Brevet FR3012973A1 — publié le 20150515

La présente invention concerne un appareil et un procédé de compression et/ou de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz riche en dioxyde de carbone contenant de l'eau. L'invention concerne : un appareil et un procédé de compression et de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz riche en dioxyde de carbone contenant de l'eau et un appareil et un procédé de compression ainsi que de purification d'un gaz riche en dioxyde de carbone contenant de l'eau et un appareil et un procédé de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz riche en dioxyde de carbone contenant de l'eau. Un gaz riche en dioxyde de carbone contient au moins 30% de dioxyde de carbone. Tous les pourcentages dans ce document relatifs à des puretés sont des pourcentages molaires. En particulier, l'invention concerne un procédé de vaporisation des condensats produits lors de la compression et/ou du refroidissement d'un gaz riche 20 en dioxyde de carbone. Le gaz est ensuite purifié à température subambiante. Le gaz d'alimentation à comprimer et/ou à refroidir et à purifier peut provenir d'une unité de production d'hydrogène et/ou de monoxyde de carbone. Au moins une partie de la vapeur générée par la vaporisation des condensats est envoyée vers les brûleurs d'unité de production d'hydrogène et/ou de 25 monoxyde de carbone. Les unités de production d'hydrogène (H2) et/ou de monoxyde de carbone (CO) par reformage d'hydrocarbure à la vapeur et/ou par oxydation partielle coproduisent aussi de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2). Ce CO2 est essentiellement issu de la conversion du CO et de vapeur d'eau en CO2 et H2. Il est 30 donc possible d'utiliser une unité de capture de CO2 par purification à température subambiante (CPU) pour le purifier, le comprimer et l'exporter afin notamment de l'utiliser pour l'EOR (« Enhanced Oil Recovery » ou Récupération Assistée du Pétrole) ou pour la séquestration du CO2. Dans le cas d'un SMR (« Steam Methane Reforming » ou Reformage à la 35 Vapeur de Méthane), on pourra par exemple choisir d'installer la CPU après le PSA H2, traitant ainsi son gaz résiduaire particulièrement chargé en CO2. Une CPU peut aussi être employée sur des unités d'oxydation partielle d'hydrocarbures légers (PDX) ou des unités de Reformage AutoTherm igue (ATR). Une unité de purification du CO2 à température subambiante (dit « CPU ») 5 comprend a minima une étape de compression du gaz traité, une étape de séchage et au moins une étape à température subambiante dans laquelle le CO2 est séparé des autres composés. L'étape à température subambiante peut être une condensation partielle ou de la distillation ou du lavage. 10 L'étape de compression génère des condensats contenant essentiellement de l'eau, et du CO2 dissous dans l'eau mais aussi des impuretés issues de réactions parasites ayant lieu dans l'unité de production d'H2 et/ou de CO. Les impuretés les plus présentes sont alors surtout du méthanol, de l'ammoniaque et des amines. Ces impuretés nécessitent la plupart du temps des traitements complexes. 15 Dans FR1262001, une solution est proposée pour intégrer ces condensats avec les condensats de l'usine de production d'H2 et/ou de CO sur laquelle le CO2 est capturé. Mais cette solution peut être impossible dans certains cas, spécialement dans les cas de modification d'un appareil existant où les équipements de traitement des condensats existants ne permettent pas toujours de traiter le débit zo supplémentaire issu de la CPU. De plus, les équipements qui permettent de traiter ces condensats sont très souvent opérés à très hautes pression (de l'ordre de 50 bara), alors que les condensats de la CPU seront à une pression bien moindre : entre 1 et 50 bara pour ces issus de la compression et entre 1 et 5 bara pour ceux issus de la phase de la régénération du sécheur. Concernant ce dernier point, le 25 sécheur de la CPU sera préférentiellement régénéré avec un fluide résiduel peu impacté par la présence d'eau résultant de la désorption de l'eau contenue dans les bouteilles d'adsorbant. Pour optimiser cette régénération, on utilise un fluide à basse pression. Dans ce cadre, le résiduaire de la CPU après détente (car envoyé aux brûleurs de l'unité de production d'H2 et/ou de CO) est tout indiqué. Or des 30 condensats peuvent être générés lors de la phase de régénération, d'autant que l'on va souvent chercher à stabiliser la température du gaz issu de la bouteille en régénération en le refroidissant. Ces condensats seront donc à la pression de la régénération. Des pompes de condensats vont donc être nécessaires si on veut utiliser les équipements présents pour pouvoir les traiter. Ces pompes ont un coût 35 notable. L'invention permet d'éviter notamment l'emploi de ces deux pompes en traitant les condensats d'une manière nouvelle. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de compression et/ou de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde 5 de carbone et contenant de l'eau et des impuretés ainsi qu'au moins un des composants suivants : l'hydrogène, monoxyde de carbone, méthane, azote, comprenant : un compresseur et/ou un refroidisseur, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation vers le compresseur et/ou vers le refroidisseur, des moyens pour récupérer de l'eau présente dans le gaz d'alimentation condensée lors de la 10 compression et/ou le refroidissement du gaz d'alimentation, une unité d'épuration par adsorption contenant des lits d'adsorbant, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation comprimé et/ou refroidi à l'unité d'épuration pour produire un gaz d'alimentation comprimé et séché, une unité de purification à température subambiante, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation comprimé et/ou refroidi 15 et séché vers l'unité de purification, des moyens pour sortir un fluide enrichi en dioxyde de carbone de l'unité de purification, des moyens pour envoyer un gaz de régénération à l'unité d'épuration, des moyens pour sortir le gaz de régénération enrichi en eau d'un lit d'adsorption de l'unité d'épuration et des moyens pour mélanger au moins une partie de l'eau condensée lors de la compression et/ou du 20 refroidissement avec le gaz de régénération enrichi en eau pour former un débit de gaz humide. Selon d'autres objets facultatifs, l'appareil comprend : - des moyens de chauffage du gaz de régénération enrichi en eau, de préférence en amont du point où le fluide est mélangé avec de l'eau condensée 25 lors de la compression. - un diffuseur de liquide pour mélanger l'eau condensée avec le gaz de régénération enrichi en eau. - des moyens pour soutirer un gaz appauvri en dioxyde de carbone de l'unité de purification et pour l'envoyer à l'unité d'épuration comme gaz 30 de régénération. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'un gaz de synthèse et d'un gaz enrichi en dioxyde de carbone comprenant une unité de génération de gaz de synthèse, une unité d'enrichissement du gaz de synthèse en CO2 pour produire un gaz d'alimentation, un appareil de compression 35 et/ou de refroidissement et de purification selon l'une des revendications 3012 973 4 précédentes, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation à l'appareil de compression et de purification pour y être comprimé et purifié et des moyens pour envoyer au moins une partie du débit de gaz humide vers l'unité de génération de gaz de synthèse. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de compression et/ou de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone et contenant de l'eau et des impuretés ainsi qu'au moins un des composants suivants : de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, de l'azote dans lequel on comprime et/ou on refroidit le gaz d'alimentation, on récupère de l'eau condensée lors de la compression et/ou du refroidissement, on envoie le gaz d'alimentation comprimé et/ou refroidi à une unité d'épuration pour être séché, on envoie le gaz d'alimentation séché de l'unité d'épuration, on refroidit le gaz séché jusqu'à une température subambiante et on le purifie pour former un fluide enrichi en dioxyde de carbone et un fluide appauvri en dioxyde de carbone, on envoie un gaz de régénération, éventuellement constitué par au moins une partie du fluide appauvri en dioxyde de carbone, vers l'unité d'épuration comme gaz de régénération, on mélange le gaz ayant servi de gaz de régénération avec au moins une partie de l'eau condensée lors de la compression et/ou du refroidissement pour former un débit de gaz humide. Selon d'autres aspects facultatifs : - le gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contient au moins 30%, voire au moins 60% de dioxyde de carbone - le gaz d'alimentation contient de l'hydrogène, de préférence au moins 10%, voire au moins 