Brevet FR3067099A1 — publié le 20181207

Dispositif de séparation de mélange gazeux La présente invention concerne un dispositif de séparation de mélange gazeux et de conversion d'énergie. La séparation cryogénique est typiquement préférée dans l'industrie pour produire de grands volumes d'oxygène, d'azote ou autre, exploités dans une variété de systèmes de conversion d'énergie différents, par exemple pour le chauffage de fourneaux industriels ou pour des centrales électriques à gaz naturel ou à charbon. Cependant, la séparation cryogénique présente des coûts énergétiques d'exploitation très élevés, en particulier comporte une phase de compression particulièrement coûteuse en énergie. On connait déjà dans l'état de la technique, notamment d'après US 2004/0016237, un dispositif intégré de séparation cryogénique d'air et de conversion d'énergie, comprenant une unité de séparation d'air propre à produire de l'air enrichi en oxygène, et une unité de compression pour fournir de l'air comprimé à l'unité de séparation d'air. Le dispositif comprend en outre une unité de combustion alimentée par l'air enrichi en oxygène produit par l'unité de séparation. L'unité de combustion est propre à délivrer un gaz d'entrainement à une turbine. On connait par ailleurs, notamment d'après US 6 382 958, un dispositif de séparation à membrane céramique, utilisé dans un procédé de chauffage. Dans un tel dispositif, l'air est chauffé à très haute température avant séparation. US 8 752 391 décrit également un dispositif de séparation à membrane céramique fonctionnant à haute température, dans lequel la température du mélange gazeux est élevée à plus de 540°C avant séparation. Ce type de membrane est particulièrement onéreux et n'est pas adapté pour des utilisations à basse température. On connait par ailleurs, d'après WO 2008/013843, un dispositif pour mettre en oeuvre une combustion enrichie en oxygène, dans lequel de l'énergie est produite par un cycle Rankine indépendant à partir d'une récupération de chaleur. Toutefois ce dispositif ne permet pas de rendre un procédé de séparation de gaz plus efficace. On connait par ailleurs, d'après US 7 637 109, l'utilisation d'un réfrigérant tel que le gaz naturel liquéfié, pour refroidir de l'oxygène avant compression. Ce dispositif de refroidissement est agencé en amont d'un système de compression, et ne permet donc pas une compression isotherme. On connait également, d'après US 2012 0324944, un dispositif de séparation, fonctionnant à de basses pressions. Toutefois, de tels dispositifs ne donnent pas entièrement satisfaction. 3067099 2 En particulier, les processus de séparation connus sont habituellement coûteux en énergie. L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif intégré de séparation de mélange gazeux et de conversion d'énergie présentant un meilleur rendement. 5 A cet effet, l'invention a notamment pour objet un dispositif de séparation d'un mélange gazeux comprenant : - une unité de compression ; - une unité de séparation du mélange gazeux, destinée à produire un perméat et un rétentat, et agencée en aval de l'unité de compression ; 10 caractérisé en ce que l'unité de compression est conformée pour réaliser une compression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute cette compression. L'unité de compression réalise donc une compression quasi-isotherme. Une telle compression quasi-isotherme nécessite moins d'énergie pour porter le mélange gazeux à 15 une pression prédéterminée. L'invention est basée sur un procédé de séparation de gaz, utilisant un cycle thermodynamique impliquant une compression isotherme et prévoyant d'utiliser la chaleur dégagée par une combustion pour chauffer l'un des gaz séparés. Un exemple d'application est l'oxy-combustion. 20 Le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possibles. - Durant la compression, la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et la température initiale du mélange gazeux, est inférieure à 50°C. 25 - Le dispositif de séparation comprend des moyens d'injection d'un liquide dans l'unité de compression, permettant d'adjoindre un liquide au mélange gazeux dans l'unité de compression pour former un fluide diphasique, le liquide étant propre à absorber la chaleur issue de la compression pour maintenir la température sensiblement constante durant cette compression. 