Brevet FR2979336A1 — publié le 20130301

Procédé et installation de production de dioxyde de carbone sous forme solide. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé et une installation de production de dioxyde de carbone sous forme solide à partir de dioxyde de carbone sous forme liquide, par exemple sous forme de glace ou de neige. TECHNIQUE ANTÉRIEURE La production de dioxyde de carbone sous forme solide à partir de la forme liquide est connue depuis de nombreuses années. Le dioxyde de carbone, appelé aussi gaz carbonique et de formule CO2 se trouve sous forme gazeuse aux conditions atmosphériques normales. Il est rendu liquide après compression et refroidissement. Il peut ainsi être stocké relativement facilement dans des réservoirs sous pression et éventuellement refroidis. Une température basse peut également être maintenue en laissant échapper une petite part de gaz dont l'évaporation absorbe de la chaleur. Couramment, le dioxyde de carbone est stocké à 20 bars, soit à une température de l'ordre de 250K à 260K. On utilise en particulier le dioxyde de carbone sous forme solide comme vecteur de froid à basse température. Pour cela on produit de la glace carbonique que l'on stocke dans des caissons isolés et que l'on utilise à la demande en déposant la glace là où le froid doit être produit ou maintenu. On utilise également cette glace comme média dans des opérations de nettoyage avec des jets à moyenne pression. On utilise également le dioxyde de carbone pour produire un froid intense très rapidement, en particulier pour la surgélation de produits alimentaires. Le document EP 792 837 Al montre une installation de ce type. Du dioxyde de carbone sous forme liquide est injecté dans une trompe à l'intérieur d'un tunnel. Une fraction du dioxyde de carbone se transforme sous forme solide et l'autre fraction sous forme gazeuse, du fait de la baisse de pression. La fraction gazeuse est rejetée dans l'atmosphère. Pour améliorer le rendement de la transformation, c'est-à-dire la proportion de fraction solide obtenue par unité de dioxyde de carbone liquide, il est proposé de réaliser une première détente à un niveau de pression intermédiaire afin d'abaisser la température du liquide. Une fraction gazeuse est récupérée et recyclée vers le réservoir par un compresseur et un condenseur. Cependant, la fraction gazeuse qui s'échappe du tunnel emporte avec elle des frigories qui sont perdues. Le document FR 664 665 montre une installation de production de glace carbonique. Une conduite d'alimentation en dioxyde de carbone sous forme liquide passe par un échangeur et un refroidisseur, puis débouche par une trompe pour injecter le dioxyde de carbone à pression atmosphérique. La fraction gazeuse est récupérée et envoyée vers l'échangeur de manière à refroidir le dioxyde de carbone sous forme liquide. Le refroidisseur est un réservoir dans lequel le liquide est détendu partiellement de manière à laisser s'évaporer une fraction du liquide et obtenir ainsi un refroidissement supplémentaire. Ce refroidissement permet d'augmenter la fraction de dioxyde de carbone qui est ainsi transformée sous forme liquide, moyennant la fourniture d'énergie au compresseur. OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention vise à fournir une solution alternative pour la production de glace ou de neige carbonique permettant une augmentation de la part de dioxyde de carbone produite sous forme solide. EXPOSÉ DE L'INVENTION Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de dioxyde de carbone sous forme solide selon lequel on fournit du dioxyde de carbone sous forme liquide, on le refroidit en le faisant passer dans un premier échangeur, puis on le détend pour produire une fraction solide par la transformation d'une partie du dioxyde de carbone, l'autre fraction du dioxyde de carbone se transformant sous forme gazeuse, et on récupère la fraction gazeuse. Le procédé est caractérisé en ce que le premier échangeur est un évaporateur d'un groupe à cycle frigorifique, un fluide frigorigène circulant en circuit fermé dans le groupe, et en ce qu'on refroidit le fluide frigorigène en amont de l'évaporateur dans un deuxième échangeur grâce à la fraction gazeuse récupérée. On constate qu'avec un tel procédé, la fraction solide produite est améliorée, en atteignant facilement une proportion d'un kg produit sous forme solide pour