Brevet FR3083991A1 — publié le 20200124

Système de purification d'un mélange de gaz, procédé et installation associés La présente invention concerne un système de purification d'un mélange de gaz comprenant au moins un premier gaz à purifier et un deuxième gaz à extraire, le système de purification comprenant : - au moins une première colonne et une deuxième colonne de purification, chaque colonne présentant une entrée et une sortie et contenant un matériau propre à adsorber le deuxième gaz ; - une alimentation de l'entrée de chaque colonne en mélange de gaz, munie d'une première vanne; et - un collecteur propre à recueillir du gaz purifié à la sortie de chaque colonne, muni d'une deuxième vanne. L'invention concerne notamment la purification d'un mélange gazeux riche en méthane, par exemple d'un flux de biogaz ou de gaz naturel déjà partiellement épuré. Un tel flux de gaz comprend encore des impuretés telles que du dioxyde de carbone, avec une concentration typiquement de l'ordre de 3% en volume. Afin que le gaz riche en méthane soit propre à la distribution, et notamment afin de pouvoir le liquéfier ponctuellement à des fins de transport et/ou de stockage, il est nécessaire de réduire le taux de dioxyde de carbone, et notamment en dessous de 2300 ppmv (partie par million volumique, ou 0,23% en volume). Les méthodes connues pour la séparation du dioxyde de carbone d'un flux riche en méthane, qui permettent d'atteindre ce niveau de pureté, comprennent la séparation sur membrane, le lavage à l'eau, aux amines ou avec un solvant spécifique, le passage sur un tamis moléculaire régénérés à la chaleur et/ou à la pression (PSA, PTA, PTSA) et l'épuration cryogénique. Ces méthodes ne donnent pas toujours entière satisfaction. En effet de tels dispositifs nécessitent un apport conséquent en énergie, ainsi que des travaux de mise en place généralement longs et couteux. Ils ne sont donc pas bien adaptés pour des installations de purification de gaz fonctionnant ponctuellement, voire installées auprès des sources de gaz de manière temporaires. Un but de l'invention est donc de fournir une méthode de purification de gaz n'impliquant pas d'équipements consommant beaucoup d'énergie et nécessitant des travaux d'installation conséquents. A cet effet, l'invention a pour objet un système de purification du type précité, dans lequel le système de purification comprend également : 2 - un dispositif externe, mettant en oeuvre une activité dont résulte une émission fatale de gaz neutre, le dispositif externe étant relié fluidiquement aux colonnes de manière à récupérer le gaz neutre fatal et à le convoyer vers chaque colonne, à travers une troisième vanne, 5 le système de purification étant configuré pour injecter le gaz neutre fatal dans les colonnes avec une température comprise entre 5°C et 40°C, notamment entre 5°C et 30°C, et avec une pression comprise entre 1,5 bar et 10 bar, notamment entre 1,5 bar et 5 bar Selon des modes de réalisation particuliers, le système selon l'invention présente 10 l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute combinaison techniquement réalisable : - le système de purification comprend : - un étage de vannes d'alimentation, propre à mettre en communication l'entrée de chaque colonne indépendamment avec la première vanne ; 15 - un étage de vannes de sortie, propre mettre en communication la sortie de chaque colonne indépendamment avec la deuxième vanne ; - un étage de vannes de régénération, propre à mettre en communication chaque colonne indépendamment avec la troisième vanne ; - un étage de vannes de purge amont et un étage de vannes de purge 20 aval, propres mettre en communication respectivement l'entrée et la sortie de chaque colonne indépendamment avec l'atmosphère ; - le système comprend de plus une source secondaire de gaz neutre sous forme gazeuse et un étage de vannes de piston, propre à mettre en communication chaque colonne indépendamment avec la source secondaire ; 25 - la source secondaire est un réservoir d'alimentation du dispositif externe, notamment contenant le gaz neutre sous forme liquide ; - le premier gaz est le méthane, le deuxième gaz est le dioxyde de carbone et le gaz neutre est le diazote. L'invention a également pour objet un procédé de purification d'un mélange de gaz 30 comprenant au moins un premier gaz à purifier et un deuxième gaz à extraire, mettant en oeuvre un système de purification tel que décrit plus haut, le procédé comprenant les étapes suivantes : - injection du mélange de gaz dans la première colonne de purification et adsorption du deuxième gaz dans la première