Brevet FR3011745A1 — publié le 20150417

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation à température subambiante d'un gaz contenant du dioxyde de carbone comme composant principal. Elle est également relative à un procédé et à un appareil pour réguler la pression d'un gaz d'alimentation d'une unité de séparation. L'unité de séparation est, dans certains cas, alimentée par un gaz résiduaire traité provenant d'une unité de séparation par adsorption fonctionnant par bascule de pression, donc de type PSA. Un PSA de production d'hydrogène est une unité d'adsorption dont le but principal est d'extraire l'hydrogène contenu dans un mélange gazeux qui l'alimente. Cette technologie développée dans les années 90 permet d'obtenir de l'hydrogène avec un niveau de pureté (99.99%) bien meilleur qu'avec les méthodes précédentes. L'hydrogène extrait sort du PSA dans un flux à haute pression, tandis que la part complémentaire du mélange gazeux initial, sort à basse pression, et est nommé « gaz résiduaire » du PSA. Outre le CO2, ce flux de gaz résiduaire contient d'autres molécules de nature (et donc de masse molaire) très différentes : H2, CO, H2O, N2, CH4 principalement, dans des proportions fluctuantes. Le fonctionnement du PSA est caractérisé par le fait essentiel que, à la fois : - la composition chimique, - et la pression, du flux du gaz résiduaire sont sujets à des variations cycliques rapides : la masse molaire et la pression en sortie du volume tampon de gaz résiduaire varient de l'ordre de +/- 3-10% autour d'une valeur moyenne, la période de ces variations étant habituellement inférieure à la minute. Habituellement ces gaz résiduaires sont dirigés vers le réseau de carburant du site pétrochimique où se trouve le PSA pour servir de carburant aux fours de chauffage, de reformage ou de craquage. Les variations de pression et de masse molaire n'ont alors pas de conséquence notable. Néanmoins, un volume tampon est utilisé afin de réduire les variations de l'indice de WOBBE du gaz résiduaire. De plus le débit de gaz envoyé vers les bruleurs est stabilisé par une vanne de contrôle. L'objectif de ces deux moyens étant de minimiser les variations de température dans les fours. Cependant, il peut être intéressant de traiter tout ou partie du gaz résiduaire d'un PSA par une unité de compression et de distillation pour : - extraire du CO2 pur pour le stocker ou le valoriser, - extraire de l'H2 valorisable, Une unité de compression et de séparation à température subambiante ou à basses températures, dit CPU, est une unité dont le fonctionnement consiste à successivement : - fortement comprimer le gaz résiduaire du PSA à l'aide de compresseurs de type « dynamique », - condenser partiellement le CO2 à des températures subambiantes, à l'aide d'échangeurs cryogéniques en aluminium brasé, - séparer le gaz et liquide condensé, - éventuellement filtrer avec des membranes spécifiques certains des sous- produits pour extraire de l'hydrogène, Or le fonctionnement des compresseurs dynamiques est fortement influencé par la masse molaire du gaz aspiré ainsi que par la pression d'aspiration. Pour une unité CPU, ces perturbations (masse molaire et pression d'aspiration) se traduisent, en aval des compresseurs dynamiques, par des perturbations de pression et de débit d'autant plus importantes que le taux de compression est élevé. Dans la CPU les perturbations de pression ont des effets néfastes sur : - la régulation des procédés aval : condensations partielles, distillations, filtration, ... - le vieillissement des équipements sous pression : échangeur en aluminium brasé, capacités sous pression,.... Ceci est le cas, que le CPU soit alimenté à partir d'un PSA ou pas. Habituellement la régulation de la pression en aval des compresseurs dynamiques est réalisé par les aubages d'entrée à calage variable (en anglaise « Inlet Guide Valve » ou IGV) de ceux-ci, ainsi qu'éventuellement par une vanne de laminage sur le flux comprimé. Or la période très courte des perturbations (masse molaire & pression) rend ces schémas de régulation classiques peu efficaces. De plus, la résistance des aubages d'entrée (IGV) des onéreux compresseurs dynamiques soumises à de telles sollicitations permanentes et cycliques est incertaine. 15 La solution proposée pour stabiliser la pression trouve une application particulière dans la situation d'un CPU traitant le gaz résiduaire d'un PSA. La solution est de réguler la pression dans la CPU à l'aide d'un dispositif comprenant plusieurs vannes, éventuellement en complément d'autres régulations (IGV des compresseurs, vannes 20 d'aspiration, et intermédiaires, ...). Or elle trouve également des applications quand le CPU ne traite pas un gaz issu d'un PSA. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un gaz ayant le dioxyde de carbone comme composant principal dans lequel 25 i) on comprime le gaz dans un compresseur ii) on envoie le gaz comprimé à une unité de séparation à température subambiante pour produire un débit enrichi en dioxyde de carbone et un débit appauvri en dioxyde de carbone caractérisé en ce que la pression du débit appauvri en dioxyde de carbone est 30 régulée en envoyant le débit à un système comprenant une première vanne et une deuxième vanne reliées en parallèle, la deuxième vanne étant dimensionnée pour faire passer un plus grand débit que la première vanne, l'ouverture de la première vanne étant régulée en fonction de la pression du débit appauvri en dioxyde de carbone en amont du système. 10 Selon d'autres objets facultatifs : - le débit provenant du système est envoyé à une unité de séparation. - le gaz est un gaz résiduaire d'une unité d'adsorption et contient du dioxyde de 5 carbone ainsi que de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone. - le gaz provient d'une unité d'oxycombustion et contient du dioxyde de carbone ainsi que de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon et/ou du méthane. - l'ouverture de la deuxième vanne étant régulée en fonction de l'ouverture de la première vanne. 10 - l'unité de séparation à température subambiante comprend un pot séparateur dont le gaz constitue le débit appauvri en dioxyde de carbone, le pot étant alimenté par le gaz comprimé. 15 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'un gaz ayant le dioxyde de carbone comme composant principal comprenant un compresseur pour comprimer le gaz, une unité de séparation à température subambiante, une conduite pour envoyer le gaz comprimé à l'unité de séparation à température subambiante pour produire un débit enrichi en dioxyde de carbone et un 20 débit appauvri en dioxyde de carbone caractérisé en ce qu'il comprend un système comprenant une première vanne et une deuxième vanne reliées en parallèle, la deuxième vanne étant dimensionnée pour faire passer un plus grand débit que la première vanne, des moyens pour réguler l'ouverture de la première vanne en fonction de la pression du débit appauvri en dioxyde de carbone en amont du 25 système et des moyens pour envoyer le débit appauvri en dioxyde de carbone au système. L'appareil peut comprendre : - une unité de séparation et une conduite pour envoyer du gaz des première et 30 deuxième vannes vers l'unité de séparation et/ou - des moyens pour réguler l'ouverture de la deuxième vanne étant régulée en fonction de l'ouverture de la première vanne et/ou - un pot séparateur et des moyens pour envoyer du gaz provenant du pot séparateur aux première et deuxième vannes. Le dispositif proposé pour réguler l'alimentation de l'unité CPU consiste en la mise en service simultané de deux vannes en parallèle - une première vanne, dimensionnée pour un plus petit débit et plus rapide, est destinée à réguler la pression de la CPU en répondant spécifiquement aux rapides 5 variations de masse molaire et pression en amont de la compression dynamique, - une deuxième vanne, dimensionnée pour un plus gros débit, voire la totalité du débit, destinée à réguler la pression en réponse aux autres paramètres du procédé. 10 La régulation de la petite vanne suit la pression à réguler, alors que la régulation de la seconde vanne suit le retour de position de la petite vanne et a pour rôle de maintenir celui-ci à une valeur proche de 50%. Le dimensionnement des vannes (CV, courbe caractéristique, dynamique de l'actionneur) ainsi que les paramètres de contrôle fin des contrôleurs doivent être 15 compatibles avec cet arrangement. Les intérêts principaux de ce schéma spécifique de contrôle d'une CPU traitant le gaz résiduaire d'un PSA découlent de la maîtrise fine de la pression dans le procédé que ce schéma de contrôle permet : 20 - une moindre sollicitation mécanique des équipements sous pression (capacités, échangeurs à plaques brasées, vannes, ... , - un meilleur contrôle des différentes étapes « procédés » d'une unité CPU, notoirement sensible à la pression : condensation, distillation, filtration, ....), - plus grande stabilité de fonctionnement des compresseurs, et meilleurs 25 protection de ceux-ci vis-à-vis des phénomènes de pompage, très sensibles aux variations de masses molaires et de pression d'aspiration, qui caractérisent le gaz résiduaire d'un PSA. L'intérêt secondaire réside dans l'augmentation de la plage de fonctionnement de 30 l'unité CPU que ce schéma spécifique autorise, par exemple pour répondre à la mise en service ou hors service de certains sous-équipements d'une CPU, comme des « membranes hydrogène ». L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure. La Figure 1 représente un procédé selon l'invention. Un débit de gaz contenant de l'hydrogène alimente une unité d'adsorption PSA qui produit un débit riche en hydrogène et un débit O appauvri en hydrogène et enrichi en dioxyde de carbone. Le débit O est envoyé à une capacité-tampon B et une partie E du débit O est envoyé de la capacité-tampon à un réseau. Le reste P est comprimé par deux compresseurs C en série et puis