moins de 2 kg consommés sous forme liquide. Le refroidissement de la forme liquide est obtenu par un groupe frigorifique. L'efficacité de ce groupe est améliorée par le refroidissement du fluide frigorigène avant l'évaporateur. En effet, dans son cycle, le fluide frigorigène est encore assez chaud à ce stade, et il peut facilement être refroidi par la fraction gazeuse qui est initialement typiquement entre -45°C et -65°C. La fraction gazeuse ressort alors à température bien plus élevée et a donc cédé en grande partie de ses frigories. Selon un perfectionnement, on refroidit le dioxyde de carbone liquide en aval de l'évaporateur par la fraction gazeuse dans un troisième échangeur en amont du deuxième échangeur. Ainsi, la fraction gazeuse cède d'abord une partie de ses frigories à la phase liquide puis au fluide frigorigène. Il ressort pratiquement à la température ambiante. Il a ainsi cédé quasiment toutes ses frigories. Selon un autre perfectionnement, on refroidit le dioxyde de carbone liquide en amont de l'évaporateur par la fraction gazeuse dans un troisième échangeur en amont du deuxième échangeur. Ainsi, la fraction gazeuse cède d'abord une partie de ses frigories à la phase liquide puis au fluide frigorigène. La phase gazeuse agit sur la phase liquide à une température plus élevée que dans le mode de réalisation précédent, et donc l'échange thermique y est plus intense. L'invention a aussi pour objet une installation de fabrication de dioxyde de carbone sous forme solide comportant une conduite d'alimentation de dioxyde de carbone sous forme liquide, un premier échangeur relié à la conduite d'alimentation pour refroidir le dioxyde de carbone sous forme liquide, une cavité reliée au premier échangeur pour délivrer dans la cavité le dioxyde de carbone refroidi et le détendre et une conduite de récupération connectée à la cavité pour récupérer une fraction gazeuse du dioxyde de carbone. L'installation est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un groupe à cycle frigorifique dont un évaporateur est le premier échangeur, un fluide frigorigène circulant en circuit fermé dans le groupe, le groupe à cycle frigorifique comportant un deuxième échangeur traversé d'une part par le fluide frigorigène en amont de l'évaporateur et connecté d'autre part à la conduite de récupération pour refroidir le fluide frigorigène grâce à la fraction gazeuse récupérée. Selon un mode de réalisation, le groupe à cycle frigorifique comporte, dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un compresseur en aval du premier échangeur, un condenseur, le deuxième échangeur et un détendeur en amont du premier échangeur. Cette configuration est très classique et a l'avantage de pouvoir utiliser des pièces très standards. Selon un perfectionnement, l'installation comporte en outre un troisième échangeur pour refroidir le dioxyde de carbone liquide avec la fraction gazeuse récupérée. On peut ainsi utiliser les frigories de la fraction gazeuse de manière optimale. Selon un mode de réalisation, le troisième échangeur est placé sur le circuit de dioxyde de carbone liquide entre le premier échangeur et la cavité, et sur la conduite de récupération entre la cavité et le deuxième échangeur. Selon un autre mode de réalisation, le troisième échangeur est placé sur le circuit de dioxyde de carbone liquide en amont du premier échangeur, et sur la conduite de récupération en amont du deuxième échangeur. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLÉE L'installation conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, comme montrée sur la figure 1, comporte un circuit d'alimentation 1 pour fournir du dioxyde de carbone liquide, une cavité 2 dans laquelle le 30 dioxyde de carbone sous forme liquide est injectée, un groupe à cycle frigorifique 3 et un circuit de récupération du dioxyde de carbone sous forme gazeuse. Dans la description qui suit, l'installation comporte des échangeurs. Ces échangeurs ont pour fonction 35 de transférer de l'énergie thermique entre deux fluides. Chaque fluide entre dans l'échangeur par une entrée et en ressort par une sortie, sans avoir été mélangé à l'autre fluide. Ainsi, l'échangeur comporte un circuit primaire pour le premier fluide et un circuit secondaire pour le deuxième fluide. La technologie des échangeurs peut être à plaques ou à tubes et n'a pas d'incidence sur le principe