colonne ; 3 - simultanément à l'injection dans la première colonne, régénération de la deuxième colonne par circulation d'un flux de gaz neutre dans la deuxième colonne et désorption du deuxième gaz dans la deuxième colonne ; - fin de l'injection dans la première colonne et de la régénération de la deuxième 5 colonne, et inversion des colonnes ; - injection du mélange de gaz dans la deuxième colonne et adsorption du deuxième gaz dans la deuxième colonne ; et - simultanément à l'injection dans la deuxième colonne, régénération de la première colonne par circulation d'un flux de gaz neutre et désorption du deuxième gaz 10 dans la première colonne ; et - fin de l'injection dans la deuxième colonne et de la régénération de la première colonne, inversion des colonnes et reprise du procédé à la première étape d'injection ; dans lequel le flux de gaz neutre est un flux de gaz fatal issu du dispositif extérieur, injecté dans les colonnes avec une température comprise entre 5°C et 40°C, 15 notamment entre 5°C et 30°C, et avec une pression omprise entre 1,5 bar et 10 bar, notamment entre 1,5 bar et 5 bar. Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé selon l'invention présente l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute combinaison techniquement réalisable : 20 - l'inversion des colonnes comprend une étape de récupération du mélange de gaz résiduel dans la colonne dans laquelle l'étape d'injection vient de se finir, par l'envoi d'un flux piston de gaz neutre par l'entrée de la colonne, avant la régénération de la colonne ; - l'inversion des colonnes comprend une étape de purge du gaz neutre résiduel 25 dans la colonne dans laquelle la régénération vient de se finir, par l'envoi du mélange de gaz à l'entrée de la colonne et la mise en communication de la sortie de la avec l'atmosphère ; - l'étape de fin de l'injection et de la régénération et d'inversion des colonnes est déclenchée quand un taux de deuxième gaz, mesuré à en amont du collecteur, passe au- 30 dessus d'un seuil prédéterminé. L'invention a en outre pour objet une installation de production de gaz liquéfié, comprenant un système de purification d'un mélange de gaz tel que décrit plus haut, dans laquelle le dispositif externe comprend un dispositif de liquéfaction de gaz recevant le gaz purifié à travers le collecteur, 4 le dispositif de liquéfaction comprenant un réservoir de gaz neutre liquide et un échangeur thermique propre à mettre en contact thermique le gaz purifié et le gaz neutre liquide, de sorte à liquéfier le gaz purifié et à vaporiser le gaz neutre, le dispositif de liquéfaction étant configuré pour récupérer le gaz neutre vaporisé et 5 l'envoyer vers les colonnes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - les figures 1 à 6 représentent un système de purification selon l'invention au 10 cours de différentes étapes d'un procédé de purification de gaz. Un système de purification de gaz 10 est représenté sur les figures 1 à 6. Dans tout ce qui suit, les termes « entrée » et « sortie », « amont » et c REVENDICATIONS1.- Système de purification (10) d'un mélange de gaz comprenant au moins un premier gaz à purifier et un deuxième gaz à extraire, le système de purification (10) comprenant : - au moins une première colonne (12A) et une deuxième colonne (12B) de purification, chaque colonne (12A, 12B) présentant une entrée (14) et une sortie (16) et contenant un matériau propre à adsorber le deuxième gaz ; - une alimentation (18) de l'entrée (14) de chaque colonne (12A, 12B) en mélange de gaz, munie d'une première vanne (V1) ; et - un collecteur (20) propre à recueillir du gaz purifié à la sortie (16) de chaque colonne (12A, 12B), muni d'une deuxième vanne (V2) ; caractérisé en ce que le système de purification (10) comprend également : - un dispositif externe (22), mettant en oeuvre une activité dont résulte une émission fatale de gaz neutre, le dispositif externe (22) étant relié fluidiquement aux colonnes (12A, 12B) de manière à récupérer le gaz neutre fatal et à le convoyer vers chaque colonne (12A, 12B), à travers une troisième vanne (V3), le système de purification (10) étant configuré pour injecter le gaz neutre fatal dans les colonnes avec une température comprise entre 5°C et 40°C, notamment entre 5°C et 30°C, et avec une pression comprise entre 15 bar et 10 bar, notamment entre 1,5 bar et 5 bar. 2.