30 - Le dispositif de séparation comprend une unité de chauffage, connectée à l'unité de séparation, et une machine de détente, agencée en aval de l'unité de chauffage. - La machine de détente est configurée pour réaliser une détente telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute la détente, notamment la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et la 35 température du mélange gazeux préalablement à la détente, est inférieure à 50°C. - La machine de détente est reliée mécaniquement à un générateur électrique. 3067099 3 - L'unité de chauffage comporte un échangeur de chaleur. - L'unité de séparation comporte un appareil de séparation membranaire. - Le mélange gazeux est formé d'air, le perméat est de l'air enrichi en oxygène et le rétentat est de l'air appauvri en oxygène. 5 - Le mélange gazeux est formé par du gaz de combustion, le perméat est de l'air enrichi en CO2 et le rétentat est de l'air appauvri en 002. L'invention a également pour objet une installation industrielle, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de séparation tel que défini précédemment. L'installation selon l'invention peut comprendre en outre l'une ou plusieurs des 10 caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniquement possibles. - L'installation industrielle comprend une unité de combustion, connectée à l'unité de séparation de sorte que le perméat ou le rétentat alimente l'unité de combustion. - L'installation industrielle comprend une machine de détente agencée en aval de 15 l'unité de combustion (10). - L'unité de chauffage est connectée à l'unité de combustion, de sorte que l'unité de chauffage est alimentée par un gaz d'échappement issu d'une combustion réalisée dans l'unité de combustion. L'invention concerne également un procédé de séparation d'un mélange gazeux, 20 caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif de séparation tel que défini précédemment, et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape de compression du mélange gazeux, durant laquelle la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant la compression, pour obtenir un mélange gazeux comprimé; 25 - une étape de séparation au moins partielle du mélange gazeux comprimé pour obtenir un perméat et un rétentat ; - une étape de chauffage du perméat ou du rétentat ; - une étape de détente du perméat ou du rétentat chauffé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 30 donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation industrielle comprenant un dispositif de séparation de mélange gazeux selon un exemple de mode de réalisation de invention ; et 35 - la figure 2 est un diagramme d'un cycle thermodynamique représentant l'évolution du mélange gazeux dans le dispositif de la figure 1. 3067099 4 On notera que dans la présente description, les termes « amont » et « aval » sont définis relativement à un sens d'écoulement d'un mélange gazeux dans un circuit. On a représenté, sur la figure 1, une installation industrielle 20. Par exemple, l'installation industrielle 20 forme une aciérie, une verrerie ou une 5 centrale électrique. L'installation industrielle 20 comprend un dispositif de séparation 1 et une unité de combustion 10. Le dispositif de séparation 1 comporte un circuit principal 5 comprenant une unité de compression 6 et une unité de séparation 7. 10 L'unité de compression 6 est alimentée en un mélange gazeux 2 présentant une pression PO et une température TO, et comprime ce mélange gazeux 2 pour obtenir un mélange gazeux comprimé 8 présentant une pression P1 supérieure à PO et une température 11. La pression P1 est par exemple supérieure à 7 bar, de préférence supérieure à 24 15 bar. Par exemple, le mélange gazeux 2 est formé d'air. Cet air peut optionnellement être préalablement déshydraté. En variante, le mélange gazeux 2 est formé de gaz de combustion. L'unité de compression 6 est propre à délivrer une compression quasi isotherme. 