de fonctionnement de l'installation. Le groupe frigorifique 3 comporte en boucle dans le sens de circulation d'un fluide frigorigène le circuit primaire 111 d'un premier échangeur 11, un compresseur 30, un condenseur 31, le circuit secondaire 122 d'un deuxième échangeur 12 et un détendeur 32 en amont du premier échangeur 11. Le condenseur 31 fait circuler par exemple de l'air ambiant afin de refroidir le fluide frigorigène après sa compression par le compresseur 30. Le premier échangeur 11 sert d'évaporateur pour le fluide frigorigène. Le circuit d'alimentation 1 pour le liquide comporte une conduite connectée à l'entrée du circuit secondaire 112 du premier échangeur 11 et d'autre part à un réservoir de dioxyde de carbone SOUS forme liquide, non représenté. La sortie du circuit secondaire 112 de l'échangeur 11 est connectée à un troisième échangeur 13 au niveau de l'entrée du circuit secondaire 132. La sortie du circuit secondaire 132 est connectée à une conduite qui amène le liquide dans une cavité 2 jusqu'à une trompe 20 pour injecter le dioxyde de carbone dans la cavité. La cavité 2 est par exemple une chambre de piston d'une machine à fabriquer de la glace carbonique. Ce peut être aussi un tunnel de surgélation d'aliments. Une conduite de récupération 4 est connectée à la cavité 2 pour récupérer la fraction gazeuse du dioxyde de carbone. La conduite de récupération 4 s'étend jusqu'à l'entrée du circuit primaire 131 du troisième échangeur 13, puis de la sortie du circuit primaire 131 jusqu'à l'entrée du circuit primaire 121 du deuxième échangeur 12, et enfin de la sortie du circuit primaire 121 du deuxième échangeur 12 jusqu'à une embouchure 40 pour déboucher à l'air libre. En fonctionnement, le dioxyde de carbone sous forme liquide arrive entre -20°C et -25°C dans le premier échangeur 11 et ressort du troisième échangeur 13 entre -40°C et -55°C environ. Après la détente de la phase liquide dans la cavité 2, on forme de la neige et on récupère la fraction gazeuse par la conduite de récupération 4, à une température de l'ordre de -65°C. Après son passage dans le troisième échangeur 13, la fraction gazeuse est entre -40 et -50°C et après son passage dans le deuxième 15 Dans le même temps, le échangeur 12 à environ +15°C. fluide frigorigène ressort du condenseur 31 à une température de l'ordre de +20°C, en fonction de la température ambiante. Après son passage dans le deuxième échangeur 12, il ressort à environ -10°C. De ce fait, l'efficacité du groupe frigorifique 3 20 est grandement améliorée. Le fluide frigorigène passe par un détendeur 32 et se refroidit en entrant dans le circuit primaire du premier échangeur 11 où il réchauffe. Le fluide est ensuite compressé par compresseur 30 de telle sorte qu'il s'échauffe, puis 25 est refroidi et au moins partiellement condensé dans condenseur 31. On a pu ainsi produire 1 kg de glace pour 1,8kg de dioxyde de carbone sous forme liquide, alors qu'on constate habituellement un ratio de 1:2,4 à 1:2,8. 30 Dans un deuxième mode de réalisation, on prévoit que le troisième échangeur 13' est placé sur le circuit d'alimentation 1' de dioxyde de carbone liquide en amont se le il le du premier échangeur récupération en amont du 35 conduite d'alimentation circuit secondaire 132' 11, et sur la conduite de deuxième échangeur 12. Ainsi, la 1' est connectée à l'entrée du du troisième échangeur 13'. La sortie du circuit secondaire 132' du troisième échangeur 13' est connectée à l'entrée du circuit secondaire 112 du premier échangeur 11. La sortie du circuit secondaire 112 est connectée à la conduite d'alimentation 1' qui amène 5 le liquide dans la cavité 2. De même, la conduite de récupération 4' passe d'abord par le circuit primaire 131' du troisième échangeur 13 puis par le circuit primaire 121 du deuxième échangeur 12. La configuration du groupe frigorigène reste la même. 10 En fonctionnement, le dioxyde de carbone sous forme liquide arrive entre -20°C et -25°C dans le troisième échangeur 13' et ressort à une température comprise entre -25°C et -30°C, puis passe dans le premier échangeur 11 d'où il ressort entre -45°C et -55°C. Après la détente de 15 la phase liquide dans la cavité 2, on forme de la neige et on récupère la fraction gazeuse par la conduite de récupération 4, à une température comprise entre -45°C et -65°C. Après son passage dans le troisième échangeur 13', la