En effet, la détente de ce CO2 permet d'apporter des frigories, notamment dans une turbine. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un gaz riche en dioxyde de carbone par distillation dans lequel : i) on refroidit le gaz riche en dioxyde de carbone dans un échangeur de chaleur et on l'envoie dans une colonne de distillation, ii) on soutire un gaz appauvri en dioxyde de carbone de la tête de la colonne et un liquide enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne, iii) on comprime un gaz enrichi en dioxyde de carbone dans un compresseur jusqu'à une première pression, iv) on détend au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone provenant du compresseur depuis à la première pression jusqu'à une deuxième pression plus basse que la première pression, par exemple la pression de la colonne, et on utilise le gaz détendu pour chauffer la cuve de la colonne. Selon d'autres aspects facultatifs : - on produit au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone en vaporisant au moins une partie du liquide enrichi en dioxyde de carbone soutiré de la colonne. - le gaz provient au moins partiellement d'une source extérieure. - au moins une partie du gaz détendu est envoyée à la colonne. - au moins une partie du gaz détendu est envoyée à un vaporiseur de cuve de la colonne pour chauffer une partie du liquide de cuve de la colonne. - on comprime une deuxième partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone dans le compresseur jusqu'à une troisième pression, plus élevée que la première 15 pression. - au moins une partie du gaz à la troisième pression constitue un produit du procédé. - au moins une partie du gaz du compresseur constitue un gaz de cycle de réfrigération du procédé et est ensuite condensée, refroidie, détendue, réchauffée et 20 renvoyée au compresseur. - la deuxième pression est plus élevée que celle de la colonne d'au moins 1 bar ou plus basse que celle de la colonne. - la troisième pression est entre 50 et 200 bars. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un 25 gaz riche en dioxyde de carbone par distillation comprenant un échangeur de chaleur, une colonne de distillation, des moyens pour envoyer le gaz riche en dioxyde de carbone se liquéfier au moins partiellement dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le fluide au moins partiellement liquéfié de l'échangeur de chaleur vers la colonne, des moyens pour soutirer un gaz appauvri en dioxyde de 30 carbone de la tête de la colonne, des moyens pour soutirer un liquide enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne, un compresseur, des moyens pour envoyer un gaz enrichi en dioxyde de carbone au compresseur, un moyen de détente, des moyens pour envoyer le gaz enrichi en dioxyde de carbone à une première pression du compresseur au moyen de détente pour le détendre jusqu'à une deuxième pression et des moyens de détente à la colonne ou à un vaporiseur permettant de vaporiser un liquide de cuve de la colonne. Il est aussi possible d'utiliser un échangeur dédié qui fera office de rebouilleur. On vaporise alors le CO2 issu de la cuve de la colonne contre du CO2 issu de la compression finale ou du cycle CO2 ou de tout autre compresseur de 002. Ce CO2 est alors refroidi voire condensé, en fonction de sa pression et de sa température. L'avantage d'avoir un échangeur dédié est de ne pas mélanger le CO2 du procédé avec le CO2 d'un groupe froid dans le cas d'un liquéfacteur par exemple. Le CO2 ainsi refroidi peut être utilisé soit gazeux et froid soit être directement liquéfié dans le rebouilleur pour une utilisation ultérieure dans le procédé ou un autre procédé. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, qui montrent des appareils selon l'invention. Dans la Figure 1, un appareil d'oxycombustion 1 (ou une autre source) produit des fumées qui sont épurées pour produire un gaz riche en dioxyde de carbone, contenant au moins 50%, voire au moins 70% de dioxyde de carbone. Le gaz 2 contient au moins une autre impureté, par exemple de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ou du méthane. Le gaz 2 est au moins partiellement liquéfié dans un échangeur de chaleur 3 pour produire un fluide 4 qui est envoyé en tête d'une colonne de distillation 5. Là il se sépare pour former un gaz de tête 6 enrichi en au moins un des composés suivants : de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ou du méthane. Le gaz 6 est appauvri en dioxyde de carbone. Le liquide de cuve 7 est appauvri en au moins des composés suivants : de l'azote, de l'oxygène, de l'argon, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone ou du méthane. Le liquide 7 enrichi en dioxyde de carbone contient au moins 60% de dioxyde de carbone, de préférence au moins 70% de dioxyde de carbone et est envoyé à un stockage 9. Le liquide 11 soutiré du stockage peut servir de produit. Selon une variante de l'invention, comme montré en pointillés, le liquide 7 est envoyé par la conduite 13 au vaporiseur 15 pour former un gaz. Ce gaz est comprimé dans un compresseur 17 constitué de un, plus vraisemblablement quatre ou six à huit étages, 17A, 17B, 17C, 17D, 17E, 17F. Le gaz comprimé dans tous les étages est un produit gazeux 19 à une troisième pression de 50 bars à 200 bars selon les applications. Le gaz 21 comprimé dans les trois premières étages 17A, 17B, 17C est détendu d'une première pression à une deuxième pression dans une vanne 23, puis refroidi dans l'échangeur 3 et injecté directement dans la cuve de la colonne 5. La 10 vanne 23 peut également se trouver en aval de l'échangeur 3. Le gaz 21 peut en alternatif être refroidi dans un échangeur qui n'est pas l'échangeur 3. Il est même possible d'envoyer le gaz dans la colonne à la température de sortie de l'étage du compresseur. 