Brevet FR3083854A1 — publié le 20200117

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention vise un dispositif et un procédé de liquéfaction d'un flux de dioxyde de carbone. Elle s'applique, notamment, au stockage du dioxyde de carbone sous forme liquide. ÉTAT DE LA TECHNIQUE La production d'hydrogène par vaporeformage s'accompagne d'un dégagement de dioxyde de carbone. Le développement de la filière de production d'hydrogène requiert un contrôle 113 strict du « cycle de vie ». Ce contrôle impose le captage et le conditionnement du dioxyde de carbone pour réduire les émissions de gaz à effet de serre du procédé. Par ailleurs, le marché actuel du dioxyde de carbone est en croissance, promu par les besoins et industries suivants, de manière non exhaustive : Récupération assistée de pétrole (en expansion, notamment pour l'exploitation 15 des champs offshore, et ceux en fin de vie) - Pharmacie - Alimentaire Engrais Production de caoutchouc 20 - Matériel contre incendie Les besoins sont mondiaux, et il en découle la nécessité d'atteindre les régions lointaines et/ou isolées. La liquéfaction du dioxyde de carbone est généralement choisie pour transporter du dioxyde de carbone liquide à des volumes inférieurs à 1500 m3. La capacité de transport est limitée en particulier par les 25 technologies de production et de stockage de dioxyde de carbone disponibles. Le moyen de transport retenu présente un impact sur les conditions opératoires à respecter pendant la période stockage du dioxyde de carbone. En effet, les conditions de stockage varient en fonction du mode de transport. 2 Le transport du dioxyde de carbone par bateau est mûr à l'échelle commerciale pour des volumes inférieurs à environ 1500 m3 (environ 1750 tonnes). Le dioxyde de carbone y est transporté à une pression de 15 à 20 bar (la pression baisse lorsque le volume de stockage croît) et une température comprise entre -22°C et -30°C. Les technologies utilisées empruntent les techniques et l'expérience opérationnelle des navires de transport GPL (pour « gaz de pétrole liquéfié ») Des capacités plus importantes de navires ont été considérées (de 40 000 à 100 000m3) dans le cadre de projets d'étude de faisabilité de capture du dioxyde de carbone, mais aucune référence opérationnelle n'existe à ce jour. À cette échelle, le dioxyde de carbone doit être transporté à plus faible pression (entre 7 et 9 bar préférentiellement) et à une température avoisinant -55°C. Or la technologie actuellement déployée de liquéfaction de dioxyde de carbone ne permet pas d'atteindre ce niveau de température. De plus, la technologie actuelle est basée sur l'utilisation d'un réfrigérant externe présentant un danger de toxicité. 15 OBJET DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de liquéfaction d'un flux de gaz comportant au moins 70% de dioxyde de carbone, qui comporte : 20 un compresseur du flux à une pression supérieure à 70 bar, configuré pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique, un échangeur thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe ou de dioxyde de carbone et - un circuit fermé de circulation du liquide réfrigérant externe, qui comporte : 25 - une première sortie de l'échangeur thermique, - un compresseur du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l'échangeur thermique et - un moyen de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé, 30 Grâce à ces dispositions : le dispositif opère un dioxyde de carbone à l'état supercritique, état dans lequel le dioxyde de carbone est dans une phase homogène entre les états liquide et vapeur ; ceci permet de réduire la consommation énergétique à 3 fournir pour liquéfier le dioxyde de carbone (sous la pression et température critique, la transition de phase est énergivore pour vaincre la chaleur latente de transition de phase) et le dioxyde de carbone atteint une température suffisamment basse pour 5 permettre le transport de dioxyde de carbone liquide à grande échelle ; Ceci permet également de rendre possible techniquement et viable économiquement le transport de dioxyde de carbone à grande distance (le dioxyde de carbone plus froid est également plus dense, donc pour un même volume de stockage nous obtiendrons une quantité en masse de produit plus 113 importante). Ceci pourrait permettre d'atteindre des marchés éloignés, vers lesquels le transport par pipelines ne peut pas être envisagé car non économique. De plus, le fait d'utiliser un dioxyde de carbone à l'état supercritique permet de réduire la taille des équipements, obtenant ainsi une solution compacte 15 Enfin, les émissions en gaz à effet de serre du procédé sont négligeables. Dans des modes de réalisation, le circuit fermé comporte, de plus : une première entrée dans l'échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant refroidi et au moins partiellement condensé, - une deuxième sortie de l'échangeur thermique, 20 un moyen de détente du flux de liquide réfrigérant issu de la deuxième sortie et une deuxième entrée dans l'échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant détendu. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention 25 comporte, en sortie de l'échangeur thermique, un moyen de détente du flux comportant du dioxyde de carbone liquéfié. Dans des modes de réalisation, le moyen de détente est une turbine de détente configurée pour entraîner mécaniquement, via un arbre, un compresseur. Ces modes de réalisation permettent de recycler une partie de l'énergie de 30 détente en énergie de compression. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en aval de la sortie de l'échangeur thermique, un ballon de séparation de phases gaz-liquide du flux comportant du dioxyde de carbone liquéfié. 4 Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de recirculation d'au moins une partie de la phase gazeuse du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon de séparation vers l'amont du compresseur. 5 Ces modes de réalisation permettent d'augmenter le rendement du dispositif. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un échangeur de chaleur, positionné entre le compresseur et l'échangeur thermique, du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé configure pour refroidir le flux comportant du dioxyde de carbone. Ces modes de réalisation permettent de maintenir le flux comportant du dioxyde de carbone comprimé à une température permettant une liquéfaction optimale du dioxyde de carbone. Dans des modes de réalisation, le flux de liquide réfrigérant détendu circule à contre-courant du flux comportant du dioxyde de carbone dans l'échangeur as thermique. Ces modes de réalisation augmentent la performance de l'échange thermique. Dans des modes de réalisation, le liquide réfrigérant comporte du propylène, de l'éthylène ou de l'éthane. Ces modes de réalisation évitent l'utilisation de composés réfrigérants 20 toxiques. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte, en amont de l'échangeur thermique, un moyen de détente du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention 25 comporte : - une déviation d'au moins une partie du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé, - un échangeur de chaleur du flux dévié configuré pour refroidir ce flux, un détendeur du flux dévié refroidi et 30 - un ballon secondaire de séparation de phases gaz-liquide du flux comportant du dioxyde de carbone dévié détendu. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de recirculation d'au moins une partie de la phase gazeuse 5 du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon secondaire de séparation vers l'amont du compresseur. Ces modes de réalisation améliorent le rendement global du dispositif. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention 5 comporte une conduite de fourniture d'au moins une partie de la phase liquide du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon secondaire de séparation vers l'échangeur thermique, le flux comportant du dioxyde de carbone fourni à l'échangeur thermique étant configuré pour refroidir le flux comportant du dioxyde de carbone comprimé d'une part et le liquide réfrigérant d'autre part. 10 Ces modes de réalisation augmentent l'efficacité énergétique du dispositif. Dans des modes de réalisation, le flux comportant du dioxyde de carbone liquide fourni à l'échangeur thermique circule à contre-courant du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé traversant l'échangeur thermique. Ces modes de réalisation améliorent l'efficacité de l'échange thermique. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte une conduite de circulation flux comportant du dioxyde de carbone, fourni par la conduite de fourniture, en sortie l'échangeur thermique vers le compresseur du flux comportant du dioxyde de carbone. Ces modes de réalisation améliorent le rendement global du dispositif. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de liquéfaction d'un flux comportant au moins 70 % de dioxyde de carbone, qui comporte : - une étape de compression du flux à une pression supérieure à 70 bar pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique, - une étape d'échange thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe et - une étape de circulation, en circuit fermé, du liquide réfrigérant externe, qui comporte : - une première étape de sortie de l'échangeur thermique, - une étape de compression du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l'échangeur thermique et - une étape de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé. 6 Les buts, avantages et caractéristiques particulières du procédé objet de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. 5 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l'invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : 10 la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, la figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et la figure 3 représente, schématiquement et sous forme d'un logigramme, une 15 succession d'étapes particulière du procédé objet de la présente invention. DESCRIPTION D'EXEMPLES DE RÉALISATION DE L'INVENTION La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout 20 autre mode de réalisation de manière avantageuse. On note dès à présent que les figures ne sont pas à l'échelle. Dans la présente description, on appelle REVENDICATIONS1. Dispositif (100, 200) de liquéfaction d'un flux de gaz comportant au moins 70% de dioxyde de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte : - un compresseur (105) du