20 Plus particulièrement, la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute la compression. Ainsi, par définition, les températures TO et 11 sont sensiblement égales. Avantageusement, la différence entre la température TO du mélange gazeux 2 et la température 11 du mélange gazeux comprimé 8 est inférieure à 50°C. 25 De préférence, la différence entre la température TO du mélange gazeux 2 et la température 11 du mélange gazeux comprimé 8 est inférieure à 15°C. Optionnellement, le mélange gazeux 2 est préalablement refroidi sous la température ambiante avant l'unité de compression. Pour réaliser une telle compression isotherme ou quasi-isotherme, un liquide peut 30 être adjoint au mélange gazeux 2 dans l'unité de compression 6 pour former un fluide diphasique. Ainsi, le liquide, en contact direct avec le gaz, absorbe la chaleur issue de la compression de ce gaz, pour ainsi obtenir une compression isotherme au cours de laquelle la température reste sensiblement constante durant toute la compression. Ledit liquide peut être apte à subir un changement de phase par évaporation lors de 35 l'absorption de la chaleur de compression. Il est à noter que la température est considérée comme sensiblement constante lorsque la différence entre cette température 3067099 5 et la température initiale est notamment inférieure à 50°C, de préférence inférieure à 15°C. A titre d'exemple, ledit liquide utilisé peut-être de l'eau ou une huile. Un autre exemple d'unité de compression quasi-isotherme est décrit dans le 5 document « On The Strategies Towards lsothermal Gas Compression And Expansion », 2014, par Mahbod Heidari, Sylvain Lemofouet et Alfred Rufer. Un autre exemple d'unité de compression quasi-isotherme est décrit dans US 4 027 993. Cette unité de compression utilise un mélange de gaz et de liquide, et a pour avantage de maintenir la température du gaz constante après la compression. 10 US 4 446 698 ou WO 2010/037980 décrivent des compresseurs isothermes proposant une surface de transfert de chaleur plus importante dans un échangeur de chaleur. US 4 311 025, US 9 267 504 ou US 7 401 475 décrivent des dispositifs dans lequel du liquide est injecté pendant les phases de compression et d'expansion pour 15 garder le système sensiblement isotherme. L'unité de séparation 7, agencé en aval de l'unité de compression 6, est destinée à séparer le mélange gazeux comprimé 8 pour obtenir un perméat 3 et un rétentat 4, présentant respectivement des températures Il a et Il b. Lorsque le mélange gazeux 2, 8 est formé par du gaz de combustion, le perméat 3 20 est de l'air enrichi en CO2 et le rétentat 4 est de l'air appauvri en 002. Pour parvenir à cette séparation, plusieurs variantes de réalisation sont envisagées, et le cas échéant combinées, selon la présente invention. Selon une première variante, l'unité de séparation 7 comporte un appareil de séparation membranaire 9 comme visible sur la figure 1. 25 De manière connue en soi, l'appareil de séparation membranaire 9 comprend un filtre disposé transversalement ou radialement à un flux d'un mélange gazeux comprimé. Le filtre permet alors le passage sélectif de certaines molécules et l'arrêt d'autres. L'appareil de séparation membranaire 9 est à même d'opérer à des pressions de mélange gazeux comprimé 8 comprises entre 7 bar et 80 bar. 30 Les procédés de séparation membranaire présentent habituellement un rendement élevé ainsi que des facilités de conception et de maintenance. Selon une seconde variante, l'unité de séparation 7 comporte un appareil de séparation par adsorption. De manière connue en soi, l'appareil de séparation par adsorption, notamment par 35 inversion de pression, retire un composant d'un mélange gazeux comprimé en utilisant 3067099 6 son affinité chimique et ses caractéristiques particulières vis-à-vis d'un adsorbant exposé à une oscillation de pression rigoureusement contrôlée. Selon une troisième variante, l'unité de séparation 7 comporte un appareil de séparation membranaire et un appareil de séparation par adsorption en série entre 5 lesquelles est agencé un compresseur. Cette variante permet notamment d'améliorer l'efficacité de la séparation. L'unité de séparation 7 ne présente pas de phénomènes dissipatifs importants, la température lia du perméat 3 et la température T1b du rétentat 4 sont donc sensiblement égales à la température T1 du mélange gazeux comprimé 8. 10 Classiquement, le perméat 3 ou le rétentat 4 alimente une unité de combustion 10. Dans le mode de réalisation décrit, le perméat 3 alimente l'unité de combustion 10. Avantageusement, la combustion réalisée dans l'unité de combustion 10 fait partie du processus industriel de l'installation équipée du dispositif 1. Le dispositif de séparation 1 comporte un circuit secondaire 11 comprenant une 15 unité de chauffage 12 et une machine de détente 13. L'unité de chauffage 12 est connectée à l'unité de séparation 7, qui l'alimente en fluide froid 14. Le fluide froid 14 est choisi parmi le perméat 3 ou le rétentat 4. Plus particulièrement, l'un parmi le perméat 3 ou le