15 La colonne 5 opère à entre 6 et 70 bars, plus particulièrement entre 10 et 16 bars. Dans la Figure 2, on voit que le gaz 21 peut être le gaz 21A dérivé en aval de l'étage 17A, le gaz 21B en aval de l'étage 17B, le gaz 21C dérivé en aval de l'étage 17C, dérivé en aval de l'étage 17D, le gaz 21E dérivé en aval de l'étage 17 E ou le 20 gaz dérivé en aval de l'étage 17F. De même, la vanne 23 peut être remplacée par une turbine 25 en amont ou en aval du refroidissement avant la rentrée dans la colonne. Dans la Figure 3, la différence avec la Figure 2 est que le gaz détendu dans la vanne 23 jusqu'à la deuxième colonne n'est pas envoyé dans la colonne mais à un 25 vaporiseur 31 à l'extérieur de la colonne. Le vaporiseur 31 est également alimenté par du liquide 26 de cuve de la colonne 5. Le liquide vaporisé est renvoyé à la colonne. Le gaz 21 envoyé au vaporiseur est liquéfié pour former le liquide 29 pour une utilisation ultérieure dans le procédé ou un autre procédé. Le compresseur 17, ou certains étages de celui-ci, peut constituer un 30 compresseur de cycle de l'appareil. Le gaz comprimé dans le compresseur 17 peut être du liquide 11 vaporisé entièrement ou en partie. Sinon une partie ou tout le gaz peut provenir d'une source extérieure par exemple une canalisation ou un autre appareil. Pour tous les exemples, la pression de la colonne 5 peut varier entre 6 bars et 70bars a et peut contenir des garnissages structurés ou des plateaux. Le gaz 21 qui sert au rebouillage peut être à la pression de la colonne, dans le cas d'injection directe, comme illustré aux Figures 1 et 2. Sinon le gaz envoyé au rebouilleur externe 31 peut être à plus haute pression que la pression de la colonne (rebouillage externe et condensation) soit à plus basse pression (rebouillage externe sur chaleur sensible uniquement. Ainsi la deuxième pression peut être plus basse ou plus élevée que la pression de la colonne, sinon identique à la pression de la colonne. Si la deuxième pression est plus élevée que la pression de la colonne, elle est au moins 1 bar plus élevée que celle de la colonne. La pression de la colonne est conventionnellement celle mesurée au milieu de la colonne.15 REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'un gaz riche en dioxyde de carbone par distillation dans lequel : i) on refroidit le gaz riche en dioxyde de carbone dans un échangeur de chaleur (3) et on l'envoie dans une colonne de distillation (5), ii) on soutire un gaz (6) appauvri en dioxyde de carbone de la tête de la colonne et un liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne, iii) on comprime un gaz enrichi en dioxyde de carbone dans un compresseur (17) jusqu'à une première pression, iv) on détend au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone provenant du compresseur depuis à la première pression jusqu'à une deuxième pression plus basse que la première pression, par exemple la pression de la colonne, et on utilise le gaz détendu pour chauffer la cuve de la colonne. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on produit au moins une partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone en vaporisant au moins une partie du liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone soutiré de la colonne. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz provient au moins partiellement d'une source extérieure. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du gaz détendu est envoyée à la colonne (5). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du gaz détendu est envoyée à un vaporiseur de cuve (31) de la colonne pour chauffer une partie du liquide de cuve de la colonne.30 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on comprime une deuxième partie du gaz enrichi en dioxyde de carbone dans le compresseur (17) jusqu'à une troisième pression, plus élevée que la première pression. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel au moins une partie du gaz (19) à la troisième pression constitue un produit du procédé. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie du gaz du compresseur constitue un gaz de cycle de réfrigération du procédé et est ensuite condensée, refroidie, détendue, réchauffée et renvoyée au compresseur. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la deuxième pression est plus élevée que celle de la colonne d'au moins 1 bar ou plus basse que celle de la colonne. 10. Appareil de séparation d'un gaz riche en dioxyde de carbone par distillation comprenant un échangeur de chaleur (3), une colonne de distillation (5), des moyens pour envoyer le gaz riche en dioxyde de carbone se liquéfier au moins partiellement dans l'échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le fluide au moins partiellement liquéfié de l'échangeur de chaleur vers la colonne, des moyens pour soutirer un gaz (6) appauvri en dioxyde de carbone de la tête de la colonne, des moyens pour soutirer un liquide (7) enrichi en dioxyde de carbone de la cuve de la colonne, un compresseur (17), des moyens pour envoyer un gaz enrichi en dioxyde de carbone au compresseur, un moyen de détente (23, 25), des moyens pour envoyer le gaz enrichi en dioxyde de carbone à une première pression du compresseur au moyen de détente pour le détendre jusqu'à une deuxième pression et des moyens de détente à la colonne ou à un vaporiseur (31) permettant de vaporiser un liquide de cuve de la colonne.