flux à une pression supérieure à 70 bar, configuré pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique, un échangeur (110) thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe ou de dioxyde de carbone et un circuit (115) fermé de circulation du liquide réfrigérant externe, qui comporte : 113 - une première sortie (120) de l'échangeur thermique, - un compresseur (125) du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l'échangeur thermique et - un moyen (130) de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé. 15 2. Dispositif (100, 200) selon la revendication 1, dans lequel le circuit (115) fermé comporte, de plus : - une première entrée (135) dans l'échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant refroidi et au moins partiellement condensé, 20 - une deuxième sortie (140) de l'échangeur thermique, - un moyen (145) de détente du flux de liquide réfrigérant issu de la deuxième sortie et une deuxième entrée (150) dans l'échangeur thermique du flux de liquide réfrigérant détendu. 25 3. Dispositif (100, 200) selon l'une des revendications 1 ou 2, qui comporte, en sortie de l'échangeur thermique, un moyen (155) de détente du flux comportant du dioxyde de carbone liquéfié. 14 4. Dispositif (100, 200) selon la revendication 3, dans lequel le moyen (155) de détente est une turbine de détente configurée pour entraîner mécaniquement, via un arbre, un compresseur (125, 105). 5. Dispositif (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 4, qui comporte, en aval de l'échangeur (110) thermique, un ballon (160) de séparation de phases gaz-liquide du flux comportant du dioxyde de carbone liquéfié. 6. Dispositif (100, 200) selon la revendication 5, qui comporte une conduite (165) de recirculation d'au moins une partie de la phase gazeuse du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon (160) de séparation vers l'amont du compresseur (105). 7. Dispositif (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 6, qui comporte un échangeur (170) de chaleur, positionné entre le compresseur (105) et l'échangeur (110) thermique, du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé. 8. Dispositif (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le flux de liquide réfrigérant détendu circule à contre-courant du flux comportant du dioxyde de carbone dans l'échangeur (110) thermique. 9. Dispositif (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le liquide réfrigérant comporte du propylène, de l'éthylène ou de l'éthane. 10. Dispositif (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 9, qui comporte, en amont de l'échangeur (110) thermique, un moyen (175) de détente du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé. 11. Dispositif (200) selon l'une des revendications 1 à 10, qui comporte : - une déviation (205) d'au moins une partie du flux de dioxyde comportant du carbone comprimé, - un échangeur (210) de chaleur du flux dévié configure pour refroidir ce flux, - un détendeur (215) du flux dévié refroidi et 15 - un ballon (220) secondaire de séparation de phases gaz-liquide du flux comportant du dioxyde de carbone dévié détendu. 12. Dispositif (200) selon la revendication 11, qui comporte une conduite (225) de 5 recirculation d'au moins une partie de la phase gazeuse du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon (220) secondaire de séparation vers l'amont du compresseur (105). 13. Dispositif (200) selon l'une des revendications 11 ou 12, qui comporte une 10 conduite (230) de fourniture d'au moins une partie de la phase liquide du flux comportant du dioxyde de carbone présent dans le ballon (220) secondaire de séparation vers l'échangeur (110) thermique, le flux comportant du dioxyde de carbone fourni à l'échangeur thermique étant configuré pour refroidir le flux comportant du dioxyde de carbone comprimé d'une part et le liquide réfrigérant 15 d'autre part. 14. Dispositif (200) selon la revendication 13, dans lequel le flux comportant du dioxyde de carbone liquide fourni à l'échangeur (110) thermique circule à contre-courant du flux comportant du dioxyde de carbone comprimé traversant l'échangeur 20 thermique. 15. Dispositif (200) selon l'une des revendications 13 ou 14, qui comporte une conduite (235) de circulation du flux comportant du dioxyde de carbone, fourni par la conduite (230) de fourniture, en sortie l'échangeur (110) thermique vers le 25 compresseur (105) du flux comportant du dioxyde de carbone. 16. Procédé (300) de liquéfaction d'un flux comportant au moins 70 % de dioxyde de carbone, caractérisé en ce qu'il comporte : une étape (305) de compression du flux à une pression supérieure à 70 bar 30 pour que le flux comportant du dioxyde de carbone soit dans un état supercritique, une étape (310) d'échange thermique entre le flux comportant du dioxyde de carbone et un flux de liquide réfrigérant externe et 16 une étape (315) de circulation, en circuit fermé, du liquide réfrigérant externe, qui comporte : - une première étape (320) de sortie de l'échangeur thermique, - une étape (325) de compression du flux de liquide réfrigérant issu de la première sortie de l'échangeur thermique et - une étape (330) de refroidissement et de condensation au moins partielle du flux de liquide réfrigérant comprimé.