rétentat 4 alimente l'unité de combustion 10, et l'autre alimente l'unité de chauffage 12. Ainsi, dans le mode de réalisation décrit, le 20 rétentat 4 forme le fluide froid 14. L'unité de chauffage 12 est destinée à augmenter la température du fluide froid 14 pour obtenir un fluide chauffé 15 à une température 12 prédéterminée. Avantageusement, l'unité de chauffage 12 comporte un échangeur de chaleur 16 destiné à transférer de l'énergie thermique d'un fluide chaud 17 vers le fluide froid 14 pour 25 obtenir le fluide chauffé 15. Comme visible sur la figure 1, le fluide chaud 17 est formé par des gaz d'échappement résultant de la combustion réalisée dans l'unité de combustion 10. Comme cela est notamment représenté sur la figure 2, l'unité de chauffage 12 maintien de préférence la pression du fluide constante. 30 La machine de détente 13 est destinée à utiliser l'énergie du fluide chauffé 15 pour produire de l'énergie mécanique. La machine de détente 13 et l'unité de compression 6 sont avantageusement montées sur un même axe. Ainsi, l'énergie nécessaire à la compression est fournie au moins en partie par la machine de détente 13. Préférentiellement, l'axe de la machine de 35 détente 13 et l'axe de l'unité de compression 6 sont liés mécaniquement. 3067099 7 Dans le mode de réalisation décrit, la machine de détente 13 est reliée mécaniquement à un générateur d'énergie électrique 18, permettant de manière classique de convertir une énergie mécanique de la machine de détente 13 en une énergie électrique. 5 La machine de détente 13 rejette un fluide détendu 19. La machine de détente 13 est de préférence du type quasi isotherme, mais l'utilisation de tout autre type de machine de détente, par exemple isentropique, est possible. La machine de détente 13 peut par exemple être une turbine axiale ou radiale, une 10 turbine scroll ou à vis ou encore une machine d'expansion à piston, Le fonctionnement du dispositif de séparation 1 selon l'invention va maintenant être décrit en référence à la figure 2. La figure 2 montre un diagramme d'un cycle thermodynamique du fonctionnement du dispositif de séparation décrit précédemment, selon un mode de réalisation de 15 l'invention. L'ordonnée de ce diagramme montre la pression P dans le circuit et l'abscisse montre le volume V dans le circuit. L'état du mélange gazeux circulant dans dispositif peut être représenté par une courbe polygonale. Chaque ligne intermédiaire sur la courbe, située entre deux points de cette courbe, représente une transformation énergétique dans le dispositif de séparation 20 1, c'est-à-dire que les différentes étapes parcourues lors de la conversion d'énergie électrique sont représentées par les différents points sur la courbe polygonale de la figure 2. Ainsi, plusieurs parties de la courbe polygonale peuvent être décrite comme suit. Une première partie (représentée en trait plein) entre un point A et un point B du 25 diagramme représente la compression quasi isotherme du mélange gazeux 2 pour obtenir le mélange gazeux comprimé 8. Une seconde partie entre le point B et un point C représente étape de séparation du mélange gazeux. Le mélange gazeux est séparé en un rétentat (représenté en trait interrompu sur la figure 2) et en un perméat (représenté en pointillés sur la figure 2). Il est 30 à noter que cette étape de séparation a peu d'impact sur la pression du rétentat. Une troisième partie entre le point C et un point D représente le chauffage isobare du fluide froid 14 (rétentat). Une quatrième partie entre le point D et un point E représente la détente isotherme du fluide chauffé 15 (rétentat). 35 Par ailleurs, une cinquième partie entre le point C et un point F représente l'évolution du perméat suite à la séparation. 3067099 8 On notera que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation précédemment décrit, mais pourrait présenter diverses variantes. En particulier, il est possible que le dispositif de séparation 1, notamment l'unité de chauffage 16, soit alimenté en chaleur par une source de chaleur quelconque. 5 Par ailleurs, le dispositif 1 est apte à fonctionner avec des mélanges gazeux de types variés. Il apparaît clairement que l'invention présente un certain nombre d'avantages. Le dispositif de séparation selon l'invention permet de réduire les pertes d'énergie de l'installation industrielle 20 tout en séparant un mélange gazeux. 