fraction gazeuse est entre -25 et -30°C et après son 20 passage dans le deuxième échangeur 12 à environ +15°C. Dans le même temps, le fluide frigorigène ressort du condenseur 31 à une température de l'ordre de +20°C, en fonction de la température ambiante. Après son passage dans le deuxième échangeur 12, il ressort à environ 25 -10°C. De ce fait, l'efficacité du groupe frigorifique 3 est grandement améliorée. Le fluide frigorigène passe par un détendeur 32 et se refroidit en entrant dans le circuit primaire 111 du premier échangeur 11 où il se réchauffe. Le fluide est ensuite compressé par le 30 compresseur 30 de telle sorte qu'il s'échauffe, puis il est refroidi et au moins partiellement condensé dans le condenseur 31. On a pu ainsi produire 1 kg de glace pour 1,8kg de dioxyde de carbone sous forme liquide. 35 L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemple. Les échangeurs peuvent être subdivisés différemment, y compris le troisième échangeur 13, 13' qui peut ainsi être réparti de manière différente, par exemple en combinant les deux modes de réalisation. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de dioxyde de carbone sous forme solide selon lequel on fournit du dioxyde de carbone sous forme liquide, on le refroidit en le faisant passer dans un premier échangeur (11), puis on le détend pour produire une fraction solide par la transformation d'une partie du dioxyde de carbone, l'autre fraction du dioxyde de carbone se transformant sous forme gazeuse, et on récupère la fraction gazeuse, le procédé étant caractérisé en ce que le premier échangeur (11) est un évaporateur d'un groupe à cycle frigorifique (3), un fluide frigorigène circulant en circuit fermé dans le groupe (3), et en ce qu'on refroidit le fluide frigorigène en amont de l'évaporateur (11) dans un deuxième échangeur (12) grâce à la fraction gazeuse récupérée. 2. Procédé selon la revendication 1, selon lequel 20 on refroidit le dioxyde de carbone liquide en aval de l'évaporateur par la fraction gazeuse dans un troisième échangeur (13) en amont du deuxième échangeur (12). 3. Procédé selon la revendication 1, selon lequel on refroidit le dioxyde de carbone liquide en amont de 25 l'évaporateur par la fraction gazeuse dans un troisième échangeur (13') en amont du deuxième échangeur (12). 4. Installation de fabrication de dioxyde de carbone sous forme solide comportant une conduite d'alimentation (1) de dioxyde de carbone sous forme 30 liquide, un premier échangeur (11) relié à la conduite d'alimentation (1) pour refroidir le dioxyde de carbone sous forme liquide, une cavité (2) reliée au premier échangeur (11) pour délivrer dans la cavité (2) le dioxyde de carbone refroidi et le détendre et une 35 conduite de récupération (4) connectée à la cavité (2) pour récupérer une fraction gazeuse du dioxyde decarbone, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un groupe à cycle frigorifique (3) dont un évaporateur est le premier échangeur (11), un fluide frigorigène circulant en circuit fermé dans le groupe, le groupe à cycle frigorifique (3) comportant un deuxième échangeur (12) traversé d'une part par le fluide frigorigène en amont de l'évaporateur (11) et connecté d'autre part à la conduite de récupération (4) pour refroidir le fluide frigorigène grâce à la fraction gazeuse récupérée. 5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle le groupe à cycle frigorifique (3) comporte, dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un compresseur (30) en aval du premier échangeur (11), un condenseur (31), le deuxième échangeur (12) et un détendeur (32) en amont du premier échangeur (11). 6. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un troisième échangeur (13, 13') pour refroidir le dioxyde de carbone liquide avec la fraction gazeuse récupérée. 7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle le troisième échangeur (13) est placé sur le circuit d'alimentation (1) de dioxyde de carbone liquide entre le premier échangeur (11) et la cavité (2), et sur la conduite de récupération (4) entre la cavité (2) et le deuxième échangeur (12). 8. Installation selon la revendication 6, dans laquelle le troisième échangeur (13') est placé sur le circuit d'alimentation (1) de dioxyde de carbone liquide en amont du premier échangeur (11), et sur la conduite de récupération (4') en amont du deuxième échangeur (12).