Brevet FR3016436A1 — publié le 20150717

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction d'un courant de CO2 gazeux. Le courant contient au moins 90% mol de CO2, voire au moins 95% mol de CO2. L'invention consiste en un procédé permettant de liquéfier un courant de CO2 contenant des impuretés (par exemple H2, N2). Il est connu de JP-A-64084087 de liquéfier un débit contenant majoritairement du CO2 en séchant le débit à liquéfier dans un sécheur, en le refroidissant pour le liquéfier partiellement, en l'envoyant dans un premier séparateur de phases, en envoyant le liquide du premier séparateur de phases à un deuxième séparateur de phases et en extrayant le débit liquéfié du deuxième séparateur de phases. Le gaz du deuxième séparateur de phases est réchauffé et envoyé en amont du sécheur. Ce procédé ne permet pas de sous-refroidir le liquide produit, ce qui se révèle utile quand le liquide doit être utilisé à une pression plus basse que la pression de liquéfaction. Un but de la présente invention est de pallier les défauts de l'art antérieur. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 90% mol., voire au moins 95% mol. de dioxyde de carbone dans lequel : a) le débit gazeux d'alimentation est comprimé dans au moins un premier étage de compression, b) le débit comprimé est refroidi pour le condenser au moins partiellement pour produire un débit liquide c) au moins une partie du débit liquide est refroidi dans les tubes d'un premier échangeur de chaleur qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre d) i) une première partie du liquide refroidi dans le premier échangeur, ensuite détendue, ou ii) une première partie d'un liquide produit en détendant et en vaporisant partiellement le liquide refroidi dans le premier échangeur sert de produit liquide e) une deuxième partie du liquide refroidi dans le premier échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide est détendue dans une vanne et se vaporise dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé f) au moins une partie du débit vaporisé est comprimé et mélangé avec le débit gazeux d'alimentation. Selon d'autres objets facultatifs - le débit d'alimentation contient au moins 95% mol, voire au moins 99% mol., de dioxyde de carbone et dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser partiellement pour produire un débit liquide en étant refroidi dans un deuxième échangeur de chaleur autre que le premier échangeur de chaleur pour le condenser partiellement, le débit partiellement condensé est détendu et envoyé à un premier séparateur de phases, un liquide du premier séparateur de phases est détendu envoyé à un deuxième séparateur de phases et le débit liquide est soutiré du deuxième séparateur de phases. - un gaz du premier séparateur de phases et/ou un gaz du deuxième séparateur de phases est/sont mélangés avec le débit gazeux d'alimentation. - le débit d'alimentation contient au plus 99% de dioxyde de carbone, voire 15 au plus 95% de dioxyde de carbone et dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser complètement dans l'étape b) dans un deuxième échangeur de chaleur autre que le premier échangeur. - au moins une première portion du liquide condensé dans le deuxième échangeur de chaleur est détendue dans une vanne, vaporisé contre le liquide 20 condensé et mélangé avec le débit d'alimentation. - le liquide refroidi dans le premier échangeur est détendu, partiellement vaporisé et envoyé à un séparateur de phases et le liquide formé sert en partie de produit liquide alors qu'une autre partie du liquide est détendue dans une vanne et se vaporise dans la calandre du premier échangeur pour former le débit vaporisé. 25 - un gaz provenant du séparateur de phases est mélangé avec le débit vaporisé. - un gaz provenant du séparateur de phases est comprimé puis au moins partiellement condensé et le liquide produit par la condensation au moins partielle sert de produit ou est envoyé en amont du séparateur de phases. 30 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 90% mol., voire au moins 95% mol. de dioxyde de carbone comprenant au moins un premier étage de compression dans lequel le débit gazeux d'alimentation est comprimé, des moyens de condensation du débit comprimé, pour le condenser au moins partiellement pour produire un débit liquide, 35 un premier échangeur de chaleur qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre, des moyens pour envoyer au moins une partie du débit liquide est refroidi dans les tubes du premier échangeur de chaleur, des moyens pour sortir comme produit liquide i) une première partie du liquide refroidi dans le premier échangeur, ensuite détendue, ou ii) une première partie d'un liquide produit en détendant et en vaporisant partiellement le liquide refroidi dans le premier échangeur, une vanne, des moyen pour envoyer une deuxième partie du liquide refroidi dans le premier échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide se détendre