10 Il est à noter que les équipements en contact thermique avec le mélange gazeux comprimé 8 sont moins sollicités si le mélange gazeux comprimé 8 présente une température Il relativement basse. Les exigences imposées à ces équipements sont donc simplifiées. Ceci est particulièrement avantageux pour l'appareil de séparation membranaire 9 15 qui n'opère habituellement pas à des températures élevées. Par ailleurs, en effectuant une compression isotherme et non adiabatique, les dépenses énergétiques sont diminuées. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif de séparation (1) d'un mélange gazeux (2, 8) comprenant : - une unité de compression (6) ; - une unité (7) de séparation du mélange gazeux (2, 8), destinée à produire un pernnéat (3) et un rétentat (4), et agencée en aval de l'unité de compression (6) , caractérisé en ce que l'unité de compression (6) est conformée pour réaliser une compression telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constante 10 durant toute cette compression. 2. Dispositif de séparation (1) selon la revendication 1, dans lequel, durant la compression, la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et la température initiale du mélange gazeux, est inférieure à 50°C. 15 3. Dispositif de séparation (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant des moyens d'injection d'un liquide dans l'unité de compression (6), permettant d'adjoindre un liquide au mélange gazeux dans l'unité de compression pour former un fluide diphasique, le liquide étant propre à absorber la chaleur issue de la compression pour maintenir la 20 température sensiblement constante durant cette compression. 4.- Dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une unité de chauffage (12), connectée à l'unité de séparation (7), et une machine de détente (13), agencée en aval de l'unité de chauffage (12). 25 5.- Dispositif de séparation (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la machine de détente (13) est configurée pour réaliser une détente telle que la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant toute la détente, notamment la différence entre la température du mélange gazeux à tout moment, et la température du 30 mélange gazeux préalablement à la détente, est inférieure à 50°C. 6.- Dispositif de séparation (1) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la machine de détente (13) est reliée mécaniquement à un générateur électrique (18). 35 7.- Dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'unité de chauffage (12) comporte un échangeur de chaleur (16). 3067099 10 8.- Dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de séparation (7) comporte un appareil de séparation mennbranaire (9). 9.- Dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le mélange gazeux (2, 8) est formé d'air, le perméat (3) est de l'air enrichi en oxygène et le rétentat (4) est de l'air appauvri en oxygène. 10.- Dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le mélange gazeux (2, 8) est formé par du gaz de combustion, le perméat (3) est de l'air enrichi en CO2 et le rétentat (4) est de l'air appauvri en CO2. 11.- Installation industrielle (20), caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12.- Installation industrielle (20) selon la revendication 11, comprenant une unité de combustion (10), connectée à l'unité de séparation (7) de sorte que le perméat (3) ou le rétentat (4) alimente l'unité de combustion (10). 13. Installation industrielle (20) selon la revendication 12, comprenant une machine de détente agencée en aval de l'unité de combustion (10). 14.- Installation industrielle (20) selon la revendication 12 ou 13, dans lequel l'unité de chauffage (12) est connectée à l'unité de combustion (10), de sorte que l'unité de chauffage (12) est alimentée par un gaz d'échappement issu d'une combustion réalisée dans l'unité de combustion (10). 15.- Procédé de séparation d'un mélange gazeux (2, 8), caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre au moyen d'un dispositif de séparation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape de compression du mélange gazeux (2), durant laquelle la température du mélange gazeux reste sensiblement constante durant la compression, pour obtenir un mélange gazeux comprimé (8); - une étape de séparation au moins partielle du mélange gazeux comprimé (8) pour obtenir un perméat (3) et un rétentat (4) ; 3067099 11 - une étape de chauffage du perméat (3) ou du rétentat (4) ; - une étape de détente du perméat (3) ou du rétentat (4) chauffé. 5