30% d'hydrogène - le gaz d'alimentation contient du méthane, de préférence au moins 10%, voire au moins 30% de méthane - le gaz d'alimentation contient du monoxyde de carbone - le gaz de régénération à la sortie de l'unité d'épuration contient au moins 50%, voire au moins 75%, de méthane - le gaz de régénération à la sortie de l'unité d'épuration contient au moins 3 %, voire au moins 5%, d'hydrogène - le gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contient de l'hydrogène et du méthane - le gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contient de 35 l'hydrogène et du méthane et du monoxyde de carbone - on réchauffe le gaz, éventuellement le fluide appauvri en dioxyde de carbone, ayant servi de gaz de régénération afin de vaporiser substantiellement toute l'eau qu'il contient. - on réchauffe le gaz, éventuellement le fluide appauvri en dioxyde de carbone, ayant servi de gaz de régénération afin de vaporiser substantiellement toute l'eau condensée mélangée ensuite avec le fluide. - on réchauffe le gaz ayant servi de gaz de régénération jusqu'à une température entre 80 et 200°C. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un gaz de synthèse et d'un gaz enrichi en dioxyde de carbone dans lequel on génère un gaz de synthèse dans une unité de génération de gaz de synthèse, on enrichit le gaz de synthèse en CO2 pour produire un gaz d'alimentation, on comprime et/ou refroidit et on purifie le gaz d'alimentation tel que décrit ci-dessus, et on envoie au moins une partie du débit de gaz humide vers l'unité de génération de gaz de synthèse. On peut générer le gaz de synthèse par un procédé comprenant une étape de combustion de carburant. Dans ce cas, le débit de gaz humide est éventuellement envoyé à l'étape de combustion. Le gaz humide qui est traité dans la CPU est habituellement utilisé comme carburant et envoyé aux brûleurs quand il n'y a pas de capture de CO2. L'eau qu'il contient est donc habituellement envoyée aux brûleurs d'une unité de production de gaz de synthèse. L'invention consiste à vaporiser les condensats et à les envoyer, avec le gaz résiduaire qui a servi à la régénération du sécheur, par exemple aux brûleurs. Pour ce faire, on va choisir d'utiliser un réchauffeur à la place de l'échangeur de refroidissement situé sur le gaz résiduaire ayant servi à la régénération du sécheur. On va ainsi préchauffer le gaz destiné à être brûlé et s'assurer qu'il n'y a plus d'eau sous forme liquide dans ce gaz. De cette manière, les pompes de condensats ne sont plus nécessaires. Plus précisément, on va réchauffer le gaz résiduaire après régénération par le biais d'un réchauffeur à la vapeur, par le biais d'un réchauffeur électrique ou par le biais d'un réchauffeur utilisant une source de chaleur à suffisamment haute température pour vaporiser l'eau liquide issue du sécheur et pour surchauffer le gaz au dessus de son point de rosée. On réalise cette surchauffe pour plusieurs raisons : - premièrement cela permet d'éviter la condensation de l'eau dans le tuyau allant de ce réchauffeur aux brûleurs (les condensats étant corrosifs, on peut garder les tuyaux en acier carbone si on surchauffe assez pour éviter leur formation) - deuxièmement, cette surchauffe permet d'avoir suffisamment d'énergie disponible pour vaporiser par contact direct les autres condensats, ceux issus de la compression des fumées humides en entrée. On va ainsi utiliser un diffuseur de liquide dans le tuyau de gaz surchauffé à haute température, les gouttelettes sortant du diffuseur étant vaporisée. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un vaporiseur dédié à ces condensats. La température en sortie du réchauffeur sera comprise entre 80 et 200°C et la température après la vaporisation en sortie de diffuseur sera alors comprise entre 60 et 180°C. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui montre un procédé selon l'invention. Un gaz de synthèse 1 est généré dans une unité de génération de gaz de synthèse par reformage G. L'unité G comprend une chambre de combustion alimentée par un carburant F. Le gaz de synthèse 1 subit une réaction et/ou une séparation dans une unité S pour augmenter sa teneur en CO2 pour former un gaz d'alimentation 3. Ce gaz d'alimentation 3 contenant au moins 35% de dioxyde de carbone et de l'eau est envoyé à un compresseur Cl où il est comprimé jusqu'à une pression de 10 bars. Ceci a pour effet de faire condenser une partie de l'eau qu'il contient. Alternativement l'eau peut être condensée en refroidissant le gaz d'alimentation, en le comprimant ou pas. Cette eau H est récupérée dans une conduite, éventuellement reliée à un refroidisseur R en aval du compresseur. Le mot « eau » couvre tout liquide composé majoritairement d'eau. L'eau peut contenir par exemple de l'acide carbonique, du méthanol dissous, des amines dissoutes, de l'ammoniaque dissoute. Il sera compris que si le gaz est déjà à la bonne pression, l'étape de compression n'est pas nécessaire et un simple refroidissement suffira pour condenser l'eau présente dans le gaz. 3012 973 7 Le gaz partiellement séché 7 est envoyé à une unité d'épuration E comprenant au moins deux lits d'adsorbant El et E2. Le gaz est épuré en eau dans le premier lit El par adsorption et ensuite est recomprimé dans un compresseur C2 jusqu'à 50 bars puis envoyé dans une unité de purification CPU dans lequel il est 5 refroidi et séparé à température subambiante dans au moins un séparateur de phase et/ou dans une colonne de distillation et/ou dans une colonne de lavage. L'unité de purification CPU produit un gaz ou un liquide enrichi en dioxyde de carbone 10 contenant au moins 95% de dioxyde de carbone. L'unité produit également un gaz sec résiduaire 11 appauvri en CO2 . Ce gaz résiduaire 11 sert de gaz de régénération pour l'unité d'épuration E et est envoyé au lit d'adsorbant E2 où il se charge en eau pour produire un gaz humide. L'épuration est effectuée en cycle de manière connue et pendant une partie du cycle le gaz 7 est séché dans le lit El et pendant l'autre partie dans le lit E2. Ceci permet le gaz 11 de régénérer le lit E2 quand le lit El adsorbe de l'humidité et de régénérer le lit El quand le lit E2 adsorbe 15 de l'humidité. La composition du gaz humide 13 est : Composant Teneur (%vol) H2O 2.1 CO2 4.6 N2 2.2 CO 4.3 H2 5.6 CH4 81.2 Le gaz humide 13 sortant du lit E2 (ou de El quand le lit E2 est en phase 20 d'adsorption) est réchauffé par le biais d'un réchauffeur à la vapeur, par le biais d'un réchauffeur électrique ou par le biais d'un réchauffeur utilisant une source de chaleur à suffisamment haute température pour vaporiser l'eau liquide issue de l'unité d'épuration et pour surchauffer le gaz au dessus de son point de rosée. La température du gaz réchauffé 15 en sortie du réchauffeur W sera comprise entre 80 25 et 200°C. En aval du réchauffeur W, les tuyaux de transport du gaz 15 ayant servi à la régénération sont en acier carbone. Ensuite le gaz 15 ayant servi à la régénération à entre 80 et 200°C est mélangé avec l'eau condensée H produite par la compression du gaz d'alimentation 3. L'eau condensée H est introduite dans la conduite de gaz 15 ayant servi à la régénération au moyen d'un diffuseur de liquide D. Comme le gaz est surchauffé à haute température, les gouttelettes d'eau sortant du diffuseur D sont vaporisées. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser un vaporiseur dédié à ces condensats. La température du gaz 19 après la vaporisation en sortie de diffuseur sera alors comprise entre 60 et 180°C. Le gaz humide 19 formé en mélangeant l'eau condensée H et le gaz 15 10 ayant servi à la régénération est envoyé à la chambre de combustion de l'unité de génération du gaz de synthèse. Il peut être envoyé indépendamment (débit 21) ou mélangé au carburant F (débit 21A). Dans cet exemple, le gaz de régénération 11 provient de l'unité de purification CPU. Or il est possible que le gaz de régénération vienne d'une autre 15 source. REVENDICATIONS1. Appareil de compression et/ou de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz d'alimentation (3) riche en dioxyde de carbone et contenant de l'eau et des impuretés ainsi qu'au moins un des composants suivants : l'hydrogène, monoxyde de carbone, méthane, azote, comprenant : un compresseur (C1) et/ou un refroidisseur (R), des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation vers le compresseur et/ou vers le refroidisseur, des moyens pour récupérer de l'eau présente dans le gaz d'alimentation condensée lors de la compression et/ou le refroidissement du gaz d'alimentation, une unité d'épuration (E1,E2) par adsorption contenant des lits d'adsorbant, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation comprimé et/ou refroidi à l'unité d'épuration pour produire un gaz d'alimentation (9) comprimé et séché, une unité de purification (CPU) à température subambiante, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation comprimé et/ou refroidi et séché vers l'unité de purification, des moyens pour sortir un fluide enrichi en dioxyde de carbone (10) de l'unité de purification, des moyens pour envoyer un gaz de régénération (11) à l'unité d'épuration, des moyens pour sortir le gaz de régénération enrichi en eau (13) d'un lit d'adsorption de l'unité d'épuration et des moyens (D) pour mélanger au moins une partie de l'eau (H) condensée lors de la compression et/ou du refroidissement avec le gaz de régénération enrichi en eau pour former un débit de gaz humide (19,21). 