Brevet FR3022993A1 — publié le 20160101

La présente invention est relative à un procédé de purification d'un flux gazeux d'alimentation mettant en oeuvre une unité d'adsorption et une unité de distillation cryogénique. L'adsorption est un phénomène en général favorisé par une température basse. Par exemple, pour une ASU (Air Separation Unit = Unité de séparation d'air), l'arrêt du CO2 sur un tamis moléculaire est jusqu'à 5 fois supérieure à -100°C qu'à 20°C, environ 3 fois pour l'arrêt du propane. La régénération nécessite un appoint de chaleur qui perturbe le bilan frigorifique de l'appareil, si l'adsorption a eu lieu à une température négative. Son coût énergétique peut être d'autant plus important que la température est basse. Dans les procédés selon l'état de la technique, l'adsorption est faite à une température positive et la chaleur pour régénérer (celle en excédent) est rejetée à l'atmosphère sans impacter le bilan frigorifique de la partie cryogénique. Partant de là, un problème qui se pose est de fournir une épuration cryogénique dans un procédé de séparation cryogénique qui sait déjà gérer au niveau bilan frigorifique une entrée de chaleur de chaleur au moins égale à celle nécessaire à la régénération des adsorbeurs. Une solution de la présente invention est un procédé de purification d'un flux gazeux d'alimentation mettant en oeuvre une unité d'adsorption comprenant au moins 2 adsorbeurs, une unité de distillation cryogénique, un échangeur et un compresseur fonctionnant à une température inférieure ou égale à -50°C, dans lequel la chaleur nécessaire à la régénération des adsorbeurs est issue, au moins en partie, d'au moins une partie de la chaleur générée par le compresseur, lors de la compression d'un fluide. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ledit procédé comprend une étape d'adsorption mise en oeuvre par l'unité d'adsorption, avec l'étape d'adsorption réalisée à une température négative ; - ledit procédé comprend selon une première alternative les étapes successives suivantes (figure 1): a) le flux gazeux d'alimentation 1 est refroidi dans l'échangeur 2 à une température inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -100°C ; b) le flux gazeux refroidi 3 est envoyé à l'unité d'adsorption 4 où au moins une impureté X est au moins en partie adsorbée de manière à récupérer un flux gazeux 5 appauvri en impureté X ; c) le flux gazeux appauvri en impureté X 5 est introduit dans l'échangeur 2 pour être refroidi à une température inférieure à -50°C, de préférence -150°C ; d) le flux gazeux 5 appauvri en impureté X et refroidi est envoyé à l'unité de distillation cryogénique 7 où il est séparé en au moins 2 flux 8 et 9 ; e) une partie du flux 9 est introduit dans l'échangeur pour être réchauffée à une température supérieure à -150°C, de préférence supérieure à-100°C, plus préférentiellement supérieure à - 50°C, idéalement à une température proche de celle du flux gazeux d'alimentation 1 à l'issu de l'étape a) avant d'être comprimé dans le compresseur 10 avec un taux de compression supérieur à 1.2 f) le flux 9 comprimé est envoyé à l'unité d'adsorption 4 pour régénérer un des deux adsorbeurs ; avec la compression à l'étape e) entraînant une augmentation de température du flux 9 d'au moins 20°C et fournissant ainsi l'apport de chaleur nécessaire à la régénération d'au moins un des adsorbeurs ; - ledit procédé comprend selon une deuxième alternative les étapes successives suivantes (figure 2): a) le flux gazeux d'alimentation 1 est refroidi dans l'échangeur 2 à une température inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -100°C ; b) le flux gazeux refroidi 3 est envoyé à l'unité d'adsorption 4 où au moins une impureté X est au moins en partie adsorbée de manière à récupérer un premier flux appauvri en impureté X 5; c) le flux gazeux 5 appauvri en impureté X est comprimé dans le compresseur 10 avec un taux de compression supérieur à 1.2 avant d'être refroidi dans l'échangeur 2 à une température inférieure à -50°C, de préférence inférieure à -150°C; d) le flux gazeux 5 appauvri en impureté X, comprimé et refroidi est envoyé à l'unité de distillation cryogénique 7 où il est séparé en au moins 2 flux 8 et 9 ; e) une partie du flux 9 est introduit dans l'échangeur pour être réchauffée à une température supérieure à -150°C, de préférence supérieure à -100°C, plus préférentiellement -50°C, idéalement à une température proche de celle du flux gazeux d'alimentation 5 à l'issue de la compression de l'étape c); f) le flux 9 réchauffé est envoyé à l'unité d'adsorption 4 pour régénérer au moins un des deux adsorbeurs ; avec la compression à l'étape c) entraînant une augmentation de température du flux gazeux 5 