- Système de purification (10) selon la revendication 1, comprenant : - un étage de vannes d'alimentation (30A, 30B), propre à mettre en communication l'entrée (14) de chaque colonne (12A, 12B) indépendamment avec la première vanne (V1); - un étage de vannes de sortie (36A, 36B), propre mettre en communication la sortie (16) de chaque colonne (12A, 12B) indépendamment avec la deuxième vanne (V2) - un étage de vannes de régénération (38A, 38B), propre à mettre en communication chaque colonne (12A, 12B) indépendamment avec la troisième vanne (V3) ; 12 - un étage de vannes de purge amont (34A, 34B) et un étage de vannes de purge aval (40A, 40B), propres mettre en communication respectivement l'entrée (14) et la sortie (16) de chaque colonne (12A, 12B) indépendamment avec l'atmosphère. 5 3.- Système de purification (10) selon la revendication 1 ou 2, comprenant de plus une source secondaire (26) de gaz neutre sous forme gazeuse et un étage de vannes de piston (32A, 32B), propre à mettre en communication chaque colonne (12A, 12B) indépendamment avec la source secondaire (26). 10 4.- Système de purification (10) selon la revendication 3, dans lequel la source secondaire (26) est un réservoir d'alimentation du dispositif externe (22), notamment contenant le gaz neutre sous forme liquide. 5.- Système de purification (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 15 dans lequel le premier gaz est le méthane, le deuxième gaz est le dioxyde de carbone et le gaz neutre est le diazote. 6.- Procédé de purification d'un mélange de gaz comprenant au moins un premier gaz à purifier et un deuxième gaz à extraire, mettant en oeuvre un système de purification 20 (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le procédé comprenant les étapes suivantes : - injection du mélange de gaz dans la première colonne (12A) de purification et adsorption du deuxième gaz dans la première colonne (12A) ; - simultanément à l'injection dans la première colonne (12A), régénération de la 25 deuxième colonne (12B) par circulation d'un flux de gaz neutre dans la deuxième colonne (12B) et désorption du deuxième gaz dans la deuxième colonne (12B) ; - fin de l'injection dans la première colonne (12A) et de la régénération de la deuxième colonne (12B), et inversion des colonnes (12A, 12B); - injection du mélange de gaz dans la deuxième colonne (12B) et adsorption du 30 deuxième gaz dans la deuxième colonne (12B) ; et - simultanément à l'injection dans la deuxième colonne (12B), régénération de la première colonne (12A) par circulation d'un flux de gaz neutre et désorption du deuxième gaz dans la première colonne (12A) ; et - fin de l'injection dans la deuxième colonne (12B) et de la régénération de la première colonne (12A), inversion des colonnes (12A, 12B) et reprise du procédé à la première étape d'injection ; 13 caractérisé en ce que le flux de gaz neutre est un flux de gaz fatal issu du dispositif extérieur (22), injecté dans les colonnes (12A, 12B) avec une température comprise entre 5°C et 40°C, notamment entre 5°C et30°C, et avec une pression comprise entre 1,5 bar et 10 bar, notamment entre 1,5 bar et 5 bar. 5 7.- Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'inversion des colonnes (12A, 12B) comprend une étape de récupération du mélange de gaz résiduel dans la colonne (12A, 12B) dans laquelle l'étape d'injection vient de se finir, par l'envoi d'un flux piston de gaz neutre par l'entrée (14) de la colonne (12A, 12B), avant la régénération de la colonne 10 (12A, 12B). 8.- Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l'inversion des colonnes (12A, 12B) comprend une étape de purge du gaz neutre résiduel dans la colonne (12A, 12B) dans laquelle la régénération vient de se finir, par l'envoi du mélange de gaz à 15 l'entrée (14) de la colonne (12A, 12B) et la mise en communication de la sortie (16) de la colonne (12A, 12B) avec l'atmosphère. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l'étape de fin de l'injection et de la régénération et d'inversion des colonnes (12A, 12B) est 20 déclenchée quand un taux de deuxième gaz, mesuré à en amont du collecteur (20), passe au-dessus d'un seuil prédéterminé. 10.- Installation de production de gaz liquéfié, comprenant un système de purification (10) d'un mélange de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 25 dans laquelle le dispositif externe (22) comprend un dispositif de liquéfaction de gaz recevant le gaz purifié à travers le collecteur (20), le dispositif de liquéfaction comprenant un réservoir de gaz neutre liquide et un échangeur thermique propre à mettre en contact thermique le gaz purifié et le gaz neutre liquide, de sorte à liquéfier le gaz purifié et à vaporiser le gaz neutre, 30 le dispositif de liquéfaction étant configuré pour récupérer le gaz neutre vaporisé et l'envoyer vers les colonnes (12A, 12B).