dans la vanne et se vaporiser dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé, des moyens pour comprimer au moins une partie du débit vaporisé et la mélanger avec le débit gazeux d'alimentation. Selon d'autres objets facultatifs - l'appareil comprend un deuxième échangeur de chaleur autre que le premier échangeur de chaleur dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser partiellement, des moyens de détente du débit partiellement condensé, un premier séparateur de phases dans lequel le débit détendu est envoyé, des moyens pour détendre un liquide du premier séparateur de phases, un deuxième séparateur de phases, des moyens pour envoyer le liquide détendu au deuxième séparateur de phases et des moyens pour soutirer le débit liquide du deuxième séparateur de phases. - des moyens pour mélanger un gaz du premier séparateur de phases et/ou un gaz du deuxième séparateur de phases avec le débit gazeux d'alimentation. - un deuxième échangeur de chaleur autre que le premier échangeur pour refroidir le débit comprimé pour le condenser complètement. - au moins une vanne et des moyens pour envoyer au moins une première 25 portion du liquide condensé dans le deuxième échangeur de chaleur à la vanne, des moyens pour le vaporiser contre le liquide condensé et le mélanger avec le débit d'alimentation. - un séparateur de phases, des moyens pour détendre le liquide refroidi dans le premier échangeur et l'envoyer au séparateur de phases - un gaz provenant 30 du séparateur de phases est mélangé avec le débit vaporisé. - des moyens pour comprimer un gaz provenant du séparateur de phases, des moyens pour au moins partiellement condenser le gaz comprimé, des moyens pour extraire le liquide produit par la condensation au moins partielle comme produit ou pour l' envoyer en amont du séparateur de phases. 35 L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures. Dans la figure 1, le procédé de liquéfaction d'un débit 1 contenant au moins 95% mol, voire au moins 99% mol de dioxyde de carbone s'effectue par refroidissement par échange de chaleur indirect avec une source froide. L'alimentation en CO2, en fonction de sa pression, est faite en inter-étage d'un compresseur de cycle 3, entre les étages 3B et 3C. Les deux derniers étages 3C, 3D de ce compresseur 3 compriment le débit 1 jusqu'à atteindre une pression suffisante permettant de condenser le courant gazeux en face de la source froide 5 disponible sur site (par exemple de l'eau glacée) dans un échangeur de chaleur 7. Le CO2 ainsi condensé à haute pression va subir une succession de détentes dans des vannes V1, V2, afin de s'auto-refroidir par génération d'un gaz. La première détente dans la vanne V1 se fera préférentiellement à la pression d'entrée de la dernière roue 3D du compresseur de cycle 3. Ainsi, le gaz généré 4 suite à la détente du liquide à l'équilibre détendu provenant du séparateur de phases 15 S1 peut être recyclé en amont de la dernière roue du compresseur de cycle. Une seconde étape de détente du liquide du séparateur de phases S1 dans une seconde vanne V2 est préférentiellement envisagée afin de réduire la pression du CO2 liquéfié, avant d'entrée dans l'échangeur principal 9, permettant ainsi un gain CAPEX sur ce même échangeur. Là encore, la pression de détente est choisie afin 20 de permettre le recyclage d'un gaz 6 d'un deuxième séparateur de phases S2 en amont de l'avant dernière roue 3C de compression. Cette succession de détentes dans les vannes V1, V2 permet de refroidir le CO2 liquéfié 18 tout en limitant l'impact OPEX en recyclant le plus possible dans les derniers étages de compressions. 25 Une fois partiellement détendu et refroidi, le courant de CO2 liquide 18 va entrer dans un échangeur de chaleur 9 afin d'y être fortement sous-refroidi. Après sous-refroidissement le liquide 18 est divisé en deux parties. La partie 11 est détendue dans une vanne V3 pour former un produit liquide à la pression requise par le client, typiquement 7bara. Une partie 13 se vaporise contre le liquide 18 dans l'échangeur 30 de chaleur 9, après détente dans une vanne V4. La détente dans la vanne V4 amène le liquide jusqu'à atteindre une température la plus proche possible de celle du point triple (-56.5°C). Le CO2 basse pression vaporisé 15 est ensuite recyclé aux premiers étages 3A, 3B du compresseur de cycle 3 afin d'assurer un rendement de liquéfaction de 35 100%. Entre les étages 3B et 3, il est mélangé avec le débit 1. L'échangeur de chaleur 9 mentionné ci-dessus sera un échangeur de type à tubes et à calandre (en anglais « Shell and Tubes »), avec le débit 18 à refroidir dans les tubes et le liquide détendu 13 à une pression proche de celle du point triple dans la calandre, afin d'éviter tout risque d'accident, suite à une éventuelle prise en glace de ce même courant (notamment dans le cas où le compresseur de cycle 3, dans lequel va retourner le liquide vaporisé 15, aspire trop et fasse chuter la pression en dessous de celle