envoyé à une unité 1 où s'effectuent un refroidissement dans un échangeur principal (jusqu'à -50°C environ), une séparation dans un pot de condensation qui va séparer le gaz P en un flux de CO2 liquide et un flux d'incondensables. Les incondensables 3 provenant du pot de condensation sont réchauffés et puis envoyés à deux vannes V1, V2 connectées en parallèle via deux conduites 5A, 5B. La vanne V1 est dimensionnée pour une fraction du débit total 3 et la vanne V2 est dimensionnée pour une plus grande fraction du débit 3, voire tout le débit 3. L'ouverture de la vanne V1 est régulée en fonction de la pression du débit 3, avec un PIC ayant un point de consigne d'environ 45 bars et l'ouverture de la vanne V2. L'ouverture de la vanne V2 est régulée par le pourcentage d'ouverture de la vanne V1 Quand la pression monte au-delà de 45 bara dans la conduite du débit 3, la vanne 20 V1 s'ouvre pour faire sortir plus de gaz et réduire la pression. La vanne V2 détecte alors que la vanne V1 a une ouverture au-delà de 50%, elle s'ouvre donc pour réduire cela, elle sort aussi plus de gaz. La vanne V1 est réglée autour de 50 %, la vanne V2 change très peu autour d'une 25 position donnée (étant dépendant de la cadence de fonctionnement de la CPU), disons ouverture 65%. La vanne V2 sort la partie majeure du débit. Le débit réuni des deux conduites 5A, 5B peut être envoyé à une deuxième unité de séparation 2 pour être séparé, par exemple, par perméation pour enrichir le gaz en 30 hydrogène et produire un gaz 9 enrichi en hydrogène. Alternativement le gaz P peut être un gaz résiduaire provenant d'une oxycombustion et contenant du dioxyde de carbone ainsi que de l'azote et/ou de l'oxygène et/ou de l'argon et/ou du méthane. Dans ce cas, l'appareil de séparation 1 comprenant des bouteilles d'épuration pour enlever l'eau. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'un gaz ayant le dioxyde de carbone comme composant principal dans lequel i) on comprime le gaz dans un compresseur (C) ii) on envoie le gaz comprimé (P) à une unité de séparation à température subambiante (1) pour produire un débit enrichi en dioxyde de carbone et un débit 10 appauvri en dioxyde de carbone (3) caractérisé en ce que la pression du débit appauvri en dioxyde de carbone est régulée en envoyant le débit à un système comprenant une première vanne (V1) et une deuxième vanne (V2) reliées en parallèle, la deuxième vanne étant dimensionnée pour faire passer un plus grand débit que la première vanne, 15 l'ouverture de la première vanne étant régulée en fonction de la pression du débit appauvri en dioxyde de carbone en amont du système. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit (7) provenant du système est envoyé à une unité de séparation (2). 20 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz (P) est un gaz résiduaire d'une unité d'adsorption (PSA) et contient du dioxyde de carbone ainsi que de l'hydrogène et/ou du monoxyde de carbone. 25 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz (P) provient d'une unité d'oxycombustion et contient du dioxyde de carbone ainsi que de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou de l'argon et/ou du méthane. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel 30 l'ouverture de la deuxième vanne (V2) est régulée en fonction de l'ouverture de la première vanne (V1). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'unité de séparation à température subambiante comprend un pot séparateur dont le gazconstitue le débit appauvri en dioxyde de carbone (3), le pot étant alimenté par le gaz comprimé. 7. Appareil de séparation d'un gaz ayant le dioxyde de carbone comme composant principal comprenant un compresseur (C )pour comprimer le gaz , une unité de séparation à température subambiante (1), une conduite pour envoyer le gaz comprimé (P) à l'unité de séparation à température subambiante pour produire un débit enrichi en dioxyde de carbone et un débit appauvri en dioxyde de carbone (3) caractérisé en ce qu'il comprend un système comprenant une première vanne (V1) et une deuxième vanne (V2) reliées en parallèle, la deuxième vanne étant dimensionnée pour faire passer un plus grand débit que la première vanne, des moyens (PIC) pour réguler l'ouverture de la première vanne en fonction de la pression du débit appauvri en dioxyde de carbone en amont du système et des moyens pour envoyer le débit appauvri en dioxyde de carbone au système. 8. Appareil selon la revendication 7 comprenant une unité de séparation (2) et une conduite pour envoyer du gaz (7) des première et deuxième vannes vers l'unité de séparation. 9. Appareil selon les revendications 7 ou 8 comprenant des moyens (ZIC) pour réguler l'ouverture de la deuxième vanne étant régulée en fonction de l'ouverture de la première vanne. 10. Appareil selon l'une des revendications 7 à 9 comprenant un pot séparateur et des moyens pour envoyer du gaz provenant du pot séparateur aux première et deuxième vannes.