appauvri en impureté X d'au moins 20°C et fournissant ainsi de façon indirecte via l'échangeur 2 l'apport de chaleur nécessaire au réchauffage d'une partie du flux 9 et donc à la régénération d'au moins un des deux adsorbeurs à l'étape f) ; - les adsorbeurs comprennent un monolit, de préférence un tamis moléculaire. - le flux gazeux d'alimentation est de l'air et l'impureté X est choisie parmi H20, CO2, N20, CnHm, NOx ; - le flux gazeux d'alimentation comprend de l'eau et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape de pré-purification du flux gazeux d'alimentation permettant d'éliminer au moins une partie de l'eau ; - l'étape de pré-purification se fait par adsorption à température ambiante ; - l'adsorption de l'étape de pré-purification se fait sur monolit de type alumine, gel de silice ou tamis moléculaire. L'invention va être illustrée sur une ASU avec un compresseur froid. Le compresseur froid introduit dans la boite froide une entrée thermique qui réchauffe le gaz comprimé. Le bilan frigorifique naturel de l'appareil permet de gérer cette entrée thermique. Une partie du gaz chaud va être utilisé directement ou indirectement via un échange thermique avec un autre fluide pour assurer la phase chauffage de la régénération. Ceci se fait sans réelle pénalité énergétique, car cela ne perturbe pas (ou peu) le bilan frigorifique de l'appareil. La figure 1 représente la première alternative de la solution selon l'invention. L'air 1 est refroidi dans la ligne d'échange 2 (par exemple, jusqu'à -120°C), puis passe dans un lit d'adsorbant 4 à basse température (-120°C), puis est réintroduit (éventuellement légèrement plus chaud, du fait de l'adsorption) dans la ligne d'échange 2 pour refroidissement final avant d'être envoyé dans la partie distillation 7. Une partie de l'azote résiduaire 9 est soutiré vers -120°C de la ligne d'échange, puis comprimé dans un compresseur froid 10 où il s'échauffe jusqu'à une température de -80°C par exemple, puis envoyé dans un lit d'adsorbant en régénération. La chaleur apportée par la compression constitue l'apport de chaleur nécessaire pour la phase de chauffage de la régénération. L'azote se refroidit dans le lit d'adsorbant 4, et est ensuite envoyé à température autour de -120°C vers la ligne d'échange 2 pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante. La température d'adsorption peut être préférentiellement proche de la température d'entrée « naturelle dans le booster froid», c'est-à-dire celle dictée par le procédé, comme si on avait eu une épuration classique à température ambiante. On voit que la phase de chauffage de la régénération ne perturbe pas (ou peu) le bilan frigorifique de l'appareil, celle-ci se faisant sur l'apport de chaleur naturelle apportée par la compression froide. Il n'y a donc pas de pénalité énergétique à faire une épuration cryogénique. Concernant la phase de refroidissement de la régénération du procédé selon la première alternative, une partie de l'azote résiduaire est soutiré vers -120°C de la ligne d'échange, puis passe d'abord dans le lit en régénération (phase de refroidissement), avant d'être comprimé, puis envoyé vers la ligne d'échange pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante. On constate que la phase de chauffage et de refroidissement se fait à une pression différente nécessitant une phase intermédiaire d'adaptation du lit à la bonne pression. La figure 2 représente la deuxième alternative de la solution selon l'invention. L'air 1 est partiellement refroidi jusqu'à -120°C, puis passe à travers le lit d'adsorbant 4 avant d'être comprimé à froid 10 où il s'échauffe jusqu'à -80°C, puis renvoyé dans la ligne d'échange 2 plus chaud, pour refroidissement final avant d'être envoyé dans la partie distillation 7. Une partie de l'azote résiduaire 9 se réchauffe dans la ligne d'échange 2, jusqu'à une température proche de celle de l'air comprimé à froid, par exemple -80°C, récupérant ainsi de façon indirecte la chaleur introduite par la compression de l'air. L'azote ainsi réchauffé à -80°C assure la phase de chauffage de la régénération en traversant un lit d'adsorbant 4 où il se refroidit jusqu'à -120°C, puis est envoyé vers la ligne d'échange 2 pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante. La température d'adsorption peut être préférentiellement proche de la température d'entrée « naturelle » dans le booster froid, typiquement autour de la température du palier de vaporisation de l'oxygène par exemple pour les schémas classiques mono-machines avec booster froid (vers -120°C pour de l'oxygène pressurisé à 40 bar). De nouveau, on voit que la phase de chauffage de la régénération ne perturbe pas (ou peu) le bilan frigorifique de