2. Appareil selon la revendication 1 comprenant des moyens de chauffage (W) du gaz de régénération enrichi en eau (13), de préférence en amont du point où le fluide est mélangé avec de l'eau condensée (H) lors de la compression et/ou le refroidissement. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2 comprenant un diffuseur de liquide (D) pour mélanger l'eau condensée (H) avec le gaz de régénération (13) enrichi en eau. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour soutirer un gaz (11) appauvri en dioxyde de carbone de l'unité depurification (CPU) et pour l'envoyer à l'unité d'épuration (E,E1,E2) comme gaz de régénération. 5. Appareil de production d'un gaz de synthèse et d'un gaz enrichi en dioxyde de carbone comprenant une unité de génération (G) de gaz de synthèse, une unité d'enrichissement (S) du gaz de synthèse en CO2 pour produire un gaz d'alimentation, un appareil de compression et/ou de refroidissement et de purification selon l'une des revendications précédentes, des moyens pour envoyer le gaz d'alimentation à l'appareil de compression et de purification pour y être comprimé et 10 purifié et des moyens pour envoyer au moins une partie du débit de gaz humide vers l'unité de génération de gaz de synthèse. 6. Procédé de compression et/ou de refroidissement ainsi que de purification d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone et contenant de l'eau 15 et des impuretés ainsi qu'au moins un des composants suivants : de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du méthane, de l'azote dans lequel on comprime et/ou on refroidit le gaz d'alimentation, on récupère de l'eau condensée (H) lors de la compression et/ou du refroidissement, on envoie le gaz d'alimentation comprimé et/ou refroidi à une unité d'épuration (E,E1,E2) pour être séché, on envoie le gaz 20 d'alimentation séché de l'unité d'épuration, on refroidit le gaz séché jusqu'à une température subambiante et on le purifie pour former un fluide enrichi en dioxyde de carbone (10) et un fluide appauvri en dioxyde de carbone (11), on envoie un gaz de régénération, éventuellement constitué par au moins une partie du fluide appauvri en dioxyde de carbone, vers l'unité d'épuration comme gaz de régénération, on 25 mélange le gaz (13) ayant servi de gaz de régénération avec au moins une partie de l'eau condensée lors de la compression et/ou du refroidissement pour former un débit de gaz humide. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on réchauffe le gaz 30 (13), éventuellement le fluide appauvri en dioxyde de carbone, ayant servi de gaz de régénération afin de vaporiser substantiellement toute l'eau qu'il contient. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel on réchauffe le gaz (13), éventuellement le fluide appauvri en dioxyde de carbone, ayant servi de gaz derégénération afin de vaporiser substantiellement toute l'eau condensée (H) mélangée ensuite avec le fluide. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on réchauffe le gaz (13) ayant servi de gaz de régénération jusqu'à une température entre 80 et 200°C. 10. Procédé de production d'un gaz de synthèse et d'un gaz enrichi en dioxyde de carbone dans lequel on génère un gaz de synthèse dans une unité de génération de gaz de synthèse (G), on enrichit le gaz de synthèse en CO2 pour produire un gaz d'alimentation, on comprime et/ou refroidit et on purifie le gaz d'alimentation selon l'une des revendications 6 à 9, et on envoie au moins une partie du débit de gaz humide vers l'unité de génération de gaz de synthèse. 15 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel on génère le gaz de synthèse par un procédé comprenant une étape de combustion de carburant et dans lequel le débit de gaz humide est envoyé à l'étape de combustion.