du point triple du CO2). Pour le cas de la Figure 2, où le CO2 à liquéfier 1 est plus impur que celui de la Figure 1, contenant par exemple H2 et/ou N2, la Figure 1 nécessite certaines adaptations. Le débit gazeux 1 contenant du CO2 peut contenir par exemple entre 1 et 5% d'azote. Il peut contenir par exemple entre 95 et 99% de CO2. Le courant gazeux 1 est comprimé dans les étages 3C, 3D du compresseur 3 et ensuite condensé dans l'échangeur de chaleur 7 par échange de chaleur avec la source froide 5. Une fois condensé à haute pression, le gaz condensé peut être refroidi à travers un échangeur de chaleur 10, 12 en face d'une partie 4A, 6A de ce même CO2 condensé qui aura été détendue dans une vanne V6, V8 à une pression permettant son recyclage en amont d'une roue 3C, 3D du compresseur de cycle. En fonction de la teneur en impureté du CO2 d'alimentation, les pressions de 20 détente du CO2 condensé en aval de chaque sous-refroidisseur 10, 12seront ajustées pour éviter si possible de flasher. Préférentiellement, plusieurs étapes de refroidissement/détente seront privilégiées. Comme précédemment, le CO2 18 refroidi dans les échangeurs 10, 12 et 25 détendu dans la vanne V7 est ensuite introduit dans un échangeur de type à tubes et à calandre 9 afin d'y être sous-refroidi. La détente du CO2 dans la vanne V9 jusqu'à 7bars, du fait de la présence d'impuretés qui n'ont pas encore été purgées du procédé, va entrainer une production de gaz importante. La température de refroidissement en sortie de 30 l'échangeur de chaleur 9 sera ajustée afin de contrôler la température en sortie de la vanne de détente V9 à 7bars. Ainsi le liquide sous-refroidi est envoyé à un séparateur de phases S3 dont une partie 11 du liquide sert de produit. Une autre partie 13 du liquide est détendue dans une vanne V10, réchauffée et vaporisée dans l'échangeur de chaleur 9 pour former le gaz 15 et comprimée dans les premiers étages 3A, 3B du compresseur 3. En fonction de la teneur en impureté du CO2 d'alimentation, le gaz 17 généré (contenant la grande majorité des impuretés) pourra être soutiré du séparateur S3 et recyclé comme débit 21, entièrement ou partiellement, dans le compresseur de cycle afin d'améliorer le rendement du liquéfacteur. Sinon, le gaz 19 peut être rejeté. Dans le cas d'un CO2 d'alimentation très impur (ou contenant notamment de l'H2), une autre variante peut être envisagée. Ce cas, illustré dans la Figure 3, correspond à un débit 1 contenant au moins 5% mol d'azote et au plus 95% de dioxyde de carbone. Il pourrait également correspondre à un débit 1 contenant au plus 99% de dioxyde de carbone, ainsi que de l'hydrogène et éventuellement de l'azote. Cette figure est basée sur la Figure 2 mais comprend en plus des moyens de séparer le gaz 17 du séparateur de phases S3 en aval de l'échangeur de chaleur de sous-refroidissement 9 et/ou un séparateur de phases S4 en aval d'un refroidisseur 10 du gaz condensé. En effet, suite à la présence d'une grande quantité d'impuretés (ou à la présence d'une impureté très volatile comme l'H2), il est très difficile d'éviter la production importante de gaz au niveau des refroidisseurs 10,12 successifs, tout en 20 assurant un taux de détente correct. Dans la Figure 3, le liquide condensé dans l'échangeur 7 est refroidi dans le refroidisseur 10 contre le fluide détendu 4A, détendu dans la vanne V5 puis divisé en deux. Une partie du fluide est le fluide 4A envoyé dans le refroidisseur pour se réchauffer et le reste est envoyé à un séparateur de phases S4. Le liquide du 25 séparateur de phases S4 est envoyé à un refroidisseur 12 et est détendu dans la vanne V7 avant d'être divisé en deux. Une partie du liquide est envoyée comme débit 18 au sous-refroidisseur 9 et le reste 6A est détendu dans la vanne V8 avant de se réchauffer dans le refroidisseur 12. Le ou les débits de gaz 21 alors générés dans le séparateur S4 contiennent une 30 grande majorité des impuretés mais également (à cause de leur température élevée) une grande quantité de CO2. Afin d'assurer un rendement élevé, le gaz 21 (qui est encore à une pression élevée) provenant du séparateur S4 est mélangé avec le gaz 17 issu de la détente du CO2 liquide à 7bars dans la vanne V9, le gaz 17 contenant lui aussi une grande 35 quantité de CO2. Un compresseur dédié C qui comprime le gaz 17 assure la cohérence des pressions. Ce courant gazeux 23, formé en mélangeant les débits 17, 21, contenant ainsi la très grande majorité des impuretés du système ainsi que beaucoup de CO2 va être partiellement condensé dans un second échangeur de chaleur 25, là encore de type à tubes et à calandre, jusqu'à atteindre une température la plus proche possible du point triple du CO2. Un pot séparateur S5 en sortie de cet échangeur 25 permettra d'isoler le liquide 27 (quasi exclusivement constitué de CO2) du gaz 29 qui sera purgé. Le CO2 liquide 27 est alors recyclé au niveau du premier liquide issu du premier échangeur de chaleur de type à tubes et à calandre 9, en amont de la détente à 7bars dans la vanne V9. Le deuxième échangeur de chaleur 25 est refroidi au moyen d'un débit 27 du liquide du séparateur S3 qui est détendu dans la vanne V13, se vaporise dans l'échangeur de chaleur 215 et est mélangé avec le gaz à recycler 15. REVENDICATIONS1. Procédé de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 90% mol., voire au moins 95% mol. de dioxyde de carbone dans lequel : a) le débit gazeux d'alimentation (1) est comprimé dans au moins un premier étage (3C, 3D) de compression, b) le débit comprimé est refroidi pour le condenser au moins partiellement pour produire un débit liquide c) au moins une partie du débit liquide est refroidi dans les tubes d'un premier échangeur de chaleur (9) qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre d) i) une première partie (11) du liquide refroidi dans le premier échangeur, ensuite détendue, ou ii) une première partie d'un liquide produit en détendant et en vaporisant partiellement le liquide refroidi dans le premier échangeur sert de produit liquide e) une deuxième partie (13) du liquide refroidi dans le premier échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide est détendue dans une vanne (V4, V10) et se vaporise dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé (15) f) au moins une partie du débit vaporisé est comprimé et mélangé avec le débit gazeux d'alimentation. 25 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit d'alimentation (1) contient au moins 95% mol, voire au moins 99% mol., de dioxyde de carbone et dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser partiellement pour produire un débit liquide en étant refroidi dans un deuxième échangeur de chaleur (7) autre que 30 le premier échangeur de chaleur pour le condenser partiellement, le débit partiellement condensé est détendu et envoyé à un premier séparateur de phases (S1), un liquide du premier séparateur de phases est détendu envoyé à un deuxième séparateur de phases (S2) et le débit liquide est soutiré du deuxième séparateur de phases. 35 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel un gaz (4) du premier séparateur de phases (S1) et/ou un gaz (6) du deuxième séparateur de phases (S2) est/sont mélangé(s) avec le débit gazeux d'alimentation. 4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le débit d'alimentation contient au plus 99% de dioxyde de carbone, voire au plus 95% de dioxyde de carbone et dans lequel le débit comprimé est refroidi pour le condenser complètement dans l'étape b) dans un deuxième échangeur de chaleur (7) autre que le premier échangeur. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel au moins une première portion (4A, 6A) du liquide condensé dans le deuxième échangeur de chaleur est détendue dans une vanne (V6, V8), vaporisé contre le liquide condensé et mélangé avec le débit d'alimentation. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5 dans lequel le liquide refroidi dans le premier échangeur est détendu, partiellement vaporisé et envoyé à un séparateur de phases (S4) et le liquide formé sert en partie de produit liquide alors qu'une autre partie du liquide est détendue dans une vanne (V7) et se vaporise dans la calandre du premier échangeur (9) pour former le débit vaporisé. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel un gaz (21) provenant du séparateur de phases (S4) est mélangé avec le débit vaporisé (15). 8. Procédé selon la revendication 6 dans lequel un gaz (17) provenant du séparateur de phases (S3) est comprimé puis au moins partiellement condensé et le liquide (27) produit par la condensation au moins partielle sert de produit ou est envoyé en amont du séparateur de phases. 9. Appareil de liquéfaction d'un débit gazeux contenant au moins 90 mol.%, voire au moins 95% mol. de dioxyde de carbone comprenant au moins un premier étage de compression (C3,C4) dans lequel le débit gazeux d'alimentation (1) est comprimé, des moyens de condensation du débit comprimé, pour le condenser au moins partiellement pour produire un débit liquide, un premier échangeur de chaleur (9) qui est un échangeur de chaleur à tubes et à calandre, des moyens pour envoyerau moins une partie du débit liquide dans les tubes du premier échangeur de chaleur, des moyens pour sortir comme produit liquide (11) i) une première partie du liquide refroidi dans le premier échangeur, ensuite détendue, ou ii) une première partie d'un liquide produit en détendant et en vaporisant partiellement le liquide refroidi dans le premier échangeur, une vanne (V4, V10), des moyens pour envoyer une deuxième partie du liquide refroidi dans le premier échangeur ou d'un liquide produit en détendant et vaporisant partiellement ce liquide se détendre dans la vanne et se vaporiser dans la calandre du premier échangeur pour former un débit vaporisé (15), des moyens pour comprimer (3A,3B) au moins une partie du débit vaporisé et la mélanger avec le débit gazeux d'alimentation.