l'appareil, celle-ci se faisant sur l'apport de chaleur naturelle apportée par la compression froide, de façon indirecte dans ce cas. Il n'y a donc pas de pénalité énergétique à faire une épuration cryogénique. Concernant la phase de refroidissement de la régénération du procédé selon la deuxième alternative, une partie de l'azote résiduaire sort de la ligne d'échange à une température proche de l'entrée du compresseur froid (vers -120°C), traverse le lit adsorbant pour le refroidir, puis est envoyé vers la ligne d'échange pour réchauffage supplémentaire jusqu'à la température ambiante. Dans ce cas, les phases de chauffage et de refroidissement se font à la même pression.25 REVENDICATIONS1. Procédé de purification d'un flux gazeux d'alimentation mettant en oeuvre une unité d'adsorption comprenant au moins 2 adsorbeurs, une unité de distillation cryogénique, un échangeur et un compresseur fonctionnant à une température inférieure ou égale à -50°C, dans lequel la chaleur nécessaire à la régénération des adsorbeurs est issue, au moins en partie, d'au moins une partie de la chaleur générée par le compresseur, lors de la compression d'un fluide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une étape d'adsorption mise en oeuvre par l'unité d'adsorption, avec l'étape d'adsorption réalisée à une température négative. 3. Procédé de purification selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes successives suivantes : a) le flux gazeux d'alimentation (1) est refroidi dans l'échangeur (2) à une température inférieure à -50°C ; b) le flux gazeux refroidi (3) est envoyé à l'unité d'adsorption (4) où au moins une impureté X est au moins en partie adsorbée de manière à récupérer un flux gazeux (5) appauvri en impureté X ; c) le flux gazeux appauvri en impureté X (5) est introduit dans l'échangeur (2) pour être refroidi à une température inférieure à -50°C ; d) le flux gazeux (5) appauvri en impureté X et refroidi est envoyé à l'unité de distillation cryogénique (7) où il est séparé en au moins 2 flux (8) et (9) ; e) une partie du flux (9) est introduit dans l'échangeur pour être réchauffée à une température supérieure à -150°C avant d'être comprimé dans le compresseur (10) avec un taux de compression supérieur à 1.2 ; f) le flux (9) comprimé est envoyé à l'unité d'adsorption (4) pour régénérer un des deux adsorbeurs ;avec la compression à l'étape e) entraînant une augmentation de température du flux (9) d'au moins 20°C et fournissant ainsi l'apport de chaleur nécessaire à la régénération d'au moins un des adsorbeurs. 4. Procédé de purification selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes successives suivantes : a) le flux gazeux d'alimentation (1) est refroidi dans l'échangeur (2) à une température inférieure à -50°C ; b) le flux gazeux refroidi (3) est envoyé à l'unité d'adsorption (4) où au moins une impureté X est au moins en partie adsorbée de manière à récupérer un premier flux appauvri en impureté X (5); c) le flux gazeux (5) appauvri en impureté X est comprimé dans le compresseur (10) avec un taux de compression supérieur à 1.2 avant d'être refroidi dans l'échangeur (2) à une température inférieure à -50°C ; d) le flux gazeux (5) appauvri en impureté X, comprimé et refroidi est envoyé à l'unité de distillation cryogénique (7) où il est séparé en au moins 2 flux (8) et (9) ; e) une partie du flux (9) est introduit dans l'échangeur pour être réchauffée à une température supérieure à -150°C; f) le flux (9) réchauffé est envoyé à l'unité d'adsorption (4) pour régénérer d'au moins un des deux adsorbeurs ; avec la compression à l'étape c) entraînant une augmentation de température du flux gazeux (5) appauvri en composé X de 20°C et fournissant ainsi de façon indirecte via l'échangeur 2 l'apport de chaleur nécessaire au réchauffage d'une partie du flux 9 et donc à la régénération d'au moins un des deux adsorbeurs à l'étape f). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les adsorbeurs comprennent un monolit, de préférence un tamis moléculaire. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le flux gazeux d'alimentation est de l'air et l'impureté X est choisie parmi H20, CO2, N20, CnHm, NOx. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le flux gazeux d'alimentation comprend de l'eau et ledit procédé comprend avant l'étape a) une étape de pré-purification du flux gazeux d'alimentation permettant d'éliminer au moins une partie de l'eau. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de pré-purification se fait par adsorption à température ambiante. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'adsorption de l'étape de pré-purification se fait sur monolit de type alumine